下河湾水库除险加固工程充填灌浆技术分析

曹振军

（大同市水利灌溉服务中心，山西 大同 037000）

1 项目概况

下河湾水库地处大同市广灵县壶泉镇西河乡村西1 km 处，距离广灵县城2 km 左右。地势平坦开阔，气候温暖湿润，适宜多种农作物生长。水库位于壶流河干流上，属于海河流域永定河流域桑干河的一级支流，坝址上方的流域面积为1 053.6 km2，水库总库容为650 万m3。该地区地形地貌复杂多样，地质条件较差。枢纽工程主要包括大坝、泄水闸、进水闸和泵站。项目的等别是IV，主要建筑有四个等级，工程设计防洪标准按20 年一遇洪水设计，按100 年一遇洪水验算，坝址区采用VII 度抗震设防，以灌溉和防洪为主要功能，考虑到水产养殖，建设小（一）型清水旁引水库。

2 闸址区存在的工程地质问题

2.1 闸基渗漏问题

闸长7.98 m，正常蓄水位高程957.7 m，闸基渗漏量按单层渗漏量计算公式如下：

式中：q——闸基单宽渗漏量，m3/d；

K——透水层渗透系数，m/d；

H——闸上下游水位差，m；

2b——闸底宽，m；

T——透水层厚度，m。

经计算，闸基总渗漏量166 m3/d。详见表1。

表1 闸基渗漏量计算成果表

2.2 闸基渗透变形问题

2.2.1 渗透变形判别

闸基为第四系全新统冲积（Q4al）④层砂砾石，存在渗透变形问题。颗分结果：砾石含量14.8%～82.3%，砂粒含量17.7%～85.2%，不均匀系数Cu 为5.4～42。根据试验资料和《水利水电工程地质勘察规范》（GB 50487-2008）附录G.0.1，坝基④层砂砾石渗透变形为过渡型。

2.2.2 临界水力比降

根据下式计算过渡型破坏临界水力比降：

式中：Jcr——土的临界水力比降；

Gs——土的比重；

n——土的孔隙率。

经计算，④层砂砾石渗透变形为过渡型，临界水力比降为0.51，安全系数取2，允许水力比降为0.26。详见表2。

表2 渗透变形类别判别表

2.3 闸基地震液化问题

基于标准贯入试验锤击数法，复判了第四系全新统冲四段砂砾石的液化。通过现场调查及室内土工实验，分析了不同土层中饱和砂土和亚粘土在自然状态下的力学性质变化特征，以及不同深度处孔隙水压力消散规律。依据《水利水电工程地质勘察规范》（GB50487—2018）附录P，当N＜Ncr时，判断为液化土。在此基础上结合工程实例分析了该地区不同深度土层及饱和砂土中可能出现的不排水剪切波速和临界孔隙比变化特征。按勘测设计给出的土坝地质特征，审查它们的地质情况。本次根据标准贯入试验锤击数法对第四系全新统冲积④层砂砾石进行液化复判，见表3。

表3 闸址区液化判别表

复判结果：④层砂砾石不存在液化问题。

3 水库枢纽工程任务

3.1 存在问题

水库枢纽主要包括主坝、南副坝、西副坝、泄水闸、进水闸和泵站。当前所面临的问题：一是主坝和南副坝的坝顶高程均未达到规范要求。二是主坝泄水闸闸基和两侧坝基未作防渗处理（桩号0+130—桩号0+170 段），形成渗漏通道。三是大坝上游干砌石护坡部分破损。四是南副坝和西副坝大坝顶部混凝土路面破坏严重。五是南副坝不作防渗墙，一些坝基（桩号2+160—桩号3+200 段）有级配不良砾层，蓄水以后存在坝基渗流的问题。六是泄水闸的下游侧涵洞出现多处渗漏，有渗漏的隐患，泄水闸无法正常工作。七是进水闸上、下游翼墙破损严重。

3.2 解决措施

针对上述大坝安全鉴定结论中提出的问题，逐项对现状水库中存在的问题进行分析。受经费限制，此次除险加固执行项目的主要内容如下：一是主坝加筑防浪墙并对上游坝坡进行翻修。二是南副坝桩号2+100—桩号3+455 段坝加高，排洪渠出口左岸设置防冲护坡（暂不做防渗墙）。三是进水闸上、下游翼墙的维修。四是泄水闸闸前加一道高喷混凝土防渗墙，两侧翼墙均设有挂网混凝土；在闸室内布置高压旋喷桩加固地基土；拆除和建造闸室两边的耳房；在闸室段和涵洞段采用充填灌浆；更换泄水闸作业和大修闸门启闭装置。

4 充填灌浆施工

在闸室段和涵洞段，采用充填灌浆技术对水库大坝病害进行处治。充填灌浆，是采用压力浆液，填充坝体中已存在的裂隙、洞穴和其他坝体隐患，实现加固堤坝的灌浆方法。施工工序可分为清孔、注浆、封孔三个步骤，其中清孔法又包括冲洗、沉砂、振冲三部分。

4.1 灌浆试验

在正式灌浆之前，选择20～50 m 长，有安全隐患的典型坝段进行灌浆，开展单孔及多孔灌浆试验。对灌浆前后坝体内部渗流场进行分析，并与原型监测结果相比较，以确定其合理性。根据灌浆设计布孔、打浆、灌注。观察灌浆压力、吃浆量和泥浆容重等。并根据实测数据计算出压浆流量和压浆阻力值，绘制出相应曲线，以指导工程实践。分析实验数据，总结经验，并进行参数修正，改进灌浆工艺。根据工程实验，总结出一套完整的施工工艺。

测试使用的土料和浆液。通过土样的物理力学性质测试，了解土的物理性质。土料试验的内容，有颗粒分析的有机质含量和可容盐含量。注浆试验，包括密度、渗透系数及滤失量等。浆液试验的内容有容重、黏度和稳定性、胶体率和失水量等。在灌浆试验期间要对现场施工情况及存在问题进行详细的记录，内容主要有钻孔、灌浆压力、浆材及灌浆量，裂缝发生长、深、宽、连续性与方向等。通过对每个步骤进行全面检查，确保灌浆质量符合设计要求。

4.2 造孔技术

（1）钻孔通常选用两台XU-100 型钻机。对较小的缺陷采用人工扩挖方法进行加固处理。所述孔位设置于隐患位置，多排孔可以按照梅花形排列，终孔孔距可采用2 m 或者根据实验进行测定。造孔的先后排列顺序是先上后下，分为两个顺序跳跃造孔。

（2）造孔要确保铅直，钻孔深度要大于隐患深度1～2 m，采用泥浆护壁造孔。

（3）对造孔进行记录与说明，若发现有特殊情况，则要进行细致记录与分析处理。

4.3 灌浆问题治理

4.3.1 施工过程中产生裂缝的治理措施

（1）坝顶纵向裂缝时，要分析其产生的原因。如果是劈裂裂缝，在裂缝开展至容许宽度的情况下，要立即停止灌浆，加强监控，裂缝基本封闭后方可灌浆；若为湿陷缝可以继续注浆。

（2）坝顶产生横向裂缝后，立即停止灌水。若裂缝宽度较大，可以在坝体中设置钢筋笼，再进行加固处理。若裂缝深度浅可以挖除，采用黏性土进行回填夯实，并继续注浆；若裂缝更深，可采用稠浆灌注。

（3）弯曲段坝顶开裂后立即停止灌水，同时用高压水枪对坝体进行冲洗，并将其表面的水泥砂浆和碎石清除干净，再沿着裂缝进行布孔，按多孔轮灌方式注入稠浆，封堵裂缝，处理完成后，重新压入灌浆。

4.3.2 浓浆、低压和间歇灌注法处理冒浆

（1）坝顶发生冒浆后立即停止灌水，以及挖除冒浆出口，采用黏性土料回填夯实。钻孔四周冒浆水，可以通过压砂处理后继续灌浆。

（2）洞穴冒浆后，先用压砂把冒浆口处的洞堵住，然后继续注浆。

（3）坝坡冒浆可用稠浆间歇灌注。坝体和现有建筑物的接触带上冒浆时，可采用较浓水泥黏土浆注入。

4.3.3 浓浆、间歇和低压灌注处理串浆

（1）在第一序孔注浆完成后，找出相邻串浆孔，要强化监控，如果证实不影响坝体安全，灌浆孔与串浆孔可以一次灌注完成；若不适宜一次灌注，可以堵住串浆孔，再继续灌浆。

（2）如果浆液串在测压管内，灌浆完成后要重新补上测压管。

（3）施工过程中有塌坑的地方，可以挖一些泥浆回填黏性土料并分层压实。

（4）当施工发现坝坡凸起，立即停止灌浆，并加强监控和原因分析。如果证实坝坡是稳定的，停止灌水后可以继续进行灌浆和注意监控。

4.4 充填灌浆质量检验

检验用测试、试验、监控等方法，按照设计要求严格控制灌浆每道工序及各项技术参数，并且及时、准确地记录下来。

灌浆质量检查，在灌浆前应对照隐患部位，认真查看，并进行量测，考察坝后渗流量、下游坝坡渗水出逸点位置及浸润面积；同一库水位时，比较灌浆前后变化，分析灌浆效果。

通过检查发现有些大坝渗漏问题，是由坝体本身存在缺陷引起的，如下河湾水库除险加固工程灌浆时，观测到原来漏水裂隙处泥浆外渗，等灌浆结束后进行复查，泥浆已经完全充满了原有的裂隙。

必要时可通过钻孔，探井（槽）掘进检查，取样测定和物探等手段对灌浆质量进行验证。

5 结语

充填灌浆属于隐蔽性较强的一项施工，更是良心工程，只有各参建方强化责任意识，严格管理并不断摸索，适时优化灌浆技术参数，才能有效保证工程的质量和安全。

下河湾水库除险加固工程的实施，顺利通过了下闸蓄水检查,解决了泄水闸下侧涵洞的多处渗漏问题，坝体质量得到了明显改善，现有渗漏安全隐患已彻底消除,为保证水库闸门正常运行，确保大坝安全度汛和防洪安全提供了可靠保障。