高关水库大坝基岩灌浆方案及工艺参数的确定

高关水库大坝基岩灌浆方案及工艺参数的确定

 王妙法, ,周静

湖北大禹建设股份有限公司

摘要：高关水库是一座以供水灌溉为主的大(2)型水库，坝基岩溶发育，经过多年运行，存在坝基渗漏问题。针对坝基渗漏的不同特点，分别采取对接触带采取浓浆初灌，再复灌，对溶洞、溶隙采取充填灌浆、坝基采用帷幕灌浆处理等综合防渗灌浆工艺，通过现场钻灌试验验证灌浆方案，取得灌浆施工工艺参数，指导项目施工。

关键词：大坝除险加固；基岩灌浆 ；验证方案；工艺参数

1 工程概况

高关水库位于湖北省京山市三阳镇南部，南距京山市城区约 45km。大坝位于大富水河上游，是一座以供水和灌溉为主，兼有防洪、发电、旅游等综合效益的大（2）型水库。主坝为粘土心墙代料坝，坝顶高程 125.10m，黏土心墙顶高程 123.24m，最大坝高 45m，坝顶宽 6.20m。

高关水库于1973年修建完成，坝基未做防渗处理，工程运行后，出现了不同程度的渗漏现象，上世纪90年代被列为“全国第二批重点病险水库”分年度不连续地对主坝中间坝段进行了防渗处理，但左右坝肩坝基仍存在渗漏问题，本文主要通过坝基防渗灌浆试验，确定灌浆方案和灌浆施工工艺参数,并对灌浆效果进行分析总结。

2 工程地质

高关水库坝址位于淮阳山字型前弧西翼、大洪山复式背斜的仙人岭背斜南东倾伏端与云应凹陷北西端的交汇处，主要构造线方向为 NW-SE 向。新华夏系第二沉降带江汉盆地的云应凹陷，北西起大洪山复式背斜的南东端，呈北西窄、南东宽的扇型展布，其南西侧以三阳-皂市断裂为分界与古老地层相接，凹陷中的沉积物均为上白垩统晚期的公安寨组（K2g）紫红色砾岩为主的陆相堆积。

主坝左坝段坝基地层主要为中生界上白垩统公安寨组砾岩。砾岩中灰岩及白云岩砾石占 80%以上，充填物中碳酸盐岩屑也在60%以上，岩石又以钙质胶结为主，故该类砾岩与碳酸盐岩无实质上的差别，属碳酸盐类岩体，其总厚度在 200 米以上。

根据野外钻探资料和室内试验，坝基上部属强风化状态，强风化层厚度3.5～7.5m，基下为弱风化层。随着埋深加大，风化程度渐低，裂隙发育处风化程度较高。岩体强度降低。

前期地质勘察中，在左坝段桩号0+030和0+120m附近，基岩体中F6、F1断层通过，发育有10多处规模大小不等的溶洞、溶槽，溶洞、溶槽的特征为无填充、半填充和全填充，填充物为粘性土夹碎石。溶洞顺溶隙与断层发育，为典型溶隙性溶洞，下游坝脚有多处明水渗出，流量为0.6～1.1L/s。

压水试验查明，左坝段坝体与坝基接触带处理质量差，渗透性大；坝基岩溶发育，岩体透水性强，存在岩溶渗漏问题，下游坝脚有多处明流渗出。

据参与当年大坝建设的施工人员介绍，除已发现的溶洞、溶槽外，宽度10～20cm的溶蚀裂隙很多，未进行编录。

3 渗漏原因分析

3.1 渗漏原因初步分析

根据前期施工资料和本次除险加固工程地质勘探资料分析认为：主坝左坝段渗漏的主要原因是：

坝体与坝基接触带渗漏：大坝填筑施工期间，对坝体与坝基接触带处理不彻底，形成渗漏通道；尽管本次除险加固在该坝段新增的防渗墙深入基岩0.5m，但防渗墙底部沉渣未完全清理干净，接触带渗漏仍然存在，且坝基表层为强风化层，局部基岩透水率达到12.5Lu的中等透水层，是坝体渗漏的一个关键因素；

岩溶管道性溶槽集中渗漏：左坝段坝基有岩溶较发育，本次除险加固工程在左坝肩布置了两处勘察横断面均发现存在溶洞，溶洞处的岩石透水率大于100Lu，岩体透水性强，是坝体渗漏的最主要因素；

坝基风化裂隙渗漏：坝基大部分基岩为弱透水层，基岩面以下3～7.5m的强风化带和靠近溶槽附近的岩体有大量的裂隙存在，局部岩层透水率达到12.50～38.4Lu，属中等透水层，这也是坝基渗漏的一个重要原因。

3.2 第1阶段灌浆试验

为进一步探明主坝基岩的水文地质条件，验证上述坝基渗漏原因分析的合理性，进而进一步优化基岩防渗灌浆处理方案，项目部在主坝桩号0+57.00～0+69.00（59号孔～67号孔）按初步设计拟定的灌浆方案进行了第1阶段的灌浆试验，试验过程中发生了如下现象：

接触带灌浆：大部分孔均有回浆，并能升起一定压力，耗灰量较大；但部分孔，长时间打不起压力，一直处于低压状态；部分孔加到设计压后，浆液沿防渗墙和粘土芯墙接缝处溢出，或从临近孔串浆。

溶洞处灌浆：部分溶洞吸浆量特别大，灌入3吨水泥仍不能终孔，分析原因主要是这类溶洞为无填充或半填充型，溶腔较大或为贯通型溶洞，浆液扩散范围很大；

第1阶段的试验进一步证明，坝基渗漏原因分析是合理的。为此项目部对坝基灌浆方案做了如下调整，并在临近的大坝桩号0+046.50m～0+057.00m（52号～58号孔)进行了补充灌浆试验。

对接触带部位采取初灌、复灌的处理措施：即先对第1段（接触带段)用0.5:1的浓浆进行低压初灌，待凝24h后，再按正常灌浆程序对第1段进行复灌，然后对其以下各段按自上而下分段灌浆。

对较大的溶洞、溶隙段的防渗灌浆：在溶洞上、下游1.5m各钻一排辅助灌浆孔，先从辅助孔中灌浆水泥砂浆，将溶洞、溶隙填满，再在主帷幕孔中进行帷幕灌浆，用水泥净浆对溶洞填充物进行挤密，从而达到防渗的目的。

4 试验段灌浆方案及工艺参数

4.1 基岩防渗处理方案

高关水库主坝左坝段基岩防渗处理采取溶洞、溶隙充填灌浆和坝基帷幕灌浆相结合的防渗处理方案；接触带灌浆采取先用浓浆低压灌浆，待凝24h后，再按正常灌浆压力和浆液浓度复灌的工艺进行处理。

地质资料显示高关水库主坝坝基存在不同大小、宽窄的溶洞、溶隙；钻孔施工时从掉钻现象，基本可以判断出溶洞的大小和溶缝的宽度。施工中遇到此类地层发生失水现象，立即停止钻进，用大水量进行冲洗，然后根据失水情况确定处理方法，即:

1)失水严重情况：孔口无回水，漏量无法测定时，采用：配合比水:水泥:砂=0.6:1:1的水泥砂浆灌浆，灌注压力控制在 0.5 Mpa，灌注至孔口有回浆，升压时进行待凝，然后扫孔用常规水泥浆液灌注，直至达到结束标准。

2)部分失水：孔口有少量回水或孔口注水可以注满，但停泵后水位立即下降时，采用大水量冲洗孔段，从孔口将溶洞内充填物尽可能冲出孔外，然后用水泥砂浆灌注并控制进浆量；待凝扫孔复灌至孔口有回浆，升压时进行待凝，然后扫孔用常规水泥浆液灌注，直至达到结束标准。

3）溶洞较宽的情况：在溶洞上、下游增设一排辅助灌浆孔，对溶洞进行水泥砂浆充填灌浆，待溶洞充填满后，再从主帷幕孔用水泥净浆进行帷幕灌浆。

试验段施工时，在58号孔发现了1个埋深37.7～47.1m溶洞，溶腔高度9.4m，溶洞特征为半填充型，填充物为粘性土夹碎石，但未发现地下水流动，漏量较大，在相临的57号孔和59号孔未见溶洞，说明帷幕轴线处溶洞宽度不到3.0m。施工时在58号孔上、下游1.5m各钻了一个辅助灌浆孔，对溶洞进行充填灌浆。灌浆时先采用0.6:1:1的水泥砂浆灌浆，经过3次间歇复灌（按注入200kg/m停歇8h)后，溶腔填满，孔口有回浆，待凝时间 24 h ，扫孔至空腔底部以上 0.5 m 处，改用水泥净浆浓浆灌浆，灌注压力控制在 0.5 Mpa，限制吸浆率，不超过5L/(min m),以减小浆液在缝隙中的流动速度，促使浆液尽快沉积；待凝48h待凝，然后扫孔用常规压力和水泥浆液灌注，直至达到结束标准。

4.2 帷幕灌浆孔布置

灌浆试验选在大坝桩号0+046.50m～0+057.00m（52号～58号孔)进行。次试验共计布置了7个试验孔，其中Ⅰ序孔1个，Ⅱ序孔2个，Ⅲ序孔4个。并在53号孔、54号孔之间和57号孔、58号孔中间各钻1个灌浆检查孔，在56号孔和57号孔中间钻了一个抬动观测孔，对灌浆效果进行了检查。钻孔布置见图4-1 试验孔钻孔布置图。

图4-1 帷幕灌浆试验孔布置图

4.3 帷幕灌浆底线

帷幕灌浆孔底高程以5Lu线以下5m控制。在坝轴线帷幕灌浆钻孔时若发现溶洞，先用水泥砂浆对溶洞或溶腔进行灌注，同时在坝轴线帷幕孔上下游各增设一排帷幕孔灌注溶洞或溶腔。溶洞或溶腔灌注完成后，再继续帷幕灌浆，直至5Lu线以下5m或帷幕灌浆底线。溶洞范围内增设的帷幕灌浆孔底高程以最底层溶洞顶高程控制; 具体高程详见表4-1。

表4-1     试验段孔位、孔深控制表

4.2 帷幕灌浆施工顺序

（1）帷幕灌浆按先施工下游排再施工上游排，同一排按分序加密的原则，分3序进行施工，其施工先后次序为：

图4-2 钻孔灌浆施工顺序图

（2）对于单个灌浆孔的施工顺序：先对第1段（接触带)采用低压灌注0.5:1的浓浆进行初灌，待凝24h后，对第1段进行复灌，再向下逐段按自上而下的顺序钻孔、冲孔、压水试验、灌浆，灌浆孔按第I段2m；第II段以下各段按5m~6m进行分段，灌浆孔的施工工艺流程：

图4-3 单孔钻灌浆施工顺序图

（3）溶洞充填灌浆，先低压浓浆灌注上、下游辅助孔，再灌浆主帷幕孔，先用砂浆充填灌浆，待凝后再进行水泥净浆充填灌浆，使溶洞先充填满，再挤密，待溶洞充填灌浆完毕，能正常起压，达到终灌标准，待凝48小时后，再进行主帷幕孔帷幕灌浆；

4.3 帷幕灌浆浆液控制标准

（1）灌浆浆液依照由稀到浓的原则逐级改变，其水灰比 (重量比)为5:1、3:1、2:1、1:1、0.7:1、0.5:1等6个比级；灌浆时，当灌浆压力保持不变，注入率持续减少时或当注入率不变而压力均匀高升时，不应改变水灰比；

（2）当某级浆液注入量已达300L以上时，或灌浆时间已达30 min，而灌浆压力和注入率均无改变或改变不显著时，应改浓一级水灰比；

（3）当注入率大于30L/ min时，可根据具体情况越级变浓。

（4）灌浆过程中当采用浓度最大的浆液灌注，注入量很大，并且一直不起压，便采用限流灌浆，将注入量小逐渐减至5～10L/min；若限流灌注无效，则改用间歇灌浆。

4.4 帷幕灌浆结束标准

灌浆段的灌浆结束条件：当该灌浆段在最大设计压力下，注入率降低至不大于1L/min后，屏浆30min, 且屏浆期间平均注入率不大于1L/min；或当该灌浆段在最大设计压力下，注入率降低至不大于2L/min后，屏浆40min，且屏浆期间平均注入率不大于2L/min。

4.5 帷幕灌浆灌浆压力和压水试验

灌浆压力：按有盖重条件下的经验公式计算，生产段灌浆压力按表4-2 控制。本试验段按表中防渗墙深度小于12m控制。

先导孔、检查孔和灌浆孔均采取自上而下分段进行压水试验，压水试验采取单点法试验，压力为该段灌浆压力的80%，并不大于1Mpa。压水20min，每5min测读一次压入流量，取最后的流量值作为计算流量。

4.6 封孔

全孔灌浆结束后，应以水灰比为 0.5 的新鲜水泥浆液置换孔内稀浆或积水，采用全孔灌浆封孔法封孔。封孔灌浆压力可采用全孔段平均灌浆压力或 2MPa，封孔灌浆时间可为 1h。

4.7 帷幕灌浆质量标准

 帷幕灌浆质量检查合格标准为透水 q≤5Lu。其中第 1 段（接触段）及其下一段的合格率应为 100％；以下各段合格率应不小于 90％，不合格的孔段透水率 q 应不超过 7.5Lu，且不合格试段的分布不集中；其他施工或测试资料基本合理，灌浆质量可评为合格。

5 基岩防渗处理效果

5.1 帷幕灌浆效果分析

高关水库主坝左坝段坝基试验段防渗灌浆自2022年4月15日开始，到2022年5月18日，完成钻孔总进尺419.1m，其中抬动观测孔13.1m；溶洞充填辅助灌浆孔75.6m，检查孔96.9m，基岩灌浆233.5m，水泥灌入量20.18t，平均单位水泥注入量为86.43 kg/m。

(1)水泥注入量与孔序的关系

水泥注入量随各孔次序的增加而减少，详见该项目灌浆成果记录见表5-1、表5-2

表5-1     各次序孔灌浆前压水透水率不同区间占比成果

表5-2        各次序孔水泥注入量不同区间占比成果

整体来看，在灌浆孔逐渐加密的过程中，基岩中的裂隙、漏水和渗水通道逐渐被水泥浆液充填，裂隙中的充填物获得了挤密，这使得基岩的防渗能力逐渐的获得提升，Ⅲ序孔平均透水递减较大，防渗能力大幅提升，达到灌浆成效。

随着孔序的增加，水泥单位注入量有渐渐降低的趋向，即低单位注入量区间频次增加，大单位注入量区间频次减小，符合灌浆的递减规律。在先灌孔逐渐加密灌浆后，基岩中的裂隙、渗浆通道逐渐的被水泥浆液充填，裂隙中的充填物获得了挤密，基岩的可灌性逐渐降低，这使得后灌孔的灌浆通道逐渐减少，后灌孔的水泥注入量相应减少，低耗灰量频次区间所占的段数相应增加，各次序之间的注入量频次区间递减符合灌浆的一般递减规律，在一定程度上反应了灌浆的效果优良。

各灌浆孔第1段初灌的吸浆量很大，且随着孔序的增加，单位注入量渐渐降低，复灌时，提高了灌浆压力，吸浆量很小，但还有少量吸浆，吸浆量也随着孔序增加，逐渐降低。证明采取复灌的方式是有必要的。

（2）取芯和灌浆后压水试验

施工完毕后对该部位布置了两个检查孔，取芯、压水情况良好，有大量水泥结石，压水试验透水率均小于5Lu，符合设计要求，证明防渗效果显著，工程质量良好，灌浆后压水试验成果统计如表5-3。

表5-3           检查孔压水试验成果统计表

（3）溶洞充填灌浆

试验段发现溶槽1个，注入水泥砂浆34200L，水泥净浆6807 L，水泥注入量35.6 t。灌浆前的半填充溶洞和无填充溶洞在帷幕轻风轴线附近均已填充密实，各类溶洞经高压灌浆后，浆液渗入粘土中，浆脉成网络状，形成骨架，并将粘土挤压密实，力学性能大为提高，确保其抗渗稳定。

（4）抬动观测

全部孔段压水和灌浆过程中产生的抬动均小于200μm,最大抬动值为20μm，符合设计的要求。反应出本次试验设计压力是在合理范围内的。

6 结论

1） 工程全面开工前必须根据每个工程的实际地质、工程机械情况，进行灌浆前的实验工作，通过灌浆实验发现问题，研究解决办法，在施工规范许可的范围内制定适合本工程实际情况的施工方案，调整相应的各项参数，以适应本工程地质特点。

2）灌浆前的冲洗及压水试验的压力均通过灌浆试验确定为灌浆压力的 80%是可行的。

3）根据工程类比和查找资料，帷幕灌浆的接触带先采取低压浓浆进行初灌，待凝后按正常的灌浆压力和浆液浓度进行复灌的工艺是合理的，初灌压力按无盖重情况下的经验公式计算的灌浆压力；复灌灌浆压力按有盖重情况下的经验公式计算，最好控制在坝前净水头的 1.5～2.0 倍。

4）灌浆方式采用井口封闭，自上而下循环分段灌浆， 这种方法可以对已灌过的管段多次复灌，配合多种、多重灌浆方法可以有效的防止或减少地面抬动、冒浆、串孔等灌浆事故的发生，有效地达到设计指标。

5) 对溶洞、溶隙采取先用水泥砂浆灌浆填满，再用水泥净浆挤密灌浆，大的溶洞，在上下游增加辅助灌浆孔，对溶洞进行充填灌浆，然后在主帷幕孔进行帷幕灌浆的处理方案是合理的。

针对高关水库存在的坝基渗漏问题，采用坝体充填灌浆和坝基帷幕灌浆的组合防渗技术，取得了良好的效果，对高关水库坝基防渗处理具有指导意义，对类似工程坝基防渗处理可提供参考和借鉴。