西部高水头下坝基裂隙岩体涌水孔段防渗处理措施研究

景 锋1，2，3，韩 炜1，2，3，邱本胜1，2，苏 强2

(1.长江科学院，湖北武汉，430010;2.长江科创科技发展有限公司长江工程技术分公司，湖北武汉，430010;3.国家大坝安全工程技术研究中心，湖北武汉，430010)

作者简介: 景锋(1974—)，男，博士，高级工程师，主要从事岩体力学和岩体加固方面的研究。

【摘 要】 西部高坝坝基地质条件越来越复杂，尤其是一定埋深下的错动裂隙带在坝体压重和构造应力作用下裂隙闭合，吸水不吸浆现象突出，使得高水头作用下涌水孔段的防渗处理难度增大，其既要处理涌水又要起到帷幕防渗的效果，既要保证浆液具有一定扩散半径又要考虑地下水的冲蚀作用。本文基于金沙江某大型水电站高水头作用下坝基玄武岩错动带的加强防渗处理案例，提出了相应的水泥－化学复合灌浆处理方案，结果表明处理效果良好。

1 引言

随着我国经济和社会的发展，以及西部大开发的持续推进，将在金沙江、雅砻江和大渡河等河流的高山峡谷区兴建大量的水电站，这些水电站的共同特点是电站规模大、坝体高、坝基地质条件复杂，大坝的坝基防渗处理难度越来越大，尤其是一定埋深下的错动带在坝体压重和构造应力的作用下裂隙闭合，吸水不吸浆现象比较突出，使得其在高水头作用下涌水孔段的防渗工程处理难度更大，防渗工程处理效果直接关系到大坝的长期安全营运［1，2］。该工况下既要处理涌水又要达到帷幕防渗的效果，在处理中既要保证浆液具有一定的扩散半径又要考虑浆液受地下水水流的冲蚀作用。高水头条件下的渗流对灌浆材料的抗挤出性能、抗冲蚀性能和材料与岩石的粘结能力提出了较高要求［3，4］。目前高水头作用下坝基裂隙岩体的渗透特性与渗流控制工作已成为工程界和科研界研究的焦点和难点［5，6］。

本文基于金沙江某大型水电站高水头作用下坝基玄武岩错动带的加强防渗处理案例，提出了具体的水泥－化学复合灌浆处理方案，其结果表明处理效果良好，可为其他类似工程提供参考。

2 工程概况

金沙江干流某梯级水电站大坝为混凝土双曲拱坝，坝顶高程610m，最大坝高285.5m，坝顶中心线弧长681.51m，水库正常蓄水位600m，死水位540m，左右两岸对称布置地下厂房，电站装机容量1386万k W，位居世界第三。水库蓄水以来，右岸347～395m高程廊道内出现了大面积的渗水现象，渗水对局部帷幕的长期防渗性能和渗透稳定不利，需进行加强防渗处理。

电站坝基岩体错动带和玄武岩特有的节理裂隙结构面多为硬性细微结构面，其在坝体自重作用下和经原水泥帷幕灌浆处理后，大多裂隙闭合空隙较小，但其在高水头作用下岩体渗水量依然很大，在裂隙密集区或错动带部位的钻孔易产生较大的涌水。临近加强防渗区的平硐洞壁所揭露的典型错动带裂隙密集区见图1。

根据现场主要渗(涌)水孔附近的情况统计: 钻孔渗水范围比较大，几乎所有钻孔都存在不同程度的渗水现象，个别孔段出现了较大涌水; 钻孔出现渗水深度的范围变化大，总体上从坝体往右岸山体方向出现渗水的深度逐渐减小，且主要出现18m以下，孔口渗水量总体上较小，仅3个孔中的3段出现了较大涌水，其余孔段基本上小于1L/min。所出现的3个涌水孔段主要出现在两个坝段的连接部位，3个孔的距离在8m范围内，其中第一个孔34.7～37.0m出现了涌水，涌水压力约0.5MPa，涌水量约62L/min; 第二个孔孔深34.7～37m出现涌水，涌水压力约0.5MPa，涌水量超过了56.7L/min; 第三个孔孔深34.7～37m涌水，涌水压力0.65MPa，涌水量为65.4L/min。

现场观察涌水特点: 压力高、涌水量大; 往山体方向，渗水压力增大，出现渗水的深度变浅，说明山体水对钻孔渗水具有一定的影响; 渗水通道主要为硬性结构面，裂隙发育，长时间的涌水观测中未发现细粒物质。针对上述问题需研究专门的处理方案。

图1 平硐洞壁所揭露的典型错动带裂隙密集区图

3 处理方案

3．1 处理原则

(1)涌水段应首先考虑湿磨细水泥灌浆处理: 涌水量较大的孔段，先采用水泥灌浆，后再扩孔进行化学灌浆; 明显吸水不吸浆或透水率小于2Lu的孔段，可直接采用化学灌浆。

(2)灌浆主要基于岩体裂隙渗透灌浆，灌浆过程中以不使原帷幕产生新的变形破坏为原则，最大水泥灌浆压力不超过原水泥帷幕的最大灌浆压力。

(3)方案的现场可操作性强、过程和质量易控制。

(4)方案工效高，适合灌浆平硐加强防渗区所有的涌水孔段。

3．2 灌浆材料

(1)水泥灌浆材料

湿磨细水泥灌浆用水泥为普通硅酸盐水泥，强度等级不低于P.O42.5，且水泥细度通过80μm方孔筛的筛余量不大于5%。湿磨细水泥浆液采用0.5 1的普通纯水泥浆液，利用长江科学院自主研发的GSW系列湿磨机经三次以上湿磨达设计细度要求后再调稀至设计浓度，并经搅拌机搅拌均匀。浆液细度要求比表面积大于7000cm2/g，其95%以上的水泥颗粒最大粒径小于40μm，采用胶体磨成D97≤40μm，D50=8～12μm。湿磨细水泥浆液需经细度检测达到设计细度要求后，方可用于灌浆作业［7］。浆液温度应保持在5～40℃，超过此标准的应视为废浆。

(2)化学灌浆材料

化学灌浆材料采用长江科学院自主研发的CW510系化学灌浆材料，是由新型的环氧树脂、活性稀释剂、表面活性剂等所组成的双组分灌浆材料，具有配制简单，可灌性好，力学强度高，材料固化时间可控，在干燥及潮湿条件和水中都能很好固化且毒性低［8］。

3．3 工艺流程

涌水孔段主要采用水泥－化学同孔复合灌浆方法，首先采用孔口封闭循环式湿磨细水泥灌浆，以对较大节理裂隙进行封堵，再采用孔内阻塞纯压式化学灌浆，对细微节理裂隙和孔隙进行灌浆处理，如图2所示。

涌水孔段灌浆处理具体步骤如下:

钻孔过程若发现涌水较大，应停止钻进，并测量涌水量和涌水压力。

孔内阻塞进行简易压水，简易压水压力应加上涌水压力。

若透水率＜2Lu时，可直接进行化学灌浆。

若透水率≥2Lu时，首先采用湿磨细水泥灌浆，若注入率小于5kg/m，直接冲、扩孔后进行化灌; 若注入率大于5kg/m，湿磨细水泥灌浆结束后待凝24h。

湿磨细水泥灌浆后直接扩孔化学灌浆。

对涌水量大的孔段，水泥灌浆与化灌前后均进行涌水压力和涌水量观测。当化灌完成后，若还存在一定量的涌水，则需考虑重灌或与下段一起合灌，具体视现场情况而定。

3．4 灌浆工艺

湿磨细水泥灌浆: 当注入率达到不大于1L/min结束标准后，继续灌浆1h(屏浆)，并待凝24h。

化学灌浆: 化学灌浆以“逐级升压、缓慢渗透”为原则，按4级进行升压，初始压力不大于最大灌浆压力的1/3、第二级、第三级及最后级灌浆压力分别为最大压力的1/2、1/1.25及最大压力。孔管先注浆采用CW511(6 1，初凝时间106h)浆液，其后灌浆采用CW511(5 1，初凝时间84h)浆液，具体实施中灵活掌握升降压和浆液变换原则。当浆液注入率和注入量超过一定量值(300kg)时，应采用CW512(6 1，初凝时间16h)。

图2 工艺流程示意图

当地质条件出现较大变化或上述方案实际效果与预期效果存在差异时，可再适当调整方案。

4 处理效果及分析

4．1 湿磨细水泥灌浆处理效果及分析

其中第一个孔孔深34.7～37.0m出现了涌水，涌水压力约0.5MPa，涌水量约62L/min;第二个孔孔深34.7～37m出现涌水，涌水压力约0.5MPa，涌水量超过了56.7L/min; 第三个孔孔深34.7～37m涌水，涌水压力0.65MPa，涌水量为65.4L/min。经湿磨细水泥灌浆后，第一个孔涌水压力降为0.4MPa，涌水量降为36L/min; 第二个孔涌水压力降为0.22MPa，涌水量降为22L/min; 第三个孔涌水压力降为0.42MPa，涌水量降为18.9L/min。

不同孔段湿磨细水泥可灌性差别较大，第一个孔两次水泥灌浆单耗为0.5kg/m，第二个和第三个孔水泥灌浆单耗分别为23kg/m、8.25kg/m，结果表明不同涌水孔段岩体裂隙性状差异较大。

上述情况表明钻孔涌水段岩体裂隙性状差异大，涌水规律复杂，部分钻孔涌水段主要以细微裂隙为主，其涌水现象宏观上与较大裂隙表现一致，但受节理、裂隙、缝隙小的影响，湿磨细水泥的可灌性较差; 而另一部分钻孔涌水段较大裂隙和细微裂隙并存，湿磨细水泥仍具有一定的可灌性，但灌后依然有一定的涌水。

4．2 化学灌浆处理效果及分析

经化灌且扩孔后，三个孔均无渗水现象发生，且钻孔孔内水清澈，未发现有浆液从裂隙进入孔内的现象，处理效果良好。典型孔段灌浆前后的照片对比见图3和图4。

图3 典型涌水孔段处理前图片

图4 典型涌水孔段复合灌浆处理后图片

5 结语与讨论

(1)高水头下坝基错动带孔段涌水特点: 压力高、涌水量大; 渗水通道主要为硬性结构面，裂隙发育，涌水中未发现细粒物质被水带出，在灌浆过程中可利用临孔长时间排水，降低该孔的涌水压力。

(2)钻孔涌水段岩体裂隙性状差异大，涌水规律复杂，部分钻孔涌水段主要以细微裂隙为主，其涌水现象宏观上与较大裂隙表现一致，但受节理、裂隙、缝隙小的影响，湿磨细水泥的可灌性较差; 而另一部分钻孔涌水段较大裂隙和细微裂隙并存，湿磨细水泥仍具有一定的可灌性，但灌后依然有一定的涌水，表明水泥灌浆可起到一定的作用。

(3)湿磨细水泥灌浆结束后，再进行化学灌浆，从本工程案例来看涌水孔段经水泥化学复合灌浆后本段均无渗水现象，孔内水清澈，也间接证明CW510系列灌浆材料的抗冲蚀性和抗挤出性性能良好。另外，原下面地质条件更差的、预计涌水量更大的孔段在钻孔完成后，渗水量反而较上一段减少很多，也表明了该案例方案的合理性。

(4)通过该案例的实践，针对裂隙性状稳定的微裂隙岩体化学灌浆，为保证灌浆质量又节约浆材，可视具体情况采用通过相邻孔排水降低涌水压力、在化灌低压阶段可适当加快升压速度、适当选用相对快凝浆液等综合措施进行化灌。

参考文献

［1］熊厚金，林天健，王杰，等.岩土注浆理论与工程实例［M］.北京: 科学出版社，2001.

［2］蒋硕忠，邓敬森.中国化学灌浆的现状与未来［M］.武汉: 长江出版社，2005.

［3］蒋硕忠.灌浆材料与灌浆工艺研究［J］.水利水电技术，2001，(9).

［4］魏涛，李珍，董建军，陈彦生.中国堤防工程施工丛书—化灌法［M］.北京: 中国水利水电出版社，2006.

［5］罗平平.裂隙岩体可灌性及灌浆数值模拟研究［D］.南京: 河海大学博士论文，2006.

［6］葛家良.化学灌浆技术的发展与展望［J］.岩石力学与工程学报，2006，25(S2).

［7］陈旭荣，董建军.湿磨细水泥浆材的制备及灌浆技术的研究［J］.长江科学院院报，1994，11(4).

［8］魏涛，汪在芹，薛希亮，等.CW系化学灌浆材料的研制［J］.长江科学院院报，2000，17(6).