水库除险加固工程坝基固结灌浆施工方法设计

季晓冬

(新疆水利水电勘测设计研究院勘测总队，新疆 昌吉 831100)

1 工程概况

本文以哈英布拉克水库为例，设计水库除险加固工程坝基固结灌浆施工方法。哈英布拉克水库位于新疆阿勒泰地区富蕴县城东南约30 km，地理坐标为北纬46°43′～47°01′，东经89°30′～90°07′。该区域的海拔高程在970～1300 m之间，主要在山前丘陵区较低山谷地形处筑成水库。水库上游集水面积约460 km2，是典型的“三边”工程，属于小(2)型工程。该水库的主要任务是积蓄天然河道水、融雪水、暴雨汇流水等，在调节灌溉期，用积蓄水满足下游32.44 hm2农田、草场的灌溉条件。哈英布拉克水库水系呈扇形，南北宽约33 km，东西长约36 km。水库隶属喀拉通克河，河流全长约65.9 km，流域总面积约827.2 km2，河道纵比降17.3‰。河流总体呈东西走向，最终在富蕴县城以南汇入额尔齐斯河。水库主要在下游中低山丘陵区的箱型河谷段，基岩表层覆盖有一层厚度在0.3～0.5 m的残坡积碎石土，大部分基岩直接裸露，影响了水库坝基的稳定效果。因此，该水库的坝基亟须进行固结灌浆施工，确保水库大坝除险加固施工效果。

2 施工方法设计

2.1 制备固结灌浆浆液

哈英布拉克水库地形地貌严格受地质构造的限制，施工区域处于富蕴—锡伯杜断裂与额尔齐斯深大断裂之间，岩体切割较剧烈。因此，水库坝基施工的整体性差，相对破碎[1-5]。为了防止水库坝基灌浆施工中出现的渗透现象，本次工程从制备固结灌浆浆液角度出发，在根本上提升灌浆稳固性。在制备灌浆浆液之前，首先利用周围村庄的电网系统对工程区域进行供电，并采用40 kW、15 kW柴油发电机作为备用电源[6]。施工通信方面直接连通工程网络。考虑到灌浆过程中的排水问题，本次工程修建简易的排水沟渠，施工区域形成的废水与积水直接通过简易排水沟渠排出工作区。其他消防设施、生活用品、信号等方面均按照实际情况设置。在施工前准备工作做好之后，开始制备浆液。受到水库地形的限制，本文将浆液制备的水泥、钢筋钢板、外加剂、石油沥青、土工合成材料、粉煤灰、粗骨料、细骨料等材料进行质量控制。浆液制备情况如表1所示。

表1 浆液制备情况

本次工程浆液制备的各个比例，严格按照上述指标进行控制，以提高灌浆浆液的加固效果和施工质量。

2.2 监测灌浆孔的加固结构

本次灌浆施工过程以固结灌浆方式为主，为了提高灌浆稳固性能，本文采用上行固结灌浆处理与下行固结灌浆处理两种形式[7]。上行固结灌浆处理的灌浆孔深度约4500 cm，下行固结灌浆处理的灌浆孔深度约2500 cm[8]。本文将上行下行固结灌浆处理分为1、2、3、4部分，灌浆孔如图1所示。

图1 灌浆孔加固位置(单位：cm)

灌浆加固结构水平长度为20 m，宽度为12 m，需要在加固结构上布设灌浆孔，并对孔内灌浆情况进行监测。本文将注浆加固结构分为三部分进行监测，1区域砂砾料高度为3000 cm，2、3区域砂砾料高度为1500 cm，4区域砂砾料高度为2000 cm。四个灌浆加固孔的布设，有效地监测到孔中灌浆情况。对于1、2部分的灌浆过程，采用从上到下的灌浆方式，利用压力灌浆法，将浆液灌注到坝基裂缝处。对于3、4部分的灌浆过程，采用循环式固结灌浆方式，通过几个灌浆孔循环灌浆的方式，提高坝基灌浆的稳固性[9]。考虑到哈英布拉克水库的特殊地形条件，本次工程在灌浆过程中将灌浆孔布设到砂砾料之间，以砂砾料全包围的形式，对灌浆孔进行布设。在连续灌浆的施工条件下，灌浆材料出现了微凝现象，无法进行下一步作业。因此，将灌浆材料放置在阳光下，以天然的加温形式，减慢灌浆材料凝结时间。同时，在灌浆孔周围放置了可监测的基础设备，以在灌浆过程中监测实际孔内的注浆环境。灌浆压力超出了实际灌浆压力时，可根据环境变化不断调整灌浆压力，从而实现灌浆加固结构的综合控制。

2.3 下设稳固灌浆套阀管

在水库中地形较为复杂的区域，上述灌浆方式不能继续使用。因此，本文在复杂地形处，下设了灌浆套阀管。首先，利用XY-2B型地质回转钻机、金刚石钻头、膨润土泥浆护壁回转钻进复杂作业区，终孔孔径≥91 mm，孔底片斜率≤2.5%。其次，在地表上填埋稳定性较强的膨润土泥浆，并将灌浆孔暴露出来，并清洗灌浆孔。保证灌浆孔周围干净的基础上，通过新打出的小孔向坝基注入泥浆料，压注的泥浆料密度≥0.02 g/cm3，确定孔内注满之后，即可下设套阀管。

套阀管为89 mm的钢管，底部为封闭状态，两个管节之间以螺纹相连接，保证管内灌浆的连续性。同时，套阀管管轴之间每个30～50 cm设置一个环形出浆孔，每隔环形出浆孔存在2～5个小孔，孔径在8～15 mm范围之内，出浆孔之外用密封性较大的橡皮材料箍紧。当灌浆压力增加时，出浆孔的压力较大，可直接冲破橡皮材料，即可完成管内灌浆。而灌浆压力较小时，出浆孔的压力正常，不会冲破橡皮材料，即可完成其他作业区间的灌浆。套阀管安装完成之后，在管内填入砂砾料，依靠套阀管自重下沉到作业区域内。此时，在套阀管开环后灌注清水10 min，再用泥浆材料进行灌浆，开环灌注的灌浆压力在1.52 MPa，灌浆压力随着深度变化而变化，灌浆深度每增加100 cm，灌浆压力增加0.15～0.35 MPa；灌浆深度增加到100～300 cm时，灌浆压力存在0.35～0.55 MPa的变化趋向；灌浆深度增加到300～500 cm时，灌浆压力存在0.55～1.05 MPa的变化趋向；灌浆深度增加到500 cm以上时，灌浆压力在1.05～2.05 MPa的变化趋向范围内。此种灌浆方式更加适用于水库复杂地形条件，灌浆稳固性也会随之增加。

2.4 坝基加固防渗灌浆

为了实现水库坝基的高质量施工，本文完成了基础地形灌浆与复杂地形灌浆，灌浆时水泥浆液为Ⅲ级水固比，分别是3∶1、2∶1、1∶1，浆液以稀变浓的形式调整。在此基础上，对灌浆坝基进行防渗加固。在浆液灌注结束之前，灌浆压力保持不变，浆液注入率减少，此时改变浆液的水固比，保证最终灌浆的稳固性。同时，在灌浆量达到1000～1500 L时，灌注时间在30 min左右，灌浆压力与注入率没有明显变化，此时坝基出现轻微渗漏现象。因此，本工程将Ⅲ级水固比的灌浆浆液转变为Ⅱ级水固比，并灌浆10 min水固比再减少为Ⅰ级，由此保证坝基灌浆的稀浓变化效果，进而提高坝基灌浆质量。

将坝基进行灌浆加固之后，坝基表面较为平整，不存在浆液渗漏现象，施工质量较为稳定。

3 施工结果

利用上述施工方法，对哈英布拉克水库坝基进行固结灌浆，灌浆后相关施工参数见表2。

表2 坝基灌浆施工参数

如表2所示，灌浆孔高程、钻孔深度、混凝土厚度、入岩深度、透水率、耗灰量、灌浆平均段长、灌浆孔数目、基岩总长度、灌浆压力等施工检查内容，其施工参数均在标准参数范围内，灌浆施工质量较高。哈英布拉克水库大坝加固效果更佳，不存在塌岸和边岸再造问题，库岸整体稳定。

4 结 语

近年来，水库的修建数量逐渐增加，在防洪蓄水方面起到了至关重要的作用。随着水资源用量的增加，水库工程规模扩大，水库坝基逐渐不能满足实际用水需求，坝基开始出现不稳固的情况。基于此，本文提出了一种水库除险加固工程坝基固结灌浆施工方法。在制备出坚固灌浆浆液的基础上，监测灌浆加固结构的实际灌浆情况，再固定住灌浆套阀管，加固坝基，提升其稳定性，在真正意义上实现水库坝基的稳固施工。