关门岩水库大坝软岩基础渗漏处理技术研究

王琦凯 王知晓 陈崇德

(湖北省漳河工程管理局，湖北 荆门 448156)

1 概 述

关门岩水库大坝基础为软岩基础，存在弱—微透水层，在长期水流的作用下，可能造成大坝基础沉陷或坝体垮塌的危害，因而处理好水库大坝软岩基础渗漏，是水库建设与发挥效益的关键所在。大坝基础渗漏处理的方法较多，主要有劈裂灌浆、高压喷射灌浆、深层水泥土搅拌桩防渗墙、帷幕灌浆、低压速凝式灌浆等，但在选择具体处理方法时，必须认真分析水库渗漏的原因，不但要求在技术上切实可行，而且还要求节省投资,并能在较短时间内解决水库的渗漏问题。根据关门岩水库大坝基础存在的渗漏问题，考虑施工环境、条件及技术、功能、经济、安全、环保等因素，经多方案比较论证，采取帷幕灌浆的方法处理坝基软岩基础渗漏问题。

关门岩水库位于长江一级支流清江水系渔洋河上游河段，地处五峰土家族自治县渔洋关镇柴埠溪风景区内，距五峰县城25km。水库集水面积63.70km2，最大坝高85.6m，坝长295m，坝顶宽7m，总库容1440万m3，其中有效库容1184万m3，死库容63万m3，大坝按50年一遇洪水标准设计，1000年一遇洪水标准校核，工程为Ⅲ等中型工程。水库是以城镇供水为主，结合农业灌溉、防洪、旅游开发等综合利用的中型水库，城镇供水设计保证率95%，灌溉设计保证率75%。

坝址区呈“V”字形河谷，河谷深切。坝基河床为冲、洪积堆积物，厚度17～21m，以卵石为主，成分主要为白云质灰岩、白云岩夹薄层灰岩等，平均直径2.5cm。表层夹少量孤石，直径0.3～0.5m，下部夹大量碎石块，少量粗细砂、黏土不均匀分布其中。卵石含量65%以上，碎石块约占25%，细颗粒含量在5%～10%，总体较为均匀。坝址区基础稳定性较好，地表岩溶泉少见，但溶蚀裂隙发育，坝基岩体以弱透水性为主，为了提高坝基抗渗性能，采用帷幕灌浆处理。

2 关门岩水库大坝软岩基础渗漏处理技术研究与应用

2.1 软岩基础渗漏处理重点和难点

a.软岩基础渗漏处理重点：ⓐ严格控制孔位；ⓑ严格控制钻孔深度；ⓒ严格控制洗孔与压水试验的压力；ⓓ严格控制灌浆压力和浆液配比；ⓔ灌浆过程中应注意检查孔口封闭情况，及时变浆，回浆返浓时按要求处理等；ⓕ质量控制以检查孔压水试验成果为主。

b.软岩基础渗漏处理难点：ⓐ灌浆中断；ⓑ串浆；ⓒ漏浆；ⓓ固管；ⓔ成槽过程中大石块的处理；ⓕ塌孔；ⓖ操作方法不当等。

2.2 关门岩水库大坝软岩基础渗漏处理技术研究

2.2.1 帷幕灌浆试验孔布设

a.试验区。试验区选在大坝河床防渗墙轴线上(桩号0+192.85～0+200.85)，单排进行生产性帷幕灌浆试验。

b.试验孔布设。孔距1m，每排分三序施工。

c.共布设9个灌浆孔(含先导孔)。

d.试验孔深度见表1。

表1 试验孔深度统计

2.2.2 帷幕灌浆施工试验技术要求

a.工艺流程：ⓐ帷幕灌浆按分序加密法分段施工；ⓑ钻孔的施工顺序为：先导孔→Ⅰ序孔→Ⅱ序孔→Ⅲ序孔→质量检查孔；ⓒ灌浆采用“孔口封闭，孔内循环，自上而下分段灌浆”。

b.孔位。ⓐ按照防渗墙预埋管布置孔位，在孔位处设置明显的标记；ⓑ灌浆孔分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ序。孔位布置见图1。

图1 孔位布置

c.钻孔：ⓐ采用金刚石液压回旋钻进；ⓑ灌浆孔开孔直径90mm，终孔直径58mm；ⓒ孔深按表1要求，孔底偏差值不得大于0.7m；ⓓ清孔采用压力水冲洗；ⓔ钻孔记录主要包括：钻孔编号，位置、桩号，角度，孔口高程，开孔、终孔时间，分段钻进返渣、返水、返风以及岩石特性情况，钻孔变径，钻机异常，终孔孔深与孔径等情况。段长划分见表2。

表2 钻孔段长划分

2.2.3 灌浆施工

a.制浆：ⓐ采用P·O425普通硅酸盐水泥，出厂时间不得超过3个月；ⓑ严格按设计水灰比配料，搅拌时间大于3min；ⓒ浆液自制备至使用结束时间不得超过4h。

b.浆液水灰比采用5∶1、3∶1、2∶1、1∶ 1、0.8∶1、0.5∶1 等6个重量比级，开始灌浆水灰比采用5∶1。

c.灌浆压力值见表3。

表3 灌浆压力值

d.浆液变换标准：ⓐ当灌浆压力保持不变，注入率持续减小时，或注入率不变而压力持续升高时，不改变水灰比；ⓑ当某一比级浆液注入量达300L以上，或灌注时间超过30min，而浆液压力和注入率均无变化或变化不显著时，可改浓一级水灰比；ⓒ当注入率大于30L/min时，根据具体情况可越级变浓[1]。

e.灌浆结束标准：ⓐ在最大设计压力下，当注入率不大于1L/min后，延续灌注90min，灌浆即可结束；ⓑ当终孔段透水率或单位注浆量大于设计值(q>3Lu)时，应加深钻孔，继续灌浆；ⓒ当加深超过两段后仍不能满足设计要求时，将情况报有关单位处理；ⓓ在最大设计压力下，总灌浆时间不少于120min。

f.封孔：ⓐ采用“全孔灌浆封孔法”封孔，即灌浆结束后，灌浆管注入水灰比0.5∶1的浓浆，将孔内余浆置换出来，然后用塞子塞在孔口，使用最大灌浆压力继续灌浆封口，灌浆持续时间不小于60min；ⓑ封孔后产生的上部脱空段，采用人工回填砂浆封实。

g.注意事项。针对灌浆施工中常出现的一些问题，制定方案，采取措施，做好出现冒浆、漏浆、串浆、灌浆中断、回浆变浓等问题的处理，同时对灌浆较多和孔口涌水的孔段，根据具体情况采取有效的控制措施[2]。

2.3 试验成果分析

2.3.1 统计数据

a.灌浆量统计见表4。

表4 灌浆量统计

从表4可以看出，试验区9个灌浆试验孔共注入灰量92801.69kg，单位注入量233.49kg/m，压水试验平均透水率19.82Lu。

b.透水率频率分析见图2，单位注灰量频率分析见图3。

图2 透水率频率曲线

图3 单位注灰量频率曲线

从图2和图3可以看出：频率曲线符合理论上的相应递减以及现场施工的实际情况。

2.3.2 钻孔取芯检测

a.检查孔布置与施工。灌浆试验凝结14天后布置检查孔，检查孔布置在HW-45与HW-46之间(由参建各方根据资料与现场实际情况协商，监理单位确认)，编号HW-J1，孔深深入岩基43m，采用φ76钻具钻进。

b.检查孔压水成果。全孔分10段次采用单点法进行压水试验，压力为灌浆压力的80%并不大于1MPa，压水资料由灌浆自动记录仪检查并记录。计算公式如下：

q=Q/PL

(1)

式中q——试验段透水率，Lu；

Q——压水流量，L/min；

P——作用于试验段的全部压力，MPa；

L——试验段长度，m。

按式(1)计算，HW-J1检查孔10段压水试验透水率平均值为2.07Lu。结合表4中的数据，可以看出帷幕灌浆防渗效果相当明显。

c.钻孔取芯。共计取芯8箱，均发现了水泥结石，其中第5箱第13回次发现了一块6cm的水泥结石，第1箱第4回次、第2箱第6回次、第3箱第9回次、第4箱第11回次均发现了4cm的水泥结石。说明所灌注的水泥浆液进入了裂隙，帷幕灌浆达到了应有的效果。

2.4 试验成果应用

2.4.1 大坝河床帷幕灌浆

a.依据上述试验成果，经有关部门审查批准后，编制关门岩水库大坝基础帷幕灌浆工艺流程以及各项控制指标，用于指导工程的施工。帷幕灌浆工艺流程见图4。

图4 帷幕灌浆工艺流程

b.灌浆孔布置在混凝土趾板、趾墙基础区域内，深度按设计要求深入相对不透水层(q<5Lu)以下5m，防渗帷幕最大深度65m。

c.河床砂卵砾石覆盖层厚17～21m，砂卵砾石覆盖层采用混凝土防渗墙截断坝基强透水层渗漏通道，并与下部岩基相接，组成坝体封闭式防渗体系[3]。下部岩基以弱—微透水层为主，采用防渗帷幕灌浆，主要工程量见表5，河床帷幕灌浆孔分布见图5。

图5 河床帷幕灌浆孔分布

表5 大坝河床段帷幕灌浆主要工程量

d.灌浆质量及安全控制措施。ⓐ在灌浆施工前，根据设计文件或相应的资料(如施工图、灌浆施工技术要求、流域工程地质和水文地质资料等)，编制灌浆施工组织设计，进行技术交底[4]；ⓑ灌浆机具的选择：搅拌机的转速、拌和能力应保持均匀、连续；灌浆泵的技术性能与所灌注的浆液类型、浓度相适应，最大工作压力与波动范围以及排浆量应满足现场灌浆的实际需要；灌浆管路浆液流动畅通，并能承受1.5倍的最大灌浆压力；灌浆塞具有良好的膨胀和耐压性能，易于安装和卸除；钻孔与灌浆的计量器具须定期进行校验或检定，确保量值准确；ⓒ灌浆过程控制：严格按照工艺流程及各项控制指标施工，坚持现场质量检测和旁站，避免用仪器代替人的监管；灌浆用的水泥、外加剂、掺和料等按规定要求进行检测；灌浆孔各灌浆段不论透水率大小均按技术要求进行灌浆；冬、夏季施工做好防寒与降温工作；ⓓ各项施工记录有专人在现场逐项填写，定期检查和随时抽查，做到及时、准确、完整、清晰、可靠[5]；ⓔ安全生产措施：建立安全生产管理机构；制定与落实安全控制的各项措施；每周进行一次安全生产大检查，对检查出的安全隐患制定整改和预防措施；ⓕ工程验收：单元和分部工程灌浆结束后，及时报送工程验收要求提供的灌浆资料与申请验收报告[6]。

2.4.2 河床帷幕灌浆效果

a.压水成果。共布置12个检查孔，压水120段，合格120段，合格率100%，其中优良率 95%。

b.河床帷幕灌浆分为7个单元，121孔(包括试验孔)，合格率100%，其中优良率95%。

c.河床段溶蚀裂隙发育，切割较深，倾角80°～90°，钻孔遇溶蚀裂隙时，单位吸浆量变化较大，灌浆效果明显。

d.从灌浆资料分析，随孔序的递增，透水率呈递减的趋势，小于3Lu的孔段从11%上升到96%，大于20Lu的孔段从6%减少到0.4%，平均透水率2.32Lu，符合设计要求。

e.钻孔121个，孔位偏差均小于10cm，孔底偏差均控制在设计值范围内(仅个别孔底偏差0.52m)。

f.钻孔取芯均发现水泥结石块，直径一般在4～8cm之间。

2.5 方案比较

a.经济比较。关门岩水库大坝软岩基础渗漏处理有劈裂灌浆、高压喷射灌浆、深层水泥土搅拌桩防渗墙、帷幕灌浆等方案，其他主要方案工程造价高于帷幕灌浆施工方案的2.4%以上。

b.技术比较。有的方案不适应于工程区的地质条件，且技术条件、施工可操作性不符合工程区的实际情况。

c.效果比较。从关门岩水库大坝软岩基础渗漏处理情况来看，达到了设计效果，可在类似工程中推广应用。

3 结 语

实践证明，帷幕灌浆具有施工实用性强、安全可靠性强、经济性强以及技术成熟性强等优势，目前在水库大坝、河道堤防等水利工程基础渗漏处理中得到广泛的应用，并取得了良好的成效。但帷幕灌浆工程属于隐蔽工程，施工中对质量控制非常严格，稍有不慎，造成的不利影响较大，因此，在今后的推广应用中，一定要按照规范与设计要求，编制切实可行的施工方案，严格控制每一道施工工序，不断研究解决帷幕灌浆技术中的难题，促进水利工程建设与管理事业的可持续发展与进步。