高压堵水技术在观音岩电站灌浆平洞施工中的应用

邹 刚

(中国水利水电第七工程局成都水电建设工程有限公司，成都，611130)



高压堵水技术在观音岩电站灌浆平洞施工中的应用

邹 刚

(中国水利水电第七工程局成都水电建设工程有限公司，成都，611130)

观音岩水电站地质条件极为复杂，溶蚀条带发育范围较广，地下水渗流通道较多，补给方式复杂，补给途径较远，地下水极为丰富。右岸高程985m灌浆洞完全埋深于地下水位以下，开挖过程中，掌子面及边顶拱涌水量极大，严重制约开挖、混凝土衬砌施工进度、质量及施工安全。本文主要介绍高压堵水在灌浆平洞中应用的施工技术。

观音岩水电站 灌浆平洞 高压堵水 施工技术

1 工程概况

观音岩水电站位于云南省丽江市华坪县与四川省攀枝花市交界的金沙江中游河段，为金沙江中游河段规划的八个梯级电站的最末一个梯级。观音岩水电站为一等大(1)型工程，以发电为主，兼有防洪、灌溉、旅游等综合利用功能。水库正常蓄水位1134m，库容约20.72亿m3，电站装机容量3000(5×600)MW。

右岸高程985m灌浆平洞设计开挖断面为城门洞型，断面尺寸5.2m(5.6m、6m)×5.2m(5.6m、6m)(宽×高),洞口起点高程990.30m，终点高程为985.85m，灌浆施工通过施工支洞作为交通通道(长742m)。灌浆洞与施工支洞交叉处高程988.4m，开挖长度445m，坡降1%，地下水位高程约1015m。在开挖过程中，掌子面及边顶拱出现较大涌水，严重影响开挖施工进度及安全。

2 灌浆洞围岩工程地质及涌水情况

右岸高程985m灌浆洞沿洞段发育的岩层主要为侏罗系蛇店组上段(J2s3)岩层：紫红色中厚层～巨厚层状细粒石英砂岩、含砾砂岩、棕红色中厚层～巨厚层状铁质钙质粉砂岩、泥质粉砂岩夹粉砂质泥岩、泥岩、少量砾岩，该段岩层按其各岩性比例及其工程特性可细分为6个亚层(J2s3-1～J2s3-6)。开口洞段岩层为J2s3-1岩层，往洞内延伸各亚层依次分布，至尾部洞段为J2s3-5岩层分布。其中，J2S3-1、J2S3-3、J2S3-5层以坚硬砂岩为主，J2S3-2、J2S3-4、J2S3-6以粉砂岩、泥质岩的中硬、软岩所占比例较多。在J2S3-1和J2S3-3钙质砾岩、钙质含砾砂岩、钙质砂岩中，由于地下水的作用，沿层理方向或陡倾角裂隙产生溶蚀现象，局部形成小型溶洞。大部分洞段岩层为夹泥软弱砂岩，断层、裂隙节理发育、溶蚀明显，泥质粉砂及少量泥岩属相对不渗水层，但受浸泡容易软化，存在失稳隐患。枢纽工程区地下水位高程约1015m，灌浆洞全洞段均处在地下水位以下，出水点主要集中在开挖断面(掌子面)腰线以上开挖爆破孔中及洞子两侧几个大的出露裂隙中，呈股状流水；其他出水点涌水较小，主要从腰线以下爆破孔及洞壁较细微的裂隙中渗出。

开挖后围岩张性节理较多，且平行发育，间距较密，再加之表层围岩受钻爆法开挖影响，节理发育宽度随之增大、发育延伸长度增加，整个洞段渗水通道较多、面积广，边墙、顶拱、底板及掌子面均有分布。散漏滴水极为普遍，一般从细微爆破裂隙及卸荷裂隙中渗出。特大涌水点可见8处，主要从大的出露裂隙或溶蚀空腔中呈股状涌水，涌水压力较大。采用边开挖边堵水方式进行施工，施工过程中洞内集中排水负荷最大达1500m3/h。通过现场实际测量，涌水压力一般为0.1MPa～0.60MPa，涌水流量一般为1.6L/s～35L/s。涌水孔涌水压力及涌水量区间统计值见表1。

表1 涌水孔涌水压力及涌水量区间统计值

3 堵水灌浆设计

3.1 设计原则

3.1.1 保证一定的胶凝厚度。一次堵水灌浆施工完成后，还需要进行下一循环开挖爆破，为尽量避免或减少在进行下循环开挖爆破时再度揭露地下涌水，因此在堵水灌浆时需保证形成一定的止水范围带，尽量将地下水封堵在开挖施工区域以外。边墙堵水主要是快速有效地封堵住地下水出露点，减少涌水量，降低洞内集中排水负荷。

3.1.2 保证一定的经济型。采取有效措施快速、高效地封堵住地下水，尽可能地降低堵水灌浆成本。因此，灌浆过程中采取高压力、限量灌入。即单液、双液交替结合的方式进行灌注，尽可能保证灌浆质量和降低施工成本封堵地下水。

3.2 主要设计方法

3.2.1 堵水灌浆孔布置。根据涌水分布情况确定灌浆孔的布置，通过对出水量较大的孔进行试水，当裂隙走向和产状判断明确及串通情况明确时，根据裂隙结构面走向、产状位置有针对性的布孔，使钻孔尽量与裂隙面斜向相交。为有效地控制地下水出露点，在较大涌水区钻进分流孔进行分流。在掌子面周圈规则布置一定的灌浆孔，对地下水进行围堵。考虑开挖循环进尺及灌浆效果，避免钻孔过程中再次遇到比较大的涌水出现，掌子面孔深一般控制为8m。

3.2.2 灌浆压力。灌浆压力为0.5MPa～1.5MPa，根据现场实际施工情况可适当加大或减小部分灌浆压力。

3.2.3 灌浆方法。按“先表层、再浅层、后深层灌浆”、“由低处向高处”、“先周边灌浆向中央推进的原则”、“先灌注未有出水及出水较小的孔，后灌注出水较大的孔”进行纯压式灌浆。首先，对出水较小的孔采用普通硅酸盐水泥灌注，达到限量标准后，采用纯水泥浆液结合掺加外加剂(堵水专用液)进行灌浆处理。

4 施工程序

4.1 在掌子面腰线下区域，随机布置2～3个钻孔，孔深8.0m，钻孔完成后观察渗水情况。如果未有大的渗水点，沿掌子面洞挖向腰线以上区域，首先顺掌子面边缘布置灌浆孔，灌浆孔与掌子面成外插角a=3°～5°的灌浆孔，间距1m～1.5m，作为一个循环(钻爆2.5m为一个开挖循环，根据情况在达到最后一个循环时，适当预留0.5m的已固结面作为封闭位置，即下一灌浆循环钻孔位置为开挖进尺为10m的掌子面)。

4.2 掌子面周圈钻孔完成后，随机选取多个涌水较大的孔进行泵压压水。压水时加入高锰酸钾(红色)，观察水流通道情况，以便确定掌子面上及其他钻孔的位置，观察裸岩表面渗漏情况，以便进行封堵。如果掌子面出水孔均串通，则选取2～3个掌子面上出水孔进行钻孔。

4.3 灌浆孔钻孔完成后，进行灌浆管安装；灌浆管安装完成后，如有必要对涌水量和涌水压力进行测定。

4.4 根据涌水部位表面出水情况，对表面渗水点和表面裂隙水进行表面封堵及灌浆处理。

4.5 洞壁两侧出水裂隙缝处理。根据裂隙结构面的走向、产状布置灌浆孔，孔深1m～3m，孔径不小于φ38mm。钻孔完成后，安装灌浆管及排水管。

4.6 灌浆过程中，若产生新的裂隙渗水，则停止灌浆，按上述办法进行封堵处理。

4.7 灌浆首先采取灌注纯水泥浆液，在达到一定灌入量后，如压力和流量无明显变化则采取灌注水泥～化学控制液双液灌注。在双液灌注过程中，根据流量压力变化情况，适时调整双液配合比，直至该孔灌注结束。

5 堵水灌浆施工

5.1 钻孔施工

堵水施工作业面采用架管搭设形成施工平台，按满足钻灌施工要求考虑，施工平台应一次性搭设完成，局部位置作业平台搭设门式排架，承重排架上铺设马道板，外侧挂安全网。

5.1.1 钻孔分类。钻孔主要分为表层孔、浅层孔、分流孔及主灌孔。

表层孔：针对表层裂隙进行封堵，如果浅层孔灌浆时表层裂缝渗漏，并采用一般材料不易封堵时进行。

浅层孔：针对边顶拱较小涌水区堵水及掌子面浅层裂缝封堵。

分流孔及主灌孔：针对掌子面超前堵水孔及边墙较大涌水区堵水。

5.1.2 钻孔方法。钻孔施工先根据涌水点位置进行布置，压水及灌浆施工中，如果发现其他裂隙渗漏，另外进行表层孔及浅层孔的钻孔。钻孔一次性成孔，根据现场施工时实际情况确定钻孔深度。出水量大的灌浆孔孔深为8.0m，孔径不低于φ65mm；表层封堵孔孔深为1m～3m，钻孔孔径不低于φ38mm；采用液压潜孔钻和气腿式风钻造孔。

5.2 安装灌浆模带(塞)

模带(塞)采用1′、6″铁管及架管加工，孔口段外包土工布形成止浆包，止浆包长度根据压力确定。钻孔完成后，根据钻孔类型或孔径、孔深加工灌浆模带(塞)，并下至孔内距离孔底20cm～50cm。对掌子面及其他部位较深的孔，孔内须采用花管，后用手压泵压0.5∶1的水泥浆对止浆液包注浆，进行卡塞固定。

5.3 表面封堵

在压水或灌浆过程中有新的表层裂隙渗漏时，采用能快速凝结及有一定强度的特殊材料进行凿槽嵌缝处理(槽上宽10cm，下宽15cm，深5cm)。如果嵌缝处理效果不明显，则直接钻表层孔，采用双液法结合水溶性聚氨酯进行泵压封堵。

5.4 涌水压力及涌水量测量

灌浆施工前根据涌水情况进行流量及压力测量。集中出水量的测量，在出水点位置布孔，将分散的渗滴水汇流到钻孔中，集中流出，在孔中卡塞，用量筒逐孔测定单位时间内量筒的接水量，从而计算出集中出水孔流量的大小，然后取平均值。流量测定完毕后，关闭所有灌浆孔阀门，在集中出水孔模袋的外管上安装压力表，测定涌水压力。

5.5 堵水灌浆

5.5.1 制浆及外加剂、封堵材料的使用：采用普通硅酸盐42.5#水泥进行集中制备0.5∶1纯水泥浆，泵送至灌浆站。如注入量较大及表层裂隙渗漏时，考虑按比例(一般为3%～10%的水泥重量，浆液性能检测成果见表2)及孔口方式添加双液(堵水专用液)，添加设备为手提式高压灌浆机。涌水较大孔难于封堵时，采用3SNS灌浆泵掺加，止水针头及单向阀止回浆。其他使用材料，主要为力顿堵漏王、无水氯化钙、Sika102止水砂浆(速凝水泥)及水溶性聚氨酯等，各种外加剂质量符合《水工建筑物水泥灌浆施工技术规范》DL/T5148-2001第5.1.7条规定。双液(堵水专用液)灌注时，采用点动方式或间隙式方法灌注，其间隙时间和灌入量根据吸浆量大小和灌浆压力确定。

表2 不同水灰比下掺加不同比例堵水专用液的性能检测

5.5.2 灌浆。堵水灌浆工艺,主要为纯水泥浆液模带(塞)纯压式灌浆和水泥～化学控制液双液模带(塞)孔口混合直接灌注法灌浆，按“先围后堵”方式施工。在实灌前进行试压及压水试验时，岩石表层均出现渗漏情况，为保证堵水效果，直接采用0.5∶1水灰比进行。双液灌注时，水泥浆液与堵水专用液掺量按体积比1∶0.03～1∶0.1区间控制，或按3%～10%的水泥重量添加。

5.5.2.1 灌浆方法

(1)灌浆原则：灌浆按“先表面封堵，然后浅层封堵，最后分流孔、主灌孔灌浆”等原则进行。灌浆次序原则上遵循先灌无水孔，再灌出水量小的孔，最后灌出水量大的孔。即先封堵散水，形成约束区，限制地下水窜流，最后集中封堵；采取从散状出水段两端逐步向中间靠拢的原则进行施灌，并先灌顶部孔，再灌底部孔。对于封堵过程中形成了新的渗漏部位，立即停止该孔封堵灌浆，对新出水部位布置浅孔进行浅层灌浆，待新出水部位浅层封堵灌浆完成后，再恢复该孔封堵灌浆；

(2)表层孔灌浆。高程985m灌浆洞溶蚀性节理裂隙发育，掌子面及边顶拱裂隙渗水形式主要为线状、滴状渗水和局部股状渗水。部分涌水压力较大，若采用嵌缝方式无法封堵住表层渗漏，则布置表层灌浆孔进行封堵。灌浆采用水泥-堵水灌浆专用液，双液孔口混合直接灌注或手提式灌浆泵灌注堵水专用液。双液灌浆水灰比为0.5∶1，水泥浆与堵水灌浆专用液的体积比为1∶0.05～1∶0.1。灌浆最大控制压力为0.5MPa；

(3)浅层孔灌浆。浅层孔采用纯压式卡塞灌浆方法，灌浆塞为模袋(塞)，目的是快速堵水及在表层形成一定厚度的“止水盖重带”。先灌注纯水泥浆液，并根据施工情况尽快采用双液灌浆，并对裂隙渗水及时进行表面封堵，直至该孔灌注结束。灌浆限量标准为，灌注纯水泥浆液结合掺加外加剂(堵水专用液)，水泥量达10t后关闭孔口强行待凝；待凝一段时间，打开控制闸阀，如仍有涌水则继续灌注，无涌水则认为此孔灌浆结束，即进行下一孔灌浆。灌浆水灰比为0.5∶1，水泥浆与堵水灌浆专用液的体积比为1∶0.03～1∶0.1，或按专用液比例为灌入灰量的3%～10%控制；

(4)分流孔、主灌浆孔灌浆。表层封堵和浅层灌浆完成后，将涌水最后汇集到主水孔中，首先灌注纯水泥浆液，待灌入一定水泥量后，压力和流量无明显变化时，则采取水泥-化学控制液双液灌注。在双液灌注过程中，根据流量压力变化情况，适时调整双液配合比；当双液灌注过程中流量明显减小(小于30L/min)、压力升高时，再次进行纯水泥浆液灌注。通过单液-双液交替灌注等工艺措施，提高灌注效果，直至该孔灌注结束。为控制施工成本，灌浆限量标准同浅层孔灌浆。实际施工时，其灌入限量标准可根据灌前测定的涌水流量灵活确定。灌浆压力按比渗水压力大1.0MPa的原则执行，或根据现场实际在出水孔压力+1.0MPa的情况下适当加大或减小灌浆压力，一般按1.0MPa～1.5MPa进行控制。双液灌浆施工工艺流程图见1。

图1 双液灌浆施工工艺流程

5.5.2.2 灌浆压力控制原则

由于边顶拱孔深较浅，裂隙较为发育且极为不规则，表面渗漏较难封堵，防止围岩受灌浆压力影响局部坍塌，涌水压力较小，适当减小灌浆封堵压力，最小压力控制0.5MPa。掌子面灌浆封堵压力根据灌前涌水压力调整，采用1.0MPa～1.5MPa，或根据现场实际适当加大或减小灌浆压力。

5.5.3 其他(浆液变换、结束标准)

堵水灌浆主要是采用特殊方法把出露的地下水封堵在一定范围外，并不能对全部涌水通道进行充填封堵。洞子地质条件较复杂，裂隙及溶蚀通道多，吃浆量较大。故在灌浆过程中，为避免浆液被地下水带走，灌浆时尽量直接采用0.5∶1的水泥浆，并通过过程控制判定灌浆是否结束。

5.5.4 特殊情况处理

5.5.4.1 串浆处理。在灌浆过程中，为防止浆液从其他钻孔内流出，采取措施为：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部位安设灌浆塞，堵塞严密，在灌浆孔中依据施工技术要求正常灌浆，待灌浆结束后，串浆孔间恢复正常钻进；若串浆孔为待灌的灌浆孔时，最好是串浆孔与灌浆孔同时灌浆，一台灌浆泵灌注一个孔，但并联灌浆孔不宜多于3个。否则，应塞住串浆孔，待灌浆孔灌浆结束后，再对串浆孔进行扫孔、冲洗；而后继续钻进或灌浆，或者塞住串浆孔，用堵水灌浆专用小水泵向孔内压水，压水压力为渗水压力的1.5倍，同时要定时打开阀门进行排水排浆，防止时间过长串过来的水泥浆凝结而堵塞灌浆通道。

5.5.4.2 地表冒浆。在灌浆过程中，为防止浆液沿次生裂隙或层面往上串流而冒出地表，需采取如下措施：(1)在裂隙冒浆处，可用旧棉花、麻刀、棉线等物紧密地打嵌入缝隙内，必要时，在其上面再涂抹速凝水泥浆或水泥砂浆等，堵塞缝隙；(2)在冒浆处，凿挖岩石，漏浆集中于一处后用铁管引出，先前冒浆的地点用速凝水泥浆液封闭，待一定时间后将铁管堵住，从而止住冒浆；(3)当灌浆前进行压力水冲洗时，如果发现基础岩石表面有大量冒水，则先将冒水地点处理好后，再行灌浆；如遇到基础面为溶蚀砂化带或裂隙不易封堵时，则考虑先浇筑一定厚度的混凝土盖重，再进行堵水灌浆。

5.5.4.3 灌浆中断处理。灌浆必须连续，若因故中断，按下述原则处理：尽快恢复灌浆，否则应立即冲洗钻孔，再恢复灌浆。若无法冲洗或冲洗无效，则进行扫孔，再恢复灌浆。恢复灌浆时，使用开灌比级的水泥浆进行灌注，如注入率与中断前相近，即可采用中断前水泥浆的比级继续灌注；如注入率较中断前减少较多，应逐级加浓继续灌注；如注入率较中断前减少很多，且在短时间内停止吸浆，应采取补救措施。为保证灌浆资料的连续性，待压力达到暂停前压力时，再开记录仪。

5.6 灌浆效果分析

高压堵水灌浆完成后，按施工时间分段进行验收。表观验收无集中出水点，且全断面无明显出水点。在掌子面钻设6m深检查孔，孔内几乎无渗水，为灌浆洞开挖、混凝土浇筑施工进度及施工安全提供了有力保障；在一定程度上为后期固结灌浆奠定良好基础，进一步保证了固结灌浆施工顺利实施和施工质量。

6 结语

右岸高程985m灌浆洞埋深较深，工程区地下溶蚀通道及溶蚀腔发育，围岩爆破裂隙及卸荷裂隙走向不规则，涌水点分布较广，涌水压力、涌水量较大。采用高压堵水灌浆效果显著，说明高压灌浆技术应用于堵水灌浆是成功的。

〔1〕刘正峰.地基与基础工程新技术实用手册.北京：新潮出版社，2001.

〔2〕水利水电工程施工手册编写委员会.水利水电工程施工手册.北京：中国电力出版社，2004.

〔3〕孙 钊.大坝基岩灌浆.北京：中国水利水电出版社，2001.

邹 刚，(1970-)，男，四川南部县人，教授级高级工程师，从事水电施工技术与管理工作。

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2095-1809(2015)05-0062-05