帷幕灌浆在小型病险水库除险加固工程中的应用

谢 鹏

（耒阳市水利局 衡阳市 421800）

耒阳市有小型水库270座，这些水库的建成对全市社会经济的发展发挥了巨大作用。但由于受经济、技术等条件的限制，这些水库在建设时均未对地基进行勘察，更谈不上防渗、加固处理，导致日后运行中坝基渗漏现象突出，严重制约水库经济、社会效益的发挥，甚至成为危及人民生命财产安全的隐患。

帷幕灌浆是指采用先钻孔，再将水泥浆（或复合浆）在一定压力下灌注孔内封堵岩体中的缝隙而形成阻水帷幕，以防止坝基渗漏、降低渗透水对坝基的扬压力，保证坝基的渗透稳定。在耒阳市病险水库除险加固工作中，广泛采用了帷幕灌浆治理坝基渗漏问题，取得了良好的效果。

1 前期勘察

灌浆前，应通过现场踏勘、钻孔取样、土工试验等地质勘察工作，充分掌握坝基岩石的种类、成分、岩层构造，研究裂隙和空洞的性质以及地基岩层渗透性，掌握坝址区的水文地质情况。

2 防渗标准及灌浆深度

2.1 防渗标准

帷幕灌浆的防渗标准应按灌后基岩的透水率控制。根据《碾压式土石坝设计规范》（SL 274—2001）规定，3级及以下的坝基透水率宜为（5～10）Lu。

2.2 灌浆深度

坝基下存在相对不透水层，且埋藏深度不大时，帷幕应深入该层至少5 m。当坝基相对不透水层埋藏较深或分布无规律时，应根据渗流分析和防渗要求，并结合类似工程经验研究确定帷幕深度。

3 灌浆孔

3.1 灌浆孔布置原则

帷幕灌浆形成的坝基防渗体应与坝身防渗体形成一个整体。对于高喷灌浆、混凝土防渗墙、冲抓套井回填、深层搅拌连续防渗墙等，一般沿防渗体同一轴线布置；对于粘土斜墙、坝面土工膜等，一般沿坝内坡脚布置并向两岸肩延伸。

当岩石完整、透水性小时，可采用单排帷幕；当岩石破碎、裂隙发育、透水性大、地质条件复杂时，则多采用2～3排。由3排孔组成的帷幕，应先灌注下游排孔，再灌注上游排孔，后灌注中间排孔。由两排孔组成的帷幕应先灌注下游排，后灌注上游排。

每排灌浆孔按分序加密的原则进行，一般分为二序或三序。第Ⅰ序孔距通常选为（8～12）m，最终孔距多为（2～3）m。双排孔和三排孔宜按梅花型布置，排距、孔距宜为（1.5～3）m。

3.2 钻孔技术要求

钻孔一般采用回转式钻机钻孔，也可采用冲击式或冲击回转式钻机钻进。孔径一般多为59 mm或75 mm，在保证灌浆质量的前提下，宜优先选用小口径钻孔，但不得小于46 mm，检查孔的孔径要稍大一些，一般可为75 mm或91 mm。

灌浆孔位与设计孔位的偏差不应大于10 cm，孔深不应小于设计孔深。铅直孔应进行孔斜测量。垂直或顶角小于5°的帷幕灌浆孔，孔底的偏差不应大于表1的规定，如超过时应采取补救措施。

表1 帷幕灌浆孔孔底允许偏差 m

灌浆孔或灌浆段钻进结束后，应进行钻孔冲洗，孔内沉积厚度不得超过20 cm，同时在灌浆前应采用压力水进行裂隙冲洗，冲洗压力可为灌浆压力的80%，且不大于1 MPa。冲洗时间至回水清净时止，不大于20 min。

4 灌浆方法

灌浆方法可分为全孔一次灌浆和全孔分段灌浆，灌浆方法的选用应根据地质条件、坝工要求以及钻孔情况确定。

4.1 全孔一次灌浆

即把全孔作为一段进行灌浆。在孔深入岩不超过6 m、地质条件良好、岩石较完整、漏水又较小的情况下，可考虑全孔一次灌浆。

4.2 全孔分段灌浆

根据钻孔各段的钻进和灌浆的相互顺序，又可分为以下几种灌浆方法：

（1）自上而下分段灌浆法。即自上而下逐段钻进，随段安设灌浆塞，逐段灌浆的一种施工方法。此种方法适用于岩石破碎、孔壁不稳固、孔径不均匀，竖向或陡倾角节理、裂隙发育，渗漏情况严重的岩层。

（2）自下而上分段灌浆法。即将钻孔一直钻到设计孔深，然后自下而上逐段进行灌浆。此种方法适用于岩石比较坚硬完整，裂隙不很发育，渗透性不甚大的岩层。

（3）综合分段灌浆法。是一种自上而下与自下而上相结合的分段灌浆方法。在较深的灌浆施工中，把全孔分成几个大综合段，每个综合段中又含有几个灌浆段。从全孔的施工进程上来看，以综合段为单元计，表现是自上而下，但从每个综合段内的各灌浆段来看，则又是自下而上。在地质条件比较复杂而钻孔又深的情况下可采用综合分段灌浆法。

（4）孔口封闭灌浆法。即把孔口封闭器安设在孔口，自上而下分段钻进，逐段灌浆并不待凝的一种分段灌浆方法。此种灌浆方法一般用于比较高的大坝或采用灌浆压力比较大的基岩帷幕灌浆。

5 灌浆参数

5.1 灌浆段长度

灌浆长度要根据岩石的裂隙发育程度、破碎情况、渗透以及设备条件决定。根据《水工建筑物水泥灌浆施工技术规范》（DLT 5148-2012）要求，参照省内外帷幕灌浆取得的成功经验，结合各工程的具体情况，灌浆段长度一般取（5～6）m，岩体完整时可适当加长，但最长不应大于10 m；岩体破碎孔壁不稳时，段长应缩短，可采用（3～4）m。

5.2 灌浆压力

灌浆压力是控制和提高灌浆质量的一个重要因素，一般情况下，使用较高的压力是有利的，其优点是：

（1）使浆液能更好地压入岩层中的细小裂隙和空洞，充填紧密、牢实。

（2）可以获得较大的扩散范围，使孔距相对增大，减少钻孔数目，缩短工期，节约成本。

（3）促使浆液尽快、尽多地析出水分，有利于浆液凝结密实，提高结石的密度和强度，增强防渗和稳固性能。

但灌浆压力也不能过大，否则可能使岩石裂隙扩宽，甚至产生新的裂隙，使原来的地质条件恶化，或使坝体和岩石抬动变形，发生新的问题。

灌浆压力宜通过试验确定，也可通过公式计算或根据经验先行拟定，而后在施工过程中调整确定。灌浆时应尽快达到设计压力，但注入率大时应分级升压。

灌浆压力可按以下公式计算：

式中P——灌浆压力（kPa）；

P0——岩基表层的允许压力（kPa），可按表2选用；

m——灌浆段上岩层每增加1 m所增加的压力（kPa），可按表 2 选用；

D——灌浆段上岩层的厚度（m）；

k——系数，一般取1.5；

y——压重的重度（kN/m3）；

h——灌浆段以上压重的厚度（m）。

表2 P0及m值选用表kPa

5.3 灌浆材料

灌浆宜采用纯水泥浆，水泥应为新鲜的普通硅酸盐水泥，强度不低于42.5。不得使用受潮结块水泥。

根据灌浆需要，可在水泥浆中加入砂、膨润土或黏性土、水玻璃等掺合料，也可视需要加入速凝剂、减水剂、稳定剂等外加剂。

5.4 浆液稠度

灌注普通水泥浆液时，浆液水灰比采用5∶1、3∶1、2∶1、1∶1、0.8∶1、0.5∶1 等 6 个等级，灌注时由稀至浓逐级变换。浆液变换原则如下：

（1）当灌浆压力保持不变，注入率持续减少，或注入率不变而压力持续升高时，不得改变水灰比。

（2）当某级浆液注入量已达300 L以上，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，应采用浓一级的水灰比。

（3）当注入率大于30L/min时，可根据具体情况越级变浓。灌浆过程，灌浆压力或注入率突然改变较大时，应立即查明原因，采取相应的措施进行处理。

5.5 结束灌浆标准

在正常的灌浆过程中，灌浆结束的条件通常有两种：

（1）采用自上而下分段灌浆法时，在规定的灌浆压力下，灌浆段注入率不大于0.4 L/min，延续30 min或注入率不大于1 L／min继续灌注60 min，灌浆可以结束；采用自下而上分段灌浆法时，在规定的灌浆压力下，注入率不大于1 L／min，继续灌注30 min，可以结束。

（2）在规定的灌浆压力下，单位长度注入率不大于0.1或0.2 L/min·m，继续灌浆30 min即可结束。

5.6 封孔方法

（1）导管注浆封孔法。全孔灌浆完毕后，将导管下到钻孔底部，用灌浆泵泵入水灰比为0.5的水泥浆，将孔内余浆或积水顶出孔处。在泵入浆液的过程中，将导管徐徐上提，并注意导管底部始终保持在浆面以下，此种方法仅适用于深度小于8 m的浅孔。

（2）全孔灌浆封孔法。全孔灌浆完毕，先采用导管注浆法将孔内余浆置换成水灰比为0.5的浓浆，而后将灌浆塞塞在孔口，进行纯压式灌浆封孔。封孔灌浆的压力可根据工程具体情况确定，一般不小于1 MPa。当采用孔口封闭法灌浆时，可使用该孔最大设计灌浆压力，灌浆持续时间不应小于1 h。

6 质量检查

质量检查以检查孔压水试验成果为主，结合对施工记录、施工成果资料和检验测试资料的分析，进行综合评定。

检查孔的数量可为灌浆孔总数的10%左右，一个坝段或一个单元工程内至少应布置一个检查孔。

检查孔应布置在帷幕中心线上，并位于断层、岩体破碎、裂隙发育、强岩溶等地质条件复杂的部位以及末序孔注入量大的孔段附近。检查孔压水试验应在该部位灌浆结束14天后自上而下分段卡塞进行，试验采用单点法，按《水工建筑物水泥灌浆施工技术规范》（DL/T 5148-2012）附录 B 执行。

经检查孔压水试验检查，坝体与基岩接触段透水率的合格率为100%，其余各段的合格率不小于90%，不合格试段的透水率不超过设计规定的150%，且不合格试段的分布不集中，灌浆质量可评为合格。

7 特殊情况的处理

在小型病险水库除险加固项目建设过程中，经常遇见吸浆不止、串浆等特殊情况，需要有针对性地采取相应的措施，才能达到预期的效果。

7.1 大吸浆量

在灌浆中，有时会遇到大量吸浆不止，灌浆难以结束的情况，其主要原因是地层的特殊结构条件促使浆液沿某一固定的通道流失。对此种情况，可采用如下方法进行处理：

（1）降压。采用低压甚至是自流式灌浆，待裂隙充满浆液，浆液的流动性降低后，再逐渐升高压力，按正常的施工要求进行灌浆。

（2） 限流。限制注入率为（15～20）L/min，或更小一些，以减少浆液在裂隙里的流动速度，促使浆液尽快沉积，待注入率明显减小后，再将压力升高，使注入率基本保持在（10～15）L/min水平，直至达到灌浆结束标准后结束灌浆。

（3）浓浆灌注。采用最稠的水泥浆（一般为0.5∶1）进行灌注。

（4）加速凝剂。在最稠的浆液中（一般为0.5∶1）中掺入水玻璃、氯化钙速凝剂。

（5）灌注水泥砂浆。根据灌注情况，掺砂量可以按水泥重量的10%、20%……100%逐步增加，砂的粒径也可逐渐变粗。将砂浆搅拌均匀后，用砂浆泵灌注。

（6）间歇灌浆。在灌注一定数量水泥或灌注一定时间后，停止灌浆一段时间，然后再灌。间歇时间通常为（2～8）h。只有在比较长时间内，岩层一直大量吸浆并且基本不起压力或压力长期较小的情况下，才适合采用间歇灌浆。这种情况下，往往无法在设计压力下结束灌浆，需待凝一段时间后扫孔、复灌，复灌时争取在设计压力下结束灌浆。

7.2 串 浆

在灌浆过程中，浆液从其他钻孔流出，这种现象称为串浆。其主要原因是岩石中裂隙较多，相互串连，使灌浆孔相互间直接或间接连通，造成了串浆通路。对此，可采取以下方式预防处理：

（1）加大第一次序孔间的孔距，适当地增长相邻两个次序孔先后施工的间隔时间。

（2）当串浆孔为正在钻进的钻孔时，应立即停钻，在串浆孔内漏浆处以上的部位安设灌浆塞，堵塞严密，在灌浆孔中则按要求正常灌浆。待灌浆结束后，串浆孔恢复正常钻进。

（3）若串浆孔为待灌的灌浆孔时，最好是串浆孔与灌浆孔同时进行灌浆，一台灌浆泵灌注一个孔，如无此条件，则只得采用上述（2）的措施。

8 结 语

在小型水库除险加固工程中，只要根据大坝基础的实际情况，采用合适的施工方法，选取合理的技术参数，严格控制施工工序，牢牢把关每一个环节，帷幕灌浆均可取得明显的效果，达到防止坝基渗漏、保证坝基稳定的目的。

[1]中国电力企业联合会.DL/T 5148—2012.水工建筑物水泥灌浆施工技术规范[S].北京：中国电力出版社，2012.

[2]黄河水利委员会勘测规划设计研究院.SL 274—2001.碾压式土石坝设计规范[S].北京：中国水利水电出版社，2002.

[3]孙钊.大坝基岩灌浆（第三版）[M].北京：中国水利水电出版社，2004.

[4]许厚材.水利水电工程基础灌浆中特殊地层的灌浆方法[J].水力发电，2005，31（9）：36-38.