土石坝灌浆压力的选取及灌浆技术

张华

（安徽省定远县炉桥电灌站，安徽 定远233280）

近年来新型灌浆材料的研发和应用，让灌浆技术在水利工程的防渗处理中得到了更为广泛的运用。为了提高注浆效果和防止材料浪费，在灌浆之前要做好调查与设计，例如要确定灌浆位置、计算浆液用量、确定配合比例等。完成上述准备工作后，施工人员还要熟练掌握灌浆施工的技术要点，尤其是裂隙冲洗、压水试验等方面，必须要按照相关的规定进行作业，才能确保取得理想的灌浆效果。

1 土石坝灌浆压力的计算方法

准确计算灌浆压力，对降低操作难度和提高加固、防渗效果有积极帮助。但是目前建筑行业内还没有形成关于灌浆压力计算的统一方法。例如欧洲是基于渗透半径来确定灌浆压力，计算公式为：

上式中，Rmax为浆液的最大渗透半径，Pmax为最大灌浆压力，t为裂隙宽度，C 为浆液的粘聚力。根据公式可知，浆液渗透半径越大，则地面灌浆时需要提供更大的压力，才能保证浆液完全充填到坝体的裂隙中。

我国建筑行业而采用了基于灌浆深度的计算公式：

P=P0+mh

上式中，P 为最大灌浆压力，P0为施工段地表允许灌浆压力，m 为灌浆深度每加深1m 后增加的压力，h 为灌浆深度。根据该公式，按照灌浆位置距离地表的高度，以及施工地段的岩土结构特性，可以确定出最佳的灌浆压力。

2 土石坝灌浆技术

2.1 工程概况

某水库总库容1835.4 万m3，具有防洪、灌溉、供水等功能。坝顶长度为313.6m，宽度为5.2m，高程110.4m。大坝分为拦河坝和溢洪道、输水隧洞等几部分。水库建成时间为2004 年，从2017 年开始发现有局部渗漏，需要进行防渗处理。

2.2 灌浆判定

经过现场勘查，导致水库大坝出现渗漏的原因是坝体石块与混凝土之间出现裂缝。之前使用表面封堵法虽然短期内取得了一定的防渗效果，但是一段时间后渗漏问题又重新出现。为了彻底治理大坝渗漏问题，需要采用灌浆技术，从大坝表面打孔直到裂隙处，然后将注浆管由外向内伸入，在一定压力下进行灌浆。使浆液充满裂隙，在泥浆硬结之后起到封堵裂隙和加固坝体的双重效果。

2.3 灌浆技术流程

2.3.1 材料

灌浆材料的选择将会对大坝裂隙的封堵效果产生直接影响。浆液的基本组成材料有：（1）水泥。选用P.O42.5 型号水泥，并且检查确认水泥没有出现结块的情况。（2）水。可以从水库中就地取水，但是需要在现场布置过滤池，保证水中没有杂质。（3）掺合料。为了改善浆液性能和降低成本，加入粉煤灰、膨润土等材料。各类材料的选择要求也要参考相关标准。（4）外加剂。本次工程中使用的外加剂主要有3 类，分别是减水剂、早强剂和防渗剂。

2.3.2 浆液

在保证基本材料质量过关且符合使用标准的情况下，配制灌注所用的浆液。设计多组配比，然后通过制作试件的方式，检查强度、粘结力等各项性能是否达标。根据试件性能确定最佳配比，然后将物料按照比例放入到搅拌机中。设定搅拌时间为60s，搅拌结束后检查泥浆是否拌匀，并通过筛网进行过滤，确保泥浆中没有固结的大颗粒。浆液现用现配，最长存放时间不得超过6h，放置2h 以上的浆液，在重新使用前要进行复拌，避免浆液出现分层的情况。如果是低温天气下施工，还要注意做好设备及管路的保暖，保证灌浆顺畅。

2.3.3 钻孔

使用回转式钻机进行钻孔。按照施工图纸找到需要钻孔的位置，进行表面处理，营造良好的钻孔条件。试钻一段30cm 左右的先导孔，然后正式钻进，直到设计深度。检查成孔效果，有孔壁开裂、坍塌的，或者是偏斜超过2°的，一律不得使用。需要封堵钻孔后另选就近位置重新开孔。成孔之后，如果钻孔内出现渗水、积水，应当在灌浆前将积水完全排干。同时，清洗钻孔，将孔内杂质清理干净。

2.3.4 裂隙冲洗和压水试验

裂隙之间存在碎石或其他杂物，会影响浆液的灌注效果，裂隙末端不能完全充填浆液，渗漏问题不能彻底解决。因此，在灌浆前要进行裂隙冲洗作业。在灌浆机中加入清水进行冲洗，将冲洗压力调整为设计灌浆压力的80%左右。在具体冲洗时，可以先使用低压，然后再逐渐提升压力。但是注意最大冲洗压力不要超过1MPa。观察回水，为干净的清水后停止冲洗。在冲洗结束后的12h 内完成灌浆，超时后应当进行第二次冲洗，然后再灌浆。压水试验也是灌浆前不可或缺的一道工序。采用“五点法”实验，分别记录在0.3、0.6、1.0、0.6、0.3MPa 时的流量情况。每个压力值下持续20min，无漏水情况则说明试验合格，可以进行灌浆。

2.3.5 灌浆操作方法

将制备好的浆液加入到灌浆设备中，同时将灌浆喷嘴、导管，沿着已经开好的钻孔放入，直到距离孔底20cm 处。调节灌浆机的参数，灌浆压力为0.8MPa。浆液在压力作用下沿着裂缝扩散。根据喷头型式的不同，浆液的扩散型式有辐射型（左）和横向型（右）两种，如图1 所示。灌浆过程中，地面操作人员密切关注设备压力表的示数变化。当压力增加但是灌浆机内浆液不再减少时，说明裂隙已经被完全充满。此时调节灌浆机的压力，以0.5MPa 压力继续运行，同时收回导管。在这一过程中，导管内的浆液可以充填到钻孔内，完成对钻孔的封堵。

图1 两种浆液扩散型式

2.3.6 灌浆结束及封孔

按照一边回撤导管一边灌注浆液的方式，完成第一次封孔。然后将设备移动至下一钻孔，按照上述流程继续完成各个钻孔的灌浆，保证大坝的所有裂隙都能够被彻底封堵。同时，在所有钻孔的灌浆工作结束后，再从第一个钻孔开始，进行二次注浆。钻孔内的浆液经过自然沉淀和初凝收缩后，会有一定程度的下降，这时通过二次注浆，让浆液与孔口齐平。

3 大坝灌浆

3.1 坝身灌浆

可供选择的坝身灌浆方案有两种：其一是普通的挖槽灌注混凝土。槽内浇筑混凝土后，形成较为坚硬的墙体，既可以承压，又能够防水。但是工程量较大、成本较高，并且现场施工对坝体结构的扰动较大。其二是高压摆喷灌浆造墙，通过摆动喷射，让泥浆与土体、石块相结合，形成坚硬的墙体。这种方案利用了既有的土体、石块，从而减少了混凝土的用量，成本较低。同时不需要大范围的开挖，对既有坝体的破坏较小。高压摆喷灌浆造墙如图2 所示。在墙体参数方面，长度可以根据裂隙的长度来确定，通常超出裂隙长度约1.5m。墙体宽度为30cm。

图2 高压摆喷灌浆造墙

3.2 坝基灌浆

该水库坝址岩层为单一的二长片麻岩，中粗粒结构，片麻构造相当明显，属沉积变质岩。在二长片麻岩中尚有部分基性侵入岩侵入。坝址区规模较大的断层有位于左岸坡脚的断层F2和分布于右岸南山头的F6～F10。因此在坝基灌浆时，也需要使用高压摆喷方式。为了减轻施工压力和控制施工成本，可以将相邻两处裂隙带连为一体。并选取裂隙带中间位置进行钻孔，这样就可以从同一钻孔内同时向两条裂隙带进行注浆，简化操作步骤，且保证了灌浆封堵效果，具体的注浆浆液注及其扩散形式如下图3。完成坝基灌浆后，14d 后采取超声波检测的方法，检查裂隙的充填效果。同时监测坝基有无渗漏问题。

图3 注浆浆液柱形扩散形式

4 结论

土石坝是我国水利工程的主要形式，由于施工质量问题，或是因为使用年限较长，坝体、坝基等部位有较大概率出现裂缝。大坝渗漏除了会影响水利工程的应用价值外，还有可能引发溃堤等严重安全事故，做好裂缝处理十分重要。利用灌浆技术可以对裂缝进行封堵，施工人员一方面要熟悉灌浆流程，另一方面又要从浆液的制备、灌浆的方式以及压水试验等方面，采取必要的技术管控措施，才能保证土石坝的稳定、安全。