水利漿砌石壩防滲加固中灌漿技術(shù)的應(yīng)用

陳志鵬

（南水北調(diào)中線干線工程建設(shè)管理局河南分局，河南 鄭州 456150）

0 引言

在水庫大壩除險加固中，灌漿施工技術(shù)具有顯著的應(yīng)用優(yōu)勢，能夠根據(jù)大壩實際病險進(jìn)行高效除險加固，消除大壩問題，延長大壩使用年限。在漿砌石壩防滲加固中，灌漿技術(shù)應(yīng)用能夠在壩體或壩基中灌入水泥漿液，重新充填砌石壩內(nèi)的孔隙與漏洞，從而形成防滲體，消除大壩滲漏病險，恢復(fù)大壩使用功能[1]。該工程中，某水庫大壩興建于70 年代初，大壩建成后已投入使用40 多年，當(dāng)前大壩存在諸多病險，須進(jìn)行防滲加固。根據(jù)大壩實際滲漏情況，選擇灌漿施工技術(shù)進(jìn)行防滲加固，延長大壩使用壽命，發(fā)揮大壩功能價值。

1 工程概況

某水庫是一座集灌溉、發(fā)電、防洪等綜合效益于一體的小（Ⅱ）型水利工程，樞紐工程由水庫大壩、輸水涵管等組成。水庫大壩為漿砌石砼心墻重力壩，壩頂高程為237m，防浪墻頂高程238m，壩高43.7m，壩頂長度30.5m。水庫總庫容為1300 萬m3，工程級別為Ⅲ等，該施工對大壩按照3 級建筑物設(shè)計考慮。

大壩建成投入使用已超過40 年，壩體漿砌石構(gòu)成包括花崗巖塊石和水泥砂漿，花崗巖石塊多為棱角狀，巖質(zhì)堅硬；通過現(xiàn)場勘查與鉆孔取芯，壩體水泥砂漿老化問題嚴(yán)重，砂漿和砼強(qiáng)度低，與塊石膠結(jié)程度較差，氣孔與蜂窩狀孔隙較多，漿砌石壩整體密實度較低。溢洪道邊墻采用上、下部混凝土、中部漿砌石結(jié)構(gòu)，漿砌石構(gòu)成同樣是花崗巖塊石與水泥砂漿，其整體密實度同樣較低；混凝土粗骨料為花崗巖碎石。經(jīng)鑒定，大壩漿砌石材料容重較低，已經(jīng)不能滿足設(shè)計要求，防滲體系作用嚴(yán)重減退，已不能發(fā)揮原本的防滲功能，亟需采取有效措施防滲加固。

2 漿砌石壩防滲加固設(shè)計

2.1 大壩目前存在的問題

該水庫當(dāng)前存在的主要問題就是大壩滲漏病險影響大壩耐久性和安全性。經(jīng)檢測鑒定，壩體容重較低，天然密度還不能達(dá)到2g/cm2，不能滿足規(guī)范值要求，導(dǎo)致輸送時，壩身滲漏嚴(yán)重，安全系數(shù)下降。因此，當(dāng)前亟需增加壩體容重，堵塞滲漏，提高壩體耐久性。

2.2 大壩防滲加固設(shè)計

根據(jù)該工程實際，在防滲加固設(shè)計中，壩體漿砌石加固選擇壩頂整體充填水泥砂漿+壩頂外區(qū)域網(wǎng)格灌漿加固方法；大壩防滲體系采用灌漿重造防滲幕加固方案；壩基采用帷幕灌漿技術(shù)加固[2]。

2.2.1 壩體漿砌石加固設(shè)計

壩頂區(qū)域采用整體填充水泥砂漿，先填充滲流部位及吃漿量大的孔隙。按照先下游再上游，先疏后密的原則，布置兩排灌漿孔，排距0.8m、孔距3m、孔徑直徑為75mm，終孔處為每排廊道以上2m 處，然后轉(zhuǎn)向廊道內(nèi)基礎(chǔ)巖面下1m處進(jìn)行連續(xù)灌漿，防止壩基面接觸滲漏。每排孔依次分成三序進(jìn)行灌漿，孔間距Ⅰ序12m、Ⅱ序12m、Ⅲ序6m。壩頂外區(qū)域設(shè)置網(wǎng)格型灌漿孔，在基礎(chǔ)巖石上鋪設(shè)半徑長為12.5cm的半圓預(yù)制混凝土管排水網(wǎng)絡(luò)，分布方式按照與壩體軸線平行或垂直的形式，半圓形排水網(wǎng)格的間距設(shè)置為8m，排水網(wǎng)格中的縱橫排距均為6m、孔距3m、孔直徑75mm，通過排水管，可以將壩體滲透的水向壩體內(nèi)設(shè)置的集水井中引流，然后再從壩體中向外抽出；同時，終孔位置在大壩墊層上2m 處，有效避免壩體的排水網(wǎng)格發(fā)生堵塞。

2.2.2 防滲墻灌漿重造防滲幕加固設(shè)計

在混凝土防滲墻后漿砌石體區(qū)域進(jìn)行灌漿施工，布置3排管徑孔，孔開灌處均為壩頂或溢流面頂部，第一排為下游封閉孔，距離下游0.6m，孔距3m，終孔位置在廊道上部，并轉(zhuǎn)向廊道內(nèi)續(xù)灌；第二排為造幕孔，與壩體第二排充填孔軸線相同，并在其基礎(chǔ)上補(bǔ)差孔，孔距3m；第三排孔為上游封閉孔，孔距1.5m。

2.2.3 壩基帷幕灌漿加固設(shè)計

在對水庫大壩進(jìn)行地質(zhì)勘查過程中，同時檢測壩基的基巖透水率，通過現(xiàn)場壓水實驗，得到了壩基基巖透水率：實驗中鉆孔中的水位快速降低，并且持續(xù)了較長時間；根據(jù)現(xiàn)場實驗情況，分析可知大壩壩基透水率最高為6.29Lu，最低為4.91Lu，滲透系數(shù)是5.9×10-5cm/s～7.6×10-5cm/s。根據(jù)相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求，壩高不高于50m 的，壩基相對隔水層透水率應(yīng)當(dāng)為5Lu。因此，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)分析，當(dāng)前壩基存在滲水的情況，防滲帷幕質(zhì)量受到了較大的影響。針對壩基灌漿施工加固，選擇帷幕灌漿施工方法。帷幕灌漿孔按照先疏后密、從上到下的布設(shè)方法進(jìn)行，分三序孔，孔間距Ⅰ序8m、Ⅱ序8m、Ⅲ序4m。鑒于壩基帷幕重要安全作用，該設(shè)計在原設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)上進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng)，包括所有鉆孔的總長度巖石部分為4170m，壩體混凝土或漿砌石為440m，按照三序孔進(jìn)行灌漿。同時，在壩基基礎(chǔ)面帷幕灌漿孔做接觸關(guān)鍵處理，壩頂漿砌石灌漿不強(qiáng)和防滲幕灌漿孔均向巖基礎(chǔ)層深入1m，同時在接觸面進(jìn)行接觸灌漿。

3 漿砌石壩灌漿施工技術(shù)要點

3.1 各部位灌漿施工要求

在壩體漿砌石灌漿加固及壩基帷幕灌漿施工前，需要對灌漿段進(jìn)行水汽輪換沖洗，控制沖洗壓力，一般不超過灌漿壓力的80%，污水沖洗完后，在繼續(xù)沖洗30min。在壩體漿砌石充填灌漿中，灌漿壓力不超過0.3MPa，根據(jù)吃漿量大小，可以先用水泥砂漿，再用水泥漿進(jìn)行填充；壩頂填充漿量設(shè)計水泥用量為500kg/m。壩體充填灌漿施工采用的原材料為強(qiáng)度是42.5 的硅酸鹽水泥。

在壩基帷幕灌漿施工中，灌漿孔鉆孔暴露巖石為2270m，暴露漿砌石為20m，洞內(nèi)漿砌石390m，洞內(nèi)壩基巖石1555m；灌漿水泥用量250kg/m，共1970m。同時，在灌漿施工前，也需要對灌漿段進(jìn)行水汽輪換沖洗，其沖洗壓力與壩體填充灌漿施工沖自壓力要求相同。水泥材料選用強(qiáng)度42.5 硅酸鹽水泥。

防滲墻加固施工中重造防滲幕灌漿需要在壩體灌漿完成后在進(jìn)行，灌漿壓力最大不超過0.5MPa，最小不低于0.3MPa，三序孔施工，設(shè)計水泥用量為250kg/m，完工后采用高壓通氣設(shè)備，做好掃孔清潔處置。水泥用料均為強(qiáng)度42.5硅酸鹽水泥，在施工設(shè)計中，確定的材料用量為250kg/m[3]。

3.2 灌漿施工工藝

3.2.1 施工設(shè)備準(zhǔn)備

該工程中，為確保灌漿質(zhì)量，共投入兩套鉆灌機(jī)組，具體如表1 所示。

表1 主要施工設(shè)備

3.2.2 施工流程

漿砌石壩灌漿施工工藝流程如圖1 所示。其中，灌漿前需要進(jìn)行先導(dǎo)孔鉆孔預(yù)先探測巖層，間隔一段距離布孔線，從Ⅰ序孔中選擇一個孔作為先導(dǎo)孔，明確地質(zhì)情況。

圖1 漿砌石壩灌漿施工工藝流程圖

3.2.3 鉆孔沖洗與壓水試驗

采用鉆孔設(shè)備完成鉆孔施工后，需要進(jìn)行鉆孔沖洗，用大量水或者大量風(fēng)沖擊鉆孔，清潔孔內(nèi)，殘渣堆積厚度不應(yīng)當(dāng)超過20cm，然后沖洗巖縫。對所有灌漿鉆孔均進(jìn)行沖洗，確保灌漿施工前，各孔內(nèi)沉淀物厚度在規(guī)定范圍內(nèi)。

鉆孔沖洗完成后即進(jìn)行壓水試驗，壓水試驗方法包括簡易壓水法和單點法。在施工中，應(yīng)用簡易壓水法進(jìn)行壓水試驗的具體過程如下：先進(jìn)行壓水沖洗，達(dá)到一定要求后，對壓水壓力進(jìn)行控制，一般是灌漿段灌漿壓力的八成左右，并且要保證壓力值不超過1MPa，對壓水流量進(jìn)行詳細(xì)記錄，間隔5min 進(jìn)行一次測讀，并持續(xù)這一流程約30min，根據(jù)最后一次記錄的壓水流量值測量Lu 值。這一過程中，既可以完成壓水沖洗，同時又可以簡單地了解底層透水性的情況。并且簡易壓水試驗方法簡便，操作省時省力，對于提前了解灌漿前地層狀況以及前序孔的灌漿施工效果具有優(yōu)勢。

應(yīng)用單點法進(jìn)行壓水試驗的具體過程如下：選取壓力點，該點壓力不超過灌漿壓力的80%，并且壓力值在1MPa以下；穩(wěn)壓條件下，間隔3min～5min 進(jìn)行一次壓入流量測量，穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)并計算Lu 值。對先導(dǎo)孔和檢查孔進(jìn)行壓水試驗，既可以先了解基層巖石的透水性，掌握灌漿前地層狀況，還可以對比檢查孔成果，分析灌漿施工效果是否達(dá)到預(yù)期，為后續(xù)采取相關(guān)措施提供可靠依據(jù)[4]。

3.2.4 灌漿施工方式

該工程中，灌漿施工采用循環(huán)式灌漿和分段灌漿兩種方法。循環(huán)式灌漿是通過在鉆孔中插入內(nèi)外兩根管，在施工過程中壓入鉆孔中的漿液，一部分可以進(jìn)入到基層孔隙當(dāng)中，多出部分漿液則可以沿內(nèi)外管孔隙沿回漿管路返回至攪拌桶，或者向周圍鉆孔滲透。這種施工方式能夠使?jié){液保持流動，避免漿液沉淀影響施工效果。

分段式灌漿方法將灌漿段按5m 一段、從上到下劃分，隨著鉆孔深度不斷增加，灌漿壓力也不斷提高。這種方法能夠根據(jù)實際情況，有效保障灌漿質(zhì)量。在上部灌漿完工后，可以形成整體性較好的結(jié)石，在后續(xù)施工過程中，不會出現(xiàn)地面冒漿的情況，不會影響壩體；同時，通過分段施工，可以明確各個階段的施工成果，以便于及時解決灌漿質(zhì)量問題，提高施工效率。但是這種灌漿方法需要頻繁移動鉆機(jī)，增加其工作量，漿液凝結(jié)時間也較長，影響了施工效率[5]。

3.2.5 灌漿材料選擇及漿液變換條件

該施工灌漿材料均選擇水泥（砂）漿，漿液制備原料為強(qiáng)度42.5 的普通硅酸鹽水泥，水泥細(xì)度要求粒徑大于80μm的占比不超過5%，確保水泥漿能夠在裂隙中有效擴(kuò)散。同時，出現(xiàn)受潮結(jié)塊、質(zhì)保過期的水泥嚴(yán)禁作為原料制備水泥砂漿。灌漿漿液水灰比可按照從稀到濃分成1 ∶1、2 ∶1、3 ∶1 三個等級，根據(jù)壓水試驗，壓水試驗起壓時的吸水量非常大，開灌濃度可隨之降低，選擇1 ∶1 水灰比；壓水試驗起壓時，可適當(dāng)提高開灌濃度，選擇2 ∶1 水灰比；壓水試驗無法起壓時，提高開灌濃度，選擇3 ∶1 水灰比。

當(dāng)灌漿壓力穩(wěn)定，吸漿量開始逐步均勻下降后；或吸漿量穩(wěn)定，灌漿壓力開始上升時，則可以不更換水灰比，以原有的漿液條件進(jìn)行灌漿。如果持續(xù)注漿中注漿量大于300L，則降低漿液濃度，選用1 ∶1 水灰比漿液灌漿直到完成。漿液濃度根據(jù)裂隙吃漿量和灌漿壓力確定，如果裂隙相對較小，吃漿量較少，稀漿灌漿時間則較短；相反則需要持續(xù)較長時間。

3.2.6 灌漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)及封孔

壓力穩(wěn)定時，鉆孔吸漿停止后再持續(xù)灌漿10min 后，即可停止施工；結(jié)束后，封孔方法采取壓力灌漿封孔法，漿液水灰比為1 ∶1，灌漿壓力為0.2MPa，封孔應(yīng)當(dāng)飽滿且密實。

3.2.7 灌漿質(zhì)量檢查

灌漿質(zhì)量主要通過灌漿檢測孔進(jìn)行檢查，根據(jù)灌漿相關(guān)資料進(jìn)行綜合評定，或采用振動測試儀對壩體質(zhì)量進(jìn)行檢測分析。灌漿檢測孔數(shù)量一般在總灌漿孔數(shù)量的8%左右；檢測孔一般位于灌漿中心線，或者滲漏嚴(yán)重、吃漿量較大的部位；對檢測孔進(jìn)行壓水試驗，其壓力值應(yīng)當(dāng)在正常壓力的1.5倍左右；檢測完成后注意根據(jù)要求進(jìn)行封孔；檢測時間一般在該部位關(guān)鍵完成2 周后進(jìn)行。檢測孔整體合格率應(yīng)在80%以上，不合格孔的透水率不能低于規(guī)定要求的50%，則可以判定為灌漿施工達(dá)標(biāo)，否則均認(rèn)為不達(dá)標(biāo)。

4 大壩灌漿施工效果分析

4.1 灌漿施工前透水率分析

灌漿施工前，通過壓水試驗對壩體充填灌漿各序孔進(jìn)行透水率分析，詳細(xì)結(jié)果如表2 所示。

根據(jù)表2 可知，灌漿施工前，通過壓水試驗可知Ⅰ序孔無法起壓的段數(shù)有48 段，占比達(dá)到38.1%；Ⅰ序孔灌漿后，壓水試驗結(jié)果顯示Ⅱ序孔的中無法起壓的段數(shù)下降至33 段，占比下降到26.7%；Ⅱ序孔完成灌漿后，壓水試驗結(jié)果顯示Ⅲ序孔灌漿前各孔段無法起壓的數(shù)量已經(jīng)下降到20段，占比為7.6%，并且根據(jù)Ⅲ序孔透水率分析，其平均值為9.23Lu。相關(guān)數(shù)據(jù)表明，在對各孔序依次灌漿施工過程中，壩體的透水率逐步下降，密實度明顯提高，灌漿施工有效提升了大壩壩體的防滲性能。

表2 壩體充填灌漿各序孔施工前透水率分析表

4.2 單位水泥灌入量分析

壩體充填施工中，各序孔單位水泥灌入量具體如表3 所示。

表3 灌漿各序孔單位水泥灌入量表

從表3 可知，從Ⅰ序孔到Ⅲ序孔的單位水泥灌入量呈現(xiàn)明顯的下降趨勢，Ⅰ序孔到Ⅱ序孔下降了57.6%，Ⅱ序孔到Ⅲ序孔下降了62.4%。這一趨勢與正常灌漿遞減規(guī)律相符合，表明灌漿施工具有良好的效果。

4.3 壩體容重分析

該工程中，經(jīng)兩次現(xiàn)場檢測壩體塊體密度，同時結(jié)合相關(guān)經(jīng)驗，確定壩體漿砌石天然容重為2.08g/cm3。灌漿施工后，通過簡單計算，壩體容重增加了0.207g/cm3，壩體容重增加值2.287g/cm3。具體計算過程：壩頂范圍內(nèi)灌漿孔共有26+26+54=106 個，取壩高值為1m，壩高范圍內(nèi)容重增加量為106×0.5kg=53kg，平均每立方米容重增加量為（2.08×1.6×160+53）÷（1.6×160×1.0）=2.287kg，即2.287g/cm3。結(jié)果滿足《砌石壩設(shè)計規(guī)范》（SL25-2006）中密度取值2.2g/cm3～2.4g/cm3的標(biāo)準(zhǔn)要求。

5 結(jié)論

當(dāng)前，我國大多數(shù)漿砌石壩建造時間較早，使用時間較長，再加上相關(guān)建造施工技術(shù)及經(jīng)濟(jì)條件不足，導(dǎo)致出現(xiàn)越來越多的大壩滲漏問題。該工程中，針對大壩整個防滲體系，采取多種不同的灌漿防滲加固施工技術(shù)，有效提高了大壩防滲加固效果。實踐證明，灌漿施工技術(shù)在漿砌石水庫大壩防滲加固中能夠有效提高大壩的防滲性能，增加壩體容重，實現(xiàn)良好的灌漿施工效果，從而有效延長大壩的使用壽命，為同類型大壩防滲加固施工提供借鑒。