帷幕灌浆在砂卵石坝基防渗加固中的应用与研究

刘建光

(衢州市水利水电工程质量监督站，浙江衢州 324000)

0 引言

衢州市的中小型水库和拦河堰坝多建于20世纪六、七十年代，限于当时缺乏大型的开挖、运输及抽排水等机械设备、技术标准低和建设管理不到位等因素，往往存在对坝基河床原有的砂卵石覆盖层开挖、清理不彻底的情况，造成水库、堰坝蓄水后坝基形成渗漏通道，严重的甚至危及大坝安全.在水库和堰坝的除险、改建、加固中，坝基部位的防渗处理成为工程建设的重点与难点.

对坝基覆盖层进行防渗处理，目前常用的方法主要有帷幕灌浆、高压喷射灌浆和混凝土防渗墙［1］等.高喷灌浆虽然有适用性强、施工占地少、机动灵活等优点，但存在专业性强，造价相对较高、与上部混凝土结构难以连成整体，与下部基岩段帷幕灌浆存在工序衔接等问题，且因存在上部结构，造成质量检查方法少、难度大、不够全面.防渗墙施工需用大型设备、场地要求高，且工期长、造价高，同时一般也不适用于对混凝土或砌石体为挡水建筑物的工程进行加固和改建.

帷幕灌浆具有适用性强、施工方便、工效高、投资省、防渗效果好等优点，施工中有问题容易及时发现和处理.本文对帷幕灌浆在砂卵石坝基防渗加固中的应用进行了探讨.

1 坝基砂卵石覆盖层基本特点

衢州市狮子口水库除险加固和峡里湖电站拦河堰坝加固改造等工程的勘探和施工过程中反映出，坝基砂卵石层具有级配不良，大粒径组较多、细粒径组较少、透水性强的特点.

狮子口水库拦河坝坝基砂卵石层厚度为0.6～6.2 m，砂卵石最大粒径 ＞100 mm，含泥量较少，为中等～极强透水性，在帷幕灌浆造孔时，很多孔段的循环液损失量较大，大部分甚至全部直接从孔底段的砂卵石层空隙渗漏出去，压水试验反映，其最大透水率达815.8 Lu.

峡里湖电站拦河堰坝坝基砂卵石层厚度除左坝肩处为0.7 ～0.9 m，其余地段均超过2.0 m，最厚处达8.6 m，堰坝下游出现多处管涌出溢点，在水头约3.5 m，下游水深约0.5 m时，管涌扩散半径均在0.3 m以上，最大者超过0.8 m，涌水处砂粒翻滚明显，见图1.灌浆造孔时，绝大部分孔段没有回水.

图1 堰坝下游管涌出溢点

2 砂卵石层帷幕灌浆的机理及主要施工工艺

砂卵石层帷幕灌浆的机理:根据钻孔和压水试验取得砂卵石层透水情况，以适宜的水灰比配制水泥浆液，在合理的灌浆压力控制下，使浆液在一定范围内扩散，与砂卵石层凝结成为防渗体，通过孔段加深、孔序加密，在坝体的防渗体与岩基间形成防渗帷幕.

坝基防渗的目的:将漏水量控制在一定的范围内，使其不对坝基造成破坏，确保水库能长期安全运行［2］.鉴于多数工程均为3级以下低坝，因此，防渗标准通常可确定为透水率q≤10 Lu.

仍以狮子口水库除险加固和峡里湖电站拦河堰坝加固改造为例，两坝均采用了帷幕灌浆进行坝基防渗处理.施工中通过灌浆试验，参照类似工程经验，采用了以下主要参数和施工工艺，取得了预期效果1)徐武辉.常山县狮子口水库除险加固工程坝基防渗施工报告［R］.浙江弘洲水电工程有限公司.2009.，2).

2.1 主要施工参数

(1)孔深及段长.第一段进入砂卵石层1～2 m，以下段段长控制2～3 m.与基岩接触段进入基岩的段长为 0.5 m，最大不超过 2.0 m［3］，可根据该段包含的砂卵石层的厚度决定.基岩段灌浆按SL 62-94有关坝基岩石灌浆要求进行.

(2)孔距.根据防渗要求及水泥浆液在砂卵石层的流动情况，孔距采用 2.0 m［4］.

(3)排数及排距.灌浆排数根据坝基砂卵石层的厚度、渗透性，通过试验确定.对于覆盖层厚度较大、透水性较强、单排灌浆不能达到预期效果时，增加排数.排距采用1.5 m.

(4)排序和孔序.双排帷幕先施工下游侧排，然后施工上游侧排;为避免在灌浆过程相邻孔发生窜浆，每排灌浆分Ⅲ序次钻灌，先施工Ⅰ序孔，后施工Ⅱ序孔，再施工Ⅲ序孔，前序未结束，不施工后序.

(5)控制压力.对土坝坝基，Ⅰ、Ⅱ序孔灌浆最大全压力为P=上部盖重=h×γ［5］，h为孔底深度，m，γ为土体容重，按经验值，取19 N/m3.由于心墙底部土质较差，接触段含心墙土、砂卵石两种介质，灌浆需严格控制好压力，防止造成心墙劈裂，故需根据先导孔试验情况确定合适灌浆压力，一般取0.8P［6］.由于经过Ⅰ、Ⅱ序孔的施工，Ⅲ序孔的灌浆压力可适当提高一些，每段灌浆压力在Ⅰ、Ⅱ序孔灌浆最大全压力的基础上增加0.02～0.05 MPa，有利于浆液更好地扩散，确保灌浆效果.

对混凝土或砌石坝坝基，Ⅰ序孔灌浆最大全压力取最大设计水头值，Ⅱ、Ⅲ序孔的灌浆最大全压力在Ⅰ序孔压力的基础上提高20%左右.

2.2 主要施工工艺

(1)造孔.土坝心墙段造孔采用“干钻、干打、干取”法，取土后套管及时跟进，起到止水止浆作用;砂卵石层造孔采用金刚石钻头单管清水钻进，造孔时进水量要小，以减少孔周砂卵石塌落.若发生塌孔，采用弹簧钻头打捞孔内掉块和干钻造孔，如果多次打捞也未能至设计段长，则对该段立即进行灌浆［5］，并下第二层套管.

(2)洗孔.对砂卵石层段，有回水情况下，当回水清澄后，再洗10 min结束;无回水情况下，也冲洗10 min即可结束.

(3)压水试验.每孔各灌浆段均进行20 min的简易压水试验，压力为灌浆压力的80%.当流量大于30 L/(min·m)时，适当缩短测试时间.

(4)灌浆方式.采用自上而下、循环式灌浆.

(5)灌浆材料及浆液变换.为利于水泥浆液的扩散和加快凝结，灌浆使用42.5以上级普通硅酸盐水泥，采用 3∶1、2∶1、1∶1、0.8∶1、0.6∶1 五个比级;各孔段根据压水试验获得的透水率选择适宜的开灌水灰比，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.

在灌浆压力不变，单位进浆量不变或增大，开灌水灰比的浆液累计注入300 L左右时，第一次变浓一级，以后要变浓一级，须在上述条件下待灌入量达到上一级灌入量1.25倍后进行.当单位进浆量超过每米灌段30 L/(min·m)时，可越级变浓.

当吸浆量大时采取降压限流、缩短初凝时间、灌灌停停、浓浆待凝等措施，防止水泥浆液扩散半径过大，以保证灌浆质量.

(6)灌浆结束标准、待凝.各灌浆段在设计压力下，当单位进浆量≤0.4 L/min时续灌60 min结束;灌浆结束后，须进行闭浆操作，直至压力表压力为零，时间至少应 0.5 h 以上.终孔段灌浆，以0.5∶1浓浆置换孔内稀浆，保证孔内坝基水泥形成结石.各灌浆段均应待凝12 h以上.

(7)封孔.全孔灌浆完成、待凝结束后淘尽孔内积水，基岩及混凝土用浓水泥浆，粘土心墙用粘土进行封孔.

3 灌浆效果分析

帷幕灌浆的效果，综合采用对各排和各序孔的灌浆前透水率和灌浆材料注入量的统计、检查孔压水试验、蓄水后坝基渗漏情况进行分析、评判.下面以采用上述灌浆方法进行坝基防渗加固处理的狮子口水库除险加固和峡里湖电站拦河堰坝加固改造工程为例，对灌浆效果进行分析.

3.1 狮子口水库坝基帷幕灌浆效果分析

常山县狮子口水库总库容1 483万m3，主坝为粘土心墙砂壳坝，坝高16.8 m，坝顶长280 m.坝体防渗加固采用套井回填粘土.因坝基存在透水性较强的砂卵石层，套井施工时底部出现大量涌水并导致塌孔，套井无法入岩与岩基形成防渗闭合圈，故控制套井底端至砂卵石层顶面以上0.5～0.8 m处，套井以下及坝基砂卵石层采用帷幕灌浆进行防渗，堵口段(桩号0+190-0+252)帷幕灌浆为两排，其余坝段(桩号0+029-0+255)及两岸山体为一排.单排帷幕灌浆及双排帷幕灌浆的上游排位于上游排套井轴线处.

该工程帷幕灌浆共完成146只孔，其中下游排32只(桩号0+190-0+252)，上游排114只(桩号0+029-0+255)，砂卵石层共灌浆319 m，基岩段灌浆757 m，总灌浆段次425段.

(1)单位水泥注入量统计分析

该工程共灌入水泥411 581 kg，平均单耗382.5 kg/m.各排、各序次孔的单位水泥注入量统计见表1，从该统计表反映出，帷幕灌浆随着排序、孔序的增加和孔距的加密，上游排较下游排各序次孔单位水泥注入量相应减少，说明在进行了下游排灌浆后防渗效果明显;各序次孔单位水泥注入量均呈递减趋势，检查孔单位水泥注入量明显减少，符合灌浆规律.

表1 各排、各序次孔的单位水泥注入量统计表

(2)平均透水率统计分析

对425段灌浆前和21段检查孔压水试验取得的透水率结果进行了统计，见表2，从该统计表反映出，帷幕灌浆随着排序、孔序的增加和孔距的加密，上游排较下游排各序次孔平均透水率相应减少，说明在进行了下游排施工后灌浆效果明显;各序次平均透水率均呈递减趋势，检查孔平均透水率明显减少，符合灌浆规律.

表2 各排、各序次孔的平均透水率统计表

(3)检查孔成果分析

该工程共布置12个压水试验检查孔，砂卵石层共试验21段，其中，堵口段双排孔的检查孔布置在双排之间.最大试验压力按 P=1.5H0确定为0.25 MPa，试验采用单点法进行.

压水试验结果见表3，砂卵石层的透水率为4.65 ～9.86 Lu，均满足设计要求(＜10 Lu).

表3 帷幕灌浆质量检查孔压水试验成果统计表

3.2 峡里湖堰坝坝基帷幕灌浆效果分析

江山市峡里湖电站利用已有的长为78 m的混凝土堰坝，通过加厚，其上加建2.0 m高的水力自控翻板门抬高水位进行拦蓄水.因坝基存在砂卵石层，管涌严重，影响堰体稳定，见图1.经采用帷幕灌浆防渗，消除了管涌、渗漏等隐患，在增加2 m水头的情况下，蓄水后，原涌水处水面平静，无砂粒翻滚现象，见图2.

该工程共进行钻孔灌浆47孔，布置检查孔5个，压水试验结果见表4，砂卵石层的透水率为2.33～9.5 Lu，均满足设计要求(＜10 Lu).

图2 灌浆后的下游河床

表4 帷幕灌浆质量检查孔压水试验成果统计表

4 坝基砂卵石层灌浆应注意的问题

(1)防渗加固施工宜安排在枯水季节，灌浆施工期间，尤其Ⅰ、Ⅱ序孔施工时，水库水位应尽可能保持低水位，以降低上下游水位差，降低坝基透水层的水流流速，以减少浆液流动对灌浆效果的影响.

(2)段长的控制应根据钻孔情况及时适当调整.在钻孔中发现钻进循环液大量漏失、塌孔较多难以成孔或大量涌水时，应停止钻进，进行灌浆;若只有少量渗漏，可适当延长灌浆段长度;若钻孔顺畅、渗漏极少，可作全孔一次灌浆，以便把主要精力和时间放在寻找强渗漏地点上.

(3)为利于水泥浆液的扩散和加快凝结，灌浆宜使用42.5级以上的水泥，必要时应采用地勘水泥、超细水泥等［6-7］，以及掺用水玻璃等材料.

同一帷幕中，根据透水性不同，也可采用地勘水泥、普通硅酸盐水泥和超细水泥等不同水泥组合灌浆.但在灌浆前，应在现场进行各种水泥等灌浆材料之间的对接试验，确认其胶结可靠，强度符合要求，从而防止因水泥之间脱开而造成渗漏通道［6］.

(4)砂卵石层灌浆不能采用过高的压力，否则控制不了浆液流失，达不到预期效果;也不宜采用过低的压力，否则砂卵石层大多数孔隙难以进浆，导致扩散半径过小，同样达不到预期效果.由于这些原因，帷幕灌浆后，砂卵石层仍有许多孔隙不能进浆，留下较多的可透水孔隙［2］.因此，应在保证工程安全运行的前提下，合理确定防渗标准.

5 结语

水库土坝多建于上世纪六、七十年代，限于当时的技术水平，往往存在坝基覆盖层清理不彻底的情况，造成水库蓄水后产生渗漏通道，严重的甚至危及大坝安全.与采用混凝土防渗墙、高压喷射截渗墙等方法相比，采用帷幕灌浆解决坝基砂卵石层的渗漏，体现出造价低、速度快、对坝体结构影响小、与坝基基岩灌浆容易结合等优点，在衢州市近年的水库除险加固中均取得了较好效果，值得推广和采用.

［1］韩文忠，吴立兴.土石坝防渗补强若干方法之我见［C］//中国水利学会地基与基础工程专业委员会.水工建筑物水泥灌浆与边坡支护技术.北京:中国水利水电出版社，2007:53-64.

［2］张景秀.对新编水工建筑灌浆技术规范的建议［J］.基础工程技术，2006(S):63-65.

［3］中华人民共和国水利部，中华人民共和国电力工业部.SL 62-94水工建筑物水泥灌浆施工技术规范［S］.北京:中国水利水电出版社，1994.

［4］王昂峰，任 佶.钦寸水库含泥砂砾石层帷幕灌浆方案选择［J］.浙江水利科技，2010(6):53-55.

［5］钱勇峰，祝卫东，杜 斌.坝基帷幕灌浆在新路岙水库维修加固中的应用［J］.建筑技术开发，2009，36(7):53-55.

［6］周衍银，徐庆强.宁波市横溪水库砂砾石坝基防渗帷幕灌浆处理效果分析［J］.浙江水利水电专科学校学报，2007(2):7-10.

［7］潘永明，李海松.浅谈坝基砂砾层帷幕灌浆施工在水库除险加固工程中的应用［J］.水利建设与管理，2010(4):64-65.