高喷灌浆技术在卵砾石层地下水库构筑中的应用

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据统计，全国有310个城市以开采利用地下水作为供水水源，约占全国城市供水的71％。其中54个城市以地下水为主要供水水源，北方城市占46个，南方城市占8个。经综合论证，建设地下水库，尤其是建设河谷型地下水库，是开发利用地下水资源的重要途径^［1］。目前，地下水库已成为世界上解决供水问题的有效措施和基本手段。欧洲一些国家专门利用地下水库进行人工补给地下水后取水使用。以色列为了满足全国供水，使用地下水库作为供水水源的中间调节库，解决了水资源短缺问题。地下水库由以下工程系统组成：补源工程、地表拦蓄工程、排污工程、地下帷幕工程。截渗坝工程、提水工程、供水工程、咸水排泄工程、管理监测系统。地下截渗坝工程是地下水库的重要组成部分，与地表拦蓄工程密切配合，将最后一道拦蓄闸和地下截渗坝上下连接共同拦蓄水资源。
    高压喷射灌浆（high pressure jet grouting）是利用能量较大的水气同轴喷射切割掺搅地层，同时将凝结材料，如水泥浆，灌注掺搅地层，形成要求性状的凝结体。过去一直认为，高喷灌浆技术只适用于均匀细颗粒松散地层，对其他地层，多持慎重或怀疑态度。但经多年的研究和工程试验证明，只要控制措施和工艺参数选择得当，在各种松散地层均可采用该技术^［2,3］。作者以烟台夹河卵砾石层地下水库建设为例，研究了高喷灌浆技术的应用。

    1、工程概况

    夹河地下水库是一项解决烟台市水资源紧缺、防止海水入侵、改善生态环境的新建大型工程，位于烟台市福山区，坝址西起朱甲山经永福园至宫家岛，坝线全长2511m。水库控制流域面积2200km²，含水层厚度15.5～27.6m，给水度μ=0.35～0.45，总库容2.05×10.8m³，调节库容0.65×10.8m³。水库建成后可增加市区供水量960×10.4m³。
    根据SL252-2000水利水电工程等级划分标准，夹河地下水库为大(二）型工程，属二等工程、二级建筑物，工程区地震烈度为Vll度。经科学分析，采用高压喷射灌浆技术构筑地下水库截渗坝。工程于2000年11月16日开工至2001年8月10日竣工。
    夹河地下水库截渗坝工程，坝轴线以永福园基岩隆起为界分为东西两坝段，详见图1。东坝段工程：西起永福园东至宫家岛，桩号为3＋486.l～4＋444.3，长958m，其中桩号3＋486.1～3＋754.4、4＋277.6～4＋444.3为单排摆喷防渗墙，桩号3＋754.4～4＋277.6为双排摆喷防渗墙。坝顶高程0.5m，坝底高程-1～29.53m，平均坝高15m，最大坝高29.3m。建检查围井6个，建水位观测井8个。西坝段工程：西起朱甲山东至永福园，桩号为0＋629.2～2+182.2，长1553m，其中桩号0＋629.2～l＋520为双排半圆喷防渗墙，桩号1＋520～2＋182.2为单排摆喷防渗墙。坝顶高程-3.5m，坝底高程-4.1～34.5m，最大坝高31m。建检查围井5个，建水位观测井8个。

      2、场地水文地质工程地质条件

    坝轴线地处夹河冲积平原下游，距夹河入海口6.2km，地势较为平坦。西起朱甲山经永福园至宫家岛，勘探全线长4620m，被永福园基岩隆起分为东西两坝段。东坝段第四系厚度6～33m，西坝段第四系厚度12～38m，东、西坝段各地层岩性分布和渗透系数见表1^［4］。 表1  东、西坝段各地层岩性分布和渗透系数 地点 层底埋深／m 层底高程／m 地 层岩性 渗透系数／(cm·s^-1) 东
坝
段 4.60～8.20
7.40～18.20
17.30～21.80
20.00～33.00
未揭穿 0.13～-4.07
-2.20～-14.59
-12.73～-17.50
-14.59～-28.20
未揭穿 全新统冲洪积、海积层，主要由粉砂、细砂组成
全新统海积层，主要由淤泥质粉细砂、淤泥质粉质粘土和淤泥组成
上更新统冲洪积层，主要由中粗砂砾石组成，夹薄层粉质粘性土透镜体
中更新统冲洪积层，主要由砂、 砂砾石及卵砾石组成，夹薄层粘土透镜体，粒径最大110mm，大于30mm的含量占10%～30% ，2～30mm占50%左右
基岩层，岩性主要为云母片岩、透闪岩、石墨透闪大 理岩(无岩溶发育) i×10^-3
i×10^-4
i×10^-2
i×10^-1
i×10^-6 西
坝
段 2.30～10.20
8.00～13.16
11.00～25.2
23.55～37.91
未揭穿 -2.28～-5.82
-3.81～-8.93
-6.42～-20.92
-19.36～-33.99
未揭穿 全新统冲洪积、海积层，主要由粉土、粉质粘土及中砂组成
全新统海积层，主要由淤泥质砂、淤泥质土及淤泥组成
上更新统冲洪积层，岩性多为中砂、 粗砂及含砾粗砂，颗粒呈次棱角及次圆状，分选性中等，粒径一般为0.25～10mm，最大可 达5cm
中更新统冲洪积层，岩性较单一，多 为卵砾石，颗粒多为次棱角状，粒径一般为10～50mm，最大可达200mm，渗透性好，为强富 水层
基岩层，岩性主要为透闪大理岩、大理岩及变粒岩 (无岩溶发育) i×10^-3
i×10^-5
i×10^-2
i×10^-1
i×10^-6       3、地下截渗坝的结构形式与工程布置的特点

    3.1 地下截渗坝的结构形式       根据场地水文地质工程地质条件，对东、西坝段高喷防渗墙采用不同的结构形式。
    东坝段：东坝段设计坝顶高程为0.5m，为确保砂砾石层成墙质量，在桩号3＋754.4～4＋277.6段采用双排摆喷防渗墙，排距为0.8m，两排钻孔平行对应布置，孔深22～32m，通过现场试验确定孔距为1.6m。其余坝段中粗砂层和粉细砂层采用单排摆喷防渗墙，桩号3＋622～3＋754.4、4＋277.6～4＋312段，孔深12～22m，孔距为1.6m；桩号3＋486.1～3＋622、4＋312～4＋444.3段，孔深5～12m，通过现场试验确定孔距为1.8m。设计允许最大孔斜率为0.7％。设计和施工后形成双排孔平行布置摆喷折线连接菱形结构，见图2(a、c）。
    西坝段：西坝段设计坝顶高程为-3.5m，为确保砂砾石层成墙质量，在桩号0＋630～l＋520段采用双排半圆喷防渗墙，排距为0.8m，两排孔梅花形布置，孔深30～43m，通过现场试验确定孔距为2.0m。其余坝段砾粗砂层和粉细砂层采用单排摆喷防渗墙，桩号1＋520～2＋149.2，孔深13～30m，孔距为1.6m，桩号2＋149.2～2＋182.2段，孔深12～13m，孔距为2.0m。设计允许最大孔斜率为0.7％。设计和施工后形成双排半圆相向对喷结构，见图2(b、d)。       3.2 结构形式与工程布置的特点       常规的双排孔布置形式有双排孔平行布置摆喷轴线对接平行结构、双排孔梅花形布置摆喷轴线对接平行结构、双排孔平行布置摆喷折线连接平行结构、双排孔梅花形布置摆喷折线连接平行结构（图3）。根据该工程的水文地质和工程地质条件（东坝段深度20～33m为砂砾石层），采用高喷灌浆双排孔平行布置摆喷折线连接菱形结构，取代了上述四种结构形式，从图2、图3对比可以看出，高喷灌浆双排孔平行布置摆喷折线连接菱形结构具有如下优点：(1)增加了连接的可靠性，每4个高喷灌浆孔摆喷形成了一个围井，增加了墙体有效厚度，使两排墙体有机形成了一体；(2)由于钻孔平行布置，而钻孔处是墙体扩散最轻的部位，这样第二排孔的钻灌不易碰到第一排墙体上，而以往的双排高喷灌浆孔梅花型布置，采用的是对接方式，在砂砾石层中孔深多为20～40m的单排摆喷防渗墙连接不牢靠，尤其是第二排的孔位正好在第一排扩散最大的位置，常使第二排钻孔遇到第一排孔的高喷灌浆
      凝结体上，使孔偏斜或高喷灌浆喷射不出去，第二排防渗墙不能连续，失去作用，且两排防渗墙单独成墙，不能连成一体，使防渗效果打了折扣。因此，高喷灌浆双排孔平行布置摆喷折线连接菱形结构，既体现了单排摆喷折线连接的可靠性，又在不增加工程量的前提下，将其相邻4个孔构成数个相互连接的菱形围井，它较两排平行独立成墙的防渗墙大大提高了防渗效果。两排平行独立成墙的防渗墙缺点是：如每排一个孔存在质量问题，就形成了漏水通道。两排是菱形结构，其一个菱形结构两排各一孔存在质量问题的概率极小。所以，一个单独的菱形围井在注水试验时，即便渗透系数K值大点或达不到设计要求，从防渗墙的总体上看，不一定不合格。因为，在菱形围井的任一边出点质量问题，都直接影响渗透系数K值的大小，而一个菱形围井只有一个边有质量问题，并不影响防渗墙的整体防渗作用。 图3 高喷灌浆中常规双排孔布置的几种形式       在不同类型的地层中旋喷套接结构形式见图4，该工程中根据西坝段的地层特点（孔深30～40m为卵砾石层），我们设计采用高喷灌浆双排孔梅花形布置半圆相向对喷结构（图2）取代了图4中旋喷套接结构形式。根据图4、图2对比可以看出，按旋喷套接灌浆形式方案施工，一序钻孔钻灌完毕后，由于卵砾石、粗砾砂、粉细砂层等不是均质地层，喷射体形状并不一定十分规则，在复杂非均质地层中旋喷桩直径一般为1～2m，设计孔距是根据现场试验最小喷射半径确定的，高喷施工时极有可能喷射至二序孔位置，当二序孔钻灌时受一序孔高喷灌浆凝结体阻隔，孔易钻斜，钻孔穿过一序孔的高喷灌浆凝结体时，高喷灌浆喷射不出去，形成“天窗”。防渗墙体不能连续，影响整体防渗效果，因而旋喷套接在这种地层中用来形成地下截渗坝是不适宜的。双排半圆喷每排中的孔距为2m，双排半圆喷孔数量与单排旋喷孔数量相等，相邻孔的间距由1?0m增加到1?28m，第二排孔的钻灌受第一排影响的机率大大减少，且由单排旋喷改为双排半圆相向对喷后，缩短了工期，从而也降低了工程造价。 图4  双排摆喷菱形结构和半园相向对喷结构 　 图5 试验围井结构(单位：m)     4、地下截渗坝施工技术参数的确定

    夹河地下水库截渗坝工程在开工前，选择与坝上地质条件相符合的场地进行单喷和围井试验，试验时采用多种技术参数，通过试验能够反映出高喷灌浆摆喷、半圆喷结构对该工程所起到的防渗效果。开挖可直观看到高喷防渗墙的连接形式、喷射长度、厚度、形状、强度等，通过试验结果确定坝上高喷灌浆施工技术参数，以确保各地层灌浆技术参数的可靠性。设计摆喷有效长度为2.0m，半圆喷有效半径为0.8m。试验围井结构平面图、剖面图见图5。
    根据围井试验结果，对高喷灌浆施工技术参数进行修正，修正后的施工技术参数见表2、表3。设计要求防渗墙插入基岩全（强）风化1.0m，基岩渗透系数k=i×10^-6cm/s，强风化局部裂隙发育，施工中对漏浆孔进行特殊处理，喷灌时先进行静压灌浆直到不漏浆为止。半圆喷采用90°双向喷头，起点沿坝轴线方向外摆90°。摆喷墙采用180°双向喷头，摆喷起点与坝轴线呈5°夹角，外摆30°，一序 表2 东坝段高喷灌浆施工技术参数 高压水   压缩气   水泥浆   浆液比重   摆  喷 压力/MPa 流量/(L／min)   压力/MPa 流量/(m³／min)   压力/MPa 流量/(L/min)   送浆/(g／cm³) 回浆/(g／cm³)   砂土层提升速度/ (cm／min) 粗砂层提升速度/(cm／min) 砾石层 提升速度/(cm／min) 基岩提升速度/(cm／min) 摆动次数 /(次／min) 36～38 75   0.6～0.7 1～1.2   0～0.2 80   1.65～1.75 1.2～1.3   12 12 8 5～6 8～12 孔与二序孔呈折线连接，摆喷折线夹角为110°。为了确保防渗墙成墙质量，转折点采用旋喷连接，双排防渗墙体厚度为0.8m，单排防渗墙体厚度为0.3～0.6m。 表3  西坝段高喷灌浆施工技术参数 高压水   压缩气   水泥浆   浆液比重   摆  喷 压力/MPa 流量/(L／min)   压力/MPa 流量/(m³／min)   压力/MPa 流量/(L/min )   送浆/(g／cm³) 回浆/(g／cm³)   砂土层提升速度/ (cm／min) 粗砂层提升速度/(cm／min) 砾石层 提升速度/(cm／min) 基岩提升速度/(cm／min) 摆动次数 /(次／min) 36～38 75   0.6～0.8 1～1.2   0～0.2 80   1.7～1.75 1.2～1.3   12 10 8 6 4～6     5、地下截渗坝施工工艺与质量控制

    5.1 施工设备及工艺流程       高喷灌浆施工用的主要设备有地质钻机、钻孔测斜仪、高喷台车、高压水泵、空压机、搅灌机、灌浆泵、螺旋上料机、电焊机等。施工用主要材料是425#抗硫盐（免检)水泥，施工时一套设备每天库存80t水泥，施工用粘土每天存放20t，施工用水采用钻水井抽水，施工时一套设备每小时用水15m³，施工用电一套设备需200kW。施工工艺流程见图6。 图6  高喷灌浆施工工艺流程     5.2 施工质量控制指标
      5.2.1  钻机造孔质量控制指标       （1）定孔  坝轴线允许误差1cm，孔位误差不超过2cm；(2)钻孔  钻机对准孔位误差不超过2cm；（3）孔口径  开孔口径大于150mm，终孔口径大于130mm；(4)钻进  机体要平稳、牢固，每钻进5m测量机体、立轴垂直一次；（5）泥浆护壁  粘土泥浆容重为1.1～1.25g/cm³；(6)先导孔  分层界面取芯，孔深进入基岩1.3m取芯；（7）钻孔深度  按设计要求孔深进入不漏浆的基岩全（强）风化层2m；(8)终孔  终孔后用新浆液将孔内岩粉置换干净，保证高喷顺利下管；（9）测斜  孔深东坝段大于20m、西坝段大于30m的孔斜率不大于0.7％；（10)记录  钻进过程中要详细记录地层变化、漏浆位置、深度、时间，记录表经监理、技术员、机台长签字后当天送交技术组。
      5.2.2  高喷灌浆质量控制指标       （1）分序施工  一序孔与二序孔（如图2所示）灌浆施工间隔时间不小于24h：(2)下喷射管  下至设计深度，下落深度不够时请示监理部门批准；(3)摆喷方向  摆喷以施工轴线呈5°夹角为起点，外摆30°，允许误差±2°，半圆喷以施工轴线为起点，外摆90°，允许误差±5°；（4）提升速度  提速允许误差不超过±5mm／min；（5）摆动速度  摆速允许误差不超过±1次／min；（6）水压力  控制在36～38MPa之间，水咀直径1.8～1.9mm；（7）气压力  控制在0.6～0.8MPa之间，气咀直径9mm；(8)制浆  采用425#抗硫盐水泥，纯水泥浆，送浆比重控制在(1.6～1.65)g/cm³之间；利用回浆，送浆比重控制在1.7～1.75g/cm³之间，每隔30min测量送浆比重、回浆比重一次，要详细记录；（9）水泥  对所进水泥按批号分开堆放，按先后顺序分批使用；（10）水泥检验  所进水泥每400t取样化验一次，检测水泥安定性和强度指标，不合格的水泥严禁使用；（11）水泥用量  统计每一个孔的水泥用量，每20个水泥袋捆成一捆：（12）灌浆记录  喷射过程中对冒浆情况、漏浆位置、深度、时间要详细记录；（13）终喷充填  终喷后用比重1.7～1.75g/cm³浆液将孔内充填满，直到孔口浆面不再下沉为止；（14）终喷验收  终喷经现场质检人员和监理人员签字验收；（15）高喷记录  记录表要填写清楚、整洁，经监理、技术员签字后，当天将记录表当天交技术组；（16)回灌  喷射结束将孔内充填满后及时利用冒浆回灌到地面，严禁使用带有黄泥和淤泥的冒浆进行回灌，做好原始标记；（17)因各种原因使喷射中断超过30分钟，恢复喷射时，要下落0.5m再开喷；超过2h，恢复喷射时，要下落0.7m再开喷。
      5.3  施工中质量问题及处理       东坝段施工中发现的质量问题及处理措施如下：钻孔施工过程中有28个孔是在强风化大理岩中漏浆，有2个孔是在卵砾石层漏浆，采用稠粘土浆堵漏；高喷灌浆施工时因漏浆埋管15孔次，扫孔、重新下管，采用稠水泥浆先静灌充填饱满后高喷灌浆；在第二排钻孔施工时有3个孔遇到第一排防渗墙的水泥凝结体，深度在3.8～15.8m，地层岩性为淤泥质砂和中粗砂，说明该孔岩性密实度松散，高喷半径达到2m，高喷孔遇水泥凝结体是喷不出去的，通过补孔来保证高喷防渗墙体的有效连接。
    西坝段施工中发现的质量问题及处理措施如下：在施工轴线上地下埋设有管线，在钻孔和高喷灌浆施工过程中有3个孔因掉钻和埋高喷管造成报废，通过移孔和补孔来保证高喷防渗墙体的有效连接。

    6、地下截渗坝的防渗效果

    东坝段和西坝段单元工程高喷灌浆结束后，根据工程结构形式和深度选用围井或其他方法进行检查高喷防渗墙的质量。检查部位宜布置在地层复杂的部位、漏浆严重的部位、可能存在质量缺陷的部位。 表4  各地层岩性及渗透系数及高喷防渗墙的渗透系数   地层岩性 状态密度 底板埋深/m 底板 埋深/m 原地层渗透系数k/(cm·s^-1) 防渗墙渗透系数k/(cm·s^-1) 东
坝
段 粉细砂
淤泥质砂
中粗砂
砂砾石
基岩强风化 松散
软塑
稍密
中密
坚硬 4.6～8.2
3.8～14.2
0.0～9.8
0.0～15.3
0.5～2.2 4.6～8.2
7.4～18.2
17.3～21.8
20.0～33.0
14.0～34.2 i×10^-3
i×10^-4
i×10^-2
i×10^-1
i×10^-6 3～6×10^-7
3～8 ×10^-8
2 ～6×10^-6
2～8×10^-6
5～9×10^-7 西
坝
段 粉细砂
淤泥质砂
砾粗砂
卵砾石
基岩全风化 松散
软塑
稍密
中密
密实 2.3～10.2
3.8～14.2
1.2～15.0
0.0～19.2
1.0～2.2 2.3～10.2
8.0～13.2
11.0～25.2
23.6～38.6
16.5～40.8 i×10^-3
i×10^-5
i×10^-2
i×10^-1
i×10^-6 3～6×10^-7
3～8 ×10^-8
2～8×10^-6
2～5×10^-5
1～6×10^-7       为检查高喷板墙的最终效果，通过12个检查围井注水试验和12个钻孔高喷防渗墙体取样及钻孔注水试验，得出各地层高喷防渗墙的渗透系数k=i×(10^-5～10^-7)cm/s数量级（各地层岩性及渗透系数与高喷防渗墙的渗透系数见表4），其渗透系数均满足了设计要求，证明高喷防渗墙的防渗性能是可靠的，通过截渗坝上下游水位观测和水质分析，截渗坝高喷防渗墙起到了防止海水倒灌的作用，为库区地下水开采提供了保障。