注浆技术在河道防渗中的应用探讨

时间：2024-10-19

韩竹东，乐应，汪杰

流经矿区河道若不经过治理，经过长时间的渗漏易造成地面塌陷，对矿区周边居民的人身安全及房屋造成危害，同时河道水溃入矿坑也易造成淹井事故。安徽铜陵新桥矿业圣冲河及新西河经前期物探，发现基岩面附近存在过水通道，为防止产生地面塌陷，河道水溃入矿坑，新桥矿业最终决定采用注浆方案治理河道渗漏。

1 工程概况

新桥矿业位于安徽省铜陵市，该矿山是一座以硫矿为主的大型露天—地下联合开采的矿山。矿区水文地质条件复杂,矿坑涌水量大，为典型的大水矿山。矿山东侧采用露天开采，截止2015 年矿坑开采深度即将达到设计露天开采最终标高。为了防止井采过程中出现水害事故，设计采用露天坑边坡外侧地表近矿体帷幕注浆方案及新西河局部河床防渗注浆方案联合治水。

2 渗漏问题的原因

由于工程开发的外部条件和内部条件完善程度差异，造成工程建设后极有可能会出现渗漏问题，对水利工程后续开发、应用产生影响。笔者结合当代水利工程建设的实际情况，将出现渗漏问题的原因归纳为：

2.1 内部原因

建设期间渗漏技术的应用，多会按照水利工程建设的整体建设情况，将工程施工区域分为多个部分，而各个部分切割施工竣工后再重新组合起来，但施工时往往对水利工程建设的连接部分防护不到位，导致区域切割部分出现连接缝过大，连接区域破损等，这样的水利防水结构，自然也就造成了建设后渗水的问题（详见表1）。同时，防渗技术施工期间，施工人员只注重底部渗水防护，而忽视了水利建设周围墙体渗水问题分析。水利工程建设后，工程周围墙体建设区域内，也极有可能会出现表层渗水的问题。

2.2 外部原因

建设过程中应用的建设材料不合格，工程建设后，坝体边缘、坝体防护区域，就会出现混凝土结构脱落、局部墙体坍塌的问题，防渗技术在水利工程中应用的效果就会明显下降。

同时，水利工程建设期间，由于施工人员对施工各个环节不够了解，防渗技术施工要点把握不到位，在区域施工时也会遗留下技术残缺，导致工程施工后渗水。

此外，由于水利大坝、桥梁等部分，长期处于潮湿，水体强度冲击的状态，混凝土建设部分极易出现局域老化的情况，也会造成以混凝土为主的防护墙体区域老化。

3 河道防渗加固区工程量布置

河道防渗加固区范围主要通过前期物探试验确定，经物探试验确定的防渗加固区面积约25983m2。共分为8 个加固区，加固区平面上呈长带状，其中圣冲河A 区加固体长度约280m，加固体宽20-50m。新西河B-H 区长度520m，加固体最宽处C 区60m，一般40-60m。

4 河道防渗加固区水文地质条件

根据前期水文地质勘探成果，河道防渗加固区自上而下含水层主要有2 大类：第四系孔隙水及碳酸盐岩岩溶裂隙水。

4.1 第四系孔隙水

防渗加固区内第四系范围主要分布于圣冲河、朱冲河河谷、河床地带，主要分为全新统冲洪积()松散孔隙含水层及中更新统冲洪积()弱孔隙含水层。

（2）弱富水孔隙含水层

4.2 碳酸盐岩类岩溶裂隙水

强～中等富水碳酸盐岩类岩溶裂隙含水岩组

茅口组(P1m)：岩性为灰岩，-150m 以上岩溶裂隙较发育，前期勘探时钻孔见洞率为66.6%，平均岩溶率6.33%。富水性强，钻孔遇此层时多处漏水，含水性极不均一，该层渗透系数为0.01 ～26.61m/d，为矿床间接充水顶板。

5 注浆防渗加固设计参数

设计注浆孔间距10m，设计注浆防渗底深度为进入灰岩10m，设计注浆加固体渗透系数为0.06m/d(近似于透水率5Lu)。

6 注浆施工工艺

6.1 注浆材料

河道防渗加固注浆以水泥粘土浆为主，浆液的配制集中在制浆站搅拌配制，自流至二次搅拌桶，再通过注浆泵向钻孔内灌注。浆液浓度由稀至浓，浆液配比主要有（水泥：粘土：水）1:3:4.8、1:3:4、1:2:3、1:1:2 四种供注浆选择，添加剂为水玻璃，水玻璃占固体比重多在1%，对于注浆量较大区域，添加水玻璃2%。

注浆水泥：P.O 42.5 普通硅酸盐水泥。粘土：塑性指数≥15，小于0.005mm 粒径含量不小于40%，0.005 ～0.05mm 粒径含量一般不大于45%，含砂量（0.05 ～0.25mm）不大于5%。水玻璃：模数为2.8 ～3.4，浓度为38 ～45 波美度。

6.2 注浆方式

由于注浆钻孔较浅，为了防止地面冒浆，便于控压同时保证注浆质量，本次注浆采用自上而下孔口封闭孔内循环式注浆。

即孔内下入套管，孔口使用孔口封闭器封闭，射浆管穿过孔口封闭器进入钻孔，注浆时浆液通过射浆管送至孔内。注浆泵安装回浆装置，用以注浆时的压力调节。

6.3 注浆段长

主要分为两段式注浆，第一段钻进至基岩面1～2m，封套管后进行注浆，若在第四系土层遇空洞应立即停钻注浆。第二段直接钻进至灰岩以下10m，然后进行注浆。

6.4 注浆压力

注浆过程中，将压力计安装在注浆孔口回浆管路上，并依据设计注浆终压来确定不同孔段的注浆压力。第四系注浆主要为了加固土层，填充土洞，设计终压采用0.3MPa；基岩部分按正常注浆压力控制，因钻孔较浅（多为30～50m）设计注浆终压为1.2 MPa，减去浆柱压力，即孔口表压为0.4 MPa。

由于钻孔较浅，第四系注浆极易出现冒浆现象，对于冒浆严重钻孔段，在遵照设计的基础上，注浆结束压力可适当降低。

6.5 浆液浓度的变换

单次注浆过程中当某一配比的水泥粘土浆注入量已达25m3，并且注浆压力无明显上升时，则改用浓一级配比浆液；当采用最浓配比的浆液灌注仍不起压时，则增加水玻璃用量，从起注时的1%增加到2%。仍然没有起压的，则需间歇注浆，间歇注浆第四系注浆段一次注浆量约100m3，基岩注浆段一次注浆量约150 m3，间歇时长一般为8 小时。

6.6 注浆结束标准

注浆过程中满足以下两点即可结束该段注浆：

①注浆压力均匀持续上升达到设计注浆终压，同时钻孔单位吸浆量小于10L/min 时，并且持续30 分钟即可结束注浆。

②注浆完毕后，经待凝、扫孔、钻孔冲洗后，再进行单段压水试验，段次单位透水率小于3Lu 即可完成该段注浆。

6.7 注浆孔封孔

注浆孔最后一段达到注浆结束标准后，经全孔压水试验检验合格即可进行封孔，若压水试验不合格应进行全孔注浆直到压水试验合格。因钻孔较浅，封孔采用“全孔灌浆封闭法”进行封孔。直接将孔口封闭，进行纯压式灌注封孔。封孔时浆液采用配比为1:1:1.6 的水泥粘土浆，压力采用1-2 倍最大注浆压力。封孔结束后，孔内浆液凝结会产生空孔段，对空孔段用浆液配比为1:1:1.6 的粘土浆填满。

7 注浆防渗效果评价

河道防渗注浆完成后施工了26 个检查孔，检查孔多处可见浆液结石体，表明注浆浆液扩散较好。同时对检查孔进行了压水试验，检查孔透水率均小于3Lu，满足设计要求，说明注浆浆液对周围土层及岩层充填较好。

河道防渗加固工程的处理地层很大一部分是第四系卵石土（碎石土），由于压水试验时，流量较大，容易冲垮孔壁，遂同时采用注水试验获取第四系土层的透水率。本工程注浆加固区域采用降水头注水试验。

本工程对检查孔J11、J12、J17、J19、J25、J26 做了注水试验，得出试验结果见表1。

表1 部分检查孔注水试验结果

由上表可知，注浆后第四系渗透系数极小，基本不透水。由此可见河道防渗加固工程对河道电阻异常区域注浆效果显著，有效的加固了第四系碎石土层，充分的填充了灰岩的裂隙、岩溶区域，达到了原设计方案的处理效果。

8 混凝土防渗技术施工设备

8.1 防渗墙施工设备

（1）钢绳冲钻机。在建设防渗墙时要使用的设备是钻孔机械，在应用钢绳冲钻机时要先对地层进行破碎冲击施工。在实际的工作中，这是必须要进行的步骤。之后要有效清理地屑层，此时用到的工具是抽砂筒，但是这种方法其中存在一些缺陷，效率过低就是缺陷之一，不仅如此，还会消耗大量的电能。

（2）冲击式循环钻机。在当前的发展阶段中，冲击式反循环钻机也是一种常用的防渗墙施工设备。与钢绳冲钻机相比，具有消耗能量低的优势，而且施工效率也有所提升。正是因为该设备优势较为明显，所以在实际的施工工作中得到了广泛的应用。

8.2 防渗墙造孔设备

造孔工艺主要应用于防渗墙槽孔筑造施工中，工艺方法有两种，其中一种是钻劈法，在砂卵石地层中这种方法比较适用。在具体的施工中，要划分不同的槽段，之后同时跟进分槽孔和主槽孔工艺。当槽孔达到一定深度后，要劈打副孔，并将石渣清理干净。另外一种方法是钻抓法，这种方法在紧密的地层造孔中比较适用，需要用到的工具是冲击钻。

9 防渗技术在建设中应用要点探究

9.1 明确技术应用一般流程

防渗技术，是指借助专业的技术手段，在水利工程建设过程中，针对大坝底部、桥梁基墩等部分，开展专业的防护措施。一般来说，防渗技术的应用需经过：灌浆、防渗墙建设、以及边缘检验三方面。

灌浆环节，是防渗技术实施的基础，该环节主要通过钻孔、冲洗、注水试验三个步骤，对水利工程建设的根基部分进行建设。防渗墙建设，是通过钻进、固壁两个步骤的工作，对防渗基层进行防渗加固。即，防渗加固处理中的每一次墙体加固建设，都是对地下连体墙建设条件的外部固定;且防渗墙建设中应用的钢绳，具有坚固和顽固力强的优势，可直接对水利工程的整体结构进行加固。注水试验，是指进行水利工程施工建设时，要结合水利工程建设的以上两个步骤，科学把握水利建设各个环节承受力、稳固性的测验，三个步骤全部完成后，方可实现了防渗技术的完全应用。

9.2 振动沉模法

理论归纳。振动沉模法，是指以振动冲击桩固定联合模板加固的方法，对水利工程建设中的墙体进行加固。该种方法主要是以振动体系的振动冲击力在振动时所产生的竖向振动强度，将空腹钢板模型沉入到地层建设当中，使墙体在钢板加固的状态下，可在振膜与帷幕之间建立良好的防渗阻隔屏障。该技术的技术要点可归纳为：

（1）振动墙体建设。施工人员按照水利工程建设的一般要求，建立水利工程建设模型，并用振动冲击桩对其进行固定。

（2）振动沉模板按照垂直与墙面摆放，且保持墙面平整、无缝。

（3）建立墙体抗渗坡，并按照100 平方米为以个模块的标准，在墙体边缘修筑防渗坡。

（4）按照墙体振动强度的大小，适当调整防渗板周围鹅卵石的数量，但鹅卵石放置高度应＞15m。

9.3 喷射灌浆调节法

喷射灌浆调节法，也称为往复式高压灌浆法，是指水利工程建设期间，除了按照常规灌浆法进行基层处理之外，还应在后续防渗模板建设时，利用专业的高压喷射设备，进行防渗层的高压喷射。一般来说，喷射灌浆发调节法，需在防渗墙建设后，集中进行水泥浆、水体、以及气体的喷射，以避免防渗墙在后期水体冲击时，出现开裂、渗水的问题。

9.4 复合土防渗法

复合土防渗法，是指利用水利工程坝的土坝结构，加强水利工程的防渗能力。一方面，复合土应用时，必须是黏度、密度相似的素土作基层。另一方面，复合土防渗工膜部分，需按照现浇混凝土、混凝土预制板、干砌块石顺序逐层放置的方法进行固定。

9.5 托底防渗策略

拖底灌浆防渗技术，是一项大规模区域空间填充防渗措施，或者也可以将该种防渗策略，看作是水利工程建设中的一种悬挂式保护屏障。该技术实施步骤可归纳为：

（1）基层灌浆环节进行初步加固。即，水利工程中的防渗墙体建设时，需尤为注意基层灌浆部分底部灌浆的稳固情况，一般基层灌浆时，采用稠浆和砂砾为灌浆的主要材料。

（2）基层灌浆后，外部加压强度要在底部预留出2-5cm 的大孔隙。该环节中预留出来的底部孔隙，是为后续帷幕建设期间上层加压处理时发生下沉提供空间。

（3）将底部大孔隙彻底固定密封。

9.6 防渗墙槽孔技术

防渗墙槽孔技术，是指在水利工程防渗墙体建设过程中，可通过预留水体流动空间的方法，减少防渗墙周围的冲击力度。简单来说，防渗墙孔槽技术，就是在防渗墙体下侧留置一个水流孔。当水流区域受到巨大的冲击时，水流可通过小孔流向对侧，而不会增加水体对防渗墙的冲击。②案例探究。举例来说，G 地区水利工程建设期间，施工人员为了避免区域水流涨潮、落潮造成的冲击，在进行防渗墙建设时，按照500m 一个防渗槽孔的标准进行水流强度调节。同时，在小孔建设期间，内部采用岩石层层搭建的方式，设计一个水流调节小孔。而小孔转折区域采用沿岸管道引流法进行排水。该工程建设过程中所应用的水体引流调节方法，不仅可以减少水利工程水利防渗墙体所受的冲击，也可以调节涨潮、落潮时的水流冲击力度，降低水利工程建设区域坍塌的问题发生。