复杂地层围堰高效快速防渗灌浆技术应用及推广

复杂地层围堰高效快速防渗灌浆技术应用及推广

赵习斌

中国水利水电第九工程局有限公司，贵州 贵阳 550081

摘 要：“复杂地层围堰高效快速防渗灌浆技术”是近年来通过科技攻关研发出的土石围堰快速防渗闭气施工技术，确保了围堰防渗闭气施工快速、经济、可靠，弥补了其它防渗施工技术的不足。通过湖南东坪、铜湾、株溪口、重庆马岩洞、贵州老江底、圆满贯、董箐、沙沱等多个水电站大坝土石围堰防渗施工中的成功应用，总结出了复杂地层围堰高效快速防渗灌浆施工工法，其施工工艺还成功推广应用到厂房围堰防渗、市政房建工程及化工厂房桩基工程的地基渗漏处理中，对复杂地层的高效快速防渗施工技术进步有较大推动作用。

关键词：复杂地层围堰；高效快速成孔技术；高效快速灌浆技术；防渗灌浆；技术应用

1 前言

近年来，国内各种规模和类型的水利水电枢纽工程项目相继开工建设，围堰防渗作为主体工程开挖建造之前的必须程序具有不可替代的作用，因此这一技术应需要不断发展，针对不同的地质、地层和不同围堰填筑体，选取不同的防渗处理闭气方式是很有必要的。“复杂地层围堰高效快速防渗灌浆技术”就是近年来通过科技攻关研发出的土石围堰快速防渗闭气施工技术，确保了围堰防渗闭气施工快速、经济、可靠，弥补了其它防渗施工技术的不足。

2 工艺原理

“复杂地层围堰高效快速防渗灌浆技术”，是高效快速成孔技术与高效快速防渗灌浆技术的有机统一体。其防渗机理是通过注入高浓度的水泥浆液、水泥砂浆或复合料浆液对地层空腔进行充填，当空腔填满后，通过一定的灌浆压力，使空腔内的水泥与地层的土石颗粒之间紧密结合，充填挤压，移动包裹，凝结硬化，形成结构密实、有一定强度、有足够防渗性能的多种材料凝结体或结石，从而达到防渗的目的。为了节约成本，控制浆液扩散半径是该施工工艺的主要特点，在施工中，对原有的地层情况不产生任何破坏作用。如果存在流动地下水，控制浆液的扩散半径可以采用掺速凝类的外加剂、粗粒料等聚合物材料。当前序孔灌浆结束后，由于浆液的扩散作用，相临的其他孔已被部分或全部充填，使其他次序的灌浆孔耗浆量明显降低，从而减少灌浆时间，降低平均单位耗浆量，提高整体劳动生产率。

3 技术特点及创新点

3.1 两大创新点

高效快速成孔技术：采用风动潜孔钻高强度钢套管护壁钻进工艺，一次性钻到设计孔深，成孔率100%，成孔速度10～15m/h，钻孔直径大（一般在φ130mm～φ160mm之间，有利于灌浆掺合料的灌注，如砂、粉煤灰、膨润土、锯沫等），钻孔工效高，保证了灌浆防渗质量，所需配备的设备较少，解决了地质回转钻机在覆盖层及围堰堆石体防渗灌浆造孔中钻进速度慢、易坍孔、成孔率极低、频繁重复钻孔的难题。

高效快速灌浆技术：针对不同地层和动水条件下灌浆的技术难点，采用专有设备和机具，选用全孔灌浆法或套管灌浆法，选择灌注水泥浆、水泥砂浆、水泥膏浆、速凝浆材、聚合物浆材、化学浆材等不同特性的浆液，快速形成防渗体，满足了防渗要求，大大缩短了工期。每两台套设备月完成钻灌可达3500m。一般采用单排或双排孔布置即可达到防渗处理效果，灌浆设计的工程量较常规水泥灌浆少，可节约大量工期，并减少防渗处理成本，为主体工程的施工赢得更多时间。

3.2 与同类施工技术相比较

与防渗墙施工技术比较，采用防渗墙进行围堰防渗处理，工艺成熟可靠，但对于架空地层，地下水流速较快，防渗墙造孔时需要用大量的粘土进行回填，并有较大难度，造孔中遇到大孤石，要采取预爆的方式进行处理。同时施工设备体积大，重型及大型设备用量多，施工工期偏长，对于一般的短期围堰使用此方法很不经济。

与常规水泥灌浆相比较，一般帷幕灌浆采用地质钻机自上而下分段造孔，分段灌浆，钻孔孔径较小（≤φ91mm），施工工效低，所需配备的设备台套较多，施工操作人员也较多。在相同的地层条件下，单排灌浆孔布置防渗效果差，不能达到防渗要求，一般采用双排或多排灌浆孔布置，工程量大，工期较长，成本大。

与高压喷射灌浆相比较，采用高压喷射灌浆技术，其处理深度一般尚未超过20m，对砂类土、粘性土、黄土和淤泥等地层，效果较好，对含有粒径2～20cm的砂砾石地层，在强力的升扬置换作用下，仍可实现浆液包裹作用，但对粒径大于20cm的砂砾石地层，防渗处理效果不好，局限性较大。当地层架空严重或水流速度过大时，喷射的浆液难以凝固形成防渗板墙，这在许多围堰中都出现过类似的情况。从铜湾水电站一期上游围堰高压喷射灌浆与下游围堰“复杂地层围堰高效快速防渗灌浆技术”的对比得出，在相同的地层条件下，“复杂地层围堰高效快速防渗灌浆技术”较高压喷射灌浆技术更易于掌握、操作；更易于施工资源的投入；更易于保证围堰的防渗质量、加快施工进度；更能节约工程施工成本。

4 新设备新材料应用

施工中，采用的新设备包括：

国产SM3000A型履带式液压钻机，以柴油为燃料，移动灵活。其主要技术参数为：钻孔直径φ76～200mm；最大孔深60m，实际施工中，套管跟进钻孔最大孔深已达34.87m；工作气压0.5～2.4MPa；推进行程3m；钻孔角度下向倾角70°～90°，侧向摆角左右各15°；最高行走速度1.8km/h；爬坡能力大于30°；普通填筑围堰其造孔生产效率：孔深小于15m时，可达到10～15m/h；孔深大于15m时，可达到5～10m/h。

大掺量的砂浆泵，可灌注如下性能的砂浆：泵送用砂浆中的砂子级配为中砂或细砂，砂粒粒度最大不能超过5mm；灰砂体积比控制在1:2.5以内；砂浆应搅拌均匀，稠度控制在8～12厘米。

施工中，采用的新材料：

因采用潜孔钻冲击造孔，钢管护壁，在以往施工时，由于护壁钢套管材质问题，常常造成护壁管断裂及管靴脱落的现象，重复使用率低，容易出孔内事故。为此，选用了带合金的高强度钢套管，使用中未发生断裂及脱落现象，虽然材料价格偏贵，但重复使用率高，减少了孔内事故，提高了工效。

5 技术应用及推广实例

5.1 技术应用总体情况

采用“复杂地层围堰高效快速防渗灌浆技术”，先后完成了湖南东坪水电站、株溪口水电站、铜湾水电站、重庆马岩洞水电站、贵州老江底水电站、光照水电站、董箐水电站、沙沱水电站等围堰防渗处理施工，上述工程施工的围堰抽水后闭气效果良好。技术应用围堰施工情况见表1。

表1 技术应用围堰施工情况

从以上介绍的几个围堰的施工情况，各围堰的有效施工期在20天至78天全部完成，配备两套钻灌设备的钻灌工效为：2300m～3500m/月，能充分满足工期要求，工效非常高。其中，董箐水电站围堰因在汛期施工受洪水影响，沙沱电站围堰施工受冰凝灾害影响（材料供应不上），工期稍有延长。

5.2 铜湾水电站上下游二期土石围堰防渗工程应用

湖南铜湾水电站建于宽阔河谷，大坝二期土石围堰和下游导航墙围堰防渗工程处理深度大（最深35m），砂砾石层厚（平均厚度2.6m，最厚4.2m），围堰防渗体为黏土心墙，下部是砂卵砾石，挡水水头为20～25m。

围堰防渗灌浆孔采用单排布置，孔距为1.0m。施工工艺为：孔底潜孔锤偏心钻头冲击回转钢套管跟管钻进，孔口封闭、孔底循环、自下而上分段拔管、分段连续灌浆。于2006年12月25开工，2007年2月15日防渗施工完成，工期53天，工程量7842.1m，水泥单耗量为550kg/m。灌后经基坑抽水检查，达设计防渗要求，经历了2007年汛期考验，围堰结构稳定安全，防渗效果良好。

围堰防渗施工结束后，在二期上游围堰防渗体上进行了钻孔抽水和注水试验。

通过注水试验结果计算，渗透系数基本稳定在1.0～3.1×10^-5cm/s之间，灌浆达到预期效果。

通过抽水试验结果计算，渗透系数k=2.1575×10^-5cm/s，与注水试验结果相一致，达到预期效果。

5.3 老江底水电站大坝土石围堰防渗工程应用

贵州老江底水电站建于山区狭窄河谷，其大坝土石围堰防渗工程工期紧、施工难度大。上游土石围堰基础为岸坡崩塌堆积层，原河床存在较大的漂石及孤石，平均单孔孤石厚度占该孔孔深的62%，最大为84%，直径大于0.5m的孤石占总孤石的73.2%，最大孤石直径7.6m。且该段河流落差大，导流洞（兼作放空洞）位置高，灌浆时堰内外水位差大，最大水头差为5m，挡水水头为30～37m。

围堰防渗灌浆孔采用双排布置，孔排距1.0m。施工工艺为：孔底潜孔锤偏心钻头冲击回转钢套管跟管钻进，孔口封闭、孔底循环、自下而上分段拔管、分段灌浆。正常施工工期为30天，于2006年11月防渗施工完成，工程量4845.15m，最大孔深34m，水泥单耗量为1100kg/m。灌后经基坑抽水检查，围堰无渗漏水，结构稳定安全，防渗效果良好。

该工程严格按照职业健康安全、环境保护的相关要求组织施工，未发生安全事故，达到当地环境保护要求。

5.4 董箐水电站大坝下游围堰防渗工程应用

5.4.1 工程概况

在建中的董箐水电站，位于镇宁县与贞丰县交界的北盘江上，其大坝下游围堰于2006年枯水期进行高喷防渗墙施工，但在2007年5月进入汛期后，围堰大量透水，造成基坑被淹，采用12台功率为75kw～110kw的抽水泵强排不成功，基坑内的厂房无法进行下一步施工。为此，必须在汛期对下游围堰采取防渗堵漏灌浆处理。

5.4.2 围堰地质情况

根据施工情况，下游围堰防渗堵漏灌浆所处位置为松散堆积地层，主要分为5层：第一层主要由开挖块石、碎石组成，厚5～6m；第二层主要为黏土心墙，厚9～10m；第三层为泥夹石层、破碎高喷墙，厚2～3m；第四层主要为块石夹砂砾卵石，厚9～15m；第五层为破碎性基岩，厚1～3m。其中覆盖层及砂砾卵石层属原始河床，透水性较强，为防渗堵漏灌浆施工重点和难点。

5.4.3 工程特点

（1） 本工程是防洪抢险堵漏灌浆工程，受到业主、设计、监理等单位的高度重视和关注，但堵漏灌浆设计方案不是一次到位，而是分时段作出调整和确定，一共分为五个阶段确定了围堰的不同处理部位，给施工组织和安排带来一定困难。

（2） 施工场面较为复杂，和大坝填筑、厂房施工交通交叉，施工干扰较大。

（3） 施工工期紧、任务重，一般地质钻机无法满足施工工期要求，只有采用履带式潜孔钻机带套管造孔，才能保证快速施工。

（4） 由于是汛期施工，围堰外水流急，水位变化大，堰内外水位差变化大，达到0.1～4m，造成在动水条件下进行灌浆施工，浆液容易漏失，堵漏灌浆难度大，必须采取综合处理措施。采用了“复杂地层围堰高效快速防渗灌浆技术”的施工工艺，防渗堵漏灌浆如期完成，防渗效果好，原安装的抽水泵已全部拆出。

（5） 因施工时，已进入主汛期，经常受洪水和降雨影响，容易造成灌浆中断，施工安全危险源也较多，同时，作业人员在露天风雨中施工，条件较为艰苦。

5.4.4 工程施工进度及完成情况

根据工程施工特性和现场实际情况，大坝下游围堰堵漏灌浆工程分五阶段进行施工。从2007年5月26日开始至2007年8月12日完工，共计完成220个孔（含18个勘探孔和8个搭接孔），总计钻孔6031.3m，灌浆3457m，灌注水泥2440.88t，砂240t，水玻璃34.5t。详见表2。

表2 董箐电站下游围堰防渗堵漏灌浆主要完成工程量表

5.4.5 灌浆成果分析

根据五期施工记录,下游围堰堵漏各期各次序灌浆综合统计成果见表3。

表3 下游围堰防渗堵漏灌浆各次序综合统计成果表

根据表3中数据可以得出：

Ⅰ序孔平均单位注入量996.6kg/m，Ⅱ序孔平均单位注入量446.8kg/m，与Ⅰ序孔比较，递减率为55.2%，递减明显。说明随着灌浆孔序的加密，单位注入量呈明显递减趋势，其地层中的空隙大多数为Ⅰ序孔所灌注充填，Ⅱ序孔进一步补充填实，防渗能力也逐步提高，符合一般的灌浆规律。

5.4.6 效益分析与结果评价

（1） 董箐水电站大坝下游围堰防渗堵漏灌浆工程从2007年05月开工至2007年08月结束。经基坑抽水检查，未发现渗漏水现象，不需采用水泵抽排即满足了设计防渗要求，防渗效果良好。在施工进度上，严格按照业主、监理的要求确保节点工期的实现，为电站厂房能及时施工节省了宝贵的时间。

（2） 在本次防洪抢险防渗堵漏灌浆工程施工中，只布置了单排孔（孔距为0.8m）进行防渗灌浆处理就达到了防渗堵漏目的，且把水泥平均单位耗量控制在706kg/m左右，与同类工程相比，既节约了灌浆总量，也大大节约了原材料耗量，从总体上节约了施工成本。

（3） 本工程渗漏主要是围堰体的中下部，从堰顶(EL.382.6m)至EL.372m高程因有黏土心墙防渗，设计要求只作钻孔不灌浆，EL.372m以下至进入基岩1m作防渗堵漏灌浆处理。为此，采用了SM3000A型潜孔钻冲击钻进，套管跟进的造孔方式，并运用自下而上分段起拔套管分段灌浆的工艺，确保了渗漏水部位得到有效灌注，而不需灌的部位不灌，从而总体上减少了灌浆量，并减少了不必要的材料损耗。

5.5 沙沱水电站大坝下游围堰防渗工程应用

沙沱水电站二期下游围堰采用不过水枯期土石挡水围堰堰型。下游围堰堰顶高程为295.0m，围堰轴线长113.2m，最大堰高30.00m，堰体全部填筑土石混合料。本工程的难点：二期边坡开挖导至大量开挖石渣落入右岸主河槽，另外混凝土纵向围堰施工时在河床内也积留下了大量的块石料，因河槽较深，清除较困难，导致河床底部大面积架空。

围堰防渗采用“复杂地层围堰高效快速防渗灌浆技术”进行处理，于2008年1月6日开工至3月13日完工（其中1月13日至2月7日受冰凝灾害影响停工）。完成钻孔163个，灌浆4318.5米，施工中采用风动跟管钻进，钻孔孔径为φ150mm，平均孔深26.5米，最大孔深43.5米,最大跟管深度42.0米,创围堰跟管钻进深度之最。灌注水泥2847.873吨、砂1014.72吨、水玻璃44.15吨、锯沫10.42吨，水泥平均单耗659.5kg/m。

经抽水检查，下游围堰未出现渗漏水情况，达到滴水不漏的灌浆效果，施工质量完全达到设计要求。该部位未发生任何渗漏抽水费用，受到业主通令嘉奖，社会和经济效益特别显著。

5.6 推广应用工程实例

“复杂地层围堰高效快速防渗灌浆技术”被推广应用到厂房围堰防渗、市政房建工程及化工厂房桩基工程的地基渗漏处理中，如贵州光照水电站厂房围堰、毕节桂花商住楼基坑防渗、马场坪天福化工厂房桩基工程及六盘水老鹰山煤化工厂房桩基工程地下岩溶和地下水处理等。

以典型的老鹰山煤化工厂房桩基工程为例，该工程前期施工由于有地下水、地层复杂、岩溶发育，造成桩孔成孔困难，护壁泥浆严重漏失，塌孔事故时有发生，且混凝土浇筑也出现严重漏失，质量得不到保证，施工进度缓慢。为此，及时调整了施工方案，采用“复杂地层围堰高效快速防渗灌浆技术”对该复杂地层进行了预固结回填砂浆处理，共回填水泥砂浆4166.3t，效果非常显著，整体改善了地层条件，确保了桩孔护壁泥浆不漏失、不塌孔、混凝土浇筑不漏失，浇筑可连续进行，不出现断桩、废桩，同时，也保证了工程施工进度达到了总体进度要求，取得了较好的经济和社会效益。

6 结语

（1） 影响围堰防渗的因素是多方面的，在进行灌浆施工前，围堰的填筑十分关键，如果采用大粒径的填筑料，势必增加灌浆施工难度和施工进度，同时增大水泥耗量而增加灌浆成本。因此，在围堰填筑时，只要条件允许，应尽量先填筑戗体，防渗线填筑粘土时应尽量分层碾压密实。

（2） “复杂地层围堰高效快速防渗灌浆技术”一般采用单排或双排孔布置即可达到防渗处理效果，灌浆设计的工程量较常规水泥灌浆少，可节约大量工期，并减少防渗处理成本，为主体工程的施工赢得更多时间。

（3） 该技术对于存在架空层和一定动水条件等复杂地层具有明显优势，防渗施工速度快，造价较合理，同时，由于形成的围堰防渗体可靠性高，使得基坑排水易于实施，费用合理偏低，并能保证基坑的连续施工，在同类工程中，适用性和可操作性较强。

（4） 该技术已经形成了施工工法，为编制覆盖层帷幕灌浆技术标准提供了技术支持，已在贵州董箐水电站等多个工程成功应用，并推广应用到市政房建工程及化工厂房桩基工程的地基渗漏处理中，经济效益与社会效益显著，有很高的推广利用价值。

参考文献：

[1] 地基与基础工程/全国水利水电施工技术信息网组编.水利水电工程施工手册.第1卷.北京：中国电力出版社，2004.

[2] 刘文清主编.最新水利水电灌浆工程施工工艺与技术标准实用手册.安徽文化音像出版社，2004.

[3] 王自清主编.水利水电工程地层注浆堵水与施工新技术及标准规范实用手册.北京：中国知识出版社，2006.

作者简介：

赵习斌：1969年12月，男，高级工程师，从事水利水电工程技术与管理工作，邮编：550008，电话：18785601555