大壩滲漏巖溶通道聯(lián)合注漿封堵技術應用

陳欽安

(濉溪縣水利工程有限責任公司，安徽 濉溪 235100)

1 工程概況

某水庫是一座小Ⅱ型河道水庫，水庫的控制流域面積為15.34km2，正常蓄水位27.94m，庫容為17.3萬m3[1]。主要水工建筑物為大壩、溢洪道和輸水隧洞。其中，水庫的大壩為均質土壩，最大壩高17.5m，壩長257.4m。由于大壩設計建設標準低，且建設期間沒有對壩基進行防滲處理，導致大壩滲漏情況比較嚴重，影響到水庫的運行安全，亟待進行除險加固。在水庫除險加固設計階段的地質勘測中，發(fā)現(xiàn)壩址區(qū)域的地層主要為：卵石層，厚度約為2.3～5.6m，松散、飽水，部分間隙由中粗砂填充；強風化灰?guī)r、強風化泥質巖，厚度為2.1～5m。巖心一般呈短柱狀，發(fā)育有較多的溶蝕孔洞，巖心的采取率低且斷面具有明顯的溶蝕現(xiàn)象，有明顯的溶洞發(fā)育。根據(jù)地質情況和當?shù)氐牡叵滤\移規(guī)律，地下水流會沿著巖層中的溶蝕孔洞和縫隙運移，這不僅是大壩滲漏的主因，長期來看還會威脅到壩基的安全[2]。其中，大流量巖溶管道涌水問題也成為大壩防滲工程設計中必須要面對和解決的問題，特別是大壩下游的Y01涌水點流量最大，需要進行有效封堵。

2 巖溶管道涌水治理思路

鑒于巖溶和裂隙發(fā)育的不均一性以及巖溶水分布的不均勻性，水庫大壩的基巖特點為非連續(xù)帷幕的應用創(chuàng)造了條件[3]。但是，巖溶地區(qū)的地質條件十分復雜，往往存在溶蝕、地下徑流以及充填等多種地質現(xiàn)象，造成地下巖溶裂隙與管道相互交疊，地質探查的難度較大[4]。另一方面，由于巖溶關鍵通道涌水量往往較大，水速也較高，存在較大的封堵難度[5]。因此，在解決大壩壩基滲漏問題時，關鍵通道的封堵就顯得尤為重要。關鍵通道的封堵，首先需要確定關鍵通道的具體位置，根據(jù)相關文獻研究成果，鉆孔的連通率和跑漿濃度越大，說明其與主通道的聯(lián)系愈加密切[6]。根據(jù)現(xiàn)場實際試驗，21#孔和14#孔的連通率和跑漿濃度最大，說明上述兩孔為關鍵通道注漿封堵的關鍵孔位。本次研究中以前期的物探和鉆探成果為基礎，采用水文示蹤試驗法進一步確定Y01涌水點的關鍵通道平面位置和埋深分布的具體情況[7]。以上述地質勘測和試驗成果為依據(jù)，擬在涌水口施加控流裝置，同時選擇合適的注漿材料和注漿工藝，以便對關鍵通道的地下徑流實施精準和有效的封堵。

3 關鍵通道聯(lián)合注漿封堵設計施工

3.1 涌水口流速控制

關鍵通道內的水流流速較高，封堵材料有效留存，因此需要降低動水流速以增大材料留存率，進而提升封堵效果[8]。本次研究中結合以往的研究成果，在涌水口附近設計止?jié){墊以達到控流降速目的。具體設計為：在涌水口安裝帶有控制閥門的三條內徑為310mm的引流管，并圍繞這三條引流管安裝9條內徑為89mm的注漿導管，使涌出的水流從上述引流管排除，并通過調節(jié)閥門實現(xiàn)水流控制。

3.2 注漿材料試驗選擇

對關鍵通道涌水封堵，需要試驗設計一種具有良好動水抗分散性、膠凝時間可調、強度高的新型注漿材料[9]。根據(jù)水庫大壩壩基關鍵通道涌水特征和封堵要求，本文提出了一種水泥-水玻璃-黏土-纖維注漿材料。

(1)漿液流動度

對不同配比的黏土、水玻璃以及纖維摻量的注漿材料流動度進行試驗，結果如圖1所示。由試驗結果可知，水玻璃的摻量與漿液流動度成反比。究其原因，主要是水玻璃有助于水泥的早期水化，進而產生大量膠凝物，提高了漿液的粘稠度。此外，黏土摻量的增加會提高漿液的流動度[10]。

(2)漿液凝膠時間

對不同水玻璃和黏土摻量下的注漿材料膠凝時間進行試驗，結果如圖2所示。由圖可知，漿液的膠凝時間和水玻璃的摻量成反比，與黏土的摻量成正比。究其原因，主要是黏土摻量的增加會造成水泥含量的減少，膠凝時間會相應延長[11]。

圖1 漿液流動度試驗結果

圖2 漿液凝膠時間試驗結果

(3)結石體強度力學

鑒于水玻璃和纖維對結石體的強度影響最大，試驗中設計了不同的水玻璃和聚丙烯纖維摻量，并進行3d抗壓強度試驗，結果如圖3所示[12]。由試驗結果可知，結石體強度與水玻璃摻量成正比。究其原因，主要是水玻璃有助于水泥的水化反應并生成硅酸鈣凝膠，從而明顯提升了結石體的強度。同時，纖維摻量也會對結石體的強度產生比較明顯的增強效果。

(4)漿液留存率

根據(jù)相關研究文獻資料，漿液留存率的主要影響因素為水玻璃和聚丙烯纖維摻量[13]。因此在試驗中設計了不同的水玻璃和聚丙烯纖維摻量，并進行漿液留存率試驗，結果如圖4所示。由試驗結果可知，漿液留存率與水玻璃摻量成正比關系，而纖維摻量也會對漿液留存率產生比較明顯的增強效果。

圖3 結石體強度力學試驗結果

圖4 漿液留存率試驗

根據(jù)上述試驗結果，結合關鍵通道聯(lián)合注漿封堵施工的具體需求和施工成本，本次聯(lián)合注漿的漿

圖5 注漿前高密度電法探測結果

圖6 注漿后高密度電法探測結果

液材料配比為粘土摻量30%，水玻璃摻量20%，聚丙烯纖維摻量為2.0%。漿液的水灰比根據(jù)不同注漿點的地質情況確定。其中，對連通性較弱的裂隙型注漿點采用水泥，黏土：水為1∶2.10較稀的漿液注漿，以促進漿液的擴散，提高注漿效果；對連通性強的管道連通注漿點則采用水泥，黏土：水為1∶1.85較稠的漿液注漿。

3.3 注漿壓力

注漿壓力的選定需要綜合考慮水頭壓力、注漿材料的凝結時間以及注漿部位裂隙管道的類型等多種具體因素[14]。以本次壩基防滲施工為例，注漿區(qū)域的最大鉆孔深度為70m，最大水頭壓力為0.7MPa。為了提高注漿施工過程中的漿液留存率，在施工現(xiàn)場還構筑了設計耐壓為6.0MPa的止?jié){墊。此外，本次施工采用的是速凝漿液，需要較大的注漿壓力保證其良好擴散，因此需要在保證涌水口止?jié){墊安全的情況下增加注漿壓力。綜合上述分析，本次注漿施工的注漿壓力設定為5.3MPa。

3.4 注漿方法

通過物探和鉆孔相結合的方法確定關鍵注漿孔，通過對關鍵注漿孔進行注漿達到封堵地下巖溶管道的目的。在具體的注漿過程中，對距離涌水口較近的關鍵注漿孔要先添加粗骨料再注漿，以利于通過粗骨料和漿液的團聚作用提高留存率；對距離涌水口較遠的關鍵注漿孔則以單漿液注漿為主，通過漿液的遠距離運移，提高漿液的輻射范圍，以利于提高封堵長度和效果。

鑒于巖溶管道內的水流流量大、速度快，關鍵注漿孔具有一定的方向性且距離出水口呈遠近排列，在注漿過程中可以根據(jù)實際情況采取兩孔、三孔乃至多孔聯(lián)合注漿，并按照涌水口近端封堵、遠端擴散的原則實施。

4 堵水效果評價

利用物理探測的方式對注漿前后的物理性差異進行檢測，可以對注漿堵水效果進行比較科學和準確的評價[15]。在注漿施工完成后，如果物探異常區(qū)域明顯縮小或消失，就說明注漿施工獲得了良好的效果。本次研究中，利用高密度電位法對注漿部位注漿前后進行探測，結果如圖5—6所示。由圖可知，壩基巖層在注漿前存在十分明顯的低阻區(qū)，揭示存在裂隙或過水溶洞，在注漿后電阻率變化呈現(xiàn)出比較均勻的狀態(tài)，且電阻率較高，說明地層的透水率較差，說明注漿效果十分明顯。

5 結語

壩基滲漏是水利工程中的常見工程災害類型，而注漿封堵是目前針對此類災害最常見和最有效的治理方法。本次研究以某水庫除險加固工程為例，提出粘土摻量30%，水玻璃摻量20%，聚丙烯纖維摻量為2.0%的復合注漿材料進行巖溶管道涌水的注漿堵水施工。與傳統(tǒng)水泥漿液相比，該新型注漿材料不僅可以大幅提升漿液的流動性和留存率，還可以顯著降低注漿漿液的制作成本。注漿結束后的堵水效果評價和監(jiān)測結果顯示，注漿堵水施工取得了顯著的效果，對類似工程的施工設計具有一定的借鑒價值。