脉动灌浆施工技术在竹银水库坝体防渗工程中的应用

2021-05-31贺茉莉郭泽洋赵铁军杨东升

湖南水利水电 2021年2期

贺茉莉，郭泽洋，赵铁军，杨东升

（湖南宏禹工程集团有限公司，湖南长沙410007）

全世界用于开发水资源的大坝工程已有10多万座，对人类的生产生活起到了至关重要的作用[1]。根据国际大坝委员会2011年的统计，全球土石坝总数为25 094座，占已注册大坝总数的2/3[2]。水利建设在我国是从1958年开始兴起，截止2020年，我国已建成9.8万余座大小水库，其中8.6万余座是土石坝水库，绝大多数建成于1958—1980年间[3]。受限于当时落后的经济技术条件以及运营期间维护不到位，诸多土石坝工程存在先天不足和年老失修等问题，造成坝体渗水产生渗透破坏，严重时引起溃坝，给人民群众的生命财产安全带来了重大威胁[4]。

本文以珠海市竹银水库防渗处理工程为依托，论述了一种脉动灌浆的坝体灌浆施工技术。该技术成功解决了竹银水库坝体渗漏的问题，相关施工工艺、材料和成果可以为类似的工程提供借鉴。

1 工程概况

竹银水源工程位于珠海市北部的斗门区六乡镇，是珠海目前新建最大的对澳门供水水库，主要建筑物包括1座主坝、2座副坝、溢洪道，主、副坝分别布置在库区的3个山口处，坝型为土石分区坝，主坝坝顶高程51.6 m，坝顶宽度8.0 m，坝顶长度为556.5 m，最大坝高66 m，总库容4 500×104m3。主坝坝体段中等透水带主要分布在孔深5～71 m；1#副坝坝体段中等透水带主要分布在孔深5.5～26 m；主坝及1#副坝的岩土接触段均为中等透水带，也是本工程的重点处理段。当竹银水库水位高于30 m高程时，存在局部渗漏现象，当水库水位在48 m以上时，主坝和1#副坝渗漏量偏大。由于渗漏导致大坝土质浸泡松软，部分渗漏位置还曾出现浊水甚至有泥沙带出，对大坝的安全运行存在一定的安全隐患。

通过对“坝体防渗墙+坝基础帷幕灌浆”、“坝体脉动可控膏浆灌浆+坝基础帷幕灌浆”等多种方案的比选，确定采用“坝体脉动可控膏浆灌浆+坝基础帷幕灌浆”方案处理竹银水库渗漏问题。

2 施工方案与灌浆试验

2.1 施工方案

1）坝基坝肩岩体采用灌注纯水泥浆液进行帷幕灌浆减渗处理，幕底以伸入相对不透水层（q<5 Lu）以下3 m进行控制。具体采用“基岩面封闭、自上而下分段，孔内循环灌浆法”工艺。

2）坝体采用脉动可控灌浆进行帷幕灌浆处理，可控灌浆控制底线至全风化下限。脉动可控灌浆为“可控复合膏浆高压脉动灌浆”的简称，即采用“可控复合膏浆高压脉动灌浆工艺”，实施钻孔内浆体阻塞、自下而上、分小段纯压式灌注粘土水泥膏浆。

3）土体与坝基之间的岩土结合部位（2～3 m）范围采用花管灌注可控膏浆。

2.2 灌浆试验

根据主、副坝减渗施工重点、难点，生产性试验设置2组，试验目的如下：

1）验证坝体、坝基减渗注浆的可行性；

2）检验帷幕注浆方法、钻探工艺和注浆工艺的有效性；

3）检验坝体、坝基注浆参数的可靠性；

4）确定合适的材料、设备、注浆工艺、参数。

第一组试验

灌浆顺序：按先施工土体与岩体之间的岩土结合部进行接触段膏浆灌浆，后施工基岩帷幕灌浆（水泥浆液），最后施工坝体可控灌浆（膏浆）的顺序进行。

单孔施工程序：施工准备→钻孔放样→钻机定位安装→开孔钻进→钻进至可控灌浆底线→下套管至隔离坝体→下入注浆管→采用可控膏浆灌注结束（土体与岩体之间的岩土结合部灌浆）→待凝钻进至帷幕灌浆第一段高程（基岩5 m一段）→钻孔冲洗及卡塞压水→帷幕灌浆→待凝→第二段钻孔→钻孔冲洗及压水→帷幕灌浆→循环直至终孔段帷幕灌浆结束→自下而上坝体可控灌浆→封孔→单孔资料整理提交。

第二组试验

灌浆顺序：采用先岩土结合部位可控灌浆，后坝体可控灌浆（岩土结合部位与坝体可控灌浆采用自下而上连续施工），再坝基帷幕的顺序。

单孔施工程序：施工准备—→钻孔放样—→钻机定位安装—→开孔钻进—→钻进至可控灌浆底线（进入岩体内2 m）—→下入注浆管—→采用可控膏浆自下而上灌注至段顶结束—→待凝—→扫孔钻进至坝基帷幕灌浆第一段设计高程—→钻孔冲洗—→裂隙冲洗—→简易压水—→第二段及以下段循环钻孔、压水试验—→钻孔至设计孔深—→自下而上分段灌浆—→终孔段灌浆结束—→灌浆封孔—→单孔资料整理。

2.3 生产性试验结果分析

第一组试验钻进困难，需要反复进行扫孔钻进，发生钻孔坍塌，卡钻埋钻，甚至发生注浆管断管的事故，如图1所示，需要花费大量的人力、物力和时间对事故进行处理，由于钻孔坍塌和卡钻埋钻造成试验区域反复注浆，材料耗费严重。

图1 孔内断管事故

第二组试验基本没有发生塌孔、卡钻、埋钻、断管等孔内事故，大大节约了成本和工期。试验区段灌浆结束后的检查孔取芯完整，有明显的膏浆结石体，如图2所示。注水试验渗透系数满足设计要求K≤5×10-5cm/s，各段压水试验渗透系数均满足设计要求q≤5 Lu。由此证明本次灌浆试验，第二组灌浆试验采用的施工工艺及参数可以满足质量要求。

图2 第二组试验检查孔取芯

3 脉动灌浆施工

3.1 施工场地布置

主坝和1#副坝沿坝轴线布置1排膏浆灌浆孔，膏浆灌浆总长约1 220 m，其中主坝可控膏浆灌浆范围0+55.5 m～0+610.5 m，1#副坝可控膏浆灌浆范围0+55.3 m～0+429.3 m。施工现场共布置6套膏浆制/灌浆系统，另有2台水泥浆制浆系统供给水泥浆，满足现场膏浆灌浆的需要。

按照设计要求，可控膏浆灌浆孔孔距为2 m，先导孔孔间距为32 m，所有灌浆孔按照三序施工，其中：先导孔优先施工，然后施工Ⅰ序孔，再施工Ⅱ序孔，最后施工Ⅲ序孔。施工后按照每10个孔划分一个单元布置检查孔。

3.2 施工流程

通过对比，选择第二组试验所对应的施工方法进行单孔施工。

3.3 施工参数

1）先导孔施工。先导孔施工重点是要保证全孔有效取芯和压、注水准确性，采用分段套管护壁，分层取样、分层做压、注水，先导孔需进入强风化地层，且终孔压水试验的透水率≤5 lu。

2）脉动膏浆灌浆材料配合比为：水∶水泥∶膨润土∶外加剂=3∶1∶3∶0.01，单位：kg。

3）脉动灌浆的提升间隔为0.5 m，采用灌浆压力和灌入量双参数控制，每段结束标准所涉及的灌浆压力和灌浆量如表1所示。

表1 灌浆结束标准

①达到最大设计压力、最小注入量，结束本段灌浆上提；

②达到最大注入量、最小设计压力，结束本段灌浆上提；

③吸浆量较大的段，注入率达到拟定控制注入量无法提升至设计压力下限者，加大注入量至设计的1.5倍时，可结束本段灌浆。

4）水泥帷幕灌浆变浆标准和结束标准：

①当灌浆压力保持不变，注入率持续减少时，或当注入率保持不变而灌浆压力持续升高时，不得改变水灰比。

②当某一比级浆液注入量已达300 L以上，或灌注时间已达30 min，而灌浆压力和注入率均无显著改变时，应换浓一级水灰比浆液灌注；当注入率大于30 L/min时，根据施工具体情况，可越级变浓。

③帷幕灌浆采用自上而下分段灌浆时，在最大设计压力下，当注入率不大于1 L/min后，延续灌注时间不少于30 min，灌浆即可结束。

④若最后连续3个注入率读数均大于1 L/min时，则不能结束灌浆；当长期达不到结束标准时，报请监理人共同研究处理措施。

3.4 具体施工方法

1）钻孔定位放样。施工时，确保开孔位置与设计位置偏差不大于10 cm，按照2 m的孔间距布置Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ序孔。

2）钻孔施工。采用HGY-200C型地质钻机钻进，开孔直径为Φ110～130 mm，坝体孔径一般不小于91 mm，坝基岩石不小于56 mm。

各组试验钻孔施工顺序为：先导孔—→Ⅰ序灌浆孔—→Ⅱ序灌浆孔—→Ⅲ序灌浆孔—→质量检查孔

3）灌浆施工。浆液必须搅拌均匀并测定浆液密度，浆液在使用前应过筛，从制浆到用完的时间宜小于4 h。

连接灌浆设备、灌浆管路、拔管机、压力表等设备，配置灌浆用的膏状浆液，浆液配合比为：水∶水泥∶膨润土∶HY-1=3∶1∶3∶0.01。水泥要求经80μm方筛筛余量不大于5%，膨润土要求经75μm方筛筛余量不大于4%。

4）分段提升注浆管，按照0.5 m/段的速度自下而上对坝体灌注膏状浆液，灌浆参数要按照技术要求执行。

5）坝体段膏浆灌浆结束后进行浆液待凝处理。

6）重新扫孔，扫孔至可控灌浆底线，逐段钻进、逐段做简易压水至设计孔深，然后自下而上灌注水泥浆液，直至终孔段灌浆结束。

7）灌浆封孔，完成单孔资料。

4 效果检验

竹银水库项目采用可控膏浆的灌浆方法对主坝和1#副坝进行灌浆处理，施工前后经过业主检查并委托第三方检测机构进行检测，合格标准及结果如下：

1）检查孔压注水：灌浆前对地层进行了透水率的检测，原状土渗透系数为：10-4≤K＜10-2cm/s和10-5≤K＜10-4cm/s，合格要求各段渗透系数K≤5×10-5cm/s且合格率在90%以上，不合格段不集中。检查结果表明，各段注水试验渗透系数均满足设计要求K≤5×10-5cm/s，由此证明灌浆处理后的坝体渗透率得到降低。

2）量水堰：在水库蓄水到49.1 m过程中，对量水堰进行了持续的观察和统计，在库水位达到49.1 m后，主坝下游量水堰流量为13.9 L/s，1#副坝下游量水堰流量为13.24 L/s，分别小于合同要求的26 L/s和28 L/s。水库水位达到49.1 m后进行了持续的观察，量水堰流量基本保持不变，满足合同要求，如图3所示，是竹银水库主/1#副坝灌浆施工前后量水堰随库水位的变化。

3）坝后出渗现象：实施坝体灌浆施工之前，主坝和1#副坝下游存在出渗现象，坡面和坡脚一些位置有浸湿问题，地面泥泞；实施坝体灌浆施工之后，坝体出渗现象消失，出渗点位置的地面干燥，处理效果明显，如图4所示。