浅析中小型水库土坝坝基岩溶灌浆施工技术

浅析中小型水库土坝坝基岩溶灌浆施工技术

蔡林顺

（昆明市水利水电勘测设计院）

摘要：在土坝顶操作钻灌设备，对坝基岩进行帷幕灌浆，摸索出“孔口及坝体封闭基岩内自上而下分段的孔内循环”的灌浆方法，采用高压旋喷在芯墙和坝基接触面建造旋喷墙，形成灌浆“盖板”，有了灌浆“盖板”，改善了灌浆的施工条件，可以接触带孔段进行充分冲洗，压水试验和灌浆压力有了较大提高。因而提高了可灌性，保证了灌浆效果。

关键词：土坝岩基　岩溶灌浆

一、引　言

如何在已投入使用多年的土坝坝顶对坝基无“混凝土盖帽”岩石进行帷幕灌浆，现有规范《水工建筑物水泥灌浆施工技术规范》（SL62－94）（以下简称《规范》）并无答案，目前报道的仅见于郭斯良先生所写的横江水库除险加固工程论文中，对其帷幕灌浆方法、施工工艺、质量检查标准等仍然按照规范的要求来操作，施工中遇到的难题很多存在于水库土坝在可熔岩坝基帷幕灌浆施工中，按照《规范》的要求进行施工遇到的问题更多，坝基岩石吃浆量非常有限，几乎成了坝体劈裂灌浆，凝结后的水泥结石又改变了土坝的均质性。

通过试验，摸索出了“孔口、坝体封闭基岩内自上而下分段及孔内循环灌浆法”，虽然方法可行，效果不错，但在灌浆过程中施工难题较多，对灌浆质量标准争议较大，对此进行深入探讨，以便供同类工程参考。

二、工程概况

某山区水库总库容3 408万m³，是一座以灌溉为主，兼有防洪、养殖、发电等综合利用的中型水利工程。坝基在地下水的长期溶蚀下，岩溶发育，在坝基及右坝肩均有分布，规模较大的长10～20m，宽1～3m，深0.5～2.5m，且大小不一，大的溶洞3～5m，小的溶洞0.1m左右，溶洞多被黏土充填。

三、地质概况

大坝坝基为寒武系三游洞组浅灰色薄层—中层白云质灰岩夹肉红色碎屑灰岩，在地下水的溶蚀作用下，主坝坝基和右坝肩渗漏、岩溶发育成为工程的主要地质问题。2007年经现场调查，坝址渗漏点有3处。

第1点位于桩号0＋050右坝肩坡脚小溪沟内，渗漏量为0.1L/s，第2点位于桩号0＋054下游坝脚处，渗漏量为2～4L/s，第3点位于桩号0＋056下游坝脚测流井旁，渗漏量为1.8L/s，3处渗漏点漏水量合计约4.5L/s。

四、高压旋喷灌浆法加固处理

高压喷射灌浆形成防渗墙可由钻机钻孔至需处理的薄弱部位，通过高压射流的冲击搅拌，水泥浆在喷射范围内扩散、充填和置换，与地层土石颗粒搅拌混合后形成一道能够切断渗流的连续防渗墙，从而达到防渗加固的目的，对坝体的原结构影响较小。高压喷射灌浆施工简单，工程造价相对较低，采用高压喷射注浆进行病险坝防渗加固具有较明显的优势，得到广泛的应用。

（一）射流的冲切作用

强大的射流作用于孔隙中的土体，在射流范围内，土体承受射流动压力、沿孔隙作用的水力劈裂力。脉动压力和连续射流造成土体强度疲劳等综合作用，破坏坝体溶洞中土体的结构。

（二）细颗粒升扬被浆液置换

浆水气同轴喷射时，压缩空气除了保护射流束外，能量释放过后产生的气泡能将空地夹带冲切下来的溶洞土体细颗粒沿孔壁向上升扬流出孔口。

（三）射流的充填挤压作用

射流束末端不能冲切土体，但对土体有侧向挤压力，在灌入浆体的静压作用下促使凝结体与溶洞孔壁结合更加紧密。

（四）水泥浆液渗透固结作用

喷射灌浆过程除在冲切范围内形成凝结体外，还可以向冲切范围外产生浆液渗透作用，形成渗透凝结层。当浆液向两侧渗透作用停止或不产生渗透作用时，则在射流冲切范围周侧产生明显的浆液凝结层口。

（五）水楔破坏效应

高压喷射流射到溶洞的间隙上，由于喷射流反作用力，产生水楔，在垂直喷射流轴线方向使土粒剥落加宽裂隙。

（六）气流搅动作用

在水或浆预期同轴喷射时，气流可将破坏土体上的土粒迅速吹散，使高压喷射流的破坏条件得到改善，阻力大大减少，能量消耗降低，增大了高压喷射流的破坏能力。

五、灌浆设计

整个灌浆分3个阶段进行，后一个阶段的工作必须在前一个阶段的工作完成并取得所需的技术资料后进行。第1阶段：在主坝右坝肩桩号0－050～0＋020长度70m范围内进行帷幕灌浆；第2阶段；在桩号0＋020～0＋350长度330m范围内进行芯墙旋喷灌浆，以形成帷幕灌浆盖板；第3阶段与旋喷灌浆孔同孔进行坝基帷幕灌浆。

六、施工工艺

（一）高压旋喷灌浆

1.施工工艺流程

2.施工分序

分3序施工，先施工Ⅰ序孔，再施工Ⅱ序孔，最后施工Ⅲ序孔。

3.质量保证措施

（1）坝体部分钻孔一律干钻，当钻至离基岩1.5～2.0m左右时，将φ108mm套管打入基岩面以下5～15cm，先喷基岩面以下0.5～1.3m；

（2）喷管安装时，保证密封完好，不得产生串浆或串气现象；

（3）旋喷程序，喷管下到孔底就位后，首先启动旋转装置，接着按先送气、再水、后浆的顺序操作，转动时逆时针方向旋转以免水龙头脱落；

（4）旋喷顺序，自下而上，按设计要求进行旋转和提升并边喷边提升喷管，直至基岩面以上1.8～2.6m；

（5）对基岩接触面部位采取复喷或降低提升速度等方式进行加强旋喷；

（6）旋喷灌浆时用套管保护非旋喷段坝体，并保证套管内浆液畅通，避免造成芯墙劈裂和抬动。

（二）帷幕灌浆

1.施工工艺流程

钻孔→钻孔冲洗→压水试验→灌浆→封孔。

2.特殊情况处理

灌浆过程中，正常情况下的灌浆，浆液从设计开灌水灰比开始，视吸浆量大小决定浆液的浓度，直至达到设计压力及结束标准。

由于大坝右坝肩溶洞发育，钻孔过程中发现溶洞较多，且溶洞较大，有的长12m，高2.5m左右，且大部分溶洞内充填着黄泥，有的上部分为空洞，下部被黄泥充填。为保证灌浆效果，灌浆过程中，采取了以下手段：

（1）加大钻孔冲洗水流量，让水流尽可能带走溶洞内悬浮的表层泥浆、杂物。

（2）压水试验过程中，加大压水压力。实践证明，此方法效果相当明显。压水试验过程中、两孔间黄泥从被串孔口呈柱状窜出，这样，两孔，甚至多孔间的黄泥层被冲开，扩大了充填范围，增强了灌浆效果。

（3）遇到大溶洞时，采取低压、浓浆，甚至灌注砂浆及水玻璃，浆液由稀到浓。开始由1∶0.5的纯水泥浓浆越级变为1∶1∶1的水泥砂浆灌注，采取无压自流灌注，当吸浆量特别大时，灌注一段时间后掺加水泥重3%～5%的水玻璃加速浆液的凝固，避免浆液流动过远造成不必要的浪费。

当灌注一定量后，若压力表开始起压，表明充填灌浆结束，可进行密实灌浆。首先停止掺砂及水玻璃，改用纯水泥浆灌注，并随压力升高减低浆液浓度，每次灌满后，待凝24～48h，再进行扫孔、压力水冲洗并进行灌浆检查或灌浆，只有该段灌浆密实后，才进行下一段钻孔。从灌注的情况看，很多大吸浆量孔段都需进行多次反复灌注。

七、灌浆效果分析

（一）高压旋喷灌浆效果分析

1.钻孔取芯

所取芯样为灰色或浅灰色，呈柱状或短柱状，不连续的含黏土颗料，质地均匀，密度较高，无不良夹层，有一定的强度。Ⅰ序孔旋喷后，Ⅱ序孔钻孔时，发现大部分孔基岩面含水泥结石。

2.接触段压水试验透水率

由于大坝筑坝时坝基清基不彻底，且基岩内岩石破碎、溶洞较多，接触段透水率普遍较大。经过高压旋喷，坝基接触面风化层被高压浆液搅动混合，重新胶结，密实度提高，帷幕灌浆接触段压水试验时，绝大多数孔段透水率小于5Lu。

（二）帷幕灌浆效果分析

1.透水率q值所占百分比逐序减小

统计显示，随着Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ序孔的逐渐加密，q＞50Lu的孔段，Ⅰ序孔占59.87%，Ⅱ序孔占35.19%，Ⅲ序孔占19.62%；q＜10Lu的孔段，Ⅰ序孔占3%，Ⅱ序孔占4.51%，Ⅲ序孔占6.79%，即相对不透水孔段增多。

2.单位注灰量所占百分比逐序减少

统计显示，随着Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ序孔的逐渐加密，单位注入量逐序减少的规律较明显，其中单位注入量＜100kg/m的孔段，Ⅰ序孔占30.3%，Ⅱ序孔占9.4%a，Ⅲ序孔占2.5%a；单位注入量＞10kg/m的孔段，Ⅰ序孔占37.3%，Ⅱ序孔占58%，Ⅲ序孔占80.1%。

3.透水率大，则单位注入量普遍较大

施工过程中发现当某孔段透水率较大时，其灌浆量普遍较大，因为坝基内存在大量溶洞，钻孔冲洗及压水试验过程中溶洞内黄泥被脉动压力水带走一部分，压水或灌浆过程中，随着压力的增大，两孔间的黄泥层被冲开，从被串浆孔口翻出，故注入量相对较大。

4.检查孔效果分析

根据灌浆规范，帷幕灌浆质量检查以压水试验结果决定灌浆效果，此次帷幕灌浆工程施工共钻检查孔40个，压水试验184段，q值均＜5Lu，合格率100%，质量优良。

5.坝下游坡脚渗流量效果分析

灌浆开始前，下游坝坡脚1号渗漏点（桩号0＋050）渗流量0.1L/s，2号渗漏点（桩号0＋054）渗流量2.4L/s，3号渗漏点（桩号0＋056）渗流量1.8L/s，灌浆结束后其观测数据如表1所示，从表中可以看出，通过帷幕灌浆，坝下游3处渗漏点的渗流量中1、2号处消失，3号处渗流量降为0.1L/s，渗流量下降了97.78%，灌浆效果相当显著。

表1　大坝渗漏点渗流量观测结果

八、结　语

（1）坝基接触面松散的风化层和宽大裂隙，经过高压旋喷，使其胶结或得到充填，改善了坝基的防渗能力，起到了截断坝基接触面渗流的作用。

（2）采用高压旋喷在芯墙和坝基接触面建造旋喷墙，形成灌浆“盖板”，是可行的，有了灌浆“盖板”，改善了灌浆的施工条件，可以对接触带孔段进行充分冲洗，压水试验和灌浆压力有了较大提高，（压水试验压力由0MPa上升到0.15MPa，灌浆压力由0.05MPa上升到0.2MPa），因而提高了可灌性，保证了灌浆效果。

（3）经过高压旋喷和帷幕灌浆施工，大坝下游坡脚总渗流量由原来约4.5L/s下降到0.1L/s，下降了97.78%，效果显著。说明此次灌浆工程设计方案合理，施工质量优良。

（4）为充分发挥旋喷灌浆“盖板”的作用，灌浆孔与旋喷孔必须同孔同心。坝基旋喷和灌浆全面施工时，建议按“先喷后灌”的顺序并分区进行，从浅孔的施工中积累经验并获取相关的施工技术参数以保证施工质量。鉴于旋喷体水泥浆在水下具有凝固时间较长和强度增长较慢的特点，为保证灌浆时旋喷体达到一定的强度，视孔深情况，将帷幕灌浆与旋喷的间隔时间在30～45d以上，具体时间可通过现场取样检测确定。为了及时监测大坝基础渗流的状态，建议在坝基防渗帷幕的上下游两侧设水位观测孔进行原位跟踪观测。