水库施工中灌浆施工技术应用研究

2023-05-27邢澎涛新疆兵团勘测设计院集团有限责任公司

珠江水运 2023年9期

◎ 邢澎涛新疆兵团勘测设计院(集团)有限责任公司

水库在我国各个地区均有广泛分布，大部分水库属于中小型规模，建设时间至今已超过40年，水库功能已不如往日，各种病害相继出现，给水库质量与安全性带来威胁。对水库的重要部位采取除险加固措施，是改善水库功能、夯实水库施工质量的重要举措。近年来，帷幕灌浆技术在水库施工中广泛应用，此技术具有成本低、安全性高、方便操作等优势，能够很好的提高水库工程的防渗效果。

1.灌浆施工技术概述

1.1 施工原理

灌浆施工是水库工程除险加固施工中的重要技术类型，其基本原理为：通过增强坝基、堤岸的稳定性与坚固性，达到消除病害、提高水库防渗效果的目的。在水库工程最初阶段的施工建设中，施工人员利用压力作用在堆石体中打入粘土浆，然后填充堆石体的缝隙。堆石体结构的稳定性并不强，需要采用灌浆技术提高堆石体结构性能，这对于改善水库坝基性能、增强坝基的安全性与稳定性至关重要。

1.2 施工特点

（1）安全性强：水利工程的使用时间较长，对施工质量的要求较高。要想满足长期服役的要求，必须全面勘察周边环境，充分了解工程所在区域的地形、地质、水文、气候特点，围绕实际情况制定施工方案。先在水库工程的某些特定部位应用帷幕灌浆技术，确保施工质量，然后根据施工方案分配帷幕灌浆部位、开展施工管理，严格控制灌浆压力，从整体上提升工程的施工质量。

（2）实用性强：随着水库工程建设规模的不断扩大，难免会对周边环境产生一定影响，同时也会促进区域经济的发展。正是因为水库工程并不是独立存在的建筑项目，而是与当地环境、生态、文明、经济等多种因素相互融合，因此更应该不断完善水库施工管理，提高施工要求与标准。帷幕灌浆技术工艺成熟，能够全面提升水库施工质量，让水库工程的功能和质量能够更好的服务于社会，为社会大众谋福利，真正体现水利工程的民生价值。

（3）经济性好：在水库工程的加固施工中应用帷幕灌浆施工技术，成本低，具有良好的经济效应，能够显著提高水库工程的施工质量。应用帷幕灌浆技术之前，应该明确钻探部位，严格控制灌浆压力，此过程并不需要额外的资金支持。而且帷幕灌浆技术能够很好的促进混凝土凝固，让四周形成稳定、牢固的整体，只投入较低的成本就能实现高质量的加固施工。

1.3 施工作用

（1）固化：水泥会和一些施工材料产生化学反应，比如粘土和水泥产生反应后，会形成具有“类岩体”特点的物质。与最初的粘土、水泥等材料相比，化学反应后形成的物质更加坚硬，固化作用更好。

（2）填充：灌浆施工技术的应用，能够有效填充地层裂缝，把浆液压入至堆石体中后，能够最大程度的提高地层的密实度，增强地层对水流的截断能力。

（3）粘合：浆液本身所具有的凝胶特点，能够将水库存在的各种空隙、裂缝进行充分粘结，以起到加固施工的效果，显著增强建筑物的承载力。

（4）压密：在压力的作用下，利用灌浆施工技术能够把堆石体中压入浆液，然后通过压缩把浆液注入到裂缝中，在挤压效应的作用下，裂缝与浆液充分融合、填实，最终达到增强地层稳定性的效果。

2.帷幕灌浆施工技术的设计

根据坝体与周围建筑物相互渗透这一特点，对水库因年久失修而出现的变形、裂缝等质量问题进行妥善处理，最终达到避免水库渗漏水的目的。帷幕灌浆技术的应用，需要严格按照规范要求采取灌缝护壁封堵与防渗漏施工，结合实际情况选择施工设备与钻机，提高施工效率和施工质量。全面分析帷幕灌浆技术的特点，可知此技术在水库加固施工中具有突出优势，也是目前提高水库防渗漏效果的一线技术。正是由于帷幕灌浆技术具有施工效率高、施工成本低、经济效益好等特点，因此在水库防渗加固中应用广泛。当然，该技术也有局限性，比如钻孔深度有限，对坝体材料的性能要求较高，在钻进施工中还会产生压力差，导致动液面流速较慢，从而使缝隙堵塞等问题。完善帷幕灌浆施工技术的设计，可以一定程度的弥补技术上的不足之处。

2.1 帷幕设置

部分水库坝基采用的是双排灌浆帷幕，施工过程中必须严格按照质量要求控制材料与设备，合理选择施工技术。灌浆帷幕设置的深度是55～60m，施工工艺如下：铺设防渗体层，然后在大坝的坝面上铺设帷幕灌浆材料、钻孔，最后在钻孔中关注水泥砂浆、混凝土等材料。施工过程中需要加强控制防渗体层的铺设厚度、孔径、混凝土强度。具体施工工艺流程图如图1所示。

图1 帷幕灌浆施工技术

2.2 左、右坝肩帷幕

对水库工程进行防渗加固施工的过程中，最关键的环节在于帷幕灌浆施工，施工质量直接决定了水库的整体稳定性。左坝肩和右坝肩具有良好的防渗加固效果，大坝蓄水之后，坝体填土覆盖层的厚薄不会产生太大变化，较强的透水性会直接威胁水库安全。7～14m的碎裂石灰岩层属于软弱土层，其渗透系数是4.923m，软弱土层多由粘性土与松散砂卵石、淤泥质粉砂岩等构成，很容易渗漏，所以在水库加固施工中应该夯实帷幕灌浆施工质量。在内坡一级平台上进行灌浆施工，坝体中部、河床部位、帷幕灌浆施工过程中，需要严格把握各段钻孔壁和护砌的施工质量，避免二者之间出现裂缝[1]。

3.帷幕灌浆施工技术在水库施工中的实践应用

3.1 前期准备

（1）灌浆材料与浆液：按照1：1的比例选择普通硅酸盐水泥PO42.0和粉煤灰。严格检查水泥出厂合格证、质量检测证书，禁止受潮、结块等劣质水泥进入施工现场。可以用库水作为灌浆用水，根据灌浆施工的需要，在水泥浆液中添加适量水玻璃。水泥重量误差控制在5%以内，均匀的搅拌浆液至少3min。配置浆液时，按照水→水泥→掺合料/外加剂→粉煤灰/细砂的顺序依次加入材料。如果施工期间温度较低，天气寒冷，可适当采取防寒措施，保证灌浆液温度为5～40℃。

（2）灌浆设备：全面检测灌浆管道，保证管道能够承受1.5倍以上的最大灌浆压力。将压力表设置在灌浆泵与灌浆孔口的位置，将灌浆压力调整到压力表最大标值的1/2处。准备压力摆动范围不超过灌浆压力1/5的高压灌浆泵与大量程的压力表。根据施工要求准备适量具有耐腐蚀性能的灌浆阀门、孔口封闭器、钢丝编织的胶管等材料。

3.2 施工要求

（1）施工前，对照设计图纸核查施工方案和流程，全面了解帷幕灌浆施工现场的地形地质、水文特点。

（2）实地灌浆施工之前，先在现场实施灌浆试验，根据试验结果判断施工方案的合理性，及时完善和调整不合理之处。

（3）根据试验结果确定帷幕灌浆施工轴线的位置、帷幕深度与长度、帷幕数量等。

（4）根据试验结果进行帷幕灌浆施工检测，采取科学的加固措施。

3.3 帷幕灌浆施工技术流程

（1）设置灌浆孔：按照图纸设计，将帷幕灌浆孔的具体方向标记在心墙轴线上，设置为单排孔，相邻两孔之间的距离＜2m，孔位的轴向偏差＜10cm，坝肩孔的深度为3m。钻孔施工中，需要明确注浆管柱的位置、数量和具体尺寸。灌浆时注入适量水泥沙子作为止水剂，注浆时应严格把握灌缝的位置，泥皮的流动性与粘结性应符合设计要求，泥饼进入管道后，与压气管中的空气混合均匀，然后再把压力转移至灌缝位置，以免发生渗漏。

钻孔施工中，首先要做的工作是空位侧方与钻机就位，在钻孔时持续加固孔壁与护筒，防止坝基渗漏，提高大坝结构的安全性。根据灌浆施工情况合理布置钻孔，保证注水压力能够充分满足大坝功能所要求的防渗标准，提高注浆效果。施工过程中应合理控制灌浆压力，对帷幕灌浆缝部位的地形地质变化、裂缝等问题采取有效的处理措施，为灌浆施工的顺利开展奠定良好基础，保障水库大坝的安全性。做好混凝土盖板层的钻进以及孔口管的埋设工作，合理选择灌浆施工的注浆材料，保证注浆材料性能和质量良好，做好注水嘴的密封措施，预防渗漏。严格按照设计图纸的要求处理混凝土灌缝，保证孔口的位置和尺寸能够满足水库运行、维护、防渗漏质量要求[2]。

（2）钻孔层面施工：固结灌浆施工完成后，可开始帷幕灌浆。浆液强度需要达到混凝土50%以上之后，才能进行灌浆施工。按照河床→左岸→右岸的顺序为帷幕钻孔进行独立编号。需要注意的是，河床位置的编号方向是从左到右，左岸和右岸的编号方向都是从下到上。钻孔深度需要比帷幕孔钻孔大20m，并且钻孔完成后还要测量并记录孔的倾斜度。

（3）钻孔冲洗裂隙与压水试验：①灌浆部位的钻进施工结束后马上清孔，将孔内的沉淀厚度控制在20cm以内。②灌浆前用压力水将裂隙冲洗干净，验收达到标准后，接入灌浆器材，然后采用单点法或者五点法，按照从上到下的顺序进行压水试验。各次序孔的各个灌浆段的压水试验都可采用单点法，压力范围保持灌浆压力的80%。压水时间保持20min以上。每隔3～5m测量一次压入流量，根据流量表确定最终的流量数值。

（4）制浆层面的工艺流程：用新鲜的、不受潮结块的硅酸盐水泥制备混凝土，如果采用纯水泥浆，可选择普通搅拌机，搅拌时间＞30s。如果是普通水泥浆液，浆液温度需要控制在5～40℃，时间不超过4h。如果温度＞40℃，或者时间＞4h，应立刻终止灌浆施工，剩余浆液全部做废弃处理。

（5）帷幕灌浆：灌浆压力随着高程升高而降低。高程＜160 m时，灌浆压力为0.6～0.7 MPa；高程160～170 m 时，灌浆压力为0.5～0.6MPa；高程＞170m时，灌浆压力为0.5MPa。在基础岩体和趾板不被搬动的情况下，应最大程度的提高帷幕灌浆压力，让灌浆压力处于压力表最大值的1/4～3/4之间。在浆液注入量＞300L，或者灌注时间＞1h，但灌浆压力和注入率却未见明显变化的情况下，则需要调整灌注方法。在灌浆压力不变，注入率持续降低的情况下，需要保持水灰比不变。在注入率＞30L/min的情况下，应该根据具体情况调整灌浆浓度。

（6）封孔：灌浆施工完成后，需要进行封孔。灌浆孔的注入率＜1L/min，持续注入1h，再中断灌浆。采用“全孔压力灌浆封孔法”进行封孔操作：使用射浆管把孔内的余浆全都换成水灰比为0.5：1的浓浆，然后提起射浆管，封闭孔口，让浓浆源源不断的注入孔内，完成封孔。封孔灌浆压力采用设计的最大灌浆压力，注入率＜1L/min时，持续不断的闭浆1h以上。

3.4 灌浆施工要点

在可溶性岩石区域施工，很可能出现漏水问题，从而增加施工成本。针对漏水现象，可采用模袋灌浆与填充级配料的方式来处理，适合作为模袋的材料有聚丙烯、尼龙等。模袋具有较强的变形能力，可很好的适应各种溶洞形状，更便于堵塞溶洞。而且模袋的耐磨性良好，在模袋中的水泥浆相互挤压时，其中的水分也会被挤压掉，最后只剩下水泥与砂土，加快了砂浆凝固速度。如果填充级配料时使用砾石的效果不佳，可采用黏稠度较强的水泥作为冲灌级配料。