坝基岩溶管道型涌水注浆封堵工程技术研究

李 兵

(新疆水利水电项目管理有限公司，乌鲁木齐 830000)

1 工程背景

某水库是一座以防洪为主，兼具灌溉、养殖、旅游等功能的小型水库。水库的集雨面积为3.04 km2，总库容约521.34×104m3。水库工程规模为小(Ⅰ)型，工程等别为Ⅴ等，主要水工建筑物级别为5级，现状枢纽主要建筑物有大坝、溢洪道、引水渠等。大坝建成于上世纪70年代中期，为均质土坝，全长185.20 m，最大坝高4.5 m，大坝坝顶宽度3.5～5.0 m，坝顶道路为土路；现状坝顶高程为45.15～45.40 m，大坝迎水侧坡比为1∶1.5左右，背水侧坡比为1∶2.5～1∶3.0左右。水库由于设计施工标准低，经过长期运行后已经存在诸多问题，亟待进行除险加固。从坝基的渗漏情况来看，由于大坝设计建设标准较低，没有设计专门的坝基防渗措施，因此大坝建成之后即存在一定的渗漏问题。经过多年的运行，水库的坝基渗漏日渐严重，已经影响到水库的安全运行和效益发挥。目前，水库大坝主要存在7处出水点，分别是下游导流洞内、下游坝基、导流洞出口左侧、大坝下游排水盲沟、溢洪道右侧、溢洪道左侧以及左岸坝脚。因此，通过对渗漏点的综合分析并采取合适的防渗漏措施具有十分重要的意义。

2 基于压水渗透试验的坝基渗漏部位和原因分析

为了查明该水库的渗漏原因，结合出水点的分布特征，在平行于坝轴线上游1.0 m部位布置19个检查孔[1]。其中，在大坝左岸坝段共布置1个水平孔(S01)、1个斜孔(X02)和7个垂直孔(C03-C09)，共9个检查孔；河床坝段布置4个垂直孔(C10-C13)；在大坝的右岸坝段布置5个垂直孔(C14-C18)和1个斜孔(X19)，共6个检查孔。通过上述检查孔进行压水试验，通过试验数据分析，确定坝基渗漏的主要原因和部位[2]。压水渗透性试验过程中，在设置的19个检查孔中共进行长度为5.0 m的137段压水试验，总长度为687.5 m。

从左岸坝段的9个检查孔的77段压水试验结果可知，大坝左岸坝段原开挖基准线以下10 m范围内的岩体透水率较大，一般在10 Lu以上。按照《水利水电工程地质勘察规范》(GB 50487-2008)的相关标准，属于中等透水层，其余部位为弱透水层或微透水层[3]。从右岸坝段的6个检查孔的45段压水试验结果可知，该坝段透水率小于3 Lu的渗透线分布在大坝建基面以下20～25 m，而上部岩体的透水率较高。在C16、C17和C18检查孔的压水过程中，存在串孔现象，说明存在比较明显的渗透通道。

综上所述，大坝建基面以下20 m范围为大坝的主要渗漏通道，特别是左坝段的10和3 Lu下限下移严重，且右坝段的3 Lu线明显低于前期的帷幕灌浆深度，成为造成大坝渗漏的主要原因。

对主要渗漏点的岩体钻孔探查显示，大坝渗漏部位的岩体主要为碳酸盐，有较多的钻孔发现岩体内部的裂隙和溶洞，且其中的绝大部分含水。涌水量较大的渗漏部位主要表现为岩溶管道型涌水。

3 坝基涌水注浆封堵工程技术思路

3.1 控流降速技术及应用

根据前期的地质调查结果，X03、X05和X07坝段的涌水点不仅流速大，而且流量水平较高，给封堵施工造成不小的难度[4]。因此，要达到良好的注浆封堵效果，有必要首先降低岩溶管道内的水流速度，为后续的注浆施工创造有利条件[5]。具体而言，在X03、X05坝段的集中涌水点的正上方部位进行控流降速工程，使岩溶管道中的涌水达到可控状态[6]。其中，降速截止阀的主要作用是调节涌水点的流速，从而提高注浆过程中的浆液留存率。止浆垫的设计为涌水点铺平，在涌水区域进行铺沙袋、支模板、铺设钢筋网以及缩口浇筑，进行锚杆的钻孔和安装，然后进行二层钢筋网以及工字钢并进行模板的支设，随即进行二层混凝土的浇筑工作，确保能够达到设计强度。

为了检验控流降速的效果，在上述施工完毕之后逐步关闭止浆垫上的4个阀门，并观测汇水槽内的水流流速和流量以及各个探查孔内的水位变化特征。根据试验结果，绘制出图1所示汇水槽内的流速变化曲线。由图1可知，刚开始控流时涌水点的流速降低趋势不明显，随着控流度的增加，流速的降低愈加明显。此外，在控流阀门关闭之后，南侧的探查孔产生比较明显的反应，不仅涌水量逐渐增加，部分钻孔还出现涌水变浑浊的现象。

图1 流速变化曲线

3.2 钻孔注浆技术

由于前期的地质调查结果显示，大坝坝基部位的水文地质环境比较复杂，不仅地层破碎，溶洞和裂隙发育，而且各孔的差异较大。因此在注浆施工过程中，根据不同的地质情况选择不同配比的注浆材料进行注浆，以提高注浆效果[7]。此外，为了防止浆液凝结速度较快而出现堵孔现象，在注浆施工中采用管口混合双浆液的施工方式，其原理见图2。

图2 孔口混合注浆原理示意图

根据相关的工程施工经验，注浆用的水泥水玻璃双浆液的水泥和水玻璃的配比在1∶1～3∶1之间，具体的配比选择按照裂隙溶洞的大小确定[8]。具体而言，当钻孔显示的裂隙较小，且管道内的水流流速较低时，首先将水泥和水玻璃的配比设定为3∶1，将水灰比选为1∶1；当遇到溶洞为主要过水通道，且管道水流速度较大时，首先在控流降速的基础上调整注浆量，后续对水泥和水玻璃的配比也进行适当的调整，提高管道内浆液的沉积效果。

4 注浆效果分析与评价

4.1 堵水效果分析与评价

在X03和X05坝段的涌水点下游设置测水槽，在10月初，为了便于测量涌水点的流量，将X07坝段涌水点也汇入上述测水槽。根据测量数据，绘制出图3所示的水量变化曲线图。由图3可知，在工程准备的2019年8月末至9月初，受到当时水库上游降水较多、水库处于高位运行因素的影响，涌水点的水流量较大；在9月末至10月末，经过系统的堵水治理，涌水量明显减小，在后期将X07坝段的涌水汇入之后，总涌水量进一步降低，说明堵水施工获得良好的封堵效果。

图3 涌水量变化曲线

4.2 经济效益和社会效益分析与评价

在进行堵水施工之后，大坝坝基的渗漏量大幅减小，可以带来显著的经济效益。据初步测算，在实施大坝底部渗漏堵水施工之后，水库每年可以减少渗漏损失135×104m3，可以产生经济效益约88万元。根据相关的工程设计和预算设计，坝基岩溶管道型涌水注浆封堵工程的工程投入约63万元。由此可见，施工结束后一年内即可收回该项目的工程投资，具有十分显著的经济效益。另一方面，在坝基岩溶管道型涌水注浆封堵和相关除险加固工程措施的共同作用下，大坝的安全系数得到大幅提升，水库的各项功能都得到更好的发挥，具有十分显著的社会效益。此外，由于岩溶地质的复杂性，坝基岩溶管道型涌水一直是水工领域的难点问题。因此，本次研究和试验成果可以为相关工程提供理论和实践层面的支持和借鉴。

5 结 语

本次研究以某水库大坝坝基岩溶管道涌水堵水治理工程为背景，针对基于压水渗透试验的坝基渗漏部位和原因进行分析，结合渗漏的实际情况，探讨坝基涌水注浆封堵工程技术思路，取得良好的工程堵水效果和经济社会效益，对相关类似工程具有重要的理论和实践借鉴价值。本次研究的注浆工艺为传统的单孔注浆工艺，相对于现有的工程注浆工艺发展已经明显滞后。在今后的研究中，需要针对复杂的岩溶渗漏治理工程，积极开展多孔联合注浆封堵研究，探究各个注浆参数与注浆效果之间的影响规律，提出最佳的联合注浆设计方法，进一步提高注浆堵水施工效果。