海南省陀兴水库改扩建工程浆砌石坝充填灌浆应用与研究

2020-01-01叶知晖冉统军

水利规划与设计 2019年12期

叶知晖，冉统军

(甘肃省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，甘肃兰州 730000)

我国河流众多，水资源时空分布极不均匀，水资源短缺等问题日益突出。水库建设可有效解决所在地区城镇供水、农业灌溉以及防洪发电等问题，是保障地方经济社会发展的重要水利基础设施。随着《全国中小河流治理和病险水库除险加固、山洪地质灾害防御和综合治理总体规划》的出台，国家组织开展了大规模病险水库除险加固建设，在大坝建造过程中经常遇见，堆石坝体不稳固、岩体破碎、渗透性强等情况。工程上常常采用体充填灌浆、坝前增设防渗面板和坝基帷幕灌浆等措施来增强坝体稳定、提高坝体抗剪、抗滑稳定性及抗渗性[1- 4]。朱泽祥[5]在南水北调中线工程中对空区灌浆提出了灌浆质量评判标准；秦敏[6]对水库坝体帷幕灌浆和充填灌浆的技术进行阐述，对灌浆施工中的通病进行简要分析，并对类似水库坝体灌浆技术提出建议；刘兴邦[7]等在湖北阳武干渠中利用充填灌浆对渠道渗漏分析及处理很好到解决了渗漏问题。本文结合工程实例对充填灌浆设计及施工工艺做了研究，实验表明充填灌浆在处理这类工程问题时是有效可行的。

1 工程概况

陀兴水库大坝由左岸浆砌石重力坝、中部溢流坝、右岸浆砌石重力坝及右岸土坝四部分组成。本次改扩建拟将大坝正常蓄水位由54m抬高至60m，设计洪水位、校核洪水位作相应抬高。总库容由9800万m3增加至1.45亿m3。

前期浆砌石坝体钻进过程中，大多数钻孔孔口不返水，多孔多次出现卡钻、卡栓塞现象，说明浆砌石坝体存在较多、较大的空隙和空洞。另通过钻孔压(注)水试验发现，浆砌石坝体透水性不均匀，砂浆多呈蜂窝状，透水率范围28.8～48.8Lu，坝体透水率平均值40Lu，总体属于中等～强透水体。为保证水库改扩建水位抬高后大坝运行安全，根据改扩建水位抬高后的工况对浆砌石坝段渗流稳定、抗滑稳定、坝体层间抗剪断等进行复核计算，需对浆砌石重力坝、溢流坝段采用充填灌浆措施以提高坝体强度及自重[8]。

2 充填灌浆设计

2.1 灌浆工艺

灌浆施工顺序为由上下游端向中部施工，充填灌浆施工顺序为：抬动变形观测孔→Ⅰ序孔充填灌浆→Ⅱ序孔充填灌浆→灌后质量检查及效果测试。施工工艺流程如图1所示。

2.2 孔位设计

左岸浆砌石非溢流坝充填灌浆共5排，排距3m，孔距3m，梅花状布设，第一排孔顶位于坝轴线上游1.2m；浆砌石溢流坝坝体充填灌浆共7排，排距3m，孔距3m，梅花状布设；右岸浆砌石非溢流坝坝体充填灌浆共5排，第一排孔顶位于坝轴线上游1.0m，排距3m，孔距3m，梅花状布设；间排距布设大样如图2所示。灌浆深度均伸入基岩1.0m。灌浆分二序孔进行施工，自砼以下开始自上而下每5m一段进行灌浆，灌浆压力根据试验确定。灌浆先灌上游排，再灌下游排，后灌中间排的施工顺序施工。在同一排内，先施工Ⅰ序孔，后施工Ⅱ序孔。上游两排孔采用顶角5°倾斜于上游的斜孔，其它排采用铅直孔。

图1 充填灌浆施工工艺流程图

图2 充填灌浆孔布设示意图

2.3 坝体充填灌浆试验段设计

生产试验段安排在大坝右岸0+182.46～0+197.46m段进行，充填灌浆试验采用自上而下分段孔内循环灌浆方法，段长原则上5m一段，但当钻孔回水消失，不受段长限制。灌浆压力：上游第一排1～6m压力0.1MPa，6～16m压力0.2MPa，16～26m压力0.3MPa，26m以下0.4MPa。其它排1～6m压力0.2MPa，6～16m压力0.4MPa，16～26m压力0.6MPa，26m以下0.8MPa。(灌浆长度、灌浆压力根据具体实验来确定，以上数据仅供参考)。分Ⅱ序孔逐序施工，在灌浆段最大设计压力下，当注入率小于1L/min时，继续灌注30min，灌浆结束；封孔采用导管将孔内余浆置换成为水灰比0.5∶1的浓浆，而后进行纯压式灌浆封孔。灌浆结束14d后，在试验区适当位置设置检查孔，进行钻孔取芯和压水试验检查。灌浆效果需达到浆砌石内空隙充填密实，钻孔岩心多呈柱状，胶结要良好，稳定浆液结石强度不小于5.0MPa(14d)。

3 第二次灌浆

试验段施工完成后布设三个检查孔进行质量检查，从检查孔取芯情况可以看出，岩芯较为破碎，块石岩芯最长20cm；所取岩芯中存在结石状态主要为三种：①附着砂浆或者浆砌块石；②上部或者下部为结石与砂浆结合；③上部或者下部为与浆砌块石结合。根据设计要求“稳定浆液结石强度不小于5.0MPa”，需取用两块或者多块岩石结合面充填水泥结石的岩芯进行试验检测，无可满足该条件的岩芯，该项检测无法进行试验评定[9]。

三个质量检查孔共进行单点法压水试验14段，最大值为129.59Lu，最小值为10.27Lu，平均值为55.97Lu；其中10Lu～100Lu有11段，大于100Lu3段，检查孔压水情况为中透水～强透水。检查孔压水试验成果见表1—2。

表1 检查孔压水成果表

表2 检查孔压水成果统计表

从以上试验结果看，充填灌浆起到了一定效果，但稳定浆液结石强度及透水率均不满足设计要求。

3.1 第二次灌浆设计优化

鉴于第一次试验段结果不满足设计要求，遂对坝体充填灌浆浆液浓度、灌浆压力及质量检查标准作出调整，进行坝体充填灌浆二次试验。通过第二次试验段实施后的灌浆效果，可对第一次试验段进行补充灌浆和后续坝体充填灌浆提供可靠的数据参数。

增设坝体充填灌浆试验段位于右岸浆砌石非溢流坝坝轴线桩号0+197.86～坝轴线桩号0+209.86段之间，共12个充填灌浆孔，孔号R- 3- 5～R- 3- 8、R- 4- 5～R- 4- 8、R- 5- 5～R- 5- 8，共3排，排距3m，孔距3m，梅花状布设[10，11]。具体位置如图3所示。

图3 充填灌浆孔试验段平面图

3.2 灌浆参数及灌浆孔间排距调整

浆液浓度采用1∶1，0.5∶1；灌浆压力为0.4、0.6MPa。灌浆时先灌下游排R- 5- 5～R- 5- 8和右侧R- 4- 8、R- 3- 8孔，再灌剩余孔。下游排R- 5- 5～R- 5- 8和右侧R- 4- 8、R- 3- 8孔灌浆压力自上而下采用0.4MPa一个压力；剩余孔R- 3- 5～R- 3- 7、R- 4- 5～R- 4- 7上面2段(1～12m)压力采用0.4MPa，下面段压力采用0.6MPa。根据施工现场灌浆吃浆量，及时局部调整灌浆孔间排距。

本试验段充填灌浆二次试验孔12个，从充填灌浆二次试验检查孔岩芯可以看出，岩芯多为块状和段柱状，水泥结石充填较多，块石间结石充填裂隙3～5cm。由于砂浆强度较低，取出的砂浆成块芯样及少，砂浆芯样中未见水泥浆液填筑，砂浆的可灌性较差。压浆试验和声波测试结果未达到设计要求。

充填灌浆二次试验段共布设3个质量检查孔，进行单点法压水试验11段，最大值为22.05Lu，最小值为2.41Lu，平均值为10.67Lu。检查孔压水试验成果统计见表3—4。

表3 检查孔压水成果表

从表3—4可以看出：浆砌石坝体的空隙分布虽然没有规律，其中个别空隙联通长度大于3m，但也有的空腔联通长度小于3m，在检查孔的相邻孔段压水出现既了低至有2.41Lu，最高10.05Lu的情况。检查孔透水率平均值低于10Lu，灌浆效果明显优于第一次试验，且均低于10Lu属于合理范围内，说明第二次灌浆满足设计要求，对比第一二次灌浆实验的透水率，两者相差很大，且远远低于第一次的透水率，说明设计优化满足要求[12]。