固结灌浆技术在水库泄洪洞加固中的应用

胡启军

(信阳市泼河水库管理局,河南 信阳 465426)

1 工程概况

泼河水库位于河南省信阳市，坐落在淮河流域潢河支流泼陂河上，总库容为2.33亿m3。承担着下游防洪安全、城镇供水、农业灌溉、生态供水、水力发电等任务，主体工程包括大坝、泄洪洞、溢洪道、输水洞、水电站等。泄洪洞是泼河水库主要泄水建筑物之一，汛期承担着水库泄洪、调沙等任务。洞身位于主坝右侧山体下，总长 115.50 m。加固前为圆形无压洞，洞径3.50 m，混凝土衬砌厚度 0.40 m，最大泄量 160 m3/s；加固后出口设控制闸门，为圆形有压洞，洞径3.10 m，混凝土衬砌厚度 0.60 m，最大泄量 106 m3/s。

泄洪洞加固前，已经运行40多年，使用频率高。工程存在的主要问题：洞身段有 12 条裂缝，其中 3 条环向裂缝，缝内渗水有白色分泌物析出。裂缝长度 0.40～11.00 m，缝宽<1 mm，部分裂缝内均有析出物，无相互错动现象。经多年复检对比，缝宽存在增大、增多趋势。

2 工程设计

泼河水库泄洪洞位置山体共发育 6 条断层，洞身段岩层有 3 条断裂层。洞身段山体受断层影响，两侧岩石较破碎，且附近尚有较发育的裂隙，局部形成裂隙密集带。经分析，裂缝因洞身受断层破碎带内、外水压力变化产生细微变形引起。工程加固对洞身混凝土进行二次衬砌，出口修建工作闸门，对洞身进行固结灌浆处理。对泄洪洞0+020～0+122段进行全断面固结灌浆，固结灌浆孔梅花形布置，每圆形断面设6孔，排距为1 m，钻孔深入岩石3 m。

3 固结灌浆的原理及作用

在洞壁钻灌浆孔，利用钻孔把合适配比的水泥浆,通过施加压力，压入洞身岩体裂隙中。水泥浆胶凝固结后，提高洞身岩体的整体性、稳定性、抗渗性、抗压强度等，防止洞身岩体变形、渗水及不均匀沉降。

4 固结灌浆控制参数选择

平行泄洪洞轴线均匀布设12排灌浆孔，每圆形断面设6孔，孔距1 m，梅花形布置。初拟灌浆压力0.20～0.40 MPa，选取有代表性的洞段，做灌浆试验，由灌浆实验确定压力、时间、进浆率、水灰比等主要控制参数。固结灌浆采用三序施工，灌浆孔深入基岩3 m，灌浆使用标号42.5复合硅酸盐水泥。

5 固结灌浆施工工序

5.1 施工布置

①施工供电系统：泄洪洞进口闸室的电力系统，满足施工用电。由电力专业人员架设专用线路至施工工作面，洞外的制浆输浆系统等电缆用杉木杆架设，洞内的电缆有序地固定在不影响施工的洞壁上。②施工通风系统：泄洪洞内架设专用通风管道，利用压缩机通风，风压、风量满足洞内施工需要；施工粉尘由风机及时排出洞外。③施工用水系统：施工用水用潜水泵直接从水库中抽取，水库水质为二类，满足施工要求；洞内水管有序地固定在不影响施工的洞壁上，施工废水汇集洞底，及时排出洞外。④钻孔、灌浆台车设置:由于洞身断面尺寸限制，洞内空间小，每个工作面只配备1台专用的钻孔设备或灌浆设备。⑤制浆输浆系统:洞内空间不足以布置集中制浆输浆系统，为方便灌浆施工，不影响洞内交通，将集中制浆输浆系统设置在洞口外空旷位置。

5.2 钻孔

按照设计要求孔径38 mm、入岩3 m、排距1 m的标准进行钻孔。钻头对孔位中心，钻杆垂直于洞壁。按照灌浆先后顺序，先钻一序孔，再钻二序孔，最后钻三序孔。钻孔过程中，要对孔径、孔深等进行查验。钻孔结束后，用风机管把灌浆孔内的石屑杂物清理干净，同时插入PVC管做好成孔保护，防止孔壁坍塌、孔内落入异物。

5.3 预埋灌浆管

在孔内预埋灌浆管，管深入距离孔底20 cm处，管口高出洞壁混凝土面20 cm。距离洞壁混凝土面深30 cm处用封隔片封堵，孔口至封隔片段的空间用高标号砂浆填塞严密。填塞的砂浆固结后，使孔身内部形成密闭的空间，水泥浆压力灌入时，水泥浆在洞身岩体的裂隙中流动充填而不冒浆。

5.4 洗孔

固结灌浆前，用清水进行冲洗灌浆孔。采用泥浆泵以高压水流，从孔底向孔外冲洗。把孔内的岩粉、裂隙中的泥质充填物等冲出孔外，达到水泥浆在裂隙面胶凝固结的效果。洗孔压力控制在灌浆压力的80%，回水清澈便结束洗孔。灌浆孔冲洗后，应及时进行灌浆作业。

5.5 压水实验

利用灌浆压力系统向灌浆孔压入清水，压水实验压力为灌浆压力的80%。每孔压水时间为20 min,每5 min时间观察记录1次水表的压入水量，以最后的流量值，作为计算透水率的基数，并根据实验数据计算灌浆孔的透水率。保存好实验记录和计算结果，报监理工程师复核。

5.6 灌浆材料及制浆

水泥浆采用42.5硅酸盐水泥，水库清水拌和，水温≥5℃，水灰比采用2∶1、1∶1、0.60∶1.00三个比级。对洞身岩体空隙较大部位用水泥砂浆灌注，以细砂为宜，掺砂量控制在水泥重量1.50倍以内。灌浆管采用高压胶皮管，管径与灌浆泵一致。

5.7 压力灌浆

固结灌浆分区段进行，每段长度为10 m。区段端部填塞严密，段内按逐渐加密的灌浆原则进行，分三序进行。按照由下而上，先边孔，后顶孔，由洞内较低位置向较高位置推移灌浆。

灌浆具体步骤:进浆孔选取的是从最低端第一个孔开始作业，紧邻的孔用来进行水、气的排放，在粘稠度最高的浆液通过孔洞排出以后，迅速将该孔封闭，然后转至下一个进浆孔的位置。灌浆作业完以后，把孔口闸阀关闭，等到水泥浆完全进入凝结状态，再对闭浆装置进行处理。为了水泥浆达到理想的凝结效果，前序孔大致需要3 d时间，再对二序孔进行作业，最后对三序孔进行作业。

纯压式灌浆方法：灌浆管底端与孔底大约有20 cm的距离，并且和注浆盖头以及输浆管路建立连接，通过压浆泵进行对水泥浆的输入，浆液通过浆管从孔底慢慢注满整孔的空间。经过压力，水泥浆顺着孔壁裂隙中灌入，然后水泥浆会与附近的岩体产生胶凝固结的作用，从而建立了密闭的防渗体。在设计压力下，灌浆孔停止吸浆，并继续灌浆5 min后结束。

5.8 封孔及孔位处理

在完成浆液灌注作业后，由于水泥浆固结体积会缩小，灌浆孔口部位置会出现一定的空间，此时需要把孔内水分以及污物进行有效的处理，采用高标号砂浆对其进行封填，及时割除伸出洞壁混凝土面外的埋管。

6 固结灌浆的质量控制要点

6.1 孔位及孔深

灌浆孔入岩石深度≥3 m，孔位误差≤10 cm，垂直偏差≤10 cm。

6.2 成孔保护

钻孔结束，及时做好成孔保护。对破碎岩石的孔壁，套管起拔前，插入PVC管，保护孔壁，防止钻孔坍塌和落入异物。

6.3 灌浆管埋设

验孔合格后，在孔内预埋3.40 m长的灌浆管，用高标号的砂浆对封隔片到洞壁段的间隙进行封堵。水泥浆灌注时，水泥浆在洞身岩体的裂隙中流动、充填、固结。

6.4 灌浆压力

工程为洞壁岩石固结灌浆,灌浆压力控制在0.20～0.40 MPa。

6.5 水泥浆控制

水灰比分别采2∶1、1∶1、0.60∶1.00，按先稀后浓的顺序灌浆，先灌入水灰比2∶1水泥浆。当灌入水泥浆量已达150 L以上，或灌注水泥浆时间超过30 min，灌浆压力和灌注率均改变不明显时，应加浓一级水灰比，逐级加浓，最后把水泥浆的水灰比调整到0.60∶1.00。对空隙较大部位，必要时用水泥砂浆进行灌注，掺细砂量控制在水泥重量1.50倍以内。灌浆孔停止吸浆5 min后，停止灌浆作业。

7 灌浆过程中特殊情况的预防与处理

7.1 中断处理

停电、停水或机械故障等问题造成被迫中断灌浆，要及时恢复灌浆。中断时间超过30 min时，对钻孔重新冲洗，必要时进行扫孔。恢复阶段首先需要进行稀浆，在此过程中一旦出现吸浆率同中断前没有明显的区别，要逐级变浆，及时把浆液浓度恢复到中断前的浓度。若恢复后浆液的注入率减少很多，短时间内停止吸浆，说明中断灌浆造成裂缝口堵塞，应采取补救措施，及时拔出栓塞进行扫孔，对钻孔重新冲洗后再进行灌浆。

7.2 串浆处理

在浆液进行灌注过程中，浆液从邻近孔流出产生串浆的情况。一是对串浆孔冲洗干净，同时对串浆孔进行灌浆；二是将适量干净的水注入到串孔中，再将串浆孔进行堵塞。对串浆孔进行灌浆作业时，先将孔中清水排出，水泥浆应当加浓、降低灌注压力，延长相邻两孔灌注间隔时间，防止将前期灌入水泥浆从岩体缝隙中压出。

7.3 冒浆处理

灌浆作业时，水泥浆从裂隙冒出。视冒浆具体情况，采用表面封堵、降低灌浆压力、加浓水泥浆、间隔灌浆等方法。必要时，采用水泥砂浆灌注，冒浆停止后，再正常进行灌浆。

8 灌浆质量检查

8.1 检查孔设置

检查孔的数量占灌浆孔总数的10%。检查孔布置原则：2个灌浆孔中间；洞身岩石断层、空隙、破碎带等岩体部位；吸入量大或灌浆不正常的灌浆孔周围；洞身裂缝等对灌浆质量有影响的部位。

8.2 检查钻孔

对检查孔位置进行标注，经过现场监理人员确认后再进行钻孔。钻孔进行过程中，对钻取的岩芯进行检查，并计算岩芯获得率。同时要对岩芯透水性进行分析。

8.3 压水实验

采用检查孔压水实验的方法，测定透水率。灌浆结束14 d后，可对其附近的检查孔进行压水实验。压水实验按照从上而下分段卡塞，检查固结灌浆后洞身岩石透水性，并对实验成果进行分析。

8.4 质量检查

当检查孔的透水率小于设计值时，可认为该段灌浆效果达到要求；当检查孔的透水率大于设计值时，要按照监理要求，对该段增补灌浆孔，进一步灌浆。灌浆结束后，要坚持灌浆孔封口质量。

9 结语

在水利工程中，固结灌浆属于重要隐蔽工程,工序非常复杂,灌浆施工工艺水平决定工程的质量与安全。现在水利水电建筑工程水泥灌浆技术已经发展得非常成熟，水泥灌浆技术控制至关重要，要结合实际工程、地质、施工环境等情况，灌浆主要控制参数要根据现场洞壁岩石裂隙情况由试验确定。泼河水库泄洪洞固结灌浆施工质量高，达到设计要求，望能为同类工程提供参考。