水利浆砌石坝防渗加固中灌浆技术的应用

陈志鹏

（南水北调中线干线工程建设管理局河南分局，河南 郑州 456150）

0 引言

在水库大坝除险加固中，灌浆施工技术具有显著的应用优势，能够根据大坝实际病险进行高效除险加固，消除大坝问题，延长大坝使用年限。在浆砌石坝防渗加固中，灌浆技术应用能够在坝体或坝基中灌入水泥浆液，重新充填砌石坝内的孔隙与漏洞，从而形成防渗体，消除大坝渗漏病险，恢复大坝使用功能[1]。该工程中，某水库大坝兴建于70 年代初，大坝建成后已投入使用40 多年，当前大坝存在诸多病险，须进行防渗加固。根据大坝实际渗漏情况，选择灌浆施工技术进行防渗加固，延长大坝使用寿命，发挥大坝功能价值。

1 工程概况

某水库是一座集灌溉、发电、防洪等综合效益于一体的小（Ⅱ）型水利工程，枢纽工程由水库大坝、输水涵管等组成。水库大坝为浆砌石砼心墙重力坝，坝顶高程为237m，防浪墙顶高程238m，坝高43.7m，坝顶长度30.5m。水库总库容为1300 万m3，工程级别为Ⅲ等，该施工对大坝按照3 级建筑物设计考虑。

大坝建成投入使用已超过40 年，坝体浆砌石构成包括花岗岩块石和水泥砂浆，花岗岩石块多为棱角状，岩质坚硬；通过现场勘查与钻孔取芯，坝体水泥砂浆老化问题严重，砂浆和砼强度低，与块石胶结程度较差，气孔与蜂窝状孔隙较多，浆砌石坝整体密实度较低。溢洪道边墙采用上、下部混凝土、中部浆砌石结构，浆砌石构成同样是花岗岩块石与水泥砂浆，其整体密实度同样较低；混凝土粗骨料为花岗岩碎石。经鉴定，大坝浆砌石材料容重较低，已经不能满足设计要求，防渗体系作用严重减退，已不能发挥原本的防渗功能，亟需采取有效措施防渗加固。

2 浆砌石坝防渗加固设计

2.1 大坝目前存在的问题

该水库当前存在的主要问题就是大坝渗漏病险影响大坝耐久性和安全性。经检测鉴定，坝体容重较低，天然密度还不能达到2g/cm2，不能满足规范值要求，导致输送时，坝身渗漏严重，安全系数下降。因此，当前亟需增加坝体容重，堵塞渗漏，提高坝体耐久性。

2.2 大坝防渗加固设计

根据该工程实际，在防渗加固设计中，坝体浆砌石加固选择坝顶整体充填水泥砂浆+坝顶外区域网格灌浆加固方法；大坝防渗体系采用灌浆重造防渗幕加固方案；坝基采用帷幕灌浆技术加固[2]。

2.2.1 坝体浆砌石加固设计

坝顶区域采用整体填充水泥砂浆，先填充渗流部位及吃浆量大的孔隙。按照先下游再上游，先疏后密的原则，布置两排灌浆孔，排距0.8m、孔距3m、孔径直径为75mm，终孔处为每排廊道以上2m 处，然后转向廊道内基础岩面下1m处进行连续灌浆，防止坝基面接触渗漏。每排孔依次分成三序进行灌浆，孔间距Ⅰ序12m、Ⅱ序12m、Ⅲ序6m。坝顶外区域设置网格型灌浆孔，在基础岩石上铺设半径长为12.5cm的半圆预制混凝土管排水网络，分布方式按照与坝体轴线平行或垂直的形式，半圆形排水网格的间距设置为8m，排水网格中的纵横排距均为6m、孔距3m、孔直径75mm，通过排水管，可以将坝体渗透的水向坝体内设置的集水井中引流，然后再从坝体中向外抽出；同时，终孔位置在大坝垫层上2m 处，有效避免坝体的排水网格发生堵塞。

2.2.2 防渗墙灌浆重造防渗幕加固设计

在混凝土防渗墙后浆砌石体区域进行灌浆施工，布置3排管径孔，孔开灌处均为坝顶或溢流面顶部，第一排为下游封闭孔，距离下游0.6m，孔距3m，终孔位置在廊道上部，并转向廊道内续灌；第二排为造幕孔，与坝体第二排充填孔轴线相同，并在其基础上补差孔，孔距3m；第三排孔为上游封闭孔，孔距1.5m。

2.2.3 坝基帷幕灌浆加固设计

在对水库大坝进行地质勘查过程中，同时检测坝基的基岩透水率，通过现场压水实验，得到了坝基基岩透水率：实验中钻孔中的水位快速降低，并且持续了较长时间；根据现场实验情况，分析可知大坝坝基透水率最高为6.29Lu，最低为4.91Lu，渗透系数是5.9×10-5cm/s～7.6×10-5cm/s。根据相关规范标准要求，坝高不高于50m 的，坝基相对隔水层透水率应当为5Lu。因此，根据实验数据分析，当前坝基存在渗水的情况，防渗帷幕质量受到了较大的影响。针对坝基灌浆施工加固，选择帷幕灌浆施工方法。帷幕灌浆孔按照先疏后密、从上到下的布设方法进行，分三序孔，孔间距Ⅰ序8m、Ⅱ序8m、Ⅲ序4m。鉴于坝基帷幕重要安全作用，该设计在原设计标准上进行加固补强，包括所有钻孔的总长度岩石部分为4170m，坝体混凝土或浆砌石为440m，按照三序孔进行灌浆。同时，在坝基基础面帷幕灌浆孔做接触关键处理，坝顶浆砌石灌浆不强和防渗幕灌浆孔均向岩基础层深入1m，同时在接触面进行接触灌浆。

3 浆砌石坝灌浆施工技术要点

3.1 各部位灌浆施工要求

在坝体浆砌石灌浆加固及坝基帷幕灌浆施工前，需要对灌浆段进行水汽轮换冲洗，控制冲洗压力，一般不超过灌浆压力的80%，污水冲洗完后，在继续冲洗30min。在坝体浆砌石充填灌浆中，灌浆压力不超过0.3MPa，根据吃浆量大小，可以先用水泥砂浆，再用水泥浆进行填充；坝顶填充浆量设计水泥用量为500kg/m。坝体充填灌浆施工采用的原材料为强度是42.5 的硅酸盐水泥。

在坝基帷幕灌浆施工中，灌浆孔钻孔暴露岩石为2270m，暴露浆砌石为20m，洞内浆砌石390m，洞内坝基岩石1555m；灌浆水泥用量250kg/m，共1970m。同时，在灌浆施工前，也需要对灌浆段进行水汽轮换冲洗，其冲洗压力与坝体填充灌浆施工冲自压力要求相同。水泥材料选用强度42.5 硅酸盐水泥。

防渗墙加固施工中重造防渗幕灌浆需要在坝体灌浆完成后在进行，灌浆压力最大不超过0.5MPa，最小不低于0.3MPa，三序孔施工，设计水泥用量为250kg/m，完工后采用高压通气设备，做好扫孔清洁处置。水泥用料均为强度42.5硅酸盐水泥，在施工设计中，确定的材料用量为250kg/m[3]。

3.2 灌浆施工工艺

3.2.1 施工设备准备

该工程中，为确保灌浆质量，共投入两套钻灌机组，具体如表1 所示。

表1 主要施工设备

3.2.2 施工流程

浆砌石坝灌浆施工工艺流程如图1 所示。其中，灌浆前需要进行先导孔钻孔预先探测岩层，间隔一段距离布孔线，从Ⅰ序孔中选择一个孔作为先导孔，明确地质情况。

图1 浆砌石坝灌浆施工工艺流程图

3.2.3 钻孔冲洗与压水试验

采用钻孔设备完成钻孔施工后，需要进行钻孔冲洗，用大量水或者大量风冲击钻孔，清洁孔内，残渣堆积厚度不应当超过20cm，然后冲洗岩缝。对所有灌浆钻孔均进行冲洗，确保灌浆施工前，各孔内沉淀物厚度在规定范围内。

钻孔冲洗完成后即进行压水试验，压水试验方法包括简易压水法和单点法。在施工中，应用简易压水法进行压水试验的具体过程如下：先进行压水冲洗，达到一定要求后，对压水压力进行控制，一般是灌浆段灌浆压力的八成左右，并且要保证压力值不超过1MPa，对压水流量进行详细记录，间隔5min 进行一次测读，并持续这一流程约30min，根据最后一次记录的压水流量值测量Lu 值。这一过程中，既可以完成压水冲洗，同时又可以简单地了解底层透水性的情况。并且简易压水试验方法简便，操作省时省力，对于提前了解灌浆前地层状况以及前序孔的灌浆施工效果具有优势。

应用单点法进行压水试验的具体过程如下：选取压力点，该点压力不超过灌浆压力的80%，并且压力值在1MPa以下；稳压条件下，间隔3min～5min 进行一次压入流量测量，稳定标准并计算Lu 值。对先导孔和检查孔进行压水试验，既可以先了解基层岩石的透水性，掌握灌浆前地层状况，还可以对比检查孔成果，分析灌浆施工效果是否达到预期，为后续采取相关措施提供可靠依据[4]。

3.2.4 灌浆施工方式

该工程中，灌浆施工采用循环式灌浆和分段灌浆两种方法。循环式灌浆是通过在钻孔中插入内外两根管，在施工过程中压入钻孔中的浆液，一部分可以进入到基层孔隙当中，多出部分浆液则可以沿内外管孔隙沿回浆管路返回至搅拌桶，或者向周围钻孔渗透。这种施工方式能够使浆液保持流动，避免浆液沉淀影响施工效果。

分段式灌浆方法将灌浆段按5m 一段、从上到下划分，随着钻孔深度不断增加，灌浆压力也不断提高。这种方法能够根据实际情况，有效保障灌浆质量。在上部灌浆完工后，可以形成整体性较好的结石，在后续施工过程中，不会出现地面冒浆的情况，不会影响坝体；同时，通过分段施工，可以明确各个阶段的施工成果，以便于及时解决灌浆质量问题，提高施工效率。但是这种灌浆方法需要频繁移动钻机，增加其工作量，浆液凝结时间也较长，影响了施工效率[5]。

3.2.5 灌浆材料选择及浆液变换条件

该施工灌浆材料均选择水泥（砂）浆，浆液制备原料为强度42.5 的普通硅酸盐水泥，水泥细度要求粒径大于80μm的占比不超过5%，确保水泥浆能够在裂隙中有效扩散。同时，出现受潮结块、质保过期的水泥严禁作为原料制备水泥砂浆。灌浆浆液水灰比可按照从稀到浓分成1 ∶1、2 ∶1、3 ∶1 三个等级，根据压水试验，压水试验起压时的吸水量非常大，开灌浓度可随之降低，选择1 ∶1 水灰比；压水试验起压时，可适当提高开灌浓度，选择2 ∶1 水灰比；压水试验无法起压时，提高开灌浓度，选择3 ∶1 水灰比。

当灌浆压力稳定，吸浆量开始逐步均匀下降后；或吸浆量稳定，灌浆压力开始上升时，则可以不更换水灰比，以原有的浆液条件进行灌浆。如果持续注浆中注浆量大于300L，则降低浆液浓度，选用1 ∶1 水灰比浆液灌浆直到完成。浆液浓度根据裂隙吃浆量和灌浆压力确定，如果裂隙相对较小，吃浆量较少，稀浆灌浆时间则较短；相反则需要持续较长时间。

3.2.6 灌浆结束标准及封孔

压力稳定时，钻孔吸浆停止后再持续灌浆10min 后，即可停止施工；结束后，封孔方法采取压力灌浆封孔法，浆液水灰比为1 ∶1，灌浆压力为0.2MPa，封孔应当饱满且密实。

3.2.7 灌浆质量检查

灌浆质量主要通过灌浆检测孔进行检查，根据灌浆相关资料进行综合评定，或采用振动测试仪对坝体质量进行检测分析。灌浆检测孔数量一般在总灌浆孔数量的8%左右；检测孔一般位于灌浆中心线，或者渗漏严重、吃浆量较大的部位；对检测孔进行压水试验，其压力值应当在正常压力的1.5倍左右；检测完成后注意根据要求进行封孔；检测时间一般在该部位关键完成2 周后进行。检测孔整体合格率应在80%以上，不合格孔的透水率不能低于规定要求的50%，则可以判定为灌浆施工达标，否则均认为不达标。

4 大坝灌浆施工效果分析

4.1 灌浆施工前透水率分析

灌浆施工前，通过压水试验对坝体充填灌浆各序孔进行透水率分析，详细结果如表2 所示。

根据表2 可知，灌浆施工前，通过压水试验可知Ⅰ序孔无法起压的段数有48 段，占比达到38.1%；Ⅰ序孔灌浆后，压水试验结果显示Ⅱ序孔的中无法起压的段数下降至33 段，占比下降到26.7%；Ⅱ序孔完成灌浆后，压水试验结果显示Ⅲ序孔灌浆前各孔段无法起压的数量已经下降到20段，占比为7.6%，并且根据Ⅲ序孔透水率分析，其平均值为9.23Lu。相关数据表明，在对各孔序依次灌浆施工过程中，坝体的透水率逐步下降，密实度明显提高，灌浆施工有效提升了大坝坝体的防渗性能。

表2 坝体充填灌浆各序孔施工前透水率分析表

4.2 单位水泥灌入量分析

坝体充填施工中，各序孔单位水泥灌入量具体如表3 所示。

表3 灌浆各序孔单位水泥灌入量表

从表3 可知，从Ⅰ序孔到Ⅲ序孔的单位水泥灌入量呈现明显的下降趋势，Ⅰ序孔到Ⅱ序孔下降了57.6%，Ⅱ序孔到Ⅲ序孔下降了62.4%。这一趋势与正常灌浆递减规律相符合，表明灌浆施工具有良好的效果。

4.3 坝体容重分析

该工程中，经两次现场检测坝体块体密度，同时结合相关经验，确定坝体浆砌石天然容重为2.08g/cm3。灌浆施工后，通过简单计算，坝体容重增加了0.207g/cm3，坝体容重增加值2.287g/cm3。具体计算过程：坝顶范围内灌浆孔共有26+26+54=106 个，取坝高值为1m，坝高范围内容重增加量为106×0.5kg=53kg，平均每立方米容重增加量为（2.08×1.6×160+53）÷（1.6×160×1.0）=2.287kg，即2.287g/cm3。结果满足《砌石坝设计规范》（SL25-2006）中密度取值2.2g/cm3～2.4g/cm3的标准要求。

5 结论

当前，我国大多数浆砌石坝建造时间较早，使用时间较长，再加上相关建造施工技术及经济条件不足，导致出现越来越多的大坝渗漏问题。该工程中，针对大坝整个防渗体系，采取多种不同的灌浆防渗加固施工技术，有效提高了大坝防渗加固效果。实践证明，灌浆施工技术在浆砌石水库大坝防渗加固中能够有效提高大坝的防渗性能，增加坝体容重，实现良好的灌浆施工效果，从而有效延长大坝的使用寿命，为同类型大坝防渗加固施工提供借鉴。