帷幕灌漿在砂卵石壩基防滲加固中的應用與研究

劉建光

(衢州市水利水電工程質量監(jiān)督站，浙江衢州 324000)

0 引言

衢州市的中小型水庫和攔河堰壩多建于20世紀六、七十年代，限于當時缺乏大型的開挖、運輸及抽排水等機械設備、技術標準低和建設管理不到位等因素，往往存在對壩基河床原有的砂卵石覆蓋層開挖、清理不徹底的情況，造成水庫、堰壩蓄水后壩基形成滲漏通道，嚴重的甚至危及大壩安全.在水庫和堰壩的除險、改建、加固中，壩基部位的防滲處理成為工程建設的重點與難點.

對壩基覆蓋層進行防滲處理，目前常用的方法主要有帷幕灌漿、高壓噴射灌漿和混凝土防滲墻［1］等.高噴灌漿雖然有適用性強、施工占地少、機動靈活等優(yōu)點，但存在專業(yè)性強，造價相對較高、與上部混凝土結構難以連成整體，與下部基巖段帷幕灌漿存在工序銜接等問題，且因存在上部結構，造成質量檢查方法少、難度大、不夠全面.防滲墻施工需用大型設備、場地要求高，且工期長、造價高，同時一般也不適用于對混凝土或砌石體為擋水建筑物的工程進行加固和改建.

帷幕灌漿具有適用性強、施工方便、工效高、投資省、防滲效果好等優(yōu)點，施工中有問題容易及時發(fā)現和處理.本文對帷幕灌漿在砂卵石壩基防滲加固中的應用進行了探討.

1 壩基砂卵石覆蓋層基本特點

衢州市獅子口水庫除險加固和峽里湖電站攔河堰壩加固改造等工程的勘探和施工過程中反映出，壩基砂卵石層具有級配不良，大粒徑組較多、細粒徑組較少、透水性強的特點.

獅子口水庫攔河壩壩基砂卵石層厚度為0.6～6.2 m，砂卵石最大粒徑 ＞100 mm，含泥量較少，為中等～極強透水性，在帷幕灌漿造孔時，很多孔段的循環(huán)液損失量較大，大部分甚至全部直接從孔底段的砂卵石層空隙滲漏出去，壓水試驗反映，其最大透水率達815.8 Lu.

峽里湖電站攔河堰壩壩基砂卵石層厚度除左壩肩處為0.7 ～0.9 m，其余地段均超過2.0 m，最厚處達8.6 m，堰壩下游出現多處管涌出溢點，在水頭約3.5 m，下游水深約0.5 m時，管涌擴散半徑均在0.3 m以上，最大者超過0.8 m，涌水處砂粒翻滾明顯，見圖1.灌漿造孔時，絕大部分孔段沒有回水.

圖1 堰壩下游管涌出溢點

2 砂卵石層帷幕灌漿的機理及主要施工工藝

砂卵石層帷幕灌漿的機理:根據鉆孔和壓水試驗取得砂卵石層透水情況，以適宜的水灰比配制水泥漿液，在合理的灌漿壓力控制下，使?jié){液在一定范圍內擴散，與砂卵石層凝結成為防滲體，通過孔段加深、孔序加密，在壩體的防滲體與巖基間形成防滲帷幕.

壩基防滲的目的:將漏水量控制在一定的范圍內，使其不對壩基造成破壞，確保水庫能長期安全運行［2］.鑒于多數工程均為3級以下低壩，因此，防滲標準通?？纱_定為透水率q≤10 Lu.

仍以獅子口水庫除險加固和峽里湖電站攔河堰壩加固改造為例，兩壩均采用了帷幕灌漿進行壩基防滲處理.施工中通過灌漿試驗，參照類似工程經驗，采用了以下主要參數和施工工藝，取得了預期效果1)徐武輝.常山縣獅子口水庫除險加固工程壩基防滲施工報告［R］.浙江弘洲水電工程有限公司.2009.，2).

2.1 主要施工參數

(1)孔深及段長.第一段進入砂卵石層1～2 m，以下段段長控制2～3 m.與基巖接觸段進入基巖的段長為 0.5 m，最大不超過 2.0 m［3］，可根據該段包含的砂卵石層的厚度決定.基巖段灌漿按SL 62-94有關壩基巖石灌漿要求進行.

(2)孔距.根據防滲要求及水泥漿液在砂卵石層的流動情況，孔距采用 2.0 m［4］.

(3)排數及排距.灌漿排數根據壩基砂卵石層的厚度、滲透性，通過試驗確定.對于覆蓋層厚度較大、透水性較強、單排灌漿不能達到預期效果時，增加排數.排距采用1.5 m.

(4)排序和孔序.雙排帷幕先施工下游側排，然后施工上游側排;為避免在灌漿過程相鄰孔發(fā)生竄漿，每排灌漿分Ⅲ序次鉆灌，先施工Ⅰ序孔，后施工Ⅱ序孔，再施工Ⅲ序孔，前序未結束，不施工后序.

(5)控制壓力.對土壩壩基，Ⅰ、Ⅱ序孔灌漿最大全壓力為P=上部蓋重=h×γ［5］，h為孔底深度，m，γ為土體容重，按經驗值，取19 N/m3.由于心墻底部土質較差，接觸段含心墻土、砂卵石兩種介質，灌漿需嚴格控制好壓力，防止造成心墻劈裂，故需根據先導孔試驗情況確定合適灌漿壓力，一般取0.8P［6］.由于經過Ⅰ、Ⅱ序孔的施工，Ⅲ序孔的灌漿壓力可適當提高一些，每段灌漿壓力在Ⅰ、Ⅱ序孔灌漿最大全壓力的基礎上增加0.02～0.05 MPa，有利于漿液更好地擴散，確保灌漿效果.

對混凝土或砌石壩壩基，Ⅰ序孔灌漿最大全壓力取最大設計水頭值，Ⅱ、Ⅲ序孔的灌漿最大全壓力在Ⅰ序孔壓力的基礎上提高20%左右.

2.2 主要施工工藝

(1)造孔.土壩心墻段造孔采用“干鉆、干打、干取”法，取土后套管及時跟進，起到止水止?jié){作用;砂卵石層造孔采用金剛石鉆頭單管清水鉆進，造孔時進水量要小，以減少孔周砂卵石塌落.若發(fā)生塌孔，采用彈簧鉆頭打撈孔內掉塊和干鉆造孔，如果多次打撈也未能至設計段長，則對該段立即進行灌漿［5］，并下第二層套管.

(2)洗孔.對砂卵石層段，有回水情況下，當回水清澄后，再洗10 min結束;無回水情況下，也沖洗10 min即可結束.

(3)壓水試驗.每孔各灌漿段均進行20 min的簡易壓水試驗，壓力為灌漿壓力的80%.當流量大于30 L/(min·m)時，適當縮短測試時間.

(4)灌漿方式.采用自上而下、循環(huán)式灌漿.

(5)灌漿材料及漿液變換.為利于水泥漿液的擴散和加快凝結，灌漿使用42.5以上級普通硅酸鹽水泥，采用 3∶1、2∶1、1∶1、0.8∶1、0.6∶1 五個比級;各孔段根據壓水試驗獲得的透水率選擇適宜的開灌水灰比，一般按:透水率 q＞30 Lu，采用1∶1;10 Lu≤q≤30 Lu，采用2∶1;q ＜10 Lu，采用3∶1.

在灌漿壓力不變，單位進漿量不變或增大，開灌水灰比的漿液累計注入300 L左右時，第一次變濃一級，以后要變濃一級，須在上述條件下待灌入量達到上一級灌入量1.25倍后進行.當單位進漿量超過每米灌段30 L/(min·m)時，可越級變濃.

當吸漿量大時采取降壓限流、縮短初凝時間、灌灌停停、濃漿待凝等措施，防止水泥漿液擴散半徑過大，以保證灌漿質量.

(6)灌漿結束標準、待凝.各灌漿段在設計壓力下，當單位進漿量≤0.4 L/min時續(xù)灌60 min結束;灌漿結束后，須進行閉漿操作，直至壓力表壓力為零，時間至少應 0.5 h 以上.終孔段灌漿，以0.5∶1濃漿置換孔內稀漿，保證孔內壩基水泥形成結石.各灌漿段均應待凝12 h以上.

(7)封孔.全孔灌漿完成、待凝結束后淘盡孔內積水，基巖及混凝土用濃水泥漿，粘土心墻用粘土進行封孔.

3 灌漿效果分析

帷幕灌漿的效果，綜合采用對各排和各序孔的灌漿前透水率和灌漿材料注入量的統(tǒng)計、檢查孔壓水試驗、蓄水后壩基滲漏情況進行分析、評判.下面以采用上述灌漿方法進行壩基防滲加固處理的獅子口水庫除險加固和峽里湖電站攔河堰壩加固改造工程為例，對灌漿效果進行分析.

3.1 獅子口水庫壩基帷幕灌漿效果分析

常山縣獅子口水庫總庫容1 483萬m3，主壩為粘土心墻砂殼壩，壩高16.8 m，壩頂長280 m.壩體防滲加固采用套井回填粘土.因壩基存在透水性較強的砂卵石層，套井施工時底部出現大量涌水并導致塌孔，套井無法入巖與巖基形成防滲閉合圈，故控制套井底端至砂卵石層頂面以上0.5～0.8 m處，套井以下及壩基砂卵石層采用帷幕灌漿進行防滲，堵口段(樁號0+190-0+252)帷幕灌漿為兩排，其余壩段(樁號0+029-0+255)及兩岸山體為一排.單排帷幕灌漿及雙排帷幕灌漿的上游排位于上游排套井軸線處.

該工程帷幕灌漿共完成146只孔，其中下游排32只(樁號0+190-0+252)，上游排114只(樁號0+029-0+255)，砂卵石層共灌漿319 m，基巖段灌漿757 m，總灌漿段次425段.

(1)單位水泥注入量統(tǒng)計分析

該工程共灌入水泥411 581 kg，平均單耗382.5 kg/m.各排、各序次孔的單位水泥注入量統(tǒng)計見表1，從該統(tǒng)計表反映出，帷幕灌漿隨著排序、孔序的增加和孔距的加密，上游排較下游排各序次孔單位水泥注入量相應減少，說明在進行了下游排灌漿后防滲效果明顯;各序次孔單位水泥注入量均呈遞減趨勢，檢查孔單位水泥注入量明顯減少，符合灌漿規(guī)律.

表1 各排、各序次孔的單位水泥注入量統(tǒng)計表

(2)平均透水率統(tǒng)計分析

對425段灌漿前和21段檢查孔壓水試驗取得的透水率結果進行了統(tǒng)計，見表2，從該統(tǒng)計表反映出，帷幕灌漿隨著排序、孔序的增加和孔距的加密，上游排較下游排各序次孔平均透水率相應減少，說明在進行了下游排施工后灌漿效果明顯;各序次平均透水率均呈遞減趨勢，檢查孔平均透水率明顯減少，符合灌漿規(guī)律.

表2 各排、各序次孔的平均透水率統(tǒng)計表

(3)檢查孔成果分析

該工程共布置12個壓水試驗檢查孔，砂卵石層共試驗21段，其中，堵口段雙排孔的檢查孔布置在雙排之間.最大試驗壓力按 P=1.5H0確定為0.25 MPa，試驗采用單點法進行.

壓水試驗結果見表3，砂卵石層的透水率為4.65 ～9.86 Lu，均滿足設計要求(＜10 Lu).

表3 帷幕灌漿質量檢查孔壓水試驗成果統(tǒng)計表

3.2 峽里湖堰壩壩基帷幕灌漿效果分析

江山市峽里湖電站利用已有的長為78 m的混凝土堰壩，通過加厚，其上加建2.0 m高的水力自控翻板門抬高水位進行攔蓄水.因壩基存在砂卵石層，管涌嚴重，影響堰體穩(wěn)定，見圖1.經采用帷幕灌漿防滲，消除了管涌、滲漏等隱患，在增加2 m水頭的情況下，蓄水后，原涌水處水面平靜，無砂粒翻滾現象，見圖2.

該工程共進行鉆孔灌漿47孔，布置檢查孔5個，壓水試驗結果見表4，砂卵石層的透水率為2.33～9.5 Lu，均滿足設計要求(＜10 Lu).

圖2 灌漿后的下游河床

表4 帷幕灌漿質量檢查孔壓水試驗成果統(tǒng)計表

4 壩基砂卵石層灌漿應注意的問題

(1)防滲加固施工宜安排在枯水季節(jié)，灌漿施工期間，尤其Ⅰ、Ⅱ序孔施工時，水庫水位應盡可能保持低水位，以降低上下游水位差，降低壩基透水層的水流流速，以減少漿液流動對灌漿效果的影響.

(2)段長的控制應根據鉆孔情況及時適當調整.在鉆孔中發(fā)現鉆進循環(huán)液大量漏失、塌孔較多難以成孔或大量涌水時，應停止鉆進，進行灌漿;若只有少量滲漏，可適當延長灌漿段長度;若鉆孔順暢、滲漏極少，可作全孔一次灌漿，以便把主要精力和時間放在尋找強滲漏地點上.

(3)為利于水泥漿液的擴散和加快凝結，灌漿宜使用42.5級以上的水泥，必要時應采用地勘水泥、超細水泥等［6-7］，以及摻用水玻璃等材料.

同一帷幕中，根據透水性不同，也可采用地勘水泥、普通硅酸鹽水泥和超細水泥等不同水泥組合灌漿.但在灌漿前，應在現場進行各種水泥等灌漿材料之間的對接試驗，確認其膠結可靠，強度符合要求，從而防止因水泥之間脫開而造成滲漏通道［6］.

(4)砂卵石層灌漿不能采用過高的壓力，否則控制不了漿液流失，達不到預期效果;也不宜采用過低的壓力，否則砂卵石層大多數孔隙難以進漿，導致擴散半徑過小，同樣達不到預期效果.由于這些原因，帷幕灌漿后，砂卵石層仍有許多孔隙不能進漿，留下較多的可透水孔隙［2］.因此，應在保證工程安全運行的前提下，合理確定防滲標準.

5 結語

水庫土壩多建于上世紀六、七十年代，限于當時的技術水平，往往存在壩基覆蓋層清理不徹底的情況，造成水庫蓄水后產生滲漏通道，嚴重的甚至危及大壩安全.與采用混凝土防滲墻、高壓噴射截滲墻等方法相比，采用帷幕灌漿解決壩基砂卵石層的滲漏，體現出造價低、速度快、對壩體結構影響小、與壩基基巖灌漿容易結合等優(yōu)點，在衢州市近年的水庫除險加固中均取得了較好效果，值得推廣和采用.

［1］韓文忠，吳立興.土石壩防滲補強若干方法之我見［C］//中國水利學會地基與基礎工程專業(yè)委員會.水工建筑物水泥灌漿與邊坡支護技術.北京:中國水利水電出版社，2007:53-64.

［2］張景秀.對新編水工建筑灌漿技術規(guī)范的建議［J］.基礎工程技術，2006(S):63-65.

［3］中華人民共和國水利部，中華人民共和國電力工業(yè)部.SL 62-94水工建筑物水泥灌漿施工技術規(guī)范［S］.北京:中國水利水電出版社，1994.

［4］王昂峰，任 佶.欽寸水庫含泥砂礫石層帷幕灌漿方案選擇［J］.浙江水利科技，2010(6):53-55.

［5］錢勇峰，祝衛(wèi)東，杜 斌.壩基帷幕灌漿在新路岙水庫維修加固中的應用［J］.建筑技術開發(fā)，2009，36(7):53-55.

［6］周衍銀，徐慶強.寧波市橫溪水庫砂礫石壩基防滲帷幕灌漿處理效果分析［J］.浙江水利水電?？茖W校學報，2007(2):7-10.

［7］潘永明，李海松.淺談壩基砂礫層帷幕灌漿施工在水庫除險加固工程中的應用［J］.水利建設與管理，2010(4):64-65.