东风水库左岸补强帷幕灌浆施工关键技术研究

李建坤，陈中和

（中水北方勘测设计研究有限责任公司,天津 300222）

0 引言

帷幕灌浆方法是水利工程建设中常用的补强防渗工程方法一种,利用设备对所要求防渗工程处理的施工区地层进行钻探、清洗、压水、灌注水泥浆液的方法,将水泥浆液压入地基裂隙内,硬化胶结,从而形成一个强度高、抗渗透、弹性模量大及较高完整性的阻水帷幕,以达到减小坝基渗漏量的目的。因此相关技术在实际应用中,对于施工质量控制、工序控制及质量检查提出了较高的要求[1]。

1 工程概况

金堂县东风水库坐落于沱江左岸清溪河一级支流,距离金堂县县城约25 km。大坝地理坐标在东经104°35′7′,北纬30°51′7′,涉及集雨面积16.8 km2,多年平均径流量421 万m3。1958年11 月开工,1960年10 月建成主坝高31.8 m、总容积为712 万m3,属Ⅳ等小（1）型水库,灌溉面积1.5 万亩,实灌面积是1.25 万亩。由于水库位置高,发展自然灌溉条件好,更有人民渠七期余水充蓄,经各级主管部门的审批认可,将东风水库扩建为中型工程,以缓解该县丘陵区缺水问题。

扩建后,水库正常蓄水位高程500.00 m,大坝坝顶高程503.70 m,最大坝高可达48.39 m,正常库容2200 万m3,总库容为2610 万m3,灌溉区面积11.62 万亩。东风水库坝型为粘土心墙石渣坝,本次扩建保持原大坝上游坝坡不变,从原大坝下游面培厚加高坝体。溢洪道进口底板设计高程500.00 m,全部长度589 m,设计泄洪流速可达45.5 m3/s,校核泄洪流速85 m3/s。放水（空）洞进口底板高程475.0 m,全长236 m。

2 方案设计

2018年11 月,业主在对大坝例行巡视中发现大坝下游左坝坡出现渗水现象,最高点位于左岸排水沟位置,高程为473.7 m,最低点位于排水棱体平台467.0 m,初步测量湿润面积约923 m2,大坝下游左岸排水棱体上游地段有从坡面浸润或集中呈股状流出,左岸基岩地下水呈股状流出,影响下游坝坡的安全稳定。

2018年～2021年期间局部进行灌浆, 效果不理想。2021年11 月完成了“金堂县东风水库扩建工程大坝补强帷幕灌浆工程实施方案”。

左坝肩坝段灌浆孔沿着大坝轴线布置,为双排斜孔,其中上游排桩号为坝0-065.00～坝0+075.00,灌浆孔轴线长度140.00 m,共布置65 孔。下游排灌孔分为两部分,桩号为坝0+057.00～坝0+049.00,共布置5 孔,桩号坝0-007.00～坝0-065.00,共布置30 孔。双排斜孔灌浆孔合计100 孔。

左坝肩灌浆孔与原灌浆孔排距1.0 m,相邻孔距2.0 m,呈梅花型布置,倾斜角度15°,终孔端偏差不大于1°,终孔孔径不小于75 mm,孔底高程412.00 m～440.00 m,孔深65.8 m～94.9 m。

起灌高程：坝0+000.00～坝0+075.00 段为原混凝土灌浆平台高程；坝0+000.00～坝0-065.00 段为500 m 正常蓄水位高程。

3 帷幕灌浆施工

（1）施工测量。针对现场的状况,通过准确计算钻孔的部位、数量、间距、斜率和工程信息,确保用适当的方式使孔径的尺寸满足设计方案需要。100 个斜孔眼,依据钻孔深浅和造孔难易等具体情况,决定工程期限90 d。整个左岸灌浆孔施工过程中,建成的帷幕灌浆统计总段数1323 段,完成非灌浆段统计长度1438.29 m,完成灌浆段统计长度6594.83 m,注灰后总重量约为1379847 kg,单位注灰量209.23 kg。

（2）设置灌浆孔。灌浆孔孔位、孔斜、孔深应均按设计图进行钻孔、灌浆,钻孔按双排孔布置,分Ⅲ序施工,大坝坝体范围内钻孔施工采用无水施工,坝体心墙部分需下套管护壁。灌浆方法使用孔内循环法。钻孔灌浆间距仍按2 m,排距按1 m 布孔。帷幕灌浆具体施工按分序加密进行。两排孔组成的帷幕应先灌注下游排孔,后灌注上游排序钻孔。采取的是自上而下,钻取一段灌浆一段的孔口封闭式灌浆施工法。灌浆段长度一般控制在5 m,最大段长不得超过8 m,接触段长2 m（原灌浆混凝土平台与基岩接触部位）。

本工程现场使用孔口封闭灌浆施工法。各孔接触段,应先行单独钻孔与灌浆,镶铸孔口管,待凝48 h 以上。采用孔口封闭器要求需具备良好的耐压性和密封性,保障灌浆管在灌浆过程中可以灵活转动和起降。

（3）钻进成孔。首先,清除施工现场,保证将所有妨碍施工效率的外来杂物全部清理,在清除完毕之后,再进行地面搭设钻探台的工作。在设置桩架的过程中,确保桩架定位正确,并适当设置钻头。确定钻机定位准确,使钻具、灌浆孔放孔位置以及平台处于同一中心线上,并确保高度合适。钻头装配完成后,对钻头进行试验。首先选定试验部位,然后进行试验,确定了钻具供水以及确定了机械的功率大小,此资料为以后进行钻孔依据。在开始施工之时,应对钻具、钻杆等装置进行仔细检查,以确保钻具没有扭曲、松散的现象,并保证钻具以相同的转动速度开展钻探,才能很好地完成钻孔。

（4）裂隙冲洗及压水测试。灌浆孔完成后,用高压水流放至底部对孔底、孔壁进行灌浆前的冲洗工作,冲洗压力为该灌浆段压力的80%,以此保证孔底及孔壁干净。在孔底清洁的过程中,用压力管道或钻杆对冲洗水流输送,在冲洗孔底及孔壁过程中,不间断水流,以达到清洁目的。冲洗中发生回流水,水质不好,需连续冲洗20 min 以上,从开始冲洗到结束,完整冲洗过程必须连续30 min 以上。坝体部位的灌浆孔比其他部分的要深,需延长钻孔冲洗时间,针对于该段的冲洗时间就要超过1 h,以保证钻孔冲洗更清洁。全部冲洗工作结束后,需自上而下分段进行压水试验。压水试验采用单点法,将压力限制在灌浆压力80%左右,严格遵循施工规范要求,避免因过高的冲洗压力而破坏孔壁完整性及裂隙的连通性。

（5）灌浆施工。冲洗作业结束后,依据压水测试获取的对应数据展开灌浆施工工作。水泥浆液浓度水灰比分为5∶1、3∶1、2∶1、1∶1、0.8∶1、0.5∶1 六比级,水泥浆液浓度变换原则：当灌注量达300 L 或灌注持续时间达到30 min,且灌浆压力或灌注速率无变化或变化不明显,将灌浆浓度再提高一级。也可根据简易压水试验的吸水量大小及现场工作情况越级使用浓浆灌注,灌注效果差,应恢复稀浆灌注。

帷幕灌浆以设计压力自上而下进行,以最大设计压力进行灌浆,灌注速率不超过1 L/min 时,持续灌注30 min 后,即为完成该段灌浆工作。

（6）终孔及密封。帷幕灌浆孔终孔,原则为连续两灌浆段压水测试透水率≤5 Lu。终孔段的透水率或单位灌注量超过设计提供值时,则该灌浆孔需继续加深灌浆。

完成灌浆后,通过压力灌浆或高浓度水泥浆液置换等方式密封已完成灌浆孔。采用水灰比1∶0.5 的水泥浆液置换钻孔内较稀浆或积水,使用全孔灌浆法进行封孔,浆液经过沉降后,使用水泥砂浆补封沉降部分至孔口[2]。

4 工程施工中问题及应对措施

（1）钻孔事故处理。在灌浆孔施工过程中,基岩钻孔局部出现塌孔、掉块、缩孔等卡钻机问题,使施工难度加大。通过打捞设备及套管跟管钻进技术,对钻机事故的发生发挥了较好的控制效果。

（2）浆液凝固抱射浆管问题。左岸开始施工时,ZK1、ZK9、ZK17、ZK29、ZK37 部分灌浆段压水测试最大泵量达80 L/min～100 L/min,该段压水测试时无压力无回水,灌浆时,水灰比0.5,时长30 min 后,仍为无压无回状态,间歇10 min～20 min,出现水泥浆抱死射浆管情况。灌浆无压无回,导致孔内浆液循环不畅,局部出现水泥浆液沉淀。后续采取减少间歇时间、每隔10 min 左右进行一次提钻,水泥浆抱管现象得以控制。

（3）地面抬动问题。左岸ZK37,2022.5.16 夜班第一段灌浆过程中出现上坝面冒浆情况,该孔周围坝面路接缝处出现抬动,立即停止灌浆。后经分析基岩层面及垂向裂隙发育,灌浆设计压力较大,混凝土盖板处较为薄弱,出现上坝面冒浆及路面抬动情况。现场采取及时封堵串、冒浆点,采用降压、限流、间歇及待凝等措施进行处理,效果较好,未再次出现抬动问题。

（4）突发停电问题。夏季施工,由于天气原因,该区域处于用电高峰期,会出现随机停电情况。出现正在灌浆过程中,突发停电情况,灌浆泵及输浆管会出现堵塞情况。现场准备备用发电机,减少灌浆事故。

5 帷幕灌浆施工技术要点

（1）水泥浆液变换浓度原则。灌浆浆液水灰比变化是否合理,是保证帷幕灌浆施工质量的关键技术问题。当灌注浆液量大于300 L,或者灌浆连续时长超出30 min,且灌浆压力变化或灌注速率变化不显著时,灌浆浓度可提高一级。也可根据压水试验的透水率,结合现场工作情况越级使用浓浆灌注,若灌注效果差时,应恢复稀浆灌注。

（2）在灌浆过程中发现冒浆、漏浆时要进行全表面封堵、拦截,同时采取低压浓浆限流、间歇、待凝等办法解决。通过上述方式处理后,即可停止本次灌浆工作,在待凝20 小时后应进行扫孔再重新灌浆,若再次出现上述情况仍采用上述方式进行处理。

（3）对于无压无回或者回浆量相对较少段灌浆过程中,为防止射浆管被水泥浆凝住,在灌浆过程中要经常旋转或者上下拉动灌浆射浆管。

（4）灌浆质量保证。在帷幕灌浆实施过程中,要实时进行施工流程检测,以保障灌浆施工质量。现场技术人员及资料员在灌浆进程中,要进行灌注速率实时跟踪监测、记录,如果发现与灌浆施工技术要求不符,应立即查找出问题所在,并及时有效解决。在所有灌浆孔灌浆完成后,按照灌浆孔总数目10%对帷幕灌浆孔抽检,进行质量检测,并将检测结果交现场监理员,确保大坝补强灌浆的帷幕灌浆施工质量效果。

6 结论

随着中国当前经济社会高速增长,对水利工程的施工也提出了越来越高要求,特别是水利工程防渗补强施工问题,对保证施工的安全、稳定性、效率都有着重大作用。以东风水库左岸补强防渗工程为例,结合工程区工程地质条件及补强防渗设计方案,就帷幕灌浆补强防渗施工过程中的灌浆关键技术进行探讨,根据帷幕灌浆施工过程中可能出现的问题,提出处理措施,并对施工过程中的技术要点进行总结,以期为类似案例提供有益借鉴。