有壓動水覆蓋層帷幕成幕及控制灌漿技術(shù)研究與應(yīng)用

譚寶寶，馮楊文，陳曉東，熊德軍，鐘久安，何非凡，臧鵬

（1.國電丹巴東谷河水電開發(fā)有限公司，四川 丹巴 626300；2.四川共拓巖土科技股份有限公司，四川 成都 610091；3.中電建振沖建設(shè)工程股份有限公司，北京 100102）

0 引言

對于大壩基礎(chǔ)設(shè)在覆蓋層上的水電水利工程水庫的滲漏，覆蓋層是主要的滲漏通道之一。在設(shè)計控制之內(nèi)的正常滲漏（流），一般不會對大壩產(chǎn)生滲透破壞；若滲流過大且集中，在長期作用下覆蓋層中的細(xì)小顆粒可能被水流帶走，形成大的孔隙結(jié)構(gòu)，逐漸地滲流將可能具有一定的流速和較大的滲漏量，這不僅給已建水庫帶來水量損失和發(fā)電效益損失，而且還威脅到大壩的安全。因此，具備處理時機(jī)時應(yīng)盡快對覆蓋層的滲漏進(jìn)行防滲處理。

覆蓋層防滲工程中，混凝土防滲墻、高壓噴射灌漿、帷幕灌漿等是比較常見的方法。綜合考慮運營期水電水利工程水庫現(xiàn)場條件、壩體結(jié)構(gòu)、施工便利等，壩基覆蓋層防滲堵漏采用帷幕灌漿相對較為適宜。

大壩壩基覆蓋層防滲堵漏處理時，一般情況下需放空水庫或降低庫水位以確?！案傻亍笔┕?、減小水壓和滲流速度以降低施工難度，但會給電站、水庫的經(jīng)濟(jì)效益帶來一定的損失。在不具備放空條件或為了減少經(jīng)濟(jì)損失而需保持蓄水工況時，庫水將處于較高水位，在上下游較大水頭差的作用下，壩基覆蓋層滲漏區(qū)域可能產(chǎn)生具有一定流速和較大流量的流動水，即有壓動水。

1 有壓動水覆蓋層帷幕灌漿施工難點

按被灌地層分，帷幕灌漿可分為基巖帷幕灌漿和覆蓋層帷幕灌漿。類似地，在蓄水條件下的帷幕灌漿亦可分為有壓動水基巖帷幕灌漿和有壓動水覆蓋層帷幕灌漿。相對而言，基巖帷幕灌漿、有壓動水基巖帷幕灌漿、覆蓋層帷幕灌漿、有壓動水覆蓋層帷幕灌漿的施工難度依次增大。雖然有壓動水基巖帷幕灌漿已有相關(guān)工程實例，如甲巖電站大壩左右岸趾板新增帷幕灌漿工程（趾板灌漿孔位處水深達(dá)50 m，孔深達(dá)153 m），但并不意味著其經(jīng)驗就可解決有壓動水覆蓋層帷幕灌漿的問題。目前，有壓動水覆蓋層帷幕灌漿處理滲漏缺陷仍是難點問題。例如，甘孜州境內(nèi)大渡河流域某水電站河床段壩基深厚覆蓋層帷幕補強面臨蓄水工況高承壓水頭、動水條件灌漿施工等難題［1］。

（1）通常，帷幕灌漿材料多采用水泥漿液。在有壓動水覆蓋層中采用水泥漿液進(jìn)行灌漿時，因漿液凝結(jié)時間長、抗水沖和抗稀釋性差，易被水流帶走，滲透擴(kuò)散亦受影響，使得漿液難以在覆蓋層孔隙或空洞留存，以致較難形成完整帷幕，難以達(dá)到壩基防滲目的，而且漿液耗量極大，使得滲漏治理效果不佳，是有壓動水覆蓋層灌漿的難點。

（2）在有壓動水覆蓋層采用普通硅酸鹽水泥漿液結(jié)合沖填級配料或者灌注水泥砂漿等，在一定程度上可抗水流沖擊，仍面臨漿液水下凝固時間長、抗水流沖釋性差等問題。已有的研究表明，普通硅酸鹽水泥漿液在水下，尤其是動水下的凝結(jié)時間較長，甚至發(fā)生假凝或不凝現(xiàn)象。

（3）近年來，為了解決漿液在水下凝固時間過長、動水下易被沖散的難題，多種灌漿材料用于有壓動水灌漿工程，但仍難盡如人意。摻速凝劑的漿液、水泥-水玻璃雙液漿液可縮短漿液凝結(jié)時間但易被水流稀釋，水泥-水玻璃雙液亦存在混合不均、堵管、堵孔事故；摻抗分散劑的水泥漿液可在靜水下抗分散，但抗動水沖釋性不足。熱瀝青遇水凝固，不易被水沖釋，但灌前要加熱、灌注過程中要保溫，施工工藝復(fù)雜，不適用于深孔灌注。聚氨酯灌漿材料（化學(xué)漿液）密度約1.05 g/cm3，注入鉆孔滲漏位置后，與水反應(yīng)快，形成泡沫狀固結(jié)體，擴(kuò)散范圍受限，在有壓動水條件下，比水輕的發(fā)泡體易聚集在滲漏入口附近通道上部，動水仍可能從通道下部滲流，以致效果不太理想，再者價格貴。

綜上，在蓄水條件下對壩基覆蓋層滲漏進(jìn)行灌漿處理時，面臨常規(guī)水泥漿液抗動水沖釋性差而被流水稀釋分散、水流沖失以致灌漿難以成幕防滲以及耗漿量極大的難題。故此，對有壓動水覆蓋層帷幕成幕及控制灌漿技術(shù)進(jìn)行研究［2］。

2 有壓動水覆蓋層帷幕成幕及控制灌漿技術(shù)研究

2.1 有壓動水覆蓋層灌漿技術(shù)總體思路

《水電水利工程覆蓋層灌漿技術(shù)規(guī)范》（DL/T 5267—2012）術(shù)語“帷幕灌漿”的釋義為“將漿液灌入覆蓋層孔隙或空洞內(nèi)形成連續(xù)的阻水幕，以減小覆蓋層地基的滲漏量或降低滲透壓力的灌漿工程”。由此可知，覆蓋層帷幕灌漿施工將漿液灌入覆蓋層孔隙或空洞，從而形成阻水幕。反之，覆蓋層帷幕灌漿要成幕，需要漿液進(jìn)入覆蓋層孔隙或空洞并留存。

當(dāng)帷幕灌漿施工是在水電水利工程水庫正常運行工況下進(jìn)行時（水庫不放空，庫水位根據(jù)電站正常運行情況變動），存在較高水頭、深孔、動水等復(fù)雜施工條件。壩基下游與上游存在水頭差，壩基滲漏使得覆蓋層中存在一定流速的水流，灌入的漿液易被水沖稀釋，難以在孔隙或空洞留存，因此難以凝結(jié)成幕，是覆蓋層灌漿施工的難點。

2.1.1 研究思路

（1）灌漿材料與漿液。在水流沖刷作用下，常規(guī)漿液易被水沖釋，初凝時間延長，難以凝結(jié)與堵塞滲漏通道；常規(guī)漿液水泥顆粒被水流稀釋分散、沖走，難以灌入并留存在覆蓋層孔隙或空洞而成幕。因此，有壓動水條件下，漿液一是要不易被水沖稀釋，即具有抗動水分散性；二是進(jìn)入孔內(nèi)、地層后能盡早凝結(jié)，即具有一定速凝性。

（2）灌漿成幕技術(shù)方法。通常，壩基滲漏較大的覆蓋層一定程度上存在優(yōu)勢滲漏通道。若能堵塞縮小優(yōu)勢滲漏通道，后續(xù)水泥灌漿成幕才有條件實施。因此，覆蓋層灌漿施工需遵循“先堵漏，后灌漿”原則。遇動水大滲漏時，可先盡可能連續(xù)注入粘稠、抗水沖或抗動水分散漿液，希望漸進(jìn)堵塞較大漏失通道，再及時連續(xù)灌入水泥漿滲透、擴(kuò)散入地層孔隙或空洞以凝結(jié)成幕。

（3）帷幕效果與設(shè)計排數(shù)、施工順序。從灌漿實踐可知，灌漿帷幕的防滲效果與其厚度密切相關(guān)。一般地，覆蓋層帷幕的厚度根據(jù)最大設(shè)計水頭、帷幕的允許滲透比降、滲流控制標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行確定后，匹配確定帷幕灌漿孔的孔距、排距及排數(shù)。

覆蓋層帷幕布置3排及以上時，先灌注下游排孔，再灌注上游排孔，后灌注中間排孔。希望下游排孔可先行參照灌漿強度值（GIN）灌漿法封堵較大滲漏通道，一定程度上可攔阻上游排孔漿液隨水流向下游流失過多，上下游兩邊排孔封堵周邊后，中間排孔則可采用相對較高壓力進(jìn)行灌漿滲透、擴(kuò)散入地層孔隙或空洞以凝結(jié)成幕［3-5］。

2.1.2 工藝技術(shù)措施

（1）灌漿材料選擇與使用。灌漿材料綜合選用抗動水分散漿材、雙液速凝漿材（摻水玻璃）、水泥漿液、水泥膨潤土穩(wěn)定漿液等。根據(jù)實際漏失情況調(diào)整漿材與配比，原則上先多灌入抗分散漿材、速凝漿材，封堵灌漿宜連續(xù)進(jìn)行。

宜分排灌注不同漿液。下游排孔、上游排孔可灌注抗動水分散漿液、膏狀漿液、雙液速凝漿材或水泥漿等，中間排孔宜灌注水泥膨潤土穩(wěn)定漿液或水泥漿。

（2）灌漿參數(shù)擬定。根據(jù)水頭壓力調(diào)整灌漿壓力，宜使用較高壓力灌漿，以使灌漿擴(kuò)散半徑、壓力擠密影響范圍滿足要求。

（3）灌漿設(shè)備選擇。選用螺桿泵灌注抗動水分散漿材、膏狀漿液、雙液速凝漿材等；選用三缸高壓灌漿泵，滿足高壓灌漿、深孔灌漿時壓力需要，以及灌注水泥膨潤土穩(wěn)定漿液或水泥漿。

（4）灌漿孔分序灌注。覆蓋層灌漿嚴(yán)格按分序加密的原則進(jìn)行，排內(nèi)可分3序。先灌注下游排孔，再灌注上游排孔，后灌注中間排孔。同排灌漿孔先灌Ⅰ序孔，再灌Ⅱ序孔，后灌Ⅲ序孔。

（5）灌漿結(jié)束后措施。達(dá)到灌漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)后，采取屏漿措施、閉漿措施。

2.1.3 工藝步驟與作用（見表1）

表1 有壓動水覆蓋層灌漿工藝步驟與作用Table 1 Grouting procedure and functions for overburden with pressurized water

2.2 有壓動水灌漿材料研究

根據(jù)工程實際需要，對膏狀漿液、抗動水分散漿液進(jìn)行研究。膏狀漿液粘稠，可用于充填較大空隙?？箘铀稚{液在水流中不分散，可先封堵較大的動水滲漏通道，為先堵后灌創(chuàng)造條件。根據(jù)材料特性、成本、配料與灌注工藝等相關(guān)資料分析，抗動水分散漿液考慮以聚氨酯類材料與水泥復(fù)合的方向進(jìn)行調(diào)配研究［6］。

2.2.1 膏狀漿液

膏狀漿液主要選用羥丙基甲基纖維素或海藻酸鈉為主要外加劑，硅灰、甲酸鈣等為輔助外加劑（表2）。相對而言，纖維素的效果較海藻酸鈉略微差，但纖維素較為經(jīng)濟(jì)，故使用纖維素膏狀漿液。

表2 膏狀漿液配合比試驗Table 2 Mixing ratio test of the paste slurry

試驗表明，在0.5∶1水泥漿液中摻加1%纖維素、1%碳酸鈉，獲得的纖維素膏狀漿液的流動性、初凝時間滿足施工需要。

2.2.2 抗動水分散漿液

水泥漿液凝結(jié)時間長，在水中易被水流稀釋、分散。因此，需研究抗動水分散漿液。參考《水工建筑物化學(xué)灌漿施工規(guī)范》（DL/T 5406—2010）有關(guān)內(nèi)容，選用油溶性（疏水型）聚氨酯灌漿材料大類（此處以GTGR代稱），研究與水泥的復(fù)合，以制成抗動水分散漿液。

經(jīng)試配，推薦GTGR∶水泥=0.5∶1的CGTGR1漿液，其密度、粘度相對較大，初凝時間相對較短，抗壓強度相對較高（表3）?？狗稚⑿栽囼灡砻鳎摑{液在靜水中不分散，水中攪拌下亦不被稀釋、不分散，具有抗水流沖釋性。灌漿料的密度比水大，在水中呈現(xiàn)下沉趨勢，不易隨水流方向大量流失，具有抗水沖性。灌漿料初、終凝時間根據(jù)外加劑的加量進(jìn)行調(diào)整控制，可實現(xiàn)快速固化。漿液以水泥為主，相應(yīng)降低了使用成本［7］。

表3 抗動水分散漿液配合比試驗Table 3 Mixing ratio test of the anti-wash out slurry

2.3 覆蓋層灌漿成幕與控制灌漿技術(shù)分析研究

2.3.1 控制灌漿技術(shù)

壩基滲漏較大的覆蓋層一定程度上存在優(yōu)勢滲漏通道。普通水泥漿液到達(dá)覆蓋層鉆孔的滲漏位置時，在水流作用下順著優(yōu)勢滲漏通道流動，不斷被水流稀釋、分散乃至沖走，流失量大，亦難以封堵滲漏通道［8-9］。因此，控制漿液的措施如下：

（1）采用抗動水分散漿液（如C-GTGR1漿液）先行封堵滲漏通道?？箘铀稚{液在動水中不分散，密度比水大，初凝時間可調(diào)至較短，則不斷有凝結(jié)物在不規(guī)則的覆蓋層滲漏通道中得以下沉、留存在通道下部，漸進(jìn)堵塞較大漏失通道，使得抗動水分散漿液隨水流流動的距離不會過遠(yuǎn)，從而合理地控制了灌漿量。之后，視不同情況，再采用纖維素膏狀漿液、水泥-水玻璃雙液、濃水泥漿等進(jìn)一步封堵滲漏通道。

（2）控制灌漿亦需要適宜的灌漿孔排數(shù)，例如2排或3排及以上。邊排孔側(cè)重于堵漏，注入抗動水分散漿液、纖維素膏狀漿液、水泥-水玻璃雙液等，低壓或無壓以避免漿液流失過遠(yuǎn)。邊排孔封堵后，中間排孔能升壓灌注水泥粘土漿液或水泥漿液，既保證灌漿質(zhì)量，又可避免漿液在較大壓力下流失過遠(yuǎn)。

2.3.2 動水條件成幕技術(shù)

在有壓動水覆蓋層，漿液需進(jìn)入覆蓋層孔隙或空洞并留存，才可膠結(jié)地層以成幕。因此，漿液要先在覆蓋層中“站住腳”。此需先灌注抗動水分散漿液，不斷有凝結(jié)物沉留在不規(guī)則的覆蓋層滲漏通道下部，漸進(jìn)堵塞較大漏失通道，先行起到一定減滲作用、遏制動水流速，以使后續(xù)漿液能更多地不斷留存在覆蓋層中，為成幕創(chuàng)造先決條件。

考慮帷幕的允許比降，覆蓋層防滲灌漿需要一定的帷幕厚度，故宜布置多排孔。邊排孔封堵漏失通道后，中間排孔灌漿時就能夠升得起較高壓力，配以專用灌漿鉆噴頭，切割摻攪孔周一定范圍的地層，擴(kuò)大漿液滲透擴(kuò)散與膠結(jié)的范圍，實現(xiàn)滲透膠結(jié)、壓密空隙而形成有效防滲幕體。中間排孔宜灌注水泥膨潤土穩(wěn)定漿液或水泥漿。

2.3.3 有壓動水覆蓋層帷幕成幕及控制灌漿實施步驟

帷幕灌漿孔的布置如圖1所示。

圖1 帷幕灌漿孔布置Fig.1 Layout of the grouting holes

步驟一：作為覆蓋層灌漿成幕的必要首步，在下游排孔使用螺桿注漿泵分段灌注抗動水分散漿液，對有壓動水覆蓋層較大的漏失通道進(jìn)行漸進(jìn)堵塞，起到減滲和遏制動水流速的作用，之后使用三缸灌漿泵復(fù)灌水泥漿至正常結(jié)束，為后續(xù)水泥灌漿成幕提供條件；

步驟二：以適當(dāng)高于下游排灌漿孔的灌注壓力對上游排灌漿孔使用螺桿注漿泵或雙液注漿泵分段灌注纖維素膏狀漿液和水泥水玻璃速凝漿液，進(jìn)一步堵塞滲漏通道，之后使用三缸灌漿泵復(fù)灌水泥漿至正常結(jié)束，為后續(xù)水泥灌漿成幕提供條件；

步驟三：以適當(dāng)高于上游排灌漿孔的灌注壓力對中間排灌漿孔使用三缸灌漿泵分段灌注水泥膨潤土穩(wěn)定漿液或水泥漿，漿液在高灌漿壓力下滲透、擴(kuò)散入地層孔隙或空洞以凝結(jié)成幕。

3 工程應(yīng)用

丹巴某水電站河床覆蓋層上部為砂卵礫石（Q4al+pl）、下部為含泥砂卵礫石（Q3fgl），結(jié)構(gòu)中密—密實，滲透系數(shù)為3.6×10-3～8.7×10-2cm/s，屬強—中等透水層。

壩基河床防滲原設(shè)計方案采用水平混凝土鋪蓋防滲。電站運行多年后，壩基滲流量（不含生態(tài)放水量）約0.2 m3/s，超過設(shè)定值，研究決定采取新增垂直防滲灌漿帷幕。覆蓋層壩段設(shè)置3排或2排帷幕灌漿孔，孔距1.5 m，排距1.2 m，梅花形布置，灌漿孔在覆蓋層中的深度達(dá)44.1 m，灌漿壓力0.3～4.0 MPa。

為保障滲漏處理期間水庫電站的發(fā)電、水資源利用等經(jīng)濟(jì)收益，決定在蓄水條件下進(jìn)行覆蓋層帷幕灌漿。蓄水工況下大壩前后水頭差約15 m，水流速約1.1 m/s。

帷幕灌漿采用孔口封閉、孔內(nèi)循環(huán)、自上而下分段灌漿法。除了主要對新鉆段進(jìn)行灌漿以外，還可以使以上各段都能得到若干次的重復(fù)灌漿，最終都會受到最高壓的“考驗”，有利于提高灌漿質(zhì)量。

在上下游較大水頭差的作用下，覆蓋層灌漿面臨水泥漿被流水稀釋、帶走，漿液流失嚴(yán)重，較難留存。經(jīng)研究與試驗，遵循“先堵漏，后灌漿”原則，遇動水大滲漏時，先盡可能連續(xù)注入粘稠、抗水沖或抗動水分散漿液（如C-GTGR1堵水漿液），以漸進(jìn)堵塞較大漏失通道，再及時連續(xù)灌入水泥漿或水泥粘土漿滲透、擴(kuò)散入地層孔隙或空洞以凝結(jié)成幕，取得了成效。例如，灌漿過程中，覆蓋層壩段一個先導(dǎo)孔的覆蓋層第1段塌孔嚴(yán)重，孔段0.20～0.30 m（段長0.1 m），漏失嚴(yán)重，耗用水泥6991 kg，單耗69907 kg/m；第2段0.30～2.00 m（段長1.7 m），漏失嚴(yán)重，采用抗動水分散漿液C-GTGR1灌注以封堵大漏失通道，耗用GTGR1漿材3150 kg，水泥單耗約11279 kg/m，與第1段相比顯著下降，說明C-GTGR1漿液起到積極的封堵作用；第3段2.00～5.00 m（段長3.0 m），在水泥漿液中適當(dāng)摻加水玻璃，亦試用了纖維素膏狀漿液（耗用纖維素9.6 kg），該段單耗約3322 kg/m，降低明顯，說明其上第2段灌注是有效果的。

總體上，灌漿按分序加密的原則進(jìn)行，先邊排后中間、排內(nèi)分序加密。灌漿孔施工順序為：先灌下游排，再灌上游排，最后灌中間排；排內(nèi)灌漿孔分3序，先施工Ⅰ序灌漿孔，再施工Ⅱ序灌漿孔，最后施工Ⅲ序灌漿孔。分排灌注不同漿液，邊排孔灌注了抗動水分散漿液、纖維素膏狀漿液，側(cè)重于堵漏；中間排重點在于較大壓力灌注水泥粘土漿、水泥漿以滲透膠結(jié)、壓密空隙而形成有效防滲幕體［10-15］。

經(jīng)過新增垂直帷幕灌漿防滲處理后，檢查孔注水試驗獲得的灌后地層滲透系數(shù)4.2×10-5cm/s，小于設(shè)計防滲標(biāo)準(zhǔn)（5×10-5cm/s）；壩體下游河道內(nèi)可見滲流量23 L/s，小于設(shè)定值（0.05 m3/s）。說明灌漿有效地充填、封堵了孔隙通道，覆蓋層灌漿帷幕成幕并發(fā)揮了防滲作用。

在電站運營期間，在蓄水發(fā)電條件下進(jìn)行壩基滲漏處理，施工工期約5個月，保障了發(fā)電收益約2000萬元，經(jīng)濟(jì)效益明顯。

4 結(jié)論

結(jié)合丹巴某水電站壩基滲漏處理工程，研究與應(yīng)用了有壓動水覆蓋層帷幕成幕及控制灌漿技術(shù)，在蓄水發(fā)電條件下進(jìn)行壩基滲漏處理，保障了滲漏處理期間水庫電站的發(fā)電、水資源利用，亦解決了常規(guī)水泥漿液抗動水沖釋性差而被流水稀釋分散、水流沖失以致灌漿難以成幕防滲以及耗漿量極大的難題，壩基防滲治理效果與社會經(jīng)濟(jì)效益明顯。研究得出的主要結(jié)論有：

（1）有壓動水覆蓋層灌漿施工宜遵循“先堵漏，后灌漿”原則。遇動水大滲漏時，先盡可能連續(xù)注入粘稠、抗水沖或抗動水分散漿液（如C-GTGR1堵水漿液），以漸進(jìn)堵塞較大漏失通道，再及時連續(xù)灌入水泥漿滲透、擴(kuò)散入地層孔隙或空洞以凝結(jié)成幕。

（2）有壓動水覆蓋層灌漿宜分排灌注不同漿液。下游排孔、上游排孔等邊排孔側(cè)重于堵漏，可灌注抗動水分散漿液、膏狀漿液、雙液速凝漿材或水泥漿等；中間排孔重點在于較大壓力灌漿以滲透膠結(jié)、壓密空隙而形成有效防滲幕體，宜灌注水泥膨潤土穩(wěn)定漿液或水泥漿。