碾压混凝土坝体强渗漏灌浆处理关键技术

(中国水电基础局有限公司，天津 301700)

乌干达纳鲁巴奥水电站碾压混凝土坝坝体渗漏严重，坝面混凝裂缝最大渗漏量67L/min。为了保证大坝安全和水电站的正常运行，对大坝进行了灌浆修复处理。灌浆材料通过室内试验、现场试验、理论计算等方法确定采用水泥稳定浆液，并通过现场灌浆试验确定GIN灌浆强度值等关键参数。坝体灌浆处理后通过现场实际表现、孔内成像、压水试验和钻孔取芯等方法判定修复取得了很好效果，坝面漏水减少至0。灌浆处理结果表明本碾压混凝土坝体裂缝采用稳定浆液灌注具有良好可灌性、可控性和耐久性，所采用的GIN强度值不仅保证了大坝的安全、减少了裂缝劈裂破坏，也实现了堵漏目标。

1 工程概况

乌干达纳鲁巴奥水电站主坝位于乌干达、肯尼亚和坦桑尼亚三国交界处，位于维多利亚尼罗河上，地理位置坐标为东经330°9′，北纬0°39′。其右岸的津加市是乌干达港口之一，也是仅次于首都坎帕拉的第二大商业中心。乌干达纳鲁巴奥水电站于1954年由英国人建造，主坝为碾压混凝土重力坝，主坝长约为354.3m，最大坝高 31m，水库最大库容2048 亿m3。大坝经过几十年的生物破坏、风化、水流侵蚀等导致坝体出现了严重的渗漏情况，坝面出现较多裂缝、布满青苔，坝面最大渗流量为 65L/min，渗漏严重影响大坝的整体安全和厂房发电效率，为了保证大坝的正常运行和坝体安全，业主决定对大坝进行灌浆修复处理。

为了解决坝体渗漏导致厂房发电机组不能满负荷工作的问题，同时降低大坝的运行风险、提高水库库容，考虑到传统灌浆工艺自身的局限性，决定按照英国规范(BS EN447—2007)采用GIN灌浆法对其进行修复，灌浆材料采用水泥稳定浆液。

2 GIN灌浆法的特点

GIN法灌浆，是最先在国外出现的一项新的灌浆技术。GIN灌浆强度值用灌浆压力p(MPa)和每米浆液注入量V(L/m)的乘积表示，其含义为单位长度灌浆段内消耗的能量，不管注入率的大小都要使pV的乘积为一常数，这样就可以对宽大或者可灌性较大的裂缝限制其灌入量，对较小的裂缝或者可灌性较差的裂缝提高灌浆压力。使得各灌浆段都有一大致相当的浆液扩散半径，达到防渗堵漏的效果。

GIN灌浆法相对于常规灌浆法具有以下优点：

a.在灌浆过程中采用稳定浆液灌注，灌注材料的黏聚力、流动性和扩散能力固定不变，灌浆浆液在长时间、远距离的缓慢流动状态下沉淀少。浆液通过细微窄小的裂隙时受到挤压和过滤后析水率小，对灌浆部位劈裂破坏小。

b.由于灌浆过程简易快捷，无须改变浆液配比，更便于自动化控制，提高灌浆的工作效率。

c.灌浆浆液水泥含量高，浆液在被灌入岩体中硬化后收缩性小，与结构面结合强度高，使防渗体具有较好的耐久性。

d.GIN灌浆法在灌浆过程中逐渐提高压力，直到p、V、GIN中任意一值达到标准就可以结束灌浆，相对于常规法要在设计压力和小注入率下持续较长时间提高了工效。

e.节约材料，GIN 法灌浆平均单位注入量一般情况下是常规灌浆的30%～55%。

3 灌浆稳定浆液研究

3.1 浆液原材料

灌浆水泥稳定浆主要由水泥、膨润土、减水剂等材料与水按一定的比例配制而成。水泥采用Pozzolanic水泥(CEM IV/B-P 32.5N)；膨润土采用某公司生产的 AT-Compound高黏性膨润土；减水剂采用SIKA-NNG；浆液拌和用水取自尼罗河；速凝剂采用某公司生产的水玻璃。

3.2 浆液配合比试验

依据英国BS EN447—2007 规范和中国《水工建筑物水泥灌浆施工技术规范》(SL 62—2014)，结合现场实际情况对水灰比为 5 ∶1、2 ∶1、1 ∶1、0.7 ∶1、0.5 ∶1 的浆液进行试验，采用控制变量方法对以上浆液作了含水率、析水率、黏度等各项性能的研究，同时研究了不同添加剂对稳定浆液的影响，最终采用正交试验进一步确定了稳定浆液。

浆液水灰比大于1 ∶1的情况下过高的含水量使得析水率增加，根据已有文献可知在水灰比小于0.437 ∶1时，水泥浆液中仅有水化水，过于浓稠的浆液中，流动水所占比例较少，流动性和可灌性差的浆液难以渗透到细小裂缝中，起不到堵漏效果。在水灰比2 ∶1～5 ∶1的浆液中析水率太高不适合作为稳定浆液，虽然较多的含水具有较好的流动性，但难以形成封闭的水泥结石。因此选择水灰比为1 ∶1、0.7 ∶1 和0.5 ∶1的浆液进行添加剂试验。

室内试验表明浆液配比中膨润土掺量对析水率、黏度影响较大，增加膨润土的掺量，浆液的析水率将明显下降，膨润土能有效地改善水泥浆液的稳定性、降低析水率。通过对比马氏漏斗黏度可知，增加膨润土可以提高浆液的黏度，降低浆液的流动性。通过三组试验可知浆液的流动性和稳定性是相互矛盾的，稳定浆液是相互折中的结果。保证流动性和稳定性同时满足设计要求，这样的稳定浆液才能是合格的，因此，稳定浆液的配置过程需经过多次试验。水灰比对黏度的影响大于减水剂的影响，膨润土对黏度的影响大于减水剂的影响；水灰比对析水率和强度的影响依然最大，减水剂对强度的影响大于膨润土的影响。

3.3 浆液配合比确定

通过浆液试验得到的最优稳定浆液配比为：水灰比 1 ∶1，膨润土的掺量为2%，减水剂的掺量为0.4%。稳定浆液的密度为 1.51g/cm3，2h的析水率为3.7%(小于规定值 5%)；采用马氏漏斗测试黏度为44.52s，符合规定的33～50s范围；7天抗压强度3.8MPa(大于要求值 3.5MPa)。

4 灌浆GIN强度值研究

灌浆GIN 强度值是基于灌浆压力与灌浆量两者共同作用的一种“能量”的 体现，避免了仅考虑单一因素的弊端。采用GIN强度值作为灌浆控制标准，限定灌浆压力与灌浆量的乘积为一常数，这样针对宽大裂隙限制其灌入量；灌浆条件不佳时提高灌浆压力，通过压力和灌浆量的共同控制，保证相当的浆液扩散半径。

4.1 计算灌浆GIN强度值

灌浆强度值 GIN 定义为灌浆终压pf与每米灌浆量Vf二者的乘积，即

GIN=pfVf

(1)

式中 GIN——灌浆强度值，MPa·L/m；

pf——灌浆速率为零时孔口灌浆压力值，MPa；

Vf——灌浆终止单孔每m浆液用量，L/m。

GIN值为双曲线型反函数，属无穷函数，而工程应用中界定最大值pmax、Vmax常用计算公式为

(2)

Vmax=2πPmax2t3/C2

(3)

式中pmax——限制灌浆压力，MPa；

Vmax——限制灌浆量，L/m；

Fmax——灌浆区域上方岩体的重量，kN；

C——浆液凝固的黏聚力，MPa；

t——裂隙宽度一半，mm。

由GIN强度值曲线、最大浆液用量和最大灌浆压力组成灌浆强度包络线(见图1)。

图1 灌浆强度控制曲线与GIN限制包络线

在灌浆过程中，实际灌浆强度曲线与GIN限制包络线相交即认为达到注浆标准，可结束对此孔的注浆。总的来讲可以将注浆强度曲线分为3大类：ⓐ灌浆压力达到pmax(图1曲线a)；ⓑ灌浆压力和灌浆量的乘积达到包络线(图1曲线b、c)；ⓒ注入量达到Vmax(图1曲线d)。满足以上任意一种情况即可结束灌浆施工。在灌浆过程中仅需要使得pmax、Vmax和pV值达到包络线就可以结束灌浆，有利于减少人为的影响和实现自动化控制。

4.2 试验确定灌浆GIN强度值

为了得到适合本项目的灌浆GIN强度值，同时验证室内试验配比的稳定浆液的适用性，以灌浆量、灌浆压力、灌浆深度等实测记录为依据，结合大坝堵漏效果，采用Execl软件进行回归分析得到最合适的GIN强度值。在现场灌浆试验后，认真统计现场试验的灌浆压力、灌浆量，灌入率、灌浆耗时、结束标准等，根据所取得资料成果进行综合统计分析和对比，以求得最佳的灌浆参数。

4.2.1 试验区选择及布孔

Z40 2.48 mmol Zn(NO3)2·6H2O与 19.84 mmol HmIM分别溶解于50 mL MeOH后，升温至60 ℃，充分溶解后，前者迅速倒入后者，并持续搅拌60 min。离心操作后于60 ℃真空烘箱中干燥24 h得白色粉末[11]。

根据现场情况选择了连接主坝和发电厂房的一个区域作为试验区，该区既能体现坝体情况又能体现厂房情况；而且，该区渗漏比较严重，上下游易于观察，设计灌浆深度较大。灌浆试验孔采用双排3m孔距布置。

4.2.2 GIN强度值的确定

在海拔1128m以下的坝体采用pmax<0.5MPa,最大注浆量Vmax<4L/m。在海拔1128m以上的坝体：pmax<0.25MPa，Vmax<1L/m。通过稳定计算得到的pmax为0.746MPa，Vmax为6.13L/m。通过现场试验实测数据回归分析可知GIN强度值为pV<590.3 kPa·L/m。

5 灌浆施工

5.1 灌浆孔施工布置

本灌浆工程在主水坝、东引水渠坝、水闸坝沿坝轴线双排布置灌浆孔，进水口坝沿轴线单排布置灌浆孔，孔距均为3 m，孔深10～30m。灌浆施工轴线总长937.3m，灌浆工程量10241m。灌浆孔均安装孔口管，先施工下游排，再施工上游排；施工按分序加密的原则进行，按先导孔、I序孔、II序孔的施工顺序进行。

5.2 灌浆施工方法

灌浆孔钻孔采用XY-2型地质钻机，先导孔和检查孔采用金刚石或合金钻头回转钻进，普通灌浆孔采用风动冲击回转钻进，终孔孔径均不小于56mm。灌浆采用3SNS注浆泵“自下而上分段卡塞灌浆”。灌浆段长为5m，最后一段不大于8m。灌浆压力根据GIN灌浆试验结果来确定，注浆段的实际压力为：p=在压力表高度测量的压力-灌浆线压头损失(需要校准)-裂缝中的水压(孔中水位)+ 灌浆密度 × 压力表高度与底部灌浆塞之间的高度。

5.3 灌浆段结束标准

灌浆施工使用自动灌浆记录仪，在GIN强度值包络线以内进行灌浆，达到包络线值则停止灌浆。在灌浆过程中，有3种主要情况：

a.低压下达到最大灌浆量(图2中①)：在Vmax的限制下停止灌浆，表示宽大的裂隙，稍加灌浆压力，灌入量就增加较多，最终在V=4L/m结束。

b.pV成为C曲线上的边界(图2中②、③)：灌浆的压力和灌浆量经过调整以跟踪曲线，直到达到GIN强度值包络线。表示在灌浆过程中裂缝宽度适中灌浆压力和灌浆量同步上升，二者的乘积达到包络线。

c.压力达到极限，低灌浆量(图2中④)：灌浆在p限制上停止。表示裂隙微细且紧密，灌浆压力很快升高到允许最大值，但总的灌入量V<1L/m，最终在p=0.5MPa结束。

图2 极限曲线

灌浆孔封孔应使用水灰比为0.5 ∶1的水泥浆液，将灌浆管道送至孔底开始封孔，如果发生沉降，可以使用浓浆封填。

6 灌浆效果检查

根据灌浆成果统计，稳定浆液的平均灌入量呈现出按各序孔递减趋势，VⅠ=3.5L/m>VⅡ=2.2L/m >V检=0.1L/m。表明Ⅰ序孔灌浆时，浆液随着裂缝向远处扩散，并形成了结石，对裂缝进行了填充；在进行Ⅱ序孔灌浆时，Ⅰ序孔的浆液已经填充了部分较长贯通性较好的裂缝，因此Ⅱ序孔的吃浆量远小于Ⅰ序孔；检查孔在灌浆时几乎不吃浆无须变浆表明坝体内的裂缝完全被填充，体现了稳定浆液的流动性、稳定性和耐久性。为验证混凝土坝体渗漏灌浆处理的效果，在灌浆前和灌浆后均进行了孔内成像、压水试验、取芯观察等检查。

6.1 孔内成像检查

孔内成像是最直观的检测方法，通过孔内成像可以看到灌浆完成后在裂缝处有结石产生，说明在灌浆时浆液渗透到裂缝中去，最终成了结石(见图3)。

图3 灌浆前后典型孔内成像对比

6.2 压水试验检查

通过压水试验，可以了解灌浆前后岩体渗透性的变化，并以此来评价灌浆效果。压水试验检测结果显示Ⅰ序孔的渗透率QⅠ=28.14Lu>Ⅱ序孔QⅡ=13.36Lu>检查孔渗透率Q检=0.9Lu。最后检查孔的渗透率为0.9 Lu，满足不大于1Lu的设计要求。

6.3 取芯检查

在完成灌浆处理后，通过检查孔采取岩芯和岩芯描述，了解到坝体裂缝水泥结石一般厚3～20mm,局部见厚的水泥团块。取出的水泥结石和坝体混凝土黏结度高，可知浆液具有较高的稳定性和耐久性。

渗漏灌浆处理前混凝土坝面渗漏严重，布满青苔，灌浆处理后坝面干燥，已无渗漏现象，坝面漏水由原来的67L/min减少至0。前后对比见图4。

7 结 语

纳鲁巴奥水电站碾压混凝土坝强渗漏的灌浆处理效果表明：应用GIN灌浆法，采用水泥稳定浆液对碾压混凝土水平缝的堵漏是切实有效的。通过室内试验采用控制变量的方法对水泥稳定浆液进行配比设计，通过现场试验和理论计算得出最大灌浆压力pmax和Vmax的同时，根据灌浆试验数据回归分析得出GIN灌浆强度值，按照满足强度值的几种注浆结束标准实施灌浆。此种灌浆方法可以在大体积混凝土结构裂缝处理和挡水建筑物渗漏处理中推广应用。