大块石架空层土石围堰基础防渗：新技术的探索与实践

大块石架空层土石围堰基础防渗：新技术的探索与实践一、引言1.1研究背景与意义水利工程作为国家基础设施建设的重要组成部分，对于防洪、灌溉、供水、发电等领域起着关键支撑作用。在水利工程建设过程中，土石围堰是一种广泛应用的临时挡水建筑物，它能够为主体工程施工创造干地条件，确保工程顺利进行。土石围堰因其就地取材便利、施工工艺相对简单、对基础适应性强等显著优点，在各类水利工程中得到了大量采用。例如在小湾水电站、彭水水电站等众多大型水利枢纽工程建设中，土石围堰均发挥了重要作用，保障了工程在复杂水文地质条件下有序推进。然而，当土石围堰基础存在大块石架空层时，会给防渗施工带来诸多难题。大块石架空层是指在土石围堰基础中，由于块石堆积形成的空隙较大、相互连通的结构。这种结构的存在使得围堰基础的防渗性能大幅下降，主要体现在以下几个方面：其一，架空层内的大空隙为水流提供了便捷通道，导致围堰渗漏量急剧增加。一旦渗漏量超出控制范围，不仅会增加基坑排水成本，严重时还可能引发管涌、流土等渗透破坏现象，威胁围堰的整体稳定性，进而影响整个水利工程的施工安全和进度。其二，大块石架空层的存在使得常规防渗施工技术难以发挥有效作用。传统的防渗方法，如黏土防渗、混凝土防渗墙等，在面对这种复杂地质结构时，往往无法保证防渗材料能够充分填充架空层的空隙，从而难以形成连续、有效的防渗体系。其三，由于架空层结构复杂，钻孔难度大，采用常规的泥浆护壁方式，泥浆会大量流失，导致孔壁坍塌，增加施工难度和成本，且难以保证钻孔的垂直度和深度，影响后续防渗施工的质量和效果。研究大块石架空层土石围堰基础防渗施工新技术具有极其重要的意义。从工程安全角度来看，有效的防渗技术能够确保围堰在施工期内的稳定性，防止因渗漏引发的各种安全事故，为水利工程的顺利建设提供坚实保障。一个成功的防渗案例是构皮滩水电站，通过采用新型防渗技术，有效解决了大块石架空层的渗漏问题，保障了工程在高水头、复杂地质条件下安全施工，避免了可能因渗漏导致的围堰垮塌等严重后果。从成本控制角度而言，新技术的应用可以降低基坑排水成本，减少因防渗失败导致的返工费用，提高工程经济效益。例如，在思林水电站工程中，采用创新的防渗工艺后，基坑排水量明显减少，施工工期缩短，节约了大量的人力、物力和财力资源。因此，开展对大块石架空层土石围堰基础防渗施工新技术的研究，对于推动水利工程建设的安全、高效、经济发展具有重要的现实意义，也为类似复杂地质条件下的水利工程防渗施工提供宝贵的经验和技术参考。1.2国内外研究现状在国外，针对土石围堰基础防渗问题，尤其是大块石架空层这种复杂地质条件下的防渗研究，已有一定成果。早期，国外主要采用传统的防渗技术，如在一些土石围堰工程中应用混凝土防渗墙技术，通过在地基中建造连续的混凝土墙体来阻止水流渗透。像美国的大古力水电站，在建设过程中就运用了混凝土防渗墙对围堰基础进行防渗处理，在当时取得了较好的效果，有效保障了工程施工期间的基坑安全。随着科技的发展，一些新的材料和技术被逐渐应用到土石围堰防渗领域。例如，在欧洲的一些水利工程中，开始采用土工合成材料，如土工膜、土工织物等，利用其良好的防渗性能和耐久性来增强围堰的防渗效果。土工膜以其极低的渗透系数，能够有效地阻挡水分渗透，在土石围堰基础防渗中发挥了重要作用，被广泛应用于不同规模的水利工程中。然而，对于大块石架空层这种特殊地质结构，国外现有的研究成果仍存在一定局限性。传统的混凝土防渗墙技术在面对大块石架空层时，由于大块石的存在导致造孔困难，易出现塌孔、漏浆等问题，施工效率低下，且难以保证墙体的连续性和完整性。例如在巴西的某水利工程中，采用混凝土防渗墙对含有大块石架空层的土石围堰基础进行防渗处理时，因造孔过程中频繁遇到大块石，导致施工进度严重受阻，且部分墙体出现质量问题，未能达到预期的防渗效果。土工合成材料虽然在一般地质条件下表现出良好的防渗性能，但在大块石架空层中，由于架空层的大空隙和复杂结构，土工合成材料难以有效铺设和固定，无法完全填充空隙，容易出现局部渗漏现象。国内对土石围堰基础防渗技术的研究也在不断深入和发展。早期，我国主要借鉴国外的先进经验，并结合国内水利工程的实际情况，应用一些常规的防渗技术，如黏土心墙防渗、灌浆防渗等。黏土心墙防渗是利用黏土的低渗透性，在土石围堰中设置黏土心墙，形成防渗屏障。在许多中小型水利工程中，黏土心墙防渗技术因其施工简单、成本较低等优点得到了广泛应用。灌浆防渗则是通过向地基中灌注浆液，填充空隙和裂缝，形成防渗体，如在一些土石围堰工程中采用水泥灌浆、化学灌浆等方法进行防渗处理。随着我国水利工程建设的快速发展，越来越多的工程面临着大块石架空层等复杂地质条件的挑战，国内学者和工程技术人员对此展开了大量研究。针对大块石架空层，提出了多种新的防渗施工技术和方法。例如，高喷灌浆技术通过高压喷射水泥浆液，对土体进行切割、搅拌和混合，形成防渗板墙。在三峡水电站围堰工程中，高喷灌浆技术得到了成功应用，有效解决了部分地段的防渗问题。此外，还有膏状浆液灌浆、双液灌浆、膜袋灌浆及高流态混凝土灌注等技术也在一些工程中进行了实践和探索。膏状浆液灌浆技术利用膏状浆液的高粘性和抗分散性，能够更好地填充大块石架空层的空隙，在彭水水电站等工程中取得了较好的防渗效果。双液灌浆则是通过将两种不同的浆液混合灌注，利用其快速凝固的特性，在动水条件下实现堵漏和防渗。膜袋灌浆是将浆液注入特制的膜袋中，使其在架空层中形成稳定的防渗结构。高流态混凝土灌注则利用高流态混凝土的良好流动性和填充性，对大块石架空层进行填充和封堵。尽管国内在大块石架空层土石围堰基础防渗技术方面取得了一定进展，但仍存在一些问题需要进一步研究和解决。一方面，各种防渗技术都有其适用条件和局限性，在实际工程中如何根据具体地质条件、施工工期、工程造价等因素选择合适的防渗技术或技术组合，还缺乏系统的理论和方法指导。不同的防渗技术在不同的地质条件下表现出不同的防渗效果，例如在高流速动水条件下，一些灌浆技术可能无法有效凝固和填充，导致防渗失败。另一方面，现有的防渗技术在施工过程中还存在一些技术难题，如钻孔难度大、浆液流失严重、施工质量难以保证等。在复杂的大块石架空层中，钻孔时容易出现偏斜、卡钻等问题，影响施工进度和质量；浆液在灌注过程中，由于架空层的大空隙和水流作用，容易流失，导致防渗材料浪费和防渗效果不佳。此外，对于一些新型防渗技术和材料，其长期性能和耐久性还需要进一步研究和验证。一些新材料在长期的水压力、化学侵蚀等作用下，其防渗性能是否会发生变化，目前还缺乏足够的研究数据和实践经验。综上所述，国内外针对大块石架空层土石围堰基础防渗虽已开展了诸多研究并取得一定成果，但仍存在技术瓶颈和研究空白。本研究将在分析现有技术优缺点的基础上，从材料研发、工艺优化、施工控制等多方面入手，探索一种更加高效、可靠、经济的防渗施工新技术，以填补当前研究的不足，为水利工程建设提供更有力的技术支持。1.3研究方法与创新点本研究综合运用案例分析、实验研究和理论分析相结合的方法，深入探究大块石架空层土石围堰基础防渗施工新技术，力求在技术应用和理论探索方面取得突破。在案例分析方面，选取彭水水电站、构皮滩水电站、思林水电站等多个具有代表性的水利工程案例。这些工程均面临大块石架空层土石围堰基础防渗难题，且采用了不同的施工技术和方法。通过详细分析这些案例的工程背景、地质条件、施工过程、防渗效果及遇到的问题与解决措施，总结现有防渗技术在实际应用中的优缺点和适用条件。例如，对彭水水电站采用膏状浆液灌浆技术的案例分析中，深入研究其在大块石架空层中的灌浆工艺、材料消耗、防渗效果监测数据等，明确该技术在应对大空隙、高流速等复杂地质条件时的优势和局限性。通过多案例对比，提炼出影响防渗效果的关键因素，为新技术的研发提供实践依据。实验研究主要围绕新型防渗材料和施工工艺展开。在新型防渗材料研究中，通过室内实验，对多种材料的性能进行测试和分析。改变材料的成分、配比，研究其渗透系数、抗压强度、抗冲刷性能等指标的变化规律。如研发一种新型的复合防渗材料，通过实验调整其水泥、膨润土、添加剂等成分比例，测试不同配比下材料的防渗性能和力学性能，确定最佳配方。在施工工艺实验中，搭建模拟实验平台，模拟大块石架空层的地质结构和水流条件，对新研发的施工工艺进行实验验证。通过实验，优化施工参数，如灌浆压力、灌浆速度、喷射角度等，提高施工工艺的可靠性和有效性。同时，对比分析新型施工工艺与传统工艺的实验结果，突出新技术的优势。理论分析则基于土力学、渗流力学、材料力学等相关学科理论，对大块石架空层土石围堰基础的渗流特性、防渗机理进行深入研究。建立渗流数学模型，运用数值模拟方法，分析在不同工况下，水流在大块石架空层中的渗流路径、流速分布、压力分布等。例如，利用有限元软件，对土石围堰基础在不同水头差、不同架空层结构下的渗流情况进行模拟，预测可能出现的渗漏部位和渗漏量。结合材料力学理论，分析防渗材料在复杂受力条件下的力学性能和破坏机理，为防渗结构的设计提供理论支持。通过理论分析，揭示大块石架空层土石围堰基础防渗的内在规律，为新技术的研发提供理论指导。本研究在技术应用和理论探索方面具有显著创新点。在技术应用上，创新性地将多种技术进行优化组合，形成一种全新的防渗施工技术体系。例如，将高喷灌浆技术与新型复合防渗材料相结合，利用高喷灌浆的高压喷射作用，使新型复合防渗材料能够更好地填充大块石架空层的空隙，形成高强度、高防渗性能的防渗体。这种技术组合不仅克服了传统高喷灌浆技术在大块石架空层中难以形成有效防渗结构的问题，还充分发挥了新型复合防渗材料的优良性能，提高了防渗效果和工程可靠性。同时，研发了一套适用于大块石架空层的快速钻孔和精准灌浆设备，解决了传统施工设备在复杂地质条件下钻孔难度大、灌浆精度低的问题，提高了施工效率和质量。在理论探索方面，提出了一种基于多场耦合理论的大块石架空层土石围堰基础防渗分析方法。该方法综合考虑渗流场、应力场、温度场等多场因素的相互作用，更加全面、准确地描述了土石围堰基础在防渗施工和运行过程中的物理力学行为。通过建立多场耦合数学模型，分析不同场因素对防渗效果的影响机制，为防渗设计和施工提供更加科学、合理的理论依据。此外，还对新型防渗材料和施工工艺的长期性能和耐久性进行了理论研究，建立了相应的评价指标和预测模型，填补了该领域在理论研究方面的空白，为新技术的推广应用提供了有力的理论支撑。二、大块石架空层土石围堰基础防渗概述2.1土石围堰的基本类型与特点土石围堰按其结构形式可分为均质土石围堰、土质心墙围堰、土质斜墙围堰、混凝土心墙围堰以及混凝土斜墙围堰等多种类型。不同类型的土石围堰在材料选择、施工工艺以及防渗性能等方面各具特点，在水利工程中也有着不同的应用场景。均质土石围堰是较为简单的一种类型，它主要由单一的土石材料填筑而成。这种围堰结构简单，施工工艺不复杂，能够充分利用当地的土石资源，对基础的适应性较强，在一些地质条件相对简单、对防渗要求不是特别高的小型水利工程中应用较为广泛。在一些小型农田灌溉工程中，由于工程规模较小，水头较低，均质土石围堰因其施工简便、成本低廉的特点，能够满足工程的临时挡水需求。然而，均质土石围堰的防渗性能相对较弱，在高水头、大流量的水利工程中，难以有效阻挡水流渗透，因此其应用受到一定限制。土质心墙围堰和土质斜墙围堰是在土石围堰中设置土质防渗体的类型。土质心墙围堰是在围堰中心部位设置由黏土等防渗材料构成的心墙，以阻挡水流渗透。这种围堰的优点是防渗体位于堰体中部，受到两侧土石材料的保护，不易受到外界因素的破坏。同时，土质心墙的防渗性能较好，能够有效降低围堰的渗漏量。在许多中型水利工程中，如一些小型水库的建设，土质心墙围堰得到了广泛应用。土质斜墙围堰则是将防渗体设置在堰体的上游坡面，利用斜墙的坡度增加渗径，从而达到防渗目的。其优点是施工相对简单，防渗效果也较为显著。但土质斜墙容易受到水流冲刷和外界环境的影响，需要做好防护措施。在一些河流流速相对较小、对防渗要求较高的水利工程中，土质斜墙围堰是一种常用的选择。混凝土心墙围堰和混凝土斜墙围堰是采用混凝土作为防渗体的土石围堰类型。混凝土心墙围堰是在土石堰体中设置混凝土心墙，混凝土具有强度高、防渗性能好的特点，能够承受较大的水头压力。这种围堰适用于高水头、大流量的大型水利工程，如三峡水电站等。在这些工程中，混凝土心墙围堰能够有效地阻挡水流渗透，保证围堰的稳定性和安全性。混凝土斜墙围堰是在堰体上游坡面设置混凝土斜墙，其优点是施工速度相对较快，防渗效果可靠。但混凝土斜墙围堰对施工工艺要求较高，且混凝土材料成本相对较高。在一些对施工工期有要求、同时对防渗性能要求也较高的水利工程中，混凝土斜墙围堰具有一定的优势。土石围堰在水利工程中具有广泛的应用场景。在大江大河的截流工程中，土石围堰常常作为临时挡水建筑物，为后续的主体工程施工创造干地条件。在水电站建设中，土石围堰可以作为上下游横向围堰，阻挡河水，保证水电站基坑的施工安全。在一些河道整治工程中，土石围堰也可用于临时挡水，便于河道清淤、护岸等工程的实施。土石围堰还可以与其他类型的围堰结合使用，如在一些复杂的水利工程中，将土石围堰与混凝土围堰结合，充分发挥各自的优势，提高围堰的整体性能。2.2大块石架空层的形成机制与特性大块石架空层在土石围堰基础中形成，主要是由多种因素共同作用导致。在土石围堰施工过程中，当采用爆破开挖或大型机械挖掘等方式获取筑堰材料时，容易产生较大尺寸的块石。这些块石在搬运和填筑过程中，由于缺乏有效的控制和整理，往往会无序堆积，从而形成架空结构。在一些山区河流的水利工程中，从山体开挖获取的块石直接用于土石围堰填筑，块石之间未能充分压实，导致大量架空层的出现。河流的地质变迁也是大块石架空层形成的重要原因之一。在漫长的地质历史时期，河流的冲刷、搬运作用会使河床中的块石不断移动和重新排列。当水流速度和方向发生变化时，块石可能会堆积在一起，形成空隙较大的架空层。一些河流在洪水期，水流携带大量块石向下游移动，洪水退去后，块石在河床中堆积，形成了大块石架空层。大块石架空层的结构呈现出复杂的特征。块石之间相互交错、支撑，形成了大小不一、形状各异的空隙。这些空隙相互连通，构成了一个复杂的渗透通道网络。通过对实际工程中大块石架空层的现场勘察和分析发现，架空层中的块石粒径分布范围较广，小到几十厘米，大到数米不等。块石的排列方式也十分不规则，有的呈水平排列，有的呈倾斜或垂直排列，进一步增加了架空层结构的复杂性。空隙率是大块石架空层的一个重要特性指标。由于块石之间存在大量空隙，大块石架空层的空隙率通常较高。研究表明，其空隙率一般在30%-50%之间，甚至在一些极端情况下可高达60%以上。这种高空隙率使得土石围堰基础的防渗性能受到严重影响。大量的空隙为水流提供了快速渗透的通道，导致围堰渗漏量大幅增加。当围堰上下游存在水位差时，水流会通过架空层的空隙迅速渗透，增加了基坑排水的难度和成本。高空隙率还会降低围堰基础的稳定性。在水压力和其他外力作用下，架空层中的块石容易发生移动和变形，进而影响整个围堰的稳定性。如果架空层中的块石发生松动或坍塌，可能会导致围堰局部失稳，引发安全事故。大块石架空层的存在对围堰稳定性和防渗的影响是多方面的。在稳定性方面，架空层的高空隙率使得围堰基础的力学性能不均匀，容易产生应力集中现象。当围堰受到外部荷载作用时，架空层区域的应力会显著增大，可能导致块石之间的接触点发生破坏，从而降低围堰的整体稳定性。在防渗方面，架空层的大空隙和连通性使得常规防渗材料难以有效填充和封堵。传统的黏土防渗材料在面对大块石架空层时，由于其颗粒较小，无法填充较大的空隙，容易被水流冲走，难以形成有效的防渗屏障。混凝土防渗墙在施工过程中，也会因为架空层的存在而出现漏浆、塌孔等问题，影响墙体的连续性和防渗效果。因此，深入了解大块石架空层的形成机制与特性，对于解决土石围堰基础防渗问题具有重要意义。2.3防渗施工的重要性及面临的挑战防渗施工在土石围堰工程中占据着举足轻重的地位，对于整个水利工程的安全与稳定运行起着关键作用。从围堰自身的稳定性角度来看，良好的防渗施工能够有效阻止水流渗透，避免因渗透导致的土体软化、强度降低等问题，从而确保围堰在施工期和运行期能够承受各种荷载作用，维持自身的稳定。在三峡水电站的土石围堰施工中，通过有效的防渗措施，成功阻止了江水的渗漏，保障了围堰在高水头作用下的稳定性，为水电站主体工程的顺利施工创造了安全的条件。从基坑施工条件保障方面而言，防渗施工能够降低基坑内的水位，为基坑开挖、基础处理等后续施工工序提供干地作业环境，提高施工效率和质量。在许多水利工程中，如小湾水电站、彭水水电站等，通过对土石围堰进行防渗处理，使得基坑内的积水得到有效控制，施工人员能够在干燥的环境中进行作业，避免了因积水导致的施工困难和质量隐患。从工程运行安全角度考虑，防渗施工能够减少围堰渗漏对周边环境的影响，防止因渗漏引发的地质灾害和环境污染问题，保障工程的长期安全运行。在大块石架空层条件下进行防渗施工，面临着诸多严峻的挑战。工程量大是首要难题，土石围堰的轴线长度通常较长，一般在100m以上，其防渗深度可达40m左右，这使得防渗帷幕长度可达数千米。彭水围堰的帷幕长度就达到了4500m，小湾电站下游围堰帷幕长度为3673m。由于大块石架空层的存在，地层空隙率较高，为了形成完整的防渗体系，所灌入的材料必须充分充填这些空隙，导致材料耗量巨大。彭水的围堰防渗共耗费水泥10000吨以上。加之施工工期往往受渡汛等因素限制，时间紧迫，如彭水电站从大江截流到闭气只有3个月时间，这对施工组织和资源调配提出了极高的要求。动水条件也为防渗施工带来了极大的阻碍。由于施工工期短，且围堰多为临时建筑，很多土石围堰所做的黏土心墙质量较差，尤其是水下部分的心墙，甚至有些根本没有黏土心墙。再加上围堰架空结构严重，即便上下游水位差不大且渗径较长，围堰中仍可能存在流动水，且流速可能较大。在这种动水条件下，常规的灌浆材料难以在架空层中有效沉淀和凝固，容易被水流冲走，导致防渗效果不佳。在一些工程中，采用普通水泥灌浆时，由于水流的冲刷作用，浆液无法在架空层空隙中停留，无法形成有效的防渗体。钻孔难度大也是一个不容忽视的挑战。由于大块石架空层的结构复杂且存在流动水，采用常规的泥浆护壁钻孔方式时，泥浆会大量流失。这不仅会增加泥浆的用量和成本，还会导致孔壁坍塌，影响钻孔的垂直度和深度，进而影响后续的灌浆等防渗施工工序。在实际工程中，常常出现因泥浆流失过快，钻孔无法正常进行，需要反复进行护壁处理，严重影响施工进度和质量。三、传统防渗技术在大块石架空层中的应用局限3.1混凝土防渗墙技术3.1.1技术原理与常规应用混凝土防渗墙技术是在松散透水地基中进行连续造孔作业，并以泥浆固壁，向孔内灌注混凝土而建成的墙形防渗建筑物。其原理是通过在地基中构建一道连续的混凝土墙体，形成一道垂直的防渗屏障，阻止水流通过地基渗透，从而达到防渗的目的。在一般土石围堰防渗中，混凝土防渗墙的常规应用方式为：首先，沿土石围堰的防渗轴线进行测量放线，确定防渗墙的位置。然后，根据地质条件和工程要求，选择合适的成槽设备，如冲击钻机、抓斗等，进行槽孔的开挖。在开挖过程中，为防止孔壁坍塌，需采用泥浆进行护壁。泥浆具有一定的密度和粘度，能够在孔壁上形成一层泥皮，起到支撑孔壁、防止坍塌和阻止地下水渗入的作用。当槽孔开挖到设计深度后，进行清孔换浆，清除孔底的沉渣和泥砂，确保孔底干净。接着，在槽孔内下设钢筋笼，以增强混凝土防渗墙的强度和稳定性。最后，采用导管法进行水下混凝土灌注，将混凝土通过导管注入槽孔内，随着混凝土的不断上升，逐渐将槽孔填满，形成连续的混凝土防渗墙。在许多水利工程中，如三峡水电站一、二期围堰防渗工程，混凝土防渗墙技术得到了成功应用，有效地阻止了江水的渗漏，保障了围堰的稳定性和基坑施工的安全。在葛洲坝大江围堰工程中，混凝土防渗墙也发挥了重要的防渗作用，确保了工程在复杂的水文地质条件下顺利进行。3.1.2在大块石架空层中的施工难题在大块石架空层中进行混凝土防渗墙施工时，会面临诸多难题，严重影响施工质量和进度。护壁泥浆易流失是首要问题，由于大块石架空层的空隙较大且相互连通，泥浆在护壁过程中会迅速渗透到架空层的空隙中，导致泥浆大量流失。这不仅增加了泥浆的用量和成本，还会使孔壁失去泥浆的支撑，容易引发塌孔事故。在某水利工程中，由于大块石架空层的存在，每钻进1m，泥浆的流失量就高达0.5m³以上，使得施工过程中需要不断补充泥浆，极大地影响了施工效率。塌孔问题也十分突出，在大块石架空层中，块石的分布不规则，孔壁周围的土体稳定性较差。当泥浆护壁效果不佳或受到外界因素干扰时，孔壁极易坍塌。例如，在钻孔过程中，若遇到较大块石，钻头的冲击力可能会破坏孔壁的稳定性，导致孔壁局部坍塌。一旦发生塌孔，不仅会影响钻孔的进度和质量，还可能需要对塌孔部位进行回填处理，重新钻孔，增加了施工成本和工期。造孔困难也是施工中的一大挑战，大块石的存在使得钻孔难度大幅增加。钻头在钻进过程中容易遇到块石的阻挡，导致钻头偏斜、卡钻等问题。当钻头遇到较大的孤石时，可能无法正常钻进，需要采用特殊的方法进行处理，如爆破破碎块石或采用大功率的钻孔设备。这些处理措施不仅增加了施工难度和成本，还会影响钻孔的垂直度和深度，进而影响混凝土防渗墙的质量。在一些工程中，由于造孔困难，钻孔的垂直度偏差达到了5%以上，远远超过了设计要求，严重影响了防渗墙的防渗效果。3.2高喷灌浆技术3.2.1技术原理与适用条件高喷灌浆技术的原理是利用工程钻机将钻孔钻至设计处理的深度，随后通过高压泥浆泵，经由安装在钻杆（喷杆）杆端且置于孔底的特殊喷嘴，向周围土体高压喷射固化浆液（一般为水泥浆液）。在喷射的同时，钻杆（喷杆）以一定速度边旋转边提升。高压射流具有强大的冲击力，能够破坏一定范围内的土体结构，使土体颗粒与固化浆液充分混合。随着时间的推移，混合后的浆液凝固，在土体中形成具有一定性能和形状的固结体。根据喷射管的运动形式不同，高喷灌浆可分为旋转喷射（简称旋喷）、定向喷射（简称定喷）和摆动喷射（简称摆喷）。旋喷时，喷射管做旋转、提升运动，在地层中形成圆柱形桩体，主要用于加固地基，提高地基的抗剪强度，改善地基土的变形性能。定喷是使喷射管向某一方向喷射，同时一面提升，在地层中形成一道薄板墙，通常用于地基防渗，改善地基土的水力条件。摆喷则是使喷射管做一定角度的摆动和提升运动，在地层中形成厚度较大的扇状固结体，也常用于地基防渗和边坡稳定等工程。高喷灌浆技术一般适用于多种地质条件。在砂土、粉土、粘性土等地层中，高压射流能够较为有效地破坏土体结构，使浆液与土体充分混合，形成性能良好的固结体，从而达到防渗和加固的目的。在一些水利工程的地基处理中，当遇到砂土地层时，通过高喷灌浆技术形成的防渗板墙能够有效地阻止地下水的渗漏，保障工程的安全运行。然而，对于卵砾石含量过高、粒径过大的地层，以及存在大量块石的地层，高喷灌浆技术的应用效果会受到一定影响。因为较大的卵砾石和块石会阻碍高压射流的冲击作用，使浆液难以充分填充空隙，影响固结体的形成质量和防渗效果。3.2.2在大块石架空层中的应用困境在大块石架空层中，高喷灌浆技术面临诸多应用困境，难以达到预期的防渗效果。由于大块石的粒径较大且架空结构空隙大，高压喷射流在冲击土体时，难以对堰体产生有效的破坏作用。当高压射流遇到大块石时，大部分能量被块石阻挡和消耗，无法深入到块石之间的空隙中，使得浆液难以充分填充这些空隙。在实际工程中，当高喷灌浆应用于含有大块石架空层的土石围堰基础时，常常发现大块石周围的空隙依然存在，未能被浆液有效填充，导致防渗体系存在漏洞。在大块石架空层中，高喷灌浆的实际过程近似于静压注浆。这是因为高压射流无法按照预期的方式切割和搅拌土体，浆液只能在重力和较小压力的作用下缓慢渗入空隙。这种近似静压注浆的方式，使得浆液的扩散范围和填充效果受到极大限制。与正常的高喷灌浆形成的固结体相比，在大块石架空层中形成的固结体结构松散，强度较低，无法形成连续、有效的防渗板墙。在某工程中，对大块石架空层采用高喷灌浆处理后，通过检测发现，形成的固结体之间存在较多的缝隙和空洞，防渗性能远低于设计要求，导致围堰渗漏问题依然严重。由于大块石架空层的空隙率高，浆液在灌注过程中容易流失。当浆液注入架空层后，会迅速通过空隙流走，难以在目标位置停留和凝固，进一步降低了高喷灌浆的防渗效果。在一些动水条件下的大块石架空层中，水流的冲刷作用会加剧浆液的流失，使得高喷灌浆几乎无法发挥作用。3.3静压注浆技术3.3.1技术原理与操作流程静压注浆技术是借助压力设备，将具有胶结、固化性能的浆液通过注浆管注入到地层的孔隙、裂隙或空洞之中。其技术原理基于渗透、填充和挤密等作用。在渗透作用下，浆液在压力驱动下渗入土体颗粒间的微小孔隙，随着浆液的不断注入，逐渐填充这些孔隙，排挤其中的水分和空气。当土体孔隙被浆液充分填充后，继续注入的浆液会对周围土体产生挤密作用，使土体颗粒更加紧密地排列，从而增强土体的密实度和强度。在一些砂土地层的地基加固工程中，静压注浆通过渗透和挤密作用，有效地提高了砂土的承载能力和抗变形能力。在填充作用方面，对于存在较大空洞或裂隙的地层，浆液能够直接填充这些空间，形成强度较高的固结体，从而改善地层的结构和性能。在岩溶地区的地基处理中，静压注浆可以填充溶洞、溶蚀裂隙等，增强地基的稳定性。静压注浆的操作流程较为复杂，包含多个关键步骤。在施工准备阶段，首先要进行场地平整，清除施工区域内的障碍物和杂物，确保施工设备能够顺利就位。然后，根据工程设计要求和地质勘察资料，确定注浆孔的位置和间距，并进行测量放线。在钻孔过程中，根据地层条件选择合适的钻孔设备和方法，如采用回转钻机、冲击钻机等。钻孔时要注意控制钻孔的垂直度和深度，确保达到设计要求。同时，为防止钻孔过程中出现塌孔等问题，对于松散地层，可采用泥浆护壁等措施。注浆设备的安装与调试也是关键环节。安装注浆泵、搅拌机、注浆管等设备，并确保各设备之间连接牢固、密封良好。调试设备，检查其运行状态，确保设备能够正常工作。在浆液配制过程中，根据工程要求和地层条件，选择合适的注浆材料，如水泥浆液、化学浆液等。按照设计配合比，准确称量各材料，在搅拌机中进行充分搅拌，确保浆液的均匀性和稳定性。对于水泥浆液，要控制好水灰比，一般水灰比在0.5-1.0之间。注浆作业是整个流程的核心步骤。将配制好的浆液通过注浆管注入到钻孔中，按照设计的注浆压力和注浆量进行控制。注浆压力一般根据地层条件和工程要求确定，通常在0.3-1.5MPa之间。在注浆过程中，要密切观察注浆压力、注浆量和地面变形等情况。当注浆压力达到设计值且注浆量不再增加时，可停止注浆。如果出现地面冒浆、串浆等异常情况，要及时采取相应的处理措施，如降低注浆压力、暂停注浆等。注浆完成后，要进行封孔处理，防止浆液外流和地下水渗入。一般采用水泥砂浆或其他封孔材料将钻孔填满，并进行压实。3.3.2在动水和架空层中的效果问题在架空结构严重且有动水的地层中，静压注浆存在诸多效果问题，难以达到理想的防渗和加固效果。灌浆过程可控性差是主要问题之一，由于动水的存在，浆液在注入地层后，会受到水流的冲刷和携带作用，导致浆液难以按照预定的路径和范围扩散。在某水利工程中，当采用静压注浆对含有大块石架空层且有动水的土石围堰基础进行防渗处理时，发现浆液在注入后很快被水流冲走，无法在架空层空隙中有效停留和填充，使得灌浆过程难以控制，无法保证防渗体的连续性和完整性。水下凝固时间长也是影响静压注浆效果的重要因素。在动水条件下，浆液中的水分会被水流不断稀释，导致浆液的凝固速度变慢。常规的水泥浆液在静水中的凝固时间一般为1-3小时，但在动水条件下，其凝固时间可能会延长至5-8小时甚至更长。这使得浆液在凝固之前就被水流冲走，无法形成有效的防渗和加固结构。较长的凝固时间也会影响施工进度，增加施工成本。静压注浆在这种复杂地层中的效果评价也存在困难。由于架空层结构复杂，动水条件多变，难以准确获取注浆后地层内部的实际情况。传统的检测方法，如钻孔取芯、压水试验等，在这种情况下往往难以准确反映注浆效果。钻孔取芯时，可能由于取芯位置的局限性，无法取到含有浆液的芯样，导致对注浆效果的误判。压水试验也会受到动水的干扰，无法准确测量地层的渗透系数，从而难以对注浆后的防渗效果进行科学评价。3.4双液灌浆技术3.4.1技术原理与材料选择双液灌浆技术是利用两种不同的浆液，通过特殊的注浆设备和工艺，使其在注入地层的过程中或注入地层后混合，从而实现防渗、堵漏、加固等工程目的。其基本原理基于两种浆液混合后发生的化学反应，这种反应能够使浆液快速凝固，形成具有一定强度和抗渗性能的固结体。在常见的水泥-水玻璃双液灌浆中，水泥浆液主要提供强度和骨架作用，其主要成分是水泥和水，水泥遇水后发生水化反应，生成一系列的水化产物，如氢氧化钙、水化硅酸钙等，这些产物逐渐凝结硬化，使水泥浆体具有一定的强度。水玻璃浆液则主要起速凝和调节凝结时间的作用，水玻璃的主要成分是硅酸钠，当水泥浆液和水玻璃浆液混合后，水玻璃中的硅酸根离子与水泥水化产物中的钙离子迅速反应，生成难溶性的硅酸钙凝胶。这种凝胶能够快速填充土体的孔隙和裂隙，阻止水分的渗透，同时也能加速水泥浆体的凝结硬化过程，使混合浆液在短时间内凝固，形成有效的防渗结构。在材料选择方面，水泥通常选用普通硅酸盐水泥，其强度等级一般为32.5或42.5。普通硅酸盐水泥具有凝结硬化较快、早期强度较高、抗冻性好等优点，能够满足双液灌浆对强度和凝结时间的要求。水玻璃的模数和浓度对双液灌浆的效果有重要影响。模数是指水玻璃中二氧化硅与氧化钠的摩尔比，一般选用模数为2.4-3.0的水玻璃。模数较高的水玻璃，其反应活性较强，能够使混合浆液更快地凝固，但同时也可能导致浆液的可注性变差。水玻璃的浓度一般为35-45波美度。浓度过高，会使水玻璃的粘度增大，不利于浆液的混合和扩散；浓度过低，则会影响其与水泥浆液的反应效果，降低固结体的强度和抗渗性能。在实际工程中，还可以根据具体情况添加一些外加剂，如缓凝剂、早强剂、减水剂等。缓凝剂可以延长水泥浆液的凝结时间，便于施工操作；早强剂能够提高固结体的早期强度，使其更快地发挥防渗和加固作用；减水剂则可以减少水泥浆液中的用水量，提高浆液的流动性和可注性，同时也能降低水泥的用量，节约成本。3.4.2在大块石架空层施工中的问题在大块石架空层中进行双液灌浆施工时，容易出现堵孔事故，严重影响施工进度和质量。由于大块石架空层的空隙大小和形状不规则，浆液在灌注过程中，容易在空隙的狭窄部位或转角处受阻，导致浆液流速降低，进而发生沉淀和凝固，造成堵孔。在某工程中，当双液灌浆应用于大块石架空层时，由于块石之间的空隙存在较多的细小分支和狭窄通道，水泥-水玻璃浆液在灌注过程中，经常在这些部位发生堵塞，导致注浆管无法正常工作，需要频繁进行清理和疏通，极大地影响了施工效率。双液灌浆设备的性能和操作也会对堵孔事故产生影响。如果注浆设备的压力不稳定，或者两种浆液的混合比例不准确，都可能导致浆液在管路中发生沉淀和凝固，从而引起堵孔。当水泥浆液和水玻璃浆液的混合比例不合适时，可能会使混合浆液的凝结时间过短，在注浆管中就发生凝固，造成堵孔。在大块石架空层这种复杂地质条件下，浆液的扩散范围难以准确评价。大块石的存在使得地层的渗透性差异较大，浆液在灌注过程中，会优先沿着渗透性较好的通道扩散，而对于一些渗透性较差的区域，浆液可能难以到达。由于架空层的空隙结构复杂，难以通过常规的理论方法准确计算浆液的扩散路径和范围。在实际工程中，通常只能通过经验和现场试验来大致判断浆液的扩散情况，但这种方法存在较大的误差。在某水利工程中，对大块石架空层进行双液灌浆后，通过钻孔取芯检测发现，部分区域的浆液扩散不均匀，存在一些空隙未被浆液填充，导致防渗效果不佳。浆液的凝固性能也难以有效控制。在大块石架空层中，由于存在流动水和复杂的地质条件，会对浆液的凝固过程产生干扰。流动水会带走部分浆液中的成分，导致浆液的浓度和配合比发生变化，从而影响其凝固性能。复杂的地质条件，如地层中的矿物质成分、酸碱度等，也可能与浆液发生化学反应，改变浆液的凝固时间和强度。在一些含有特殊矿物质的地层中，水玻璃与水泥浆液混合后，可能会发生异常的化学反应，使凝固时间延长或缩短，固结体的强度降低，无法满足工程的防渗要求。四、新型防渗技术及应用案例分析4.1速凝膏浆灌浆技术4.1.1速凝膏浆材料特性速凝膏浆作为一种新型的防渗灌浆材料，其组成成分独特，性能卓越，在水利工程防渗领域展现出显著优势。速凝膏浆主要由水泥浆、掺合料以及速凝剂构成。水泥浆是速凝膏浆的主要胶凝材料，通常选用普通硅酸盐水泥，其强度等级多为32.5或42.5。普通硅酸盐水泥具有凝结硬化较快、早期强度较高、抗冻性好等优点，能够为速凝膏浆提供基本的强度保障。掺合料在速凝膏浆中起着关键作用，主要包括黏土、膨润土、粉煤灰等。黏土具有良好的粘接作用和抗渗透作用，能够使膏浆自成一个整体，有效增强膏浆的抗水流冲释性能。膨润土具有高吸水性和膨胀性，能够增加膏浆的黏度和稳定性，提高膏浆的自堆积性能。粉煤灰则可以改善膏浆的和易性，降低水泥用量，节约成本，同时还能提高膏浆的后期强度。速凝剂的添加是速凝膏浆区别于普通膏浆的重要特征，它能够在数分钟至数小时内有效控制膏浆的凝结时间，解决了普通膏浆在水下凝结时间长、不利于动水下堵漏施工的难题。速凝膏浆具有多项突出性能，使其特别适用于大块石架空层等复杂地质条件下的防渗施工。抗水流冲释性能是其重要特性之一，由于膏浆中含有大量的黏土、膨润土等掺合料，黏土的粘接作用和抗渗透作用使膏浆能自成一个整体，水流中的水难以进入水泥膏浆的内部，膏浆里的水泥颗粒、黏土颗粒不会产生离析。水流只能从膏浆的边缘淘刷膏浆，使之逐步从外围产生离析，而不会像普通水泥浆液、砂浆或混凝土那样遇水就产生离析，因此膏浆具有一定的抗水稀释的能力。这种抗水稀释能力使膏浆作为一个整体来抗击水流的冲击，要使水泥膏浆产生流动，水流必须克服膏浆的剪切屈服强度。而水泥膏浆的剪切屈服强度值通常可以达到1kPa以上，且随着时间的增加，剪切屈服强度是逐步增大的，故水泥膏浆具有相当的抗冲能力。自堆积性能也是速凝膏浆的显著特点，其基本特征是浆液的初始剪切屈服强度值可以克服其本身重力的影响。这使得速凝膏浆在灌注过程中，能够在目标位置堆积，不易因重力作用而流淌，从而有效填充大块石架空层的空隙，形成稳定的防渗结构。在实际工程中，当速凝膏浆注入大块石架空层后，能够在空隙中堆积并凝固，阻止水流渗透。速凝膏浆的流动性能符合宾汉流体特性，其流变特性可以用相关公式表示。与普通素高含水量水泥悬胶体浆液灌浆相比，浆液扩散形式完全不同。在用高含水量水泥悬胶体的情况下，无论是沉积岩还是固结，裂隙的填充是由水泥颗粒在流动的路途中，逐渐沉淀形成的。这种情况的发生，是因为浆液的流动速度随着离钻孔的距离的增加而逐渐减小。经过一段时间，在离开钻孔一定距离处形成了由水泥细颗粒构成的堵塞，通过这个堵塞，对水泥凝固不需要的多余水分就逐渐被排除。而当用水泥膏浆灌浆时，则形成明显的扩散前沿，在扩散前沿水泥凝固以后，膏浆就形成坚硬而密实的水泥结石体，在其后面的空洞就会被膏浆完全充填灌满。这种独特的扩散特性，使得速凝膏浆能够更有效地填充大块石架空层的复杂空隙，提高防渗效果。4.1.2施工工艺与流程速凝膏浆灌浆的施工工艺包含多个关键环节，各环节紧密相连，对施工质量和防渗效果起着决定性作用。制浆环节是施工的首要步骤，在制浆前，需依据工程的具体需求和地质条件，精准确定速凝膏浆的配合比。一般而言，水泥、掺合料（黏土、膨润土、粉煤灰等）以及速凝剂的比例会根据实际情况进行调整。对于块石架空层空隙较大、水流速度较快的地层，可能需要适当增加黏土和速凝剂的用量，以增强膏浆的抗冲性能和快速凝固特性。在彭水水电站的施工中，根据现场地质勘察结果，确定了水泥、膨润土、粉煤灰和速凝剂的最佳配合比，使得制出的速凝膏浆能够更好地适应工程需求。确定配合比后，使用专业的制浆设备进行制浆。先将水泥、掺合料按比例加入搅拌机中，干拌均匀，然后加入适量的水，进行充分搅拌。搅拌过程中，要严格控制搅拌时间和搅拌速度，确保各种材料充分混合，使膏浆具有良好的均匀性和稳定性。一般搅拌时间不少于3分钟，搅拌速度控制在每分钟100-150转。在搅拌后期，根据设计要求加入速凝剂，并继续搅拌均匀。制好的速凝膏浆应具有适宜的流动性和稠度，满足泵送和灌注的要求。钻孔环节同样至关重要，根据防渗设计要求，确定钻孔的位置、间距和深度。在大块石架空层中钻孔时，由于地质条件复杂，采用常规的泥浆护壁钻孔方式，泥浆会大量流失，导致孔壁坍塌。因此，常采用跟管护壁的方式进行钻孔，即边钻进边跟进套管，套管能够有效支撑孔壁，防止坍塌。在钻孔过程中，要密切关注钻孔的垂直度和钻进速度。使用专业的测斜仪实时监测钻孔的垂直度，确保钻孔偏斜率控制在允许范围内，一般要求偏斜率不超过1%。钻进速度应根据地层情况进行调整，遇到大块石时，应降低钻进速度，避免钻头损坏和钻孔偏斜。灌浆是整个施工工艺的核心步骤，采用泵送方式将速凝膏浆通过灌浆管注入钻孔中。在灌浆前，要对灌浆设备进行全面检查和调试，确保设备运行正常。灌浆过程中，严格控制灌浆压力和灌浆量。灌浆压力一般根据地层条件和灌浆深度确定，在大块石架空层中，灌浆压力通常控制在0.5-1.5MPa之间。通过调节灌浆泵的压力，使膏浆能够顺利注入架空层的空隙中，并保证膏浆在空隙中充分扩散。灌浆量则根据钻孔的深度、孔径以及地层的空隙率等因素确定，确保膏浆能够充分填充架空层的空隙。在灌浆过程中，要密切观察灌浆压力和灌浆量的变化，以及孔口返浆情况。若出现灌浆压力突然升高或降低、灌浆量异常等情况，应立即停止灌浆，查明原因并采取相应的处理措施。在速凝膏浆灌浆施工中，“套管法”是一种常用且有效的施工要点。在钻孔过程中，采用套管跟进的方式，能够有效解决因泥浆流失导致的孔壁坍塌问题。套管的直径应根据钻孔的直径和地层情况选择，一般套管直径比钻孔直径大10-20mm。在跟进套管时，要确保套管的垂直度和密封性。垂直度可通过在套管顶部安装垂直度监测装置进行实时监测，密封性则通过在套管连接处涂抹密封材料来保证。在灌浆时，将灌浆管插入套管内，直至孔底，然后开始灌注速凝膏浆。随着膏浆的注入，逐渐提升灌浆管，但要保证灌浆管始终埋入膏浆中一定深度，一般埋入深度不小于0.5m。这样可以防止空气进入灌浆孔，保证灌浆质量。“套管法”还可以有效控制膏浆的扩散范围，避免膏浆在灌注过程中向周围地层过度扩散，造成材料浪费。4.1.3应用案例-彭水水电站彭水水电站位于乌江下游，是一座大型水利枢纽工程。其土石围堰基础存在严重的大块石架空层，给防渗施工带来了极大挑战。该水电站上下游土石围堰部位，由于前期两岸边坡开挖，大量特大块石滚入河床，大江截流时部分大块石沉入江中，造成大规模的块石堆积层。下游围堰在防渗轴线部位甚至沉有一台载重汽车，河流落差较大，流速高，在高速水流的冲刷作用下，块石架空特别严重，基本无细颗粒充填物。河床深槽部位大孤石层最厚达7m，孤石最大达50m³以上，一般均在10m³左右。针对这种复杂的地质条件，彭水水电站创新性地采用了速凝膏浆灌浆技术进行防渗处理。在实施过程中，首先进行了详细的地质勘察，通过钻孔取芯、物探等手段，全面了解大块石架空层的分布范围、空隙大小、连通性等情况。根据勘察结果，设计了合理的灌浆方案，确定了速凝膏浆的配合比、钻孔布置、灌浆压力等参数。在制浆环节，严格按照设计配合比进行配料和搅拌，确保速凝膏浆的质量。在钻孔过程中，采用跟管护壁的方式，有效解决了孔壁坍塌的问题，保证了钻孔的顺利进行。在灌浆时，通过精确控制灌浆压力和灌浆量，使速凝膏浆能够充分填充大块石架空层的空隙。采用速凝膏浆灌浆技术后，彭水水电站取得了显著的防渗效果。通过压水试验检测，围堰基础的渗透系数大幅降低，从原来的1×10⁻²cm/s降低到了1×10⁻⁵cm/s以下，满足了工程的防渗要求。基坑的渗漏量明显减少，在正常运行工况下，基坑的渗漏量控制在了5m³/h以内，为水电站的施工和运行创造了良好的条件。从经济效益方面来看，速凝膏浆灌浆技术的应用，避免了因防渗失败导致的返工费用和长期高成本的基坑排水费用。与传统的防渗技术相比，速凝膏浆灌浆技术虽然在材料成本上略有增加，但由于其施工效率高，工期缩短，综合成本降低了约20%。该技术的成功应用，也为后续类似工程提供了宝贵的经验和借鉴。4.2泵送混凝土灌注技术4.2.1技术原理与优势泵送混凝土灌注技术是利用混凝土泵的压力，将具有一定流动性和可泵性的混凝土通过输送管道注入到大块石架空层等复杂地层中，以实现防渗目的的一种施工技术。其基本原理是基于混凝土的流动性和泵送设备的压力作用。在混凝土搅拌过程中，通过合理控制原材料的配合比和外加剂的使用，使混凝土具有良好的流动性和和易性。当混凝土搅拌完成后，被输送到混凝土泵的料斗中。混凝土泵通过活塞的往复运动，将料斗中的混凝土吸入泵腔，然后在压力作用下，将混凝土沿输送管道推送出去。在泵送过程中，混凝土在管道内形成连续的柱状体，依靠泵的压力克服管道的摩擦力和阻力，顺利地输送到灌注部位。当混凝土被输送到大块石架空层时，由于混凝土具有较好的流动性，能够在架空层的空隙中扩散和填充，随着混凝土的不断注入，逐渐将架空层的空隙填满，形成连续的防渗体，从而有效阻止水流渗透。从材料特性来看，泵送混凝土具有良好的流动性和填充性。在配合比设计上，通常会采用较小的粗骨料粒径，以减小混凝土在管道内的流动阻力。粗骨料最大粒径与输送管径之比宜小于或等于1：3，这样可以保证混凝土在管道内顺利输送。通过添加外加剂，如减水剂、缓凝剂等，能够改善混凝土的工作性能。减水剂可以在不增加用水量的情况下，提高混凝土的流动性，使其更容易泵送。缓凝剂则可以延长混凝土的凝结时间，确保在泵送过程中混凝土不会过早凝结，保证施工的连续性。这些材料特性使得泵送混凝土能够适应大块石架空层的复杂空隙结构，有效填充空隙，形成良好的防渗屏障。在施工方面，泵送混凝土灌注技术具有显著优势。施工效率高是其突出特点之一，混凝土泵能够连续作业，将混凝土快速地输送到灌注部位。与传统的人工浇筑或其他灌注方式相比，泵送混凝土可以大大缩短施工时间，提高施工进度。在一些大型水利工程中，如大坝建设、围堰施工等，泵送混凝土能够在较短的时间内完成大量混凝土的灌注任务，为工程的顺利进行提供了保障。泵送混凝土还具有施工方便、适应性强的优点。输送管道可以根据施工现场的地形和条件进行灵活布置，能够到达一些传统施工方法难以到达的部位。在复杂的大块石架空层中，泵送混凝土可以通过管道直接将混凝土输送到需要防渗的区域，无需进行大规模的开挖和搬运工作，减少了施工难度和对周围环境的影响。4.2.2施工关键要点在泵送混凝土灌注施工中，混凝土配合比的设计至关重要，它直接影响混凝土的可泵性和防渗效果。水泥用量应根据混凝土的强度等级、泵送距离和管径等因素合理确定。水泥用量过小，混凝土的和易性差，泵送阻力大，容易产生阻塞；水泥用量过大，不仅造成浪费，还会影响混凝土的强度和耐久性。一般来说，最小水泥用量视输送管径和泵送距离而定，通常为280-300kg/m³。砂率也是一个关键参数，宜控制在40%-50%。合适的砂率可以使混凝土获得良好的和易性，提高混凝土的流动性和可泵性。粗骨料的最大粒径与输送管径之比宜小于或等于1：3，以避免阻塞管道。外加剂的选择和使用也不容忽视，常用的外加剂有减水剂、缓凝剂等。减水剂可以增强混凝土的流动性，缓凝剂则可以延迟水泥水化热的释放，减少温度应力，避免温度裂缝。在某水利工程中，通过优化混凝土配合比，选择合适的水泥用量、砂率和外加剂，成功解决了泵送混凝土在大块石架空层中的灌注难题，保证了防渗效果。泵送设备的选择和维护对施工质量和效率起着决定性作用。混凝土泵有活塞泵、气压泵、挤压泵等不同类型，目前应用较多的是液压活塞泵，其输送能力可达150m³/小时，最大水平输送距离可达到800m，最大垂直输送高度可达到300m。在选择混凝土泵时，应根据工程的规模、混凝土的输送量、输送距离和高度等因素进行综合考虑。对于大块石架空层土石围堰基础防渗工程，如果输送距离较远、高度较高，应选择输送能力较大的液压活塞泵。还需要配备足够功率和稳定电压的电源，以保证混凝土泵的正常运行。在施工过程中，要定期对泵送设备进行维护和保养，检查设备的各个部件，如活塞、管道、阀门等，确保其处于良好的工作状态。及时更换磨损的部件，清理管道内的残留混凝土，防止管道堵塞，保证泵送过程的连续性和稳定性。灌注压力的控制是保证混凝土有效填充大块石架空层空隙的关键。灌注压力过小，混凝土无法克服架空层的阻力，难以填充到空隙中，导致防渗效果不佳。灌注压力过大，可能会使混凝土产生离析现象，破坏混凝土的结构，影响防渗性能，还可能对周围地层产生过大的压力，导致地层变形或破坏。在施工前，应通过现场试验和理论计算，确定合理的灌注压力范围。在灌注过程中，要密切关注灌注压力的变化，根据实际情况进行调整。当发现灌注压力突然升高或降低时，应及时分析原因，采取相应的措施。如果是由于管道堵塞导致压力升高，应立即停止灌注，清理管道；如果是由于地层变化导致压力降低，应适当增加灌注压力，确保混凝土能够充分填充架空层空隙。4.2.3应用案例-思林水电站思林水电站位于乌江中游，其土石围堰基础存在大面积的大块石架空层，给防渗施工带来了极大挑战。该水电站在建设过程中，土石围堰基础的大块石架空层空隙率高，部分区域的空隙率达到40%以上，且块石粒径较大，最大粒径超过2m。由于架空层的存在，围堰渗漏严重，常规的防渗技术难以满足工程要求。针对这一情况，思林水电站采用了泵送混凝土灌注技术进行防渗处理。在施工过程中，首先对混凝土配合比进行了精心设计。选用普通硅酸盐水泥，水泥用量为300kg/m³，砂率控制在45%，粗骨料最大粒径为40mm，与输送管径之比满足1：3的要求。同时，添加了适量的减水剂和缓凝剂，以改善混凝土的工作性能。减水剂的掺量为水泥重量的0.5%，缓凝剂的掺量为水泥重量的0.3%。通过这些措施，使混凝土具有良好的流动性和可泵性，满足了泵送灌注的要求。在泵送设备方面，选用了一台输送能力为120m³/小时的液压活塞泵，配备了足够长度和管径的输送管道。在施工前，对泵送设备进行了全面检查和调试，确保设备运行正常。在灌注过程中，严格控制灌注压力，根据现场试验确定的灌注压力范围为0.8-1.2MPa。在灌注过程中，密切关注灌注压力和混凝土的灌注情况，当发现灌注压力接近上限时，适当降低泵送速度，避免压力过高导致混凝土离析。通过采用泵送混凝土灌注技术，思林水电站取得了显著的防渗效果。基坑的渗漏量明显减少，从原来的每小时50m³降低到了每小时5m³以下，满足了工程的防渗要求。与传统的防渗技术相比，泵送混凝土灌注技术的施工效率大幅提高，缩短了施工工期。传统防渗技术需要进行多次灌浆和处理，施工工期较长，而泵送混凝土灌注技术可以一次性完成大面积的灌注工作，大大缩短了施工时间。该技术的应用也降低了工程成本，减少了因渗漏导致的返工和维修费用。思林水电站的成功应用，为其他类似工程提供了宝贵的经验和借鉴。4.3多种防渗技术综合应用4.3.1综合应用的必要性与策略在大块石架空层这种复杂地质条件下，单一的防渗技术往往难以满足工程的防渗要求，多种防渗技术综合应用具有重要的必要性。大块石架空层的地质结构复杂多样，其块石粒径大小不一，空隙率高且分布不均匀，这使得单一技术在处理时存在局限性。仅采用混凝土防渗墙技术，在面对大块石架空层时，由于块石的存在会导致造孔困难，容易出现塌孔、漏浆等问题，难以保证墙体的连续性和防渗效果。若仅依靠高喷灌浆技术，高压喷射流难以对大块石架空层产生有效的破坏作用，浆液无法充分填充空隙，防渗效果不佳。不同的防渗技术在性能和适用条件上存在差异。混凝土防渗墙技术适用于一般的地层条件，能够形成较为坚固的防渗屏障，但在大块石架空层中施工难度大。高喷灌浆技术适用于砂土、粉土等细颗粒地层，对于大块石架空层的适应性较差。静压注浆技术在动水条件下，浆液的凝固和扩散难以控制，效果不理想。因此，为了提高防渗效果，需要根据不同地质情况和工程要求，综合运用多种防渗技术，发挥各自的优势，形成互补，以满足工程的防渗需求。根据不同地质情况和工程要求制定合理的技术组合策略至关重要。当大块石架空层的空隙率相对较小，块石粒径不是特别大时，可以采用高喷灌浆技术与静压注浆技术相结合的策略。先利用高喷灌浆技术，通过高压喷射流对土体进行切割、搅拌，初步填充部分空隙，形成一定的防渗结构。然后采用静压注浆技术，对高喷灌浆后剩余的细小空隙进行填充和加固，进一步提高防渗效果。在某水利工程中，对于这种地质条件的大块石架空层，采用高喷灌浆与静压注浆相结合的方法，成功地降低了围堰的渗漏量，满足了工程的防渗要求。当大块石架空层的空隙率较大，块石粒径较大且存在动水条件时，速凝膏浆灌浆技术与泵送混凝土灌注技术的组合可能更为合适。速凝膏浆具有抗水流冲释性能和自堆积性能，能够在动水条件下有效填充大块石架空层的空隙，形成稳定的防渗结构。泵送混凝土灌注技术则可以利用混凝土的流动性和泵送压力，将混凝土输送到深部的空隙中，进一步增强防渗效果。在彭水水电站的土石围堰防渗工程中，针对大块石架空层空隙大、流速高的情况，采用速凝膏浆灌浆技术先对表层的架空层进行封堵，然后采用泵送混凝土灌注技术对深部的架空层进行填充，取得了良好的防渗效果，基坑的渗漏量得到了有效控制。在制定技术组合策略时，还需要考虑工程的其他因素，如施工工期、工程造价等。如果施工工期紧张，应优先选择施工效率高的技术组合，如泵送混凝土灌注技术与其他快速施工技术的结合。在思林水电站的土石围堰防渗施工中，由于工期紧迫，采用了泵送混凝土灌注技术，大大缩短了施工时间，同时结合其他辅助防渗技术，保证了工程的防渗质量。如果工程造价有限，需要综合考虑各种技术的材料成本、设备成本和人工成本等，选择性价比高的技术组合。在一些小型水利工程中，可能会选择成本较低的静压注浆技术与其他简单易行的防渗技术相结合，以在满足防渗要求的前提下降低工程成本。4.3.2应用案例-构皮滩水电站构皮滩水电站位于贵州省余庆县构皮滩镇上游1.5km的乌江上游，其上游土石围堰堰体地基地质情况极为复杂。该水电站在施工过程中，面临着大块石架空层和溶蚀通道等难题。围堰河床覆盖层厚度在4-29m之间，自上而下地层分布包括人工填筑粘土层、泥夹石层、落渣堆积层及原河床的砂或少量淤泥质、底部夹块石或漂石。其中，落渣层及底部块石段地层架空严重，平均粒径达3-4m，最大粒径达8m，透水性良好。覆盖层下伏基岩为灰岩，基岩内断层裂隙中等发育，岩溶发育较强，局部发育小型岩溶洞穴，沿裂隙部分溶蚀，原河床基岩表面局部地段还形成了贯穿性的溶蚀通道。由于1号导流洞预留了4m高的岩坎，3号导流洞没有投入分流，抬高了上游水位，使堰外上下游水头差加大，灌浆时浆液漏失严重，进一步增加了防渗处理难度。针对如此复杂的地质条件，构皮滩水电站采用了高喷灌浆、塑性浆液灌注、粘土水泥浆液灌注，并投注砂、石等多种防渗技术综合应用的方案。在两岸堰肩布置两排塑性灌浆孔，利用塑性浆液的良好流动性和可灌性，对堰肩部位的土体进行加固和防渗处理。在河床部位，根据覆盖层厚度的不同进行了差异化布置。当覆盖层小于15m时，布置一排高喷灌浆孔加一排塑性灌浆孔。高喷灌浆通过高压喷射流对土体进行切割、搅拌，使浆液与土体充分混合，形成防渗板墙。塑性灌浆则对高喷灌浆后的剩余空隙进行填充和加固，提高防渗效果。当覆盖层大于15m时，布置一排高喷灌浆孔加二排塑性灌浆孔，以增强防渗的可靠性。在灌浆过程中，对于孔隙大且流量大的孔，采用自流的方式，注浆的同时在孔口直接掺加水玻璃及细砂，直到孔口溢浆为止，待凝12h后再扫孔复灌直至基岩段。多种防渗技术在构皮滩水电站中发挥了协同作用。高喷灌浆技术利用高压喷射流的冲击力，对大块石架空层和溶蚀通道周围的土体进行了初步的改造和填充，形成了一定的防渗骨架。塑性浆液灌注和粘土水泥浆液灌注则进一步填充了高喷灌浆后剩余的空隙，增强了防渗体的密实性和抗渗性能。投注砂、石等材料，有效地填充了大块石之间的大空隙，提高了地基的稳定性。通过这些技术的协同作用，成功地实现了围堰闭气，基坑开始排水，满足了工程的防渗要求。从整体防渗效果来看，通过检查孔注水试验表明，采用多种防渗技术综合应用的方案取得了良好的效果。围堰的渗漏量得到了有效控制，满足了工程的设计要求，保证了水电站主体工程的顺利施工。该案例为类似复杂地质条件下的水利工程防渗施工提供了宝贵的经验，证明了在面对复杂地质情况时，综合应用多种防渗技术是一种可行且有效的解决方案。五、新技术的优势与推广前景5.1新技术对比传统技术的优势与传统防渗技术相比，速凝膏浆灌浆技术和泵送混凝土灌注技术等新型防渗技术在多个方面展现出显著优势。从防渗效果来看，速凝膏浆具有出色的抗水流冲释性能和自堆积性能。其抗水流冲释性能源于膏浆中黏土、膨润土等掺合料的粘接和抗渗透作用，使膏浆自成整体，水流难以冲散，有效阻止了水流对膏浆的冲刷和稀释，从而保证了防渗体的完整性和稳定性。自堆积性能则使得膏浆在灌注时能够在目标位置堆积，不易流淌，更好地填充大块石架空层的空隙，形成连续、有效的防渗结构。在彭水水电站的应用中，速凝膏浆灌浆技术成功将围堰基础的渗透系数从1×10⁻²cm/s降低到了1×10⁻⁵cm/s以下，基坑渗漏量控制在5m³/h以内，显著提升了防渗效果。泵送混凝土灌注技术通过混凝土的良好流动性和泵送压力，能够将混凝土均匀地填充到大块石架空层的复杂空隙中，形成坚固的防渗体。在思林水电站，采用泵送混凝土灌注技术后，基坑渗漏量从每小时50m³降低到了每小时5m³以下，有效解决了围堰渗漏问题。而传统的混凝土防渗墙技术在大块石架空层中，由于护壁泥浆易流失、塌孔、造孔困难等问题，难以保证墙体的连续性和防渗效果；高喷灌浆技术在大块石架空层中，高压喷射流难以有效破坏堰体，浆液扩散和填充效果差，防渗效果不佳。在施工工期方面，泵送混凝土灌注技术施工效率高的优势明显。混凝土泵能够连续作业，快速将混凝土输送到灌注部位，大大缩短了施工时间。在一些大型水利工程中，如大坝建设、围堰施工等，泵送混凝土能够在较短时间内完成大量混凝土的灌注任务。与传统的人工浇筑或其他灌注方式相比，泵送混凝土可提高施工进度30%-50%。速凝膏浆灌浆技术在施工过程中，由于其材料特性和施工工艺的优化，也能够在一定程度上缩短施工工期。而传统的静压注浆技术在动水和架空层中，灌浆过程可控性差，水下凝固时间长，施工效率低，往往会延长施工工期。成本控制也是新技术的一大优势。虽然速凝膏浆灌浆技术的材料成本相对传统灌浆材料可能略有增加，但其防渗效果好，减少了因渗漏导致的返工费用和长期的基坑排水费用。在彭水水电站，采用速凝膏浆灌浆技术后，综合成本降低了约20%。泵送混凝土灌注技术施工效率高，缩短了施工工期，减少了人工和设备的租赁成本。传统的混凝土防渗墙技术在大块石架空层中施工难度大，需要投入大量的人力、物力和财力来解决施工难题，成本较高。在适应性方面，速凝膏浆灌浆技术和泵送混凝土灌注技术对大块石架空层等复杂地质条件具有更强的适应性。速凝膏浆能够在动水条件下有效填充空隙，其速凝特性使其能够适应工期紧张的工程需求。泵送混凝土可以通过管道灵活布置，适应不同地形和施工条件，能够到达传统施工方法难以到达的部位。传统的防渗技术在面对大块石架空层时，往往受到地质条件的限制，适应性较差。高喷灌浆技术在卵砾石含量过高、粒径过大的地层中，应用效果会受到影响；混凝土防渗墙技术在架空结构严重的地层中，施工困难，适应性不足。5.2新技术在不同工程场景中的适应性分析速凝膏浆灌浆技术在不同工程场景中展现出独特的适应性。在工程规模方面，对于大型水利工程，如彭水水电站，其土石围堰基础的大块石架空层范围广、规模大。速凝膏浆灌浆技术凭借其良好的抗水流冲释性能和自堆积性能，能够有效填充大面积的架空层空隙，形成连续、稳定的防渗体，满足大型工程对防渗的高标准要求。对于小型水利工程，速凝膏浆灌浆技术同样适用。小型工程虽然规模较小，但大块石架空层的存在同样会影响围堰的防渗性能。速凝膏浆灌浆技术施工工艺相对灵活，能够根据小型工程的具体特点和要求进行调整，在保证防渗效果的前提下，降低施工成本和难度。在地质条件方面，速凝膏浆灌浆技术对各种复杂地质条件具有较强的适应性。在岩溶地区，由于地下溶洞、溶蚀裂隙等的存在，地基的防渗难度极大。速凝膏浆能够在岩溶地区的复杂地质结构中有效填充溶洞和裂隙，形成坚固的防渗屏障。在某岩溶地区的水利工程中，采用速凝膏浆灌浆技术对土石围堰基础进行防渗处理，成功解决了因岩溶导致的渗漏问题。在砂卵石地层中，速凝膏浆的抗水流冲释性能使其能够抵抗水流对浆液的冲刷，确保浆液在砂卵石空隙中有效凝固，形成稳定的防渗结构。在水流状况方面，速凝膏浆灌浆技术在高流速水流条件下表现出色。在一些山区河流的水利工程中，水流速度快，对防渗材料的抗冲性能要求极高。速凝膏浆由于其独特的材料特性，能够在高流速水流中保持稳定，不被水流冲散，从而有效填充大块石架空层的空隙，实现良好的防渗效果。在彭水水电站，其土石围堰基础处于高流速水流环境中，速凝膏浆灌浆技术成功应对了这一挑战，保障了围堰的防渗安全。泵送混凝土灌注技术在不同工程场景中也有良好的适应性表现。在工程规模上，对于大型水利工程，泵送混凝土灌注技术的高效性和大规模灌注能力得到充分发挥。在大坝建设等大型工程中，需要在短时间内完成大量混凝土的灌注任务。泵送混凝土能够通过混凝土泵的连续作业，快速将混凝土输送到灌注部位，大大提高施工效率，满足大型工程对施工进度的要求。对于中型水利工程，泵送混凝土灌注技术同样能够根据工程的具体需求，灵活调整灌注参数和施工工艺。在一些中型水库的土石围堰防渗工程中，通过合理选择泵送设备和优化混凝土配合比，泵送混凝土灌注技术能够准确地将混凝土灌注到大块石架空层的空隙中，实现良好的防渗效果。在地质条件方面，泵送混凝土灌注技术对不同地质条件有较好的适应能力。在软土地层中，由于土体的承载能力较低，常规的施工方法可能会对土体造成扰动，影响工程质量。泵送混凝土灌注技术通过管道输送混凝土，能够减少对软土地层的扰动，保证混凝土的灌注质量。在某软土地层的水利工程中，采用泵送混凝土灌注技术进行土石围堰基础防渗处理，避免了因施工对软土地层的破坏，确保了围堰的稳定性和防渗效果。在岩石地层中，虽然岩石的强度较高，但大块石架空层的存在同样给防渗施工带来困难。泵送混凝土的高流动性和可泵性使其能够在岩石缝隙中顺利扩散和填充，形成有效的防渗结构。在水流状况方面，泵送混凝土灌注技术在静水环境中能够充分发挥其优势。在一些水库、湖泊等水利工程中，水流速度相对较小，泵送混凝土能够在稳定的环境中准确地灌注到大块石架空层的空隙中，形成均匀、密实的防渗体。在动水条件下，虽然泵送混凝土灌注技术面临一定挑战，但通过合理控制灌注压力和混凝土的配合比，也能够在一定程度上适应动水条件。在一些流速较小的河流水利工程中，通过采取相应的措施，如增加混凝土的粘性、调整灌注速度等，泵送混凝土灌注技术能够成功地应用于土石围堰基础防渗施工。5.3推广应用面临的挑战与应对策略新技术在推广应用过程中面临着诸多挑战，需要针对性地制定应对策略，以促进其更广泛地应用于水利工程建设中。技术标准不完善是首要挑战之一。目前，速凝膏浆灌浆技术和泵送混凝土灌注技术等新型防渗技术虽然在一些工程中取得了成功应用，但相关的技术标准和规范尚未完全建立。在材料标准方面，对于速凝膏浆的组成成分、性能指标等缺乏统一的规定。不同工程中使用的速凝膏浆，其水泥、掺合料、速凝剂的种类和比例可能差异较大，这使得材料的质量难以保证，也给工程验收带来困难。在施工工艺标准上，对于钻孔深度、灌浆压力、灌注速度等关键参数，缺