高噴灌漿技術(shù)在卵礫石層地下水庫構(gòu)筑中的應(yīng)用

1、高噴灌漿技術(shù)在卵礫石層地下水庫構(gòu)筑中的應(yīng)用 摘要以煙臺市夾河地下水庫工程為例，采 用高噴灌漿技術(shù)的半圓相向?qū)姾碗p排擺噴菱形結(jié)構(gòu)的新的施工方案，成功地在夾河卵礫石 層中構(gòu)筑了地下水庫截滲壩工程。在分析場地水文地質(zhì)工程地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，研究了 地下水庫截滲壩的結(jié)構(gòu)形式與工程布置，探討了施工工藝和質(zhì)量控制問題。 關(guān)鍵詞高噴灌漿 地下水庫截滲壩 半圓相向?qū)?雙排擺噴菱形結(jié)構(gòu) 據(jù)統(tǒng)計(jì)，全國有310個(gè)城市以開采利用地下水作為供水水源，約占全國城市供水的71。其中54個(gè)城市以地下水為主要供水水源，北方城市占46個(gè)，南方城市占8個(gè)。經(jīng)綜合論證，建設(shè)地下水庫，尤其是建設(shè)河谷型地下水庫，是開發(fā)利用地下水資源的

2、重要途徑1。目前，地下水庫已成為世界上解決供水問題的有效措施和基本手段。歐洲一些國家專門利用地下水庫進(jìn)行人工補(bǔ)給地下水后取水使用。以色列為了滿足全國供水，使用地下水庫作為供水水源的中間調(diào)節(jié)庫，解決了水資源短缺問題。地下水庫由以下工程系統(tǒng)組成：補(bǔ)源工程、地表攔蓄工程、排污工程、地下帷幕工程。截滲壩工程、提水工程、供水工程、咸水排泄工程、管理監(jiān)測系統(tǒng)。地下截滲壩工程是地下水庫的重要組成部分，與地表攔蓄工程密切配合，將最后一道攔蓄閘和地下截滲壩上下連接共同攔蓄水資源。 高壓噴射灌漿（high pressure jet grouting）是利用能量較大的水氣同軸噴射切割摻攪地層，同時(shí)將凝結(jié)材料，如水泥

3、漿，灌注摻攪地層，形成要求性狀的凝結(jié)體。過去一直認(rèn)為，高噴灌漿技術(shù)只適用于均勻細(xì)顆粒松散地層，對其他地層，多持慎重或懷疑態(tài)度。但經(jīng)多年的研究和工程試驗(yàn)證明，只要控制措施和工藝參數(shù)選擇得當(dāng)，在各種松散地層均可采用該技術(shù)2,3。作者以煙臺夾河卵礫石層地下水庫建設(shè)為例，研究了高噴灌漿技術(shù)的應(yīng)用。1 工程概況 夾河地下水庫是一項(xiàng)解決煙臺市水資源緊缺、防止海水入侵、改善生態(tài)環(huán)境的新建大型工程，位于煙臺市福山區(qū)，壩址西起朱甲山經(jīng)永福園至宮家島，壩線全長2511m。水庫控制流域面積2200km2，含水層厚度15.527.6m，給水度=0.350.45，總庫容2.0510.8m3，調(diào)節(jié)庫容0.6510.8m3

4、。水庫建成后可增加市區(qū)供水量96010.4m3。根據(jù)SL252-2000水利水電工程等級劃分標(biāo)準(zhǔn)，夾河地下水庫為大(二）型工程，屬二等工程、二級建筑物，工程區(qū)地震烈度為Vll度。經(jīng)科學(xué)分析，采用高壓噴射灌漿技術(shù)構(gòu)筑地下水庫截滲壩。工程于2000年11月16日開工至2001年8月10日竣工。 夾河地下水庫截滲壩工程，壩軸線以永福園基巖隆起為界分為東西兩壩段，詳見圖1。東壩段工程：西起永福園東至宮家島，樁號為3486.l4444.3，長958m，其中樁號3486.13754.4、4277.64444.3為單排擺噴防滲墻，樁號3754.44277.6為雙排擺噴防滲墻。壩頂高程0.5m，壩底高程-12

5、9.53m，平均壩高15m，最大壩高29.3m。建檢查圍井6個(gè)，建水位觀測井8個(gè)。西壩段工程：西起朱甲山東至永福園，樁號為0629.22+182.2，長1553m，其中樁號0629.2l520為雙排半圓噴防滲墻，樁號15202182.2為單排擺噴防滲墻。壩頂高程-3.5m，壩底高程-4.134.5m，最大壩高31m。建檢查圍井5個(gè)，建水位觀測井8個(gè)。2 場地水文地質(zhì)工程地質(zhì)條件 壩軸線地處夾河沖積平原下游，距夾河入?？?.2km，地勢較為平坦。西起朱甲山經(jīng)永福園至宮家島，勘探全線長4620m，被永福園基巖隆起分為東西兩壩段。東壩段第四系厚度633m，西壩段第四系厚度1238m，東、西壩段各地層

6、巖性分布和滲透系數(shù)見表14。全新統(tǒng)沖洪積、海積層，主要由粉砂、細(xì)砂組成 全新統(tǒng)海積層，主要由淤泥質(zhì)粉細(xì)砂、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土和淤泥組成 上更新統(tǒng)沖洪積層，主要由中粗砂礫石組成，夾薄層粉質(zhì)粘性土透鏡體 中更新統(tǒng)沖洪積層，主要由砂、 砂礫石及卵礫石組成，夾薄層粘土透鏡體，粒徑最大110mm，大于30mm的含量占10%30% ，230mm占50%左右 基巖層，巖性主要為云母片巖、透閃巖、石墨透閃大 理巖(無巖溶發(fā)育) 全新統(tǒng)沖洪積、海積層，主要由粉土、粉質(zhì)粘土及中砂組成 全新統(tǒng)海積層，主要由淤泥質(zhì)砂、淤泥質(zhì)土及淤泥組成 上更新統(tǒng)沖洪積層，巖性多為中砂、 粗砂及含礫粗砂，顆粒呈次棱角及次圓狀，分選性中等，

7、粒徑一般為0.2510mm，最大可 達(dá)5cm 中更新統(tǒng)沖洪積層，巖性較單一，多 為卵礫石，顆粒多為次棱角狀，粒徑一般為1050mm，最大可達(dá)200mm，滲透性好，為強(qiáng)富 水層 基巖層，巖性主要為透閃大理巖、大理巖及變粒巖 (無巖溶發(fā)育) i10-3 i10-5 i10-2 i10-1 i10-6 3 地下截滲壩的結(jié)構(gòu)形式與工程布置的特點(diǎn)3.1 地下截滲壩的結(jié)構(gòu)形式 根據(jù)場地水文地質(zhì)工程地質(zhì)條件，對東、西壩段高噴防滲墻采用不同的結(jié)構(gòu)形式。東壩段：東壩段設(shè)計(jì)壩頂高程為0.5m，為確保砂礫石層成墻質(zhì)量，在樁號3754.44277.6段采用雙排擺噴防滲墻，排距為0.8m，兩排鉆孔平行對應(yīng)布置，孔深22

8、32m，通過現(xiàn)場試驗(yàn)確定孔距為1.6m。其余壩段中粗砂層和粉細(xì)砂層采用單排擺噴防滲墻，樁號36223754.4、4277.64312段，孔深1222m，孔距為1.6m；樁號3486.13622、43124444.3段，孔深512m，通過現(xiàn)場試驗(yàn)確定孔距為1.8m。設(shè)計(jì)允許最大孔斜率為0.7。設(shè)計(jì)和施工后形成雙排孔平行布置擺噴折線連接菱形結(jié)構(gòu)，見圖2(a、c）。 西壩段：西壩段設(shè)計(jì)壩頂高程為-3.5m，為確保砂礫石層成墻質(zhì)量，在樁號0630l520段采用雙排半圓噴防滲墻，排距為0.8m，兩排孔梅花形布置，孔深3043m，通過現(xiàn)場試驗(yàn)確定孔距為2.0m。其余壩段礫粗砂層和粉細(xì)砂層采用單排擺噴防滲墻

9、，樁號15202149.2，孔深1330m，孔距為1.6m，樁號2149.22182.2段，孔深1213m，孔距為2.0m。設(shè)計(jì)允許最大孔斜率為0.7。設(shè)計(jì)和施工后形成雙排半圓相向?qū)娊Y(jié)構(gòu)，見圖2(b、d)。3.2 結(jié)構(gòu)形式與工程布置的特點(diǎn) 常規(guī)的雙排孔布置形式有雙排孔平行布置擺噴軸線對接平行結(jié)構(gòu)、雙排孔梅花形布置擺噴軸線對接平行結(jié)構(gòu)、雙排孔平行布置擺噴折線連接平行結(jié)構(gòu)、雙排孔梅花形布置擺噴折線連接平行結(jié)構(gòu)（圖3）。根據(jù)該工程的水文地質(zhì)和工程地質(zhì)條件（東壩段深度2033m為砂礫石層），采用高噴灌漿雙排孔平行布置擺噴折線連接菱形結(jié)構(gòu)，取代了上述四種結(jié)構(gòu)形式，從圖2、圖3對比可以看出，高噴灌漿雙排

10、孔平行布置擺噴折線連接菱形結(jié)構(gòu)具有如下優(yōu)點(diǎn)：(1)增加了連接的可靠性，每4個(gè)高噴灌漿孔擺噴形成了一個(gè)圍井，增加了墻體有效厚度，使兩排墻體有機(jī)形成了一體；(2)由于鉆孔平行布置，而鉆孔處是墻體擴(kuò)散最輕的部位，這樣第二排孔的鉆灌不易碰到第一排墻體上，而以往的雙排高噴灌漿孔梅花型布置，采用的是對接方式，在砂礫石層中孔深多為2040m的單排擺噴防滲墻連接不牢靠，尤其是第二排的孔位正好在第一排擴(kuò)散最大的位置，常使第二排鉆孔遇到第一排孔的高噴灌漿凝結(jié)體上，使孔偏斜或高噴灌漿噴射不出去，第二排防滲墻不能連續(xù)，失去作用，且兩排防滲墻單獨(dú)成墻，不能連成一體，使防滲效果打了折扣。因此，高噴灌漿雙排孔平行布置擺噴折

11、線連接菱形結(jié)構(gòu)，既體現(xiàn)了單排擺噴折線連接的可靠性，又在不增加工程量的前提下，將其相鄰4個(gè)孔構(gòu)成數(shù)個(gè)相互連接的菱形圍井，它較兩排平行獨(dú)立成墻的防滲墻大大提高了防滲效果。兩排平行獨(dú)立成墻的防滲墻缺點(diǎn)是：如每排一個(gè)孔存在質(zhì)量問題，就形成了漏水通道。兩排是菱形結(jié)構(gòu)，其一個(gè)菱形結(jié)構(gòu)兩排各一孔存在質(zhì)量問題的概率極小。所以，一個(gè)單獨(dú)的菱形圍井在注水試驗(yàn)時(shí)，即便滲透系數(shù)K值大點(diǎn)或達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，從防滲墻的總體上看，不一定不合格。因?yàn)?，在菱形圍井的任一邊出點(diǎn)質(zhì)量問題，都直接影響滲透系數(shù)K值的大小，而一個(gè)菱形圍井只有一個(gè)邊有質(zhì)量問題，并不影響防滲墻的整體防滲作用。 在不同類型的地層中旋噴套接結(jié)構(gòu)形式見圖4，該工程

12、中根據(jù)西壩段的地層特點(diǎn)（孔深3040m為卵礫石層），我們設(shè)計(jì)采用高噴灌漿雙排孔梅花形布置半圓相向?qū)娊Y(jié)構(gòu)（圖2）取代了圖4中旋噴套接結(jié)構(gòu)形式。根據(jù)圖4、圖2對比可以看出，按旋噴套接灌漿形式方案施工，一序鉆孔鉆灌完畢后，由于卵礫石、粗礫砂、粉細(xì)砂層等不是均質(zhì)地層，噴射體形狀并不一定十分規(guī)則，在復(fù)雜非均質(zhì)地層中旋噴樁直徑一般為12m，設(shè)計(jì)孔距是根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)最小噴射半徑確定的，高噴施工時(shí)極有可能噴射至二序孔位置，當(dāng)二序孔鉆灌時(shí)受一序孔高噴灌漿凝結(jié)體阻隔，孔易鉆斜，鉆孔穿過一序孔的高噴灌漿凝結(jié)體時(shí)，高噴灌漿噴射不出去，形成“天窗”。防滲墻體不能連續(xù)，影響整體防滲效果，因而旋噴套接在這種地層中用來形成地

13、下截滲壩是不適宜的。雙排半圓噴每排中的孔距為2m，雙排半圓噴孔數(shù)量與單排旋噴孔數(shù)量相等，相鄰孔的間距由10m增加到128m，第二排孔的鉆灌受第一排影響的機(jī)率大大減少，且由單排旋噴改為雙排半圓相向?qū)姾?，縮短了工期，從而也降低了工程造價(jià)。 圖5 試驗(yàn)圍井結(jié)構(gòu)(單位：m) 4 地下截滲壩施工技術(shù)參數(shù)的確定 夾河地下水庫截滲壩工程在開工前，選擇與壩上地質(zhì)條件相符合的場地進(jìn)行單噴和圍井試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)采用多種技術(shù)參數(shù)，通過試驗(yàn)?zāi)軌蚍从吵龈邍姽酀{擺噴、半圓噴結(jié)構(gòu)對該工程所起到的防滲效果。開挖可直觀看到高噴防滲墻的連接形式、噴射長度、厚度、形狀、強(qiáng)度等，通過試驗(yàn)結(jié)果確定壩上高噴灌漿施工技術(shù)參數(shù)，以確保各地層灌

14、漿技術(shù)參數(shù)的可靠性。設(shè)計(jì)擺噴有效長度為2.0m，半圓噴有效半徑為0.8m。試驗(yàn)圍井結(jié)構(gòu)平面圖、剖面圖見圖5。 根據(jù)圍井試驗(yàn)結(jié)果，對高噴灌漿施工技術(shù)參數(shù)進(jìn)行修正，修正后的施工技術(shù)參數(shù)見表2、表3。設(shè)計(jì)要求防滲墻插入基巖全（強(qiáng)）風(fēng)化1.0m，基巖滲透系數(shù)k=i10-6cm/s，強(qiáng)風(fēng)化局部裂隙發(fā)育，施工中對漏漿孔進(jìn)行特殊處理，噴灌時(shí)先進(jìn)行靜壓灌漿直到不漏漿為止。半圓噴采用90雙向噴頭，起點(diǎn)沿壩軸線方向外擺90。擺噴墻采用180雙向噴頭，擺噴起點(diǎn)與壩軸線呈5夾角，外擺30，一序孔與二序孔呈折線連接，擺噴折線夾角為110。為了確保防滲墻成墻質(zhì)量，轉(zhuǎn)折點(diǎn)采用旋噴連接，雙排防滲墻體厚度為0.8m，單排防滲墻

15、體厚度為0.30.6m。5 地下截滲壩施工工藝與質(zhì)量控制5.1 施工設(shè)備及工藝流程 高噴灌漿施工用的主要設(shè)備有地質(zhì)鉆機(jī)、鉆孔測斜儀、高噴臺車、高壓水泵、空壓機(jī)、攪灌機(jī)、灌漿泵、螺旋上料機(jī)、電焊機(jī)等。施工用主要材料是425#抗硫鹽（免檢)水泥，施工時(shí)一套設(shè)備每天庫存80t水泥，施工用粘土每天存放20t，施工用水采用鉆水井抽水，施工時(shí)一套設(shè)備每小時(shí)用水15m3，施工用電一套設(shè)備需200kW。施工工藝流程見圖6。5.2 施工質(zhì)量控制指標(biāo)5.2.1 鉆機(jī)造孔質(zhì)量控制指標(biāo) (1）定孔 壩軸線允許誤差1cm，孔位誤差不超過2cm；(2)鉆孔 鉆機(jī)對準(zhǔn)孔位誤差不超過2cm；（3）孔口徑 開孔口徑大于150m

16、m，終孔口徑大于130mm；(4)鉆進(jìn) 機(jī)體要平穩(wěn)、牢固，每鉆進(jìn)5m測量機(jī)體、立軸垂直一次；（5）泥漿護(hù)壁 粘土泥漿容重為1.11.25g/cm3；(6)先導(dǎo)孔 分層界面取芯，孔深進(jìn)入基巖1.3m取芯；（7）鉆孔深度 按設(shè)計(jì)要求孔深進(jìn)入不漏漿的基巖全（強(qiáng)）風(fēng)化層2m；(8)終孔 終孔后用新漿液將孔內(nèi)巖粉置換干凈，保證高噴順利下管；（9）測斜 孔深東壩段大于20m、西壩段大于30m的孔斜率不大于0.7；（10)記錄 鉆進(jìn)過程中要詳細(xì)記錄地層變化、漏漿位置、深度、時(shí)間，記錄表經(jīng)監(jiān)理、技術(shù)員、機(jī)臺長簽字后當(dāng)天送交技術(shù)組。5.2.2 高噴灌漿質(zhì)量控制指標(biāo) （1）分序施工 一序孔與二序孔（如圖2所示）灌

17、漿施工間隔時(shí)間不小于24h：(2)下噴射管 下至設(shè)計(jì)深度，下落深度不夠時(shí)請示監(jiān)理部門批準(zhǔn)；(3)擺噴方向 擺噴以施工軸線呈5夾角為起點(diǎn)，外擺30，允許誤差2，半圓噴以施工軸線為起點(diǎn)，外擺90，允許誤差5；（4）提升速度 提速允許誤差不超過5mmmin；（5）擺動速度 擺速允許誤差不超過1次min；（6）水壓力 控制在3638MPa之間，水咀直徑1.81.9mm；（7）氣壓力 控制在0.60.8MPa之間，氣咀直徑9mm；(8)制漿 采用425#抗硫鹽水泥，純水泥漿，送漿比重控制在(1.61.65)g/cm3之間；利用回漿，送漿比重控制在1.71.75g/cm3之間，每隔30min測量送漿比重、

18、回漿比重一次，要詳細(xì)記錄；（9）水泥 對所進(jìn)水泥按批號分開堆放，按先后順序分批使用；（10）水泥檢驗(yàn) 所進(jìn)水泥每400t取樣化驗(yàn)一次，檢測水泥安定性和強(qiáng)度指標(biāo)，不合格的水泥嚴(yán)禁使用；（11）水泥用量 統(tǒng)計(jì)每一個(gè)孔的水泥用量，每20個(gè)水泥袋捆成一捆：（12）灌漿記錄 噴射過程中對冒漿情況、漏漿位置、深度、時(shí)間要詳細(xì)記錄；（13）終噴充填 終噴后用比重1.71.75g/cm3漿液將孔內(nèi)充填滿，直到孔口漿面不再下沉為止；（14）終噴驗(yàn)收 終噴經(jīng)現(xiàn)場質(zhì)檢人員和監(jiān)理人員簽字驗(yàn)收；（15）高噴記錄 記錄表要填寫清楚、整潔，經(jīng)監(jiān)理、技術(shù)員簽字后，當(dāng)天將記錄表當(dāng)天交技術(shù)組；（16)回灌 噴射結(jié)束將孔內(nèi)充填滿后及時(shí)利用冒漿回灌到地面，嚴(yán)禁使用帶有黃泥和淤泥的冒漿進(jìn)行回灌，做好原始標(biāo)記；（17)因各種原因使噴射中斷超過30分鐘，恢復(fù)噴射時(shí)，要下落0.5m再開噴；超過2h，恢復(fù)噴射時(shí)，要下落0.7m再開噴。5.3 施工中質(zhì)量問題及處理 東壩段施工中發(fā)現(xiàn)的質(zhì)量問題及處理措施鉆孔施工過程中有28個(gè)孔是在強(qiáng)風(fēng)化大理巖中漏漿，有2個(gè)孔是在卵礫石層漏漿，采用稠粘土漿堵漏；高噴灌漿施工時(shí)因漏漿埋管15孔次，掃孔、重新下管，采用稠水泥漿先靜灌充填飽滿后高噴灌漿；在第二排鉆孔施工時(shí)有3個(gè)孔遇到第一排防滲墻的水泥凝結(jié)體，深度在3.815.8m，地層巖