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二管法高喷灌浆技术在九凌水库除险加固工程中的应用

2025-03-01 45 上传者：管理员

摘要：九凌水库大坝防渗采用钻灌一体机二管法高压旋喷灌浆进行施工，直接用高压水泥浆液喷射坝体土层，较三管法减少浆液被稀释的程度，有助于浆液的固结，提高结石率，增强防渗效果，减少浪费和环境污染。采用钻灌一体机灌浆效率大大提高；二管法高压旋喷灌浆及钻灌一体机施工工法在本工程的成功应用，减少了水泥用量和废浆的产生，提高了施工效率。

关键词：
九凌水库
二管法
施工工法
钻灌一体机
高喷灌浆
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1、项目概况

贵港市九凌水库位于覃塘区石卡镇翰平村,是一座以灌溉､供水为主,结合旅游开发等综合利用的中型水库｡水库总库容为1831.8万m3｡水库枢纽由1座主坝､3座副坝､1座溢洪道､3座输水设施等主要建筑物组成｡

水库建成至今已运行了60多年,为消除工程病险隐患,保障水库安全运行,充分发挥工程效益,对九凌水库进行除险加固是必要的｡九凌水库除险加固工程初步设计于2020年4月4日获得自治区发展和改革委员会的批复,批复总概算为3436.20万元｡

本次除险加固工程的范围及内容有:对主坝､一副坝､二副坝､五凌副坝､溢洪道及黄谷塘引洪渠进行除险加固;拆除重建西山､万塘及五凌副坝放水闸;新建水情测报及大坝观测系统等｡涉及的主要专业技术有:高压旋喷灌浆､帷幕灌浆等｡

根据设计文件,主坝和五凌副坝的防渗处理采用“坝体高压旋喷灌浆+坝基帷幕灌浆”方案｡其中主坝最大坝高11.3m,且坝体较为单薄,坝体填筑材料不一,有风化料､黏土,且坝基覆盖层较厚,芯样密实程度适中;五凌副坝最大坝高11.2m,为均质土坝,黏性土层,芯样密实程度适中｡

本工程系广西首个采用全过程工程咨询管理模式的水利工程,项目于2020年11月20日开工,2021年9月30日提前完工并通过项目法人组织的合同工程完工验收,质量等级为优良;于2021年12月22日通过了贵港市水利局组织的水库下闸蓄水验收,2022年12月15日通过了贵港市水利局组织的竣工验收｡

2、二管法高喷灌浆技术的提出

九凌水库除险加固工程主坝和五凌副坝防渗均采用“坝体高压旋喷灌浆+坝基帷幕灌浆”的设计方案｡主坝坝顶长度275m,采用单排高压旋喷灌浆,孔距1.0m,总孔数276个,钻孔总深度2515m,灌浆深度为2460m;五凌副坝坝顶长267m,采用单排高压旋喷灌浆,灌浆孔孔距为1.0m,总孔数268个,钻孔总深度2122m,灌浆深度为1795m;帷幕灌浆与高压旋喷灌浆搭接长度1m｡根据设计文件要求,本工程采用先施工帷幕灌浆后施工高喷灌浆的施工顺序｡

2020年12月5~24日,施工单位完成了主坝13个高喷灌浆先导孔的施工(与坝基帷幕灌浆先导孔同孔并同时施工),经全过程咨询机构组织参建单位现场查看并分析钻孔芯样及入岩成果资料,最终确定了主坝土岩分界线及高喷灌浆底线(包括帷幕灌浆的上线和下线)｡

为确定本工程高喷灌浆的各项灌浆技术参数,检验其灌浆的有效桩径(喷射范围)､渗透系数等灌浆质量是否满足设计要求｡施工单位根据设计文件确定的高喷灌浆灌试验位置､灌浆工艺､灌浆参数,并结合先导孔的芯样情况､以及其自身的灌浆经验,编制本项目高喷灌浆生产性试验方案,报请全过程咨询机构审批｡

根据设计文件,本工程主坝及五凌副坝坝体均采用普通三管法高压旋喷灌浆技术和工法,各灌浆技术参数通过现场生产性试验确定｡由于本工程大坝坝体土质不均,且坝基覆盖层较厚等多方面原因,在主坝进行了3次普通三管法高喷灌浆试验,分别从水压､气压､浆液流量及孔距等多方面进行多种组合试验,各参数详见表1｡3次灌浆试验结果均达不到设计质量指标要求(下部不成墙､注水试验渗透系数过大)｡

表1普通三管法高压旋喷灌浆施工主要技术参数表

鉴于主坝采用普通三管法高喷灌浆3次试验均不成功,全过程咨询部及时组织参建单位并邀请项目主管部门和3名具有20多年灌浆设计和施工方面的专家,于2021年4月19日在项目现场主持召开高喷灌浆专题研讨会,专题研究三管法高喷灌浆不成功的问题｡参会人员通过察看现场,查阅相关资料,剖析3次高喷灌浆不成墙的原因,并结合现场检测数据､先导孔芯样及灌浆返浆等情况,分别从技术和管理角度进行了系统的分析和探讨｡参会人员认为该水库大坝坝体填筑材料不一,有风化料､有黏土,且坝基覆盖层较厚,芯样密实程度适中;从回浆池的废浆中发现存在着大量的水泥凝结物来看,极有可能高喷灌浆的水泥浆被孔内水稀释后在孔内气流的作用下直接从孔口返出,同时由于部分土质构成复杂,局部地层高喷难以充分切割,导致坝体灌浆凝结体的水泥量过少而无法成墙或成墙效果差,达不到防渗效果｡通过3次高喷灌浆试验数据,结合此前全过程咨询部负责的其他项目的高喷灌浆施工经验,并咨询《水电水利工程高压喷射灌浆技术规范》(DL/T5200-2019)起草专家,全过程咨询部在会上提出可否改为二管法的意见和建议｡

二管法与普通三管法的主要区别:普通三管法高喷灌浆是用高压水借助高压脉冲泵形成高速喷射流对坝体进行切割,通过气流进行搅拌,水泥浆液进行填充,并把多余的泥浆返出地面,最终形成水泥凝结体;而二管法高喷灌浆是用水泥浆液借助高压脉冲泵形成高速喷射流对坝体进行喷射､切割,通过气流进行搅拌,并把多余的泥浆返出地面,形成水泥凝结体｡据了解,二管法高喷灌浆是最近几年才开始广泛应用,在广西尚未有推广应用的案例｡从目前实施的项目来看,普通三管法对地层要求比较高,如均质土坝等;而二管法高喷灌浆是用水泥浆进行喷射和切割,对地层要求会低一些,包括黏土层､砂土层､风化料填筑层等｡通过察看现场,本项目主坝坝体更适合采用二管法进行高喷灌浆施工｡

与会单位及专家通过充分研究､讨论,最终达成一致意见,同意采用二管法进行高喷灌浆试验,待试验结果决定下步的灌浆工法;同时会上对二管法高喷灌浆试验参数和灌浆孔距进行了研讨,并形成共识｡

3、二管法高喷灌浆技术的应用

3.1二管法高喷灌浆灌前生产性试验

施工单位根据专题会上确定的二管法高喷灌浆技术参数编制高喷灌浆生产性试验方案并报监理机构审批,并于2021年4月27~28日进行生产性试验,孔距调整为0.5m｡二管法高喷灌浆试验主要技术参数详见表2(分4组灌浆试验参数)｡

表2二管法高喷灌浆试验主要技术参数表

施工单位重新更换了高喷灌浆设备,为钻灌一体机,并严格按照经批准的灌浆方案并在监理工程师旁站下完成二管法高喷灌浆试验｡在整个灌浆过程中,施工正常｡

2021年5月8~9日,施工单位委托质量检测单位在两处桩体搭接处钻孔取芯做注水试验,检测防渗效果｡通过分段钻孔取芯分段做注水试验,检测结果:4段试验段渗透系数K实均小于5×10-6cm/s,注水试验全部满足设计指标要求;5月10日开挖检查,桩体搭接成墙厚度在45~63cm之间,成墙效果较好,单桩直径均大于60cm｡结果表明成墙搭接效果及检测结果全部满足设计质量要求｡

2021年5月10日下午,监理机构主持召开高喷灌浆专题研讨会,系统总结4次高喷灌浆生产性试验,会上参建各方一致同意本项目高喷灌浆由普通三管法变更为二管法进行施工｡会后由设计单位出具相关设计变更文件报送监理机构审核､项目法人审批和项目主管部门核备,完善设计变更手续｡

3.2二管法高喷灌浆施工

施工单位根据批准的二管法高喷灌浆设计变更文件,并结合二管法高喷灌浆生产性试验成果,编制二管法高喷灌浆施工方案报监理机构审批｡本项目二管法高压旋喷灌浆的设计灌浆孔距为0.5m,各灌浆主要技术参数详见表3｡

表3二管法高压旋喷灌浆施工主要技术参数表

3.2.1高喷灌浆钻孔作业

采用钻喷一体化施工,该方法插管与钻孔两道工序合二为一｡即利用钻杆､钻具作为喷浆管进行喷浆,钻孔完成后,分别开启风管和喷浆管,形成喷射注浆的管路结构｡

钻孔方式采用合金钻头回转钻进,孔径150mm,泥浆护壁,钻具上部连接高压喷嘴,钻杆内有二根管路,分别为水泥浆管和风管,高喷孔钻进时开启水泥浆管输送泥浆,风管处于半关闭状态(需少量送风),钻孔完成后,关闭泥浆管路,接入水泥浆管路,开启高压灌浆泵低压输送水泥浆液,验证喷嘴的通透性,确认通透性良好后,开启风管,开始喷浆作业｡

3.2.2喷射注浆

高喷灌浆作业系统的各项工艺参数都必须按照设计要求控制,并随时做好注浆时间､用浆量､回浆情况､压力变化等记录｡

喷射管下沉到达设计深度后,停止钻进,不停旋转,喷射时,打开的先后顺序为:先打开空气阀､再打开水泥浆阀｡使射浆压力达到设计值(28~30MPa),气压达到0.6~0.7MPa,静态喷浆30~60s,待水泥浆与桩端土充分搅拌后,再匀速旋转并提升注浆管,提升速度为12~15cm/min｡

中间发生故障时,应停止提升和旋喷,以防桩体中断,故障解除后,重新开始旋喷时,对搭接段进行复喷,复喷段长度不小于50cm｡

高喷灌浆施工中的控制参数按照表3｡

施工单位严格按照监理机构批准的二管法高喷灌浆方案施工,监理工程师严格按照监理工作程序,全过程对高喷灌浆实施旁站监理｡主坝和五凌副坝均采用履带式钻灌一体机,其中主坝高喷灌浆于2021年5月14日开始施工,2021年7月3日全部完成;五凌副坝高喷灌浆于2021年5月29日开始施工,2021年7月5日全部完成｡施工过程均没有出现异常情况｡

4、二管法高喷灌浆的实施效果

高喷灌浆质量采用钻孔检查法,检查孔布置在墙体中心线上的相邻两孔中间,高喷凝结体的搭接处,自上而下分段钻孔取芯和静水头压水试验｡钻孔采用XY-2型地质钻机清水钻进,钻头直径选75mm,低速转进,双管单动钻具取芯｡

4.1施工单位自检情况

施工单位委托质量检测单位进行施工质量检测,检查孔数量按总孔数的10%｡主坝高喷灌浆抽检14孔共23段注水试验,五凌副坝高压旋喷灌浆抽检14孔共23段注水试验,渗透系数K实值为9.90×10-7~2.80×10-6cm/s,均满足渗透系数K设≤5×10-6cm/s的设计要求｡

4.2全过程咨询单位平行检测情况

全过程咨询单位委托平行检测单位进行平行质量检测,检查孔数量按施工单位抽检总孔数的20%｡主坝高压旋喷灌浆抽检3孔共6段,五凌副坝抽检3孔共5段,试验段渗透系数K实值为8.61×10-7~2.36×10-6cm/s,均满足渗透系数K设≤5×10-6cm/s的设计要求｡

4.3质量监督机构监督检测情况

质量监督机构委托质量检测单位进行质量监督检测,2021年8月30~9月1日对主坝､五凌副坝的高喷灌浆进行注水试验｡主坝高喷灌浆抽检2孔共4段,五凌副坝抽检2孔共4段,试验段渗透系数K实值为1.20×10-6~4.40×10-6cm/s,均满足渗透系数K设≤5×10-6cm/s的设计要求｡

4.4项目法人检测情况

项目法人委托竣工验收检测单位于2021年11月18~22日对该项目进行竣工前抽样检测｡抽检方案报经项目竣工验收主持单位审核确认,检测结果如下:

(1)主坝｡高喷灌浆防渗墙体抽检3孔共6段,试验段注水试验实测透水系数K实为4.40×10-6~4.87×10-6cm/s,均满足渗透系数K设≤5×10-6cm/s的设计要求｡开挖墙体搭接厚度平均值为32.5cm,最小值30.6cm,均大于设计厚度D设≥30.0cm的要求;从开挖部位看,墙体胶结较好,搭接连续,无空洞,形成墙体良好｡

(2)五凌副坝｡高压旋喷灌浆防渗墙体抽检3孔共6段,试验段注水试验实测透水系数K实为4.30×10-6~4.82×10-6cm/s,均满足渗透系数K设≤5×10-6cm/s的设计要求｡开挖墙体搭接厚度平均值为31.7cm,最小值30.2cm,均大于设计厚度D设≥30.0cm的要求;从开挖部位看,墙体胶结较好,搭接连续,无空洞,形成墙体较好｡

5、二管法高喷灌浆技术的总结与推广

5.1二管法的适用范围

本项目成功应用二管法进行高喷灌浆｡实践证明,二管法对大坝土层要求不高,如风化料填筑层､黏土层､砂土层､坝基覆盖层等,均适用｡而普通三管法一般适用于均质土坝,对于较为复杂的地层不适用｡二管法的适用范围要比普通三管法广｡

5.2高喷设备的选择

采用履带式钻灌一体机,与传统钻孔､灌浆设备分离相比,大大提高了高喷灌浆的工效､同时降低了人工成本(取消地质钻机钻孔)｡同时普通三管法高喷设备可用于二管法,把水管改做浆管即可｡二管法高喷设备的选择基本不受影响｡

5.3环保评价

由于二管法只有浆管和气管,减少了水泥浆液被稀释的程度,更有助于水泥浆液的固结,从而提高灌浆凝结体的水泥结石率,增强防渗效果,减少水泥浆液的浪费和环境污染,有效解决三管法高喷灌浆产生的大量废浆､污染水库水质及周边环境等问题｡

5.4经济评价

本项目二管法高喷灌浆水泥用量约0.30t/m,而普通三管法试验的水泥用量约是0.66t/m,二管法的水泥用量约是普通三管法的一半;通过采用履带式钻灌一体机,取消地质钻机钻孔,且不分序灌浆,可大大减少高喷设备在坝面来回移动的时间,且本项目高喷灌浆在不增加费用的前提下由普通三管法变更为二管法,孔距由1.0m变更为0.5m,事后经施工自检､监理平行检测､政府质量监督部门的监督检测和项目法人检测,检测结果均全部满足设计要求;效率和效益都比较明显｡

基于二管法高喷灌浆技术及钻灌一体机施工设备在贵港市覃塘区九凌水库除险加固工程的成功实践,目前二管法高喷灌浆技术已相继在贵港市港南区武思江水库､平南县冷冲水库､覃塘区山洪水库等多个水库除险加固工程中推广应用,效果均比较好,应用前景广阔｡

文章来源:李陆坤,李信学,梁念忠.二管法高喷灌浆技术在九凌水库除险加固工程中的应用[J].广西水利水电,2025,(01):43-46.