水库坝基承压水区的灌浆条件与承压水封孔技术探讨

文/张彦斌 天水市秦州区水务局 甘肃天水 741000

水库坝基承压水区的灌浆条件与承压水封孔技术探讨

文/张彦斌 天水市秦州区水务局 甘肃天水 741000

坝基位于水河峪—花洋峪复式向、背斜核部，核部至少由5个顺河的向、背斜和5条顺河向的断层组成了承压水区。含水岩体为裂隙砂岩，相对隔水层为弱裂隙粉砂岩体。容浆空间主要有三类：砂岩层内的构造裂隙，粉砂岩层内的张性断裂，向、背斜顶、底部的滑脱带，砂岩层内的构造裂隙和向、背斜顶底部的滑脱带。主要灌浆对象是宽大裂缝，其次是细小裂隙。封堵宽大裂缝与细小裂隙灌浆两者有不相容性，应区别进行灌注。研制试验成功了两种封孔方法。水均衡封孔法，适用于承压水头低于钻塔高度，缺点是在钻塔上操作，略感不便；止水栓塞封孔法适用于高承压水头区，缺点是对稳定栓塞的孔壁要求较严格。如果用普通浆液封孔，需要二次补封才可以完全封孔；如果用复合浆液封孔，一次封堵就可以完全封孔。

裂隙砂岩；水泥浆；水均衡法；止水栓塞

1、前言

某水库为完全年调节性质的枢纽工程，水库总库容为640.5万m3，是一座以城区供水、防洪为主的Ⅳ等小(1)型工程，主要建筑物为4级，次要建筑物为5级。其主要建筑物包括大坝、右岸溢洪道和左岸输水泄洪洞。大坝坝型为“壤土心墙砂砾石坝”。坝顶宽6.Om，长202.8m。壤土心墙顶宽3.Om，上下游边坡1：0.35，最大底宽30m。河床砂砾石覆盖层设壤土防渗齿槽，底宽8.Om，边坡1：1.5，齿槽深入基岩面以下2.5m。基座下设计有两排防渗帷幕，帷幕上下游各设一排5m深固结灌浆孔。

水库于2002年开工建设，经过两阶段施工，因基础防渗帷幕灌浆与固结无法达到设计要求而被迫停工。2012年3月，项目单位邀请相关专家会同多位工程技术人员，对灌浆区的工程地质、水文地质与灌浆地质的条件与问题进行了调查；建立了地表水与地下水动态观测网；进行了灌浆浆液的室内外的系列研究；开展了大量的现场灌浆实验；对以前两次灌浆失败原因，在现场进行了试验分析与论证，探索了解决水库坝基承压水区的灌浆条件下承压水封孔技术的结论。

2、坝基承压水区的防渗帷幕灌浆条件

水库建筑区，位于水河峪—花洋峪复式向、背斜核部，因此靠近核部的左、右岸的坝肩岩层特别破碎，离河床渐远的地方，岩体的块度稍微大了一些。复式向、背斜核部，总体走向为NW280°- 350°，其中的褶皱与断层倾角，多陡于70°。复式向、背斜核部岩体的成层性很差。

地层岩性，坝址区出露的地层处于上泥盆统大草滩群的中上部，多为紫红色粉砂岩、砂岩和粗砂岩，灰白色含砾石英砂岩、石英砂岩。其胶结物多为硅质，部分为泥质。

地质构造，坝基恰位于水河峪—花洋峪复式向、背斜核部，核部至少由5个顺河的向、背斜和5条顺河向的断层组成。基岩内发育有四组裂隙：①组出现频率最高，走向NW320°-350°,倾向SW,倾角多陡于70°的走向裂隙组(平行向、背斜轴部)。②组为倾向(单斜地层倾向)裂隙组。③④组为剪切裂隙。在向、背斜构造的主压应力作用下，在坝址区形成了倾向NE、SW方向的层间错动带。在4组构造裂隙的切割下，使层间褶皱带岩体特别破碎。

水文地质，河床坝基区，处于向、背斜核部，两岸为波状起伏地层，总体上为向河床倾斜的地层。向斜核部地层由起伏褶皱的透水砂岩和起伏褶皱的相对隔水的粉泥质砂岩组成。地表水通过两岸地层的朴给，形成了坝基承压水含水层。由于相对隔水层遭受风化卸荷作用后，变成了承压水含水层向上的越流层。

容浆条件，本区的灌浆容浆空间主要有三类：一类是砂岩层内的构造裂隙；第二类是粉砂岩中发育的张性断裂，向、背斜顶、底部的滑脱带；第三类是砂岩层内的构造裂隙和向、背斜顶底部的滑脱带。

3、坝基防渗帷幕灌浆的基本原则

3.1 主要灌浆对象是宽大裂缝，其次是细小裂隙

根据试验，裂隙的过浆量与裂隙宽度的立方成正比[1]。也就是说，一条1cm宽的缝隙过浆量，不等于10根1mm裂隙的过浆量，而是等于1000根裂隙的过浆量。封堵了一条1cm宽的缝隙，就等于封堵了1000根1mm的裂隙。当然，细小裂隙太多的话，其漏水量也是不可忽视的。因此，本区的主要灌浆对象是张性断裂和向、背斜顶，底部的滑脱带等宽大裂缝。同时也要对构造裂隙进行认真地灌浆。

3.2 封堵宽大裂缝与细小裂隙灌浆两者有不相容性，应区别进行灌注

封堵宽大裂缝时，注浆压力自然会很低。这个低压力对一般构造裂隙来说，又太低了，浆液扩散半径太小，常常达不到灌浆要求。因此应把宽大裂缝处理到可以承受较大压力时，再对细小裂隙进行常规灌浆。

表1 针对灌浆条件的灌浆措施表

4、坝基承压水区的钻孔封孔技术研究

河堤两岸的堤脚，洪水期常形成承压水区，松散地层在承压水头的作用下，以管涌形式破坏堤基而导致河流泛滥；坝基下部的承压水区，为了进行防渗帷幕灌浆，都要进行钻孔灌浆，如若对承压水封孔不好，坝体几乎在水库全水头的作用下，轻则坝基发生严重漏水，重则溃坝而导致灾难性的事故发生。有鉴于此，我们对本工程的坝基承压水封孔进行了大量的试验研究，获得了可喜的如下的突破。

承压水钻孔的封孔难点在于封孔浆液的含水量难于控制，由于承压水的加入，使原来较稠的浆液变成了凝固时有很大体积收缩率的稀浆，自然也就起不到封孔作用。我们针对水库坝基的承压水文地质条件，研制试验成功了两种封孔方法。

4.1 水均衡封孔法， 适用于承压水头低于钻塔高度，缺点是在钻塔上操作，略感不便

水均衡封孔法，主要原理是使动态流动得水变为静止状态，从而改变灌浆环境。封孔前，在孔口沿孔轴安装同孔径的钢管，钢管高度一般高于承压水头0.5m，后将灌注管一次通至孔底，使用0.5:1的稠水泥浆液进行浆水置换，待浓浆从孔口溢出后注浆结束。待凝1小时后，孔内浆液析水沉降，再使用同样的浆水置换方法灌浆，如此反复直至完成封孔，3小时后卸掉水均衡管，完成封孔。

4.2 止水栓塞封孔法 适用于高承压水头区，缺点是对稳定栓塞的孔壁要求较严格

在封孔位置固定止水栓塞，使用0.5:1的稠水泥浆液采用设计压力封孔，待孔内浆液全部置换后，关闭灌浆阀门，浆液初凝后卸掉止水栓塞，完成封孔。

上述两种封孔方法，如果用普通浆液封孔，需要二次朴封才可以完全封孔；如果用复合浆液封孔，一次封堵就可以完全封孔。

结论：

（1）由于岩性及其裂隙发育和力学性质的差异，形成了含水层与相对隔水层。由于地质构造的作用，形成了纵向与竖向张性断裂带甚至滑脱带。

（2）张性裂隙与张性滑脱带，对灌浆压力有不同的反应：滑脱带吃浆量很大而升不起灌浆压力；用较小灌浆压力对张性裂隙灌浆则灌注量很小而灌浆效果不好。应分别进行灌浆。

（3）在承压水区灌浆钻孔封孔的成败与否与水库成败与否有着极为密切的关系，应用止水栓塞和复合浆液进行完全封孔。

[1]马国彦，常振华.岩体灌浆排水锚固理论与实践[J].中国水利水电出版社，2003年3月.