小型水库除险加固大坝灌浆技术设计措施探讨

邱飞

【摘 要】文章介绍了玉林某小型水库的工程概况，阐述了该水库的水文及工程地质情况，探讨了大坝灌浆技术设计措施，通过对比几种灌浆方法，总结了小型水库除险加固的灌浆技术要点。

【关键词】小型水库；除险加固；大坝施工；灌浆技术

【中图分类号】TV697.3 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2018）03-0136-02

1 工程概况

玉林某小型水库的地理位置为东经110°15'、北纬22°58'，属石垌河。该水库距县城42 km，距镇政府所在地14 km，有多条村级公路相通，交通比较便利。岩石少见出露，覆盖土层较厚。水库区域属亚热带气候，洪水主要由暴雨形成，一般汛期为每年的4～8月。多年平均气温为21.6 ℃，极端最高气温为37.5 ℃，极端最低气温为0.1 ℃。该水库于1976年9月动工兴建，1977年5月建成投入运行，工程特性原注册登记如下：50年一遇设计洪水位为82.22 m，500年一遇校核洪水位为82.5 m。正常蓄水位为81.5 m，兴利库容为116万m3，总库容为159万m3，死库容为14万mm3。该水库属于小（1）型水库，设计灌溉面积为124.67 hm2（1 870亩），最大实灌面积为124.67 hm2（1 870亩），防洪保护耕地面积为266.67 hm2（0.4万亩）。总库容为160.6万m3，兴利库容为116.7万m3，死库容为14万m3。50年一遇设计洪峰流量为36.6 m3/s，500年一遇校核洪峰流量为50.8 m3/s。水库正常蓄水位为81.50 m，设计洪水位为82.17 m，校核洪水位为82.54 m。该水库枢纽工程主要由以下建筑物组成。

1.1 主坝

主坝为水坠坝，现状坝顶高程为83.4～83.7 m，坝顶长72 m，坝顶宽4.5 m，坝底高程为68.50 m，最大坝高15.2 m。上游坡为干砌石护坡，自下而上护坡至坝顶。内坡坡比为1∶2.802；大坝下游坡为草皮护坡，坡比为1∶2.185。坝脚设堆石反滤体，顶高程为70.50 m，顶宽0.5 m，棱体外坡坡比为1∶1.5，内坡坡比为1∶1。

1.2 副坝

一副坝为均质土坝，最大坝高10.2 m，坝顶高程为83.7 m，坝顶长49.4 m，坝顶宽6.1 m；二副坝设计为均质土坝，最大坝高5.2 m，坝顶高程为83.7 m，坝顶长50.3 m，坝顶宽5 m，但此坝未建。

1.3 溢洪道

溢洪道位于坝首右侧，为开敞式溢洪道，由进水渠、控制堰、陡坡段组成，总长71.35 m。溢洪道底宽5 m，堰顶高程为81.50 m，溢洪道沿原山体开挖而成，底板及边墙为50#浆砌石砌筑。陡坡段長44 m。消力池及海漫未建。

1.4 输水设施

输水涵管位于一副坝中间，穿过坝体，为无筋砼管外包80号水泥砂浆砌石的无压拱门管，总长50 m，过流断面面积为0.74 m2，进口底高程为73.70 m，出口高程为73.5 m，设计最大输水流量为0.4 m3/s。输水涵管进口由斜拉闸控制，配5 t千斤顶启闭，闸门为铸铁平板闸，拉杆为φ36 mm钢管。

2 工程地质及水文情况

工程区地下水按埋藏条件及岩性可分为孔隙潜水及岩石裂隙潜水2类。孔隙潜水分布在坡积层，水量小，季节变化大，接受大气降水补给，向下伏岩石排泄。裂隙潜水分布在条纹状中眼球中粒斑状黑云二长花岗岩及花岗片麻岩中，接受上部松散层及大气降水补给，向河谷排泄。条纹状中眼球中粒斑状黑云二长花岗岩及花岗片麻岩岩体在长期风化作用下产生强烈的风化，形成不同状态的风化岩体，如全风化、强风化、弱风化等。全风化岩体呈土状，强度低，其物理力学性质相当于土的性质。强风化岩体呈碎块状、岩屑状，其强度比全风化岩体高，但透水性强，局部受断层、裂隙、地下水等因素控制形成球状或槽（囊）状风化。

3 几种灌浆技术的对比

3.1 高压喷射灌浆

高喷灌浆于20世纪70年代开始引进中国，但在广西发展较晚，广西于20世纪90年代初才开始引进，普遍用于工民建基坑防渗及支护，也用于水库防渗，如广西百色市澄碧河水库大坝防渗。形成的复合材料的强度要比原土体高得多。也可用于软基处理，形成的地基称复合地基，特别是在工民建工程中应用较多，是解决地基承载力不足的一种办法。水利工程中，也有两者兼有的（防渗与提高地基承载力）。在水利工程中，主要用于防渗，也有用于提高地基承载力，或者两者兼顾。例如，钦州市沿海工业园大风江调水工程中的大风江闸坝处在深厚砂层上，最终通过高压旋喷进行了地基处理及防渗处理。在工民建工程中，主要用于基坑防渗、支护，形成复合地基，提高地基承载力。左右封闭原则：考虑钻孔倾斜状态下，柱与柱能正常交接，以不开叉为原则，确定孔距。高喷墙是按照上下封闭原则：以封闭底部为原则，深入基岩或相对不透水层0.5～2 m，界线清楚情况下按小的执行，地质复杂时按大的执行。常规帷幕灌浆一般深入基岩或相对不透水层3～5 m。如果上部是旋喷灌浆，下部是帷幕灌浆，两者间的交接，在保证封闭的情况下尽量用小值，因为旋喷墙往往先做，帷幕后做，所以在旋喷桩中进行帷幕压力灌浆，可能会对旋喷桩造成直接破坏。高压喷射灌浆施工参数很多，主要的参数有浆密度、水压力、提升速度、转速或摆速、摆角。确定原则：根据试验确定。

3.2 静压灌浆

进浆管不动，采取一定压力值的浆液进行孔口灌注。充填灌浆、帷幕灌浆、固结灌浆都属于静压灌浆。一般来说，存在压力，进浆管不动就叫静压灌浆，狭义上主要指基岩灌浆。

（1）固结灌浆是利用钻孔将高标号的水泥浆液或化学浆液压入岩体中，使之封闭裂隙，加强基岩的完整性，达到提高地基或围岩的完整性，增强地基，提高岩体强度和刚度的目的。常规的灌浆是在整个基础大面积内进行，此时应分批逐步完成整个灌浆工程，应根据坝基压力、地质条件等合理设计灌浆孔深、孔距、灌浆压力和浆液稠度，即先进行灌浆试验。

（2）帷幕灌浆是将浆液灌入岩体或土层的裂隙、孔隙，形成连续的阻水帷幕，以减小渗流量和降低渗透压力的灌浆工程。目的是对岩层中存在的裂隙孔洞等用水泥浆液进行压力的封堵，提高地基的防渗能力。

（3）接触灌浆是指为了提高两个物体（如坝体与地基、钢管与洞壁、挡墙与边坡）接触面间的强度或防渗性能而进行的有压力灌浆。

（4）充填灌浆是指注入浆液充填地基土内的大孔隙、大空洞的注浆，例如卵石层、碎石层、沙砾层等的注浆。对存在空隙的地层（主要为土体）进行低压灌注，以渗透理论、充填理论为基础，仅适用于处理性质和范围都已确定的局部隐患。

（5）劈裂式灌浆技术在土坝坝体除险加固中具有投资小、见效快、设备和技术简单、操作方便等优点，已经被广泛地运用。但在具体操作中应注意施工工艺，只有保证灌浆的质量，才能达到预期的效果。灌浆就是将一定的材料配制成浆液，用压送设备将其灌入地层或缝隙内，使其扩散、胶凝或固化，以达到加固或防渗堵漏。？譹？訛对有较大渗流速度的地基或建筑物的防渗堵漏。？譺？訛大坝、堤岸的基础帷幕防渗。？譻？訛地基加固，如增加大坝、堤岸、桥墩和其他建筑物的基础承载力。？譼？訛地下建筑工程和水工建筑物的裂缝防渗堵漏和补强。？譽？訛隧洞、矿井在掘进中，参软弱土层的止和固结稳定的预注浆。？譾？訛油井或地质勘探孔漏水、硫砂处理和钻孔护壁。？譿？訛钢板桩连接处的止水处理。？讀？訛消除机械基础振动。出现问题能及时地采用正确的处理措施，将隐患消灭在萌芽之中，这并非一般的施工队伍所能做到。做不好，劈裂灌浆就变成了破坏灌浆。一般采用孔底注浆全孔封闭、分段灌注、少灌多复的方法。要精确测定并采用钻孔起裂压力值Pb和裂缝扩展压力值Pc（也叫裂缝合拢压力值，相当于小主应力σ3），控制在整个施工过程中，以“内劈外不劈”（坝顶表面劈裂也能闭合）为原则。

绝不允许一次性劈裂很长及坝顶全线劈开的情况，也不允许一次灌浆量很大很快以致壩顶劈开很长很宽且不能闭合的情况。

4 本工程防渗加固设计（灌浆技术）

4.1 主坝防渗加固设计

根据大坝的运行情况及安全复核的需要，对大坝填土及坝基的试样进行了现场注水试验及室内渗透试验。试验结果如下：主坝坝体现场注水试验渗透系数K20为1.05×10-4～3.66×10-4 cm/s，平均值为2.11×10-4 cm/s；室内试验渗透系数K20为7.30×10-7～2.47×10-5 cm/s，平均值为7.9×10-6 cm/s，大值平均值为2.16×10-5 cm/s。一副坝坝体现场注水试验渗透系数K20为1.04×10-4～2.78×10-4 cm/s，平均值为1.91×10-4 cm/s；室内试验渗透系数K20为3.50×10-7～2.93×10-5 cm/s，平均值为8.3×10-6 cm/s，大值平均值为1.64×10-5 cm/s，从现场注水试验结果看，大坝土体属中等透水性土。浆液水灰比为1.5～0.6∶1，灌浆压力为0.2～0.5 MPa，浆液流量为60～80 L/s，密度为1.3～1.6 g/cm3，灌浆提升速度V=10～25 cm/min。灌浆效果要求达到渗透系数小于1.0×10-6 cm/s，灌浆压力通过现场灌注试验确定。对主坝进行灌浆处理。其中，坝体为充填灌浆，坝基为帷幕灌浆。灌浆孔沿坝轴线布置，采用单排布孔，孔距为1.5 m，孔径为75 mm。灌浆分2段灌浆：岩土分界线至全风化下限以下3 m为帷幕灌浆，灌注材料为纯水泥浆；岩土分界线以上至坝顶为充填灌浆，灌注材料为含20%水泥的黏土浆。

4.2 涵管壁外充填灌浆

涵管封堵前先沿管轴线每隔2 m在管内壁两侧及顶部钻孔进行回填灌浆，以充实由于漏水而带出泥土局部坝体形成的空洞或松散部位。灌浆材料为纯水泥浆，灌浆方法同大坝防渗回填灌浆。灌浆材料为黏土掺10%的水泥，浆液稠度控制在1.3～1.45 g/cm3，灌浆压力控制在1.5～2.5 kPa，由小逐渐加大，并采取“少灌多复”的操作方法，最后一次灌满后，若吸浆率小于0.015 m3/min，并保持稳定，在灌浆压力为25 kPa条件下，持续施灌30 min后即可结束。先封堵进口段，逐段向出口进行。

4.3 新建输水隧洞防渗设计

新建的输水隧洞布置于一副坝左侧山体处，进口底板高程为73.70 m，全长L=84.838 m，底坡i=0.003 775，出口底板高程为73.50 m，设计灌溉面积为124.66 hm2（1 870亩），设计灌溉流量为0.4 m3/s，隧洞顶部及两侧壁的厚度为0.3 m，为C25钢筋砼衬砌；底部壁的厚度为0.4 m（其中衬砌的C25钢筋砼的厚度为0.3 m，底部C10素砼垫层的厚度为0.1 m）。放水塔下游为长3 m的渐变段和长62.738 m的城门洞形隧洞。设计隧洞壁厚度为0.4 m，此外在洞顶部，沿隧洞纵轴线方向每间隔3 m设三孔夹角呈45°的回填灌浆孔（深入岩土层0.1 m），并在隧洞轴线方向每隔3 m（与回填灌浆孔隔开1.5 m）沿隧洞横断面周壁均匀布设6个固结灌浆孔（深入岩土层0.6 m），进行固结灌浆；灌浆材料为纯水泥浆，其中回填灌浆设计压力为150 kPa，固结灌浆设计压力为100～150 kPa。此外，新建隧洞出口接消力池（长5 m，深1.0 m）和出水渠。根据水文特征与地质地形条件，结合本工程性质和施工条件及施工进度，水库施工前先将水位降至死水位以下，在新建涵管口外侧利用洞口开挖废渣适当设立土石围堰，新建涵管进口施工时可用原进口进行导流，待输水涵管进口改建完成后，再封堵原进口。

5 结语

本次加固设计拟对坝基进行帷幕灌浆防渗处理，坝体进行充填灌浆处理。灌浆分2段灌浆：坝基以下3 m为帷幕灌浆，灌注材料为纯水泥浆；岩土分界线以上至坝顶为充填灌浆，灌注材料为含20%水泥的黏土浆。灌浆效果要求达到渗透系数小于1.0×10-6 cm/s，灌浆压力通过现场灌注试验确定。大坝帷幕灌浆防渗标准为透水率q≤10 Lu，溢洪道帷幕灌防渗标准为透水率q≤10 Lu，伸入相对不透水层不小于5 m。通过本次防渗加固措施，大坝达到了防渗标准，效果良好，在防洪工程中起到了至关重要的作用。

参 考 文 献

[1]SD 266—88，土坝坝体灌浆技术规范[S].

[2]SL 62—94，水工建筑物水泥灌浆施工技术规范[S].

[3]王少敏.水库大坝灌浆施工和防渗技术研究[J].江西建材，2016（12）.

[责任编辑：陈泽琦]