浅析固结灌浆在水利工程大坝中的应用

浅析固结灌浆在水利工程大坝中的应用

李函

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摘要：为了提高下浒山水库坝基岩体整体性和抗变形能力，依据施工设计和规范要求，严格控制固结灌浆钻孔、裂隙冲洗与压水试验、灌浆、封孔等各项施工作业的质量，通过压水试验结合声波检测的方法判定固结灌浆后岩体透水率符合设计要求，达到了良好的防渗效果。  

关键词：  固结灌浆  基岩处理  透水率  声波检测

1.工程概况

1.1本项目为下浒山水库工程，属于国务院部署的172项重大节水供水项目中的其中一项。下浒山水库的控制流域面积达422km2，正常蓄水位高度为115m，整个水库的容积为1.96×108m3，其中，防洪、调节水库的容积分别为0.44×108m3与1.28×108m3。

1.2对水库枢纽的建筑物构成进行分析，主要包括拦河坝、泄洪建筑物、水电站、灌溉以及供水渠道等。其中，拦河坝是一种重力坝，建筑材料为混凝土，属于碾压混凝土形式，该拦河坝的坝顶高程、最大坝高以及坝顶总长分别为119m、74m与295.5m；水电站则属于地面坝后式类型的发电厂房。

1.3下浒山水库工程大坝共分为17个坝段，分别为左非1#～7#坝段，泄1#～4#坝段、右非1#～6#坝段。对大坝基础固结灌浆类型进行分析，主要包括溢流坝段基岩固结灌浆、右岸非溢流坝段基岩固结灌浆、左岸非溢流坝段基岩固结灌浆。另外，分析坝基固结灌浆孔，主要有4种类型的划分，其一为常规固结孔，其二为固结兼辅助帷幕孔，其三为抬动观测孔，其四则是声波测试孔。

2.固结灌浆施工及质量控制

2.1灌浆孔布置原则

2.1.1 大坝坝基固结灌浆处理范围为：左非1#～3#坝段、右非1#～3#坝段建基面全断面，其余坝段包括左非4#～7#坝段、右非4#～6#坝段及泄1#～4#坝段坝基的坝踵及坝趾部位（即上、下游各1/4范围）。

2.1.2 在对坝基固结灌浆执行灌浆任务之时，主要按照由上至下的顺序，对孔内循环式灌浆方式加以运用，分两序施工进行灌浆。针对常规固结型灌浆孔，则是对全孔一次灌浆的方式加以采用，遇到特殊钻孔时，按照由上至下的顺序进行分段式阻塞，所用方式与坝基固结灌浆相同，为孔内循环式灌浆。常规固结灌浆孔的深度为5m，通常以垂直孔为主，固结灌浆孔的排距为2.5m×2.5m，按照梅花型的方式布孔，分两序施工，先I序，后II序。

2.1.3 在坝基上游侧布置一排固结兼辅助帷幕孔，顶角3°，垂直坝轴线倾向上游，孔的深度通常为15m，按照从上至下的顺序进行分段，第一段的长度为3m，第二段以及后面的各段长度均为5m，针对终孔段，可以结合实际情况作相应的缩短或加长处理，不过最大长度不能超过8m，孔距2.5m，在帷幕灌浆前进行施工。局部地质缺陷部位适当加密或加深固结灌浆孔。

2.2主要技术要求

2.2.1 灌浆材料：大坝基岩固结灌浆所用材料以P·O42.5普通硅酸盐水泥为主，该硅酸盐水泥的细度要求比较严格，需要经过类型为80μm的方孔筛的试验处理，筛余量要在5%以内。水泥材料需要做到妥善保管，采取严格的防潮措施，此外，还要针对性地将存放时间缩短。

2.2.2 盖重要求：坝基固结灌浆施工的混凝土盖重厚度一般按不小于3m控制，最小厚度不小于2m，在混凝土的强度达到50%的设计强度之后，开始施工作业。

2.2.3 灌浆方式：固结灌浆作业按照由上至下的顺序进行，对分段阻塞、孔内循环的施工方式加以运用。

2.2.4 水灰比：灌浆浆液的水灰比通常设定为4个比级，分别为2∶1、1∶1、0.8∶1、0.5∶1，另外，开灌水灰比通常设定为2:1。

2.2.5 灌浆压力：常规固结灌浆孔：Ⅰ序孔与Ⅱ序孔的灌浆压力并不相同，前者为0.3MPa，后者为0.4MPa。固结兼辅助帷幕灌浆孔：Ⅰ序孔与Ⅱ序孔有相同的灌浆压力，细化而言，即第1段0.5MPa，第2段0.8MPa，第3段及以下1.2MPa。

2.2.6 结束标准：在设计的灌浆压力条件下，一直到灌注的注入率在1L/min以内以后，仍进行时长为30min的灌注作业，此后可以停止施工。

2.2.7 检查标准：

（1）对于固结灌浆，在对其质量进行检查之时，将灌注作业结束以后检查孔的压水试验成果以及灌浆作业开始以前和结束之后基岩物探声波的测试成果作为检查的指标，另外，搭配对钻、灌的综合成果资料以及钻孔取芯等的测试成果，由此完成综合评定任务。

（2）针对常规固结灌浆孔，在其压水检查方面，遵循的合格标准如下：单元灌区内灌后85%的检查孔段基岩透水率q不能大于3Lu，对于不合格孔段的基岩透水率，其最大值应在4.5Lu以内，同时，以分散的状态排布。

（3）针对固结兼辅助帷幕灌浆孔，其压水检查对以下合格标准予以遵循：灌浆作业结束以后，基岩透水率不能超过3Lu，在单元灌区内，通过对其基岩接触段进行压水检验，合格率应保证为100%，其他各段压水检验的合格率不能低于90%，对于不合格孔段的基岩透水率，其最大值应在4.5Lu以内，同时，以分散的状态排布。

（4）物探声波测试检查：在灌浆作业结束以后平均波速的提高百分率应在3%以上。

2.3 固结灌浆施工过程

2.3.1钻孔

（1）钻孔采用XY-2（300）型地质钻机开展造孔作业，开孔的孔位偏差需要控制在10cm以内，另外，角度孔的斜率还要控制在2.5%以内。

（2）固结灌浆孔的终孔孔径需要在Φ76mm以上，在结束灌浆作业以后，物探声波测试孔和压水检查孔孔径应为Φ76mm，抬动观测孔孔径为Φ91mm。

（3）孔位变更报告现场监理工程师，经批准后实施，并记录实际孔位。

2.3.2 裂隙冲洗和压水试验

（1）结束钻孔作业以后，需要对整个孔的孔壁以及孔底沉淀作相应的清洗，冲洗方式应以大流量水从孔底向孔外冲洗为主，冲水时间为20min。在对裂隙进行冲洗之时，需要在回水清澈以后结束冲洗作业。冲洗水压应设定在0.1MPa到0.2MPa之间。

（2）压水试验适宜与裂隙冲洗作业相互结合来进行，压水试验的压力应设定在0.1MPa-0.2MPa之间，时长设定为20min，每5min进行一次压水流量的测读，将最终的流量值作为计算流量，最终成果用透水率来表示。

2.3.3 灌浆

（1）针对固结灌浆，对单孔单泵的灌浆方式加以采用，高速制浆机制备0.5:1浆液，灌浆作业的进行通过SGB-6灌浆泵来完成。灌浆顺序为由上至下，方式为分段阻塞、孔内循环。

（2）常规固结灌浆压力Ⅰ序孔0.3MPa，Ⅱ序孔0.4MPa；固结兼辅助帷幕灌浆灌浆压力：第一段0.5MPa，第二段0.8MPa，第三段1.2MPa，第四段及以下1.5MPa。

（3）如果某一级浆液的注入量超过了300L，或者灌注的时间大于30min，但是灌浆压力以及注入率依旧是没有发生变化，或是变化比较小，则作改浓一级处理。

2.3.4 封孔

在结束全孔灌浆作业之后，用0.5:1水泥浆对孔内剩余的浆液进行替换，此后在孔口位置卡住灌浆塞，设置同样的灌浆压力，在此条件之下纯压式灌注30min。

2.3.5 特殊情况处理

（1）灌浆过程中发生冒(漏)浆现象时，根据冒(漏)将量大小，可采取以下措施：

①如果冒浆量并不是很大，可以不采取专门的处理措施，仅按照正常的灌浆方式进行进一步的灌浆作业，一直到灌浆结束为止即可；

②如果有比较大的冒浆量，通常情况下可以对低压、浓浆、限流、限量、间歇灌注等方法加以运用，在必要的情况下还要搭配使用嵌缝以及地表封堵等方法作相应的处理。

（2）在出现坍塌、掉块或是集中渗漏等状况时，需要在第一时间停止钻进，并对状况的发生原因进行分析，通常情况下，可以对压缩段长的灌浆处理方法加以采用，在此之后开始下一段钻孔的灌浆施工。

（3）灌浆作业的进行需要保证连续性，如果受到某一或某些因素的影响出现了灌浆的中断，需要在尽可能短的时间内恢复灌浆处理，此过程需要对开灌水灰比的浆液加以采用进行灌注，若注入率和灌浆作业中断之前的值较为接近，可以用中断以前的水灰比浆液进行灌注，若是灌浆作业恢复以后，相较于中断之前浆液的注入减少比较明显，且短时间内吸浆作业也没有进行，需要将此情况向监理工程师上报，由其在研究之后采取相应的处理措施。

（4）如果某一孔段出现注入率比较大且灌浆作业正常结束的难度亦比较大的情况，需要先与地质勘探相结合，或是查阅一些先导孔资料，将状况的发生原因确定下来，以此为基础施以相应的处理，包括低压、浓浆、限流、间歇灌浆等方法。

2.3.6 质量检查

（1）在对固结灌浆质量进行检查之时，所用方法主要有两种，分别为对钻检查孔进行压水试验以及对岩体波速进行测量，两种方法需要同时采用，另外，还要与灌浆孔钻孔以及灌浆成果等各项相关资料相结合，保证评定的综合性与准确性。

（2）在对固结灌浆检查孔的数量进行布置之时，需要参照灌浆总孔数的5%这一布置标准来执行具体的布置，在一个单元工程内，布置的检查孔数量应至少为1个。

（3）在灌浆作业施工完成7d以后，开展压水试验检查工作，另外，14d以后，进行岩体波速检查工作。

（4）固结灌浆工程质量检查合格评定标准：检查孔压水试验透水率不能超过3Lu，孔段的合格率需要保证在85%以上；声波值提高百分之三及以上。

3.质量保证措施

3.1为保证施工作业的顺利、高效进行以及施工之后工程的正常运行，需要从严格意义上制定与落实质量保证体系，从组织层面为质量目标的实现提供重要保证。严格做到对“三检”制度的落实，如果上道工序不合格，不可以开始下一道工序；

3.2质量目标的设定需要足够明确，要严格增强质量意识，保证质量管控工作的全面性；

3.3从严格意义上制定与落实面向原材料、成品以及半成品的质量检查制度。

4.安全文明施工保证措施

4.1左右岸非溢流坝段基岩固结灌浆，受到交通不便利这一因素的影响，在施工作业的开展过程中需要采取有效措施将安全防护工作做到位，同时，还要在适当位置进行安全警示牌的设置；

4.2对于进入施工现场的每一位作业人员，都必须从严格意义上做到对安全帽以及防尘口罩等的正确佩戴，将防护工作做到位；

4.3施工现场由专人负责安全生产；

4.4采取相应的安全防范措施，遏制施工用电、压力管道等安全事故发生。

5.施工环境保护措施

5.1从严格意义上做到对国家相关法律及法规的遵循，环境保护工作必须做到位，避免因为施工作业的开展导致施工区域附近环境污染及破坏现象的发生；

5.2从整体层面提升施工人员的环境保护意识，真正在施工作业开展全过程对环境保护措施予以贯穿；

5.3在制定与落实具体施工方案以及施工机械设备之时，需要对环境保护要求进行充分考虑，严格规避由于施工作业的开展而污染及破坏周围环境这类现象的发生；

5.4结束固结灌浆作业以后，需要及时将施工现场的清理工作做好。

6. 灌浆效果分析及结论

6.1压水试验结果分析

大坝基础固结灌浆及固结兼辅助帷幕灌浆施工质量检查分6个部位进行，一共进行54个检查孔的布置，压水试验的检查段一共88段，通过压水试验的开展，透水率在0.15Lu～2.78Lu的范围内，实现了对设计标准要求（透水率不超过3Lu）的满足。

大坝各部位固结灌浆及固结兼辅助帷幕灌浆检查孔压水试验成果统计详见表1。

表1    大坝基础固结灌浆及固结兼辅助帷幕灌浆检查孔压水试验成果统计表

6.2声波检测结果分析

6.2.1大坝右岸非溢流坝段

基岩固结灌浆共布置10个声波检查孔，右非 3、4、6 号坝段灌后单孔声波检测分别提高5.09%、5.37%、4.7%，跨孔声波检测分别提高3.82%、3.52%、3.12%，提高率均大于3%，满足设计要求。右岸非溢流坝段基岩固结灌浆质量声波检查情况详见表2。

表2      右岸非溢流坝段基岩固结灌浆质量声波检查统计表

6.2.2大坝左岸非溢流坝段及溢流坝段

基岩固结灌浆共布置35个声波检查孔，左非1～左非7坝段，泄1～泄4坝段灌后单孔声波检测分别提高6.16%、5.18%、5.56%、5.03％、4.30％、4.31％、3.81％、3.50％、 3.77％、3.32％，跨孔声波检测分别提高3.68%、3.29%、3.42%、5.13％、3.48％、3.01％、3.19％、3.70％、3.14％、3.04％，提高率均大于3%，满足设计要求[1]。左岸非溢流坝段及溢流坝段基岩固结灌浆质量声波检查统计表见表3。

表3           左岸非溢流坝段及溢流坝段基岩固结灌浆质量声波检查统计表

7.结论

7.1固结灌浆后，底部基岩裂隙得到良好的充填，灌浆使混凝土与基岩接触面能够得到有效填充，能够达到良好的防渗效果，岩体透水率满足设计要求，从整体层面上实现了对坝基岩体抗变形能力的增强。

7.2下浒山水库工程大坝基础固结灌浆和固结兼辅助帷幕灌浆共计32个单元工程，评定优良单元工程32个，优良率100%。

7.3经过2019年～2021年三个汛期洪水考验，防洪、灌溉、供水和发电效益已全面发挥，目前工程运行情况良好。

参考文献：

[1]沙红球,韩羽，陈言远.台山核电新松水库坝基固结灌浆试验[J]．人民珠江,2011(S1)72-76.