某大坝坝基水下冲洪积卵石层注浆加固及评价研究

卢正雷

(山东水总有限公司，山东 济宁 250013)

1 工程概况

某水库建成于20世纪70年代，是一座以供水为主，兼具防洪、旅游、养殖等诸多功能为一体的中型水利枢纽工程。该工程主要由大坝、溢洪道、引水洞以及库区防汛抢险路组成。水库按照50年一遇标准设计，500年一遇洪水标准校核，设计洪水位256.43m，校核洪水位257.42m，设计水位下水库的总库容为2538m3。现状水库大坝为均质土坝，坝轴线长263.2m，最大坝高23m，坝顶高程为260.58m，宽5.0m。由于该水库建成时间长，建设标准相对较低，目前水库的水工建筑物均存在严重的安全隐患，亟待进行除险加固。鉴于水库淤积情况比较严重，库容量已经明显缩小，已经影响到其供水功能的发挥[1]。因此，在水库除险加固中拟对大坝进行加高培厚，将坝顶高程由原来的260.58m提高到271.58m，坝顶宽由5m增加至6m，以增加水库库容量，提高水库的供水能力。

加固后的大坝下游坝脚需要向下游延伸61.5m。根据现场地质勘测资料，大坝加高加固施工区内河床内存在大量由水流冲刷、搬运后形成的卵石、砂石层，上覆第四系人工填土，卵石层下的基岩为二叠纪灰岩或凝灰岩。其中，卵石层主要由粒径为5～20cm的圆棱状卵石组成，卵石的缝隙中夹杂者大量的泥沙，结构十分松散。卵石的颜色以灰到灰褐色为主，岩性主要为灰岩和砂岩。卵石层的厚度分布不均，一般为2.5～13.5m，主要分布在河槽和河床部位。由于当前大坝施工过程中在该部位覆盖了人工填土以保护坝基，因此全部开挖置换工程量较大，因此采用注浆加固的方式进行地基处理。

2 注浆加固设计

2.1 注浆材料和设备

注浆材料对注浆加固效果的影响不容小视，因此其研究和发展由来已久[2]。但是，至今为止并没有研发出适合各种注浆施工的完美注浆材料。因此在注浆施工中需要结合现场的实际情况灵活选用注浆材料[1- 3]。针对本工程中砂卵石地层强度低、自稳性产的实际情况，浆液的选择和配比必须要能够确保固结体的强度，尽量缩短胶凝时间，以最大限度提升注浆后地层的强度和稳定性[4]。基于上述要求，多当前常用的注浆浆液类型进行对比分析，认为水泥一水玻璃双液最为适合，同时结合注浆要求，在注浆材料中添加氯化铝溶液以改善浆液性能，体改注浆后地基的承载力[5]。经过实验室试验，确定如下的浆液配比：水泥采用的是32.5R普通硅酸盐水泥；水玻璃为38°Be′氯化铝溶液为1.0mol/L；水泥浆和水玻璃的体积比为1∶0.6；氯化铝溶液与水玻璃的体积比为1∶4。

注浆引孔采用的是ZJ100型钻机，注浆设备为HFV5D双液注浆泵，同时配备高压注浆管路系统以及必要的制浆设备。注浆用的是直径50mm的柔性塑胶袖阀管，分段长度为1m。注浆孔孔距为800mm，采用梅花形布置，其布置示意图如图1所示。

图1 注浆孔位布置示意图

2.2 注浆量与注浆压力

砂卵石地层的注浆量计算可以依据如下公式计算[6]：

Q=π×R2×L×α×β×K

(1)

式中，Q—注浆量，m3；R—浆液扩散半径，m，这里取0.8m；L—注浆管的长度，m；α—地层孔隙率，这里取0.43；β—孔隙填充系数；K—浆液消耗系数。

利用上述公式计算获得本次注浆的注浆量为12.23m3。

注浆压力的确定以保证浆液的顺利注入为主要原则，如果压力过小，则会影响到浆液的扩散，如果注浆的压力过大，则造成浆液的扩散距离过远，不利于提高注浆作业的经济性[7]。结合相关研究成果和现场实际试验数据，确定注浆压力为0.8～1.0MPa。

2.3 注浆施工过程

灌浆工艺按照SL 62—2014《水工建筑物水泥灌浆施工技术规范》要求，并结合试验现场的实际设计，具体的流程图如图2所示。首先，放线确定孔位，搭建固定钻机进行钻孔，在钻机安装时确保牢固平稳和主轴方向竖直，孔距误差控制在10cm以内，孔底偏差值控制在25cm以内[8]。钻孔的施工顺序二孔序作业方式进行。灌浆试验采用的是最大压力1.0MPa。压力表安装在灌浆口进浆部位并在使用前标定，适应GK- 312型灌浆自动记录仪对灌浆参数进行记录，保证获得真实的灌浆参数信息；灌浆塞采用的是直径50mm的挤压式灌浆塞。灌浆过程中当单孔注浆量大于等于30L/min时，考虑越级变换浓浆液；在灌浆压力不变的情况下，浆液的注入率不断减少或注入率不变的情况下注浆压力不断升高时，应保持浆液级别不变；当灌浆实践达到30min或注浆量达到300L时，如果注浆压力和注入量没有明显变化，应该将浆液的浓度提高一级继续注浆。当灌浆孔的注入率低于0.4L/min或者在1.0MPa的注浆压力下灌注30min后结束灌浆。达到灌浆结束标准后结束灌浆并封孔，在全部灌浆结束后要进行验收，然后进行封堵[9- 12]。

图2 灌浆工艺流程示意图

3 注浆加固评价

3.1 注浆加固质量评价

在灌浆之前对5个试验孔进行压水试验，结果显示，大部分试验孔的单位吸水量大于100L/(MPa·m·min)；说明卵石地层具有较强的渗透性；在注浆试验结束之后，再次进行压水试验，结果显示，仅有一个试验孔的单位吸水量大于25L/(MPa·m·min)，其余试验孔的单位吸水量都在10L/(MPa·m·min)以下。由此可见，注浆施工对减少卵石地层孔隙，提高地层的密实度具有重要作用。

注浆施工结束后，对10个不同部位的灌浆孔进行钻芯检验，钻孔的总进尺为92.5m，以便采集到的含有水泥胶状物的芯样，以便对注浆效果进行实际评价。结果显示，各个钻孔均采集到了水泥胶状结构或胶凝物芯样。从纵向分布特征来看，水泥胶状物主要分布在基岩层以上，且3.0～10.0m范围内的水泥胶结物含量最高，基本充满了卵石层的孔隙，3.0m以上的表层由于受上覆压力的影响，注浆效果一般，10.0m以下的区域，由于卵石较大，因此注浆加固效果逐步变差。但是，整体而言，注浆后卵石层的整体性明显加强，可以保证大坝加固工程对地基承载力的要求[13- 15]。

3.2 经济性分析

为了评价本文提出的注浆浆液的经济性，以水灰比为1∶1，配制100L浆液为例，对3种常用于卵石地层的浆液费用进行计算，结果如表1所示。由表中的数据可以看出，浆液的额主要费用来自于水玻璃，因此水玻璃的含量越高，浆液的成本越大。在常用的3种浆液中，本文采用的添加氯化铝的水泥-水玻璃浆液性价比较高，具有经济可行性。

表1 不同浆液费用对比

3.3 工程效果评价

本次大坝加固工程设计工期为14个月，于2017年5月开工建设，2018年主汛期前到来前提前竣工并投入运行，经过2018年和2019年两次主汛期高水位和泄洪检验，加高后的大坝安全稳定性良好。这说明本文提出的卵石地层注浆加固方法切实可行，可以获得良好的加固效果，可以为类似工程施工提供有益的技术经验借鉴。

4 结语

大坝加高加固工程的坝脚需要向下游延伸较大距离，而该部位河道和河床下存在厚度较大的卵石、砂石层，上覆第四系人工填土，结构十分松散，承载力明显不足，且渗透性较强。结合工程实际和相关研究成果，提出了采用添加氯化铝的水泥-水玻璃浆液进行注浆加固坝基处理方式，取得了良好的工程效果。鉴于卵石、砂石层是水工建设中经常存在的地质问题，因此本文研究结论具有类似工程条件下的借鉴意义和一定的推广价值。当然，卵石砂石地层中往往存在夹泥现象，其对注浆效果的具体影响和相关机理，需要在后续研究中予以关注。