某水利枢纽工程基础处理研究及灌浆试验分析

张毅爽

(新疆建源工程有限公司，乌鲁木齐 830000)

1 概 述

灌浆是通过钻孔或者预埋管件，对某种浓度的胶凝性浆液施加压力，将其压送到地质缺陷部位的一种施工技术，该方法是通过封堵地层中的缺陷来提高防渗能力[1-2]。在大坝基础处理中，帷幕灌浆是最常用的防渗措施。帷幕灌浆能有效减小渗流量，降低坝基扬压力，能够提高坝体的抗滑稳定能力[3]。对于土石坝来说，还能防止地层产生机械潜蚀，防止坝基内产生机械和化学管涌[4]，所以帷幕灌浆的整体性和防渗性能够直接影响大坝的运行安全。由于施工成本较低、工艺操作简单、防渗效果明显等优点，灌浆技术在工程中被广泛采用。但由于长期受到高压渗流作用，帷幕体的耐久性会逐渐降低[5]。

灌浆效果检测是灌浆过程中一个重要环节。目的是检测灌浆前后岩土体渗透性的变化，是否能够达到预期效果。目前，国内外对大坝防渗效果评价方法研究不多。虽然可以采用如压水试验法、声波法、统计模型方法、地下水动力学方法、有限元数值模拟等方法来对比灌浆前后某些指标的变化规律，但并没有建立一个完善的质量控制和评价体系，也不能全面地控制工程质量并客观地反映整个工程防渗处理的效果。

2 工程概况及试验资料分析

2.1 工程概况

该水利工程库盆主要由泥盆系、奥陶系的粉～细砂岩、泥质砂岩及页岩组成，属于隔水岩层，未见可溶岩出露；库区内没有发现贯穿整个库区及上下游的断层带；河流两岸冲沟径流较多，分水岭附近的地下水位高程都在300.000 m以上，均高于水库的正常蓄水位。库区河谷为侵蚀谷，下切强烈，河床纵坡较陡，谷底狭窄，两岸阶地不发育，在正常蓄水位范围内，两岸谷坡外侧无低洼平缓地带，库岸基本由基岩组成。库区内岩层类型均为砂岩、页岩等，岩层走向为北北东～北东向，倾向下游，河谷属稳定性较好的斜向谷～横向谷，岸坡大部分基岩裸露，第四系覆盖层较薄，岩石抗冲刷能力较强，两岸山体基本稳定。局部风化破碎岩体、第四系残坡积松散堆积层岸坡，工程大坝坝址位于峡谷出口处，河谷为V形，河流平直，自西向东流，在沿坝线下游流向北东向。河流水位高程约190.000 m，最大水面宽30.0 m左右，最大水深1.5 m。左岸岸坡地形走势较陡，坡度为40°～50°，高程310.000～360.000 m处地形较平缓；右岸岸坡地形走势较缓，坡度为30°～40°。坝址岩层呈单斜构造，岩层走向与河流几乎相垂直，并向下游倾斜，岩石产状较稳定。

2.2 试验区选择与孔位布置

本文选择第1坝段帷幕灌浆第K1-10单元作为灌浆试验区，帷幕底线底部承受水压力最大，以弱风化带下部和微新鲜岩体中的裂隙为对象，帷幕体周围岩层相对较均匀，灰～灰绿色厚层夹薄层砂岩、深灰色泥质粉砂岩。沿垂直方向有3种不同的岩层，此部位相对具有代表性。试验区岩体透水性不大，均在5Lu左右，上部基岩已进行固结灌浆施工，整体性好，渗透性较小。此部位孔口高程为198.300 m，在地下水位以下，钻孔时孔口有涌水现象。帷幕灌浆试验灌浆孔为单排孔，按I、II、III孔序进行施工，试验区共布设8个灌浆孔，见图1。施工时，首先埋设抬动观测装置，再依次施工先导孔和I序孔、II序孔、III序孔、检查孔。

图1 灌浆试验孔布置图

3 灌浆成果分析

3.1 灌浆压力分析

灌浆过程中灌浆压力是一个至关重要的参数，它不仅影响灌浆扩散范围，如果压力过大还会对基础岩石和混凝土盖重造成破坏。试验区为孔口封闭法灌浆，上部灌浆区会反复施加压力，为了保证施工过程不发生抬动，应合理选择灌浆压力。见图2-图3。

图2 试验区先导孔灌浆过程曲线图

图2和图3为先导孔压水和灌浆施工的过程曲线。压水采用的压力为1 MPa，图3中可以看出随着压力的变化，单位流量没有明显的变化，变化趋势和压力变化相同，表明压水过程没有产生水力劈裂现象。说明坝基基岩在1 MPa的压力下，不会产生水力劈裂。灌浆成果资料显示，注入量较大的孔段对应的灌浆压力有大有小，单位注入量与灌浆压力的大小不是成正比关系的，而是与地质条件有关。从灌浆过程曲线看，灌浆过程没有出现灌浆压力出现异常情况变化，单位注入量都是随着时间逐渐变小，说明帷幕灌浆施工采用设计灌浆压力，地层不会出现劈裂现象。试验区布设了一套抬动观测装置，在裂隙冲洗、压水试验和灌浆过程中都较仔细地进行变形观测，由于该部位混凝土盖重厚度较大，加上固结灌浆对坝基的补强作用，在整个施工过程中，未出现过抬动现象。根据灌浆经验，由于水为牛顿流体，能够等值传播水压力，易对岩石造成水力劈裂。而水泥浆液为宾汉姆流体，其黏度大，不能等值传递压力。相对压水试验，灌浆不易产生水力劈裂和抬动变形。

图3 试验区先导孔压水过程曲线图

综合上述，在该部位灌浆质量检查合格的情况下，未造成岩层发生水力劈裂现象，混凝土盖重也没有出现抬动，说明试验区灌浆压力选择合适。

通过对该大坝灌浆试验的研究，最终确定水利枢纽中大坝帷幕灌浆压力为：当灌浆区域在地下水位以下实行试验区灌浆压力，其他部位按照在之前灌浆压力基础上每段降低0.25 MPa，终孔段不大于2.0 MPa的标准执行。

3.2 试验区透水率及单位耗灰量

通过对试验区灌浆前后压水和灌浆成果(表1和表2)分析可知，试验区压水透水率较均匀，注入量递减特征符合灌浆规律。说明大部分裂隙连通性较好，渗透性能较均匀，灌浆前平均透水率在13 Lu左右，渗透性相对较大。局部地层的透水率相对偏大，但数量较少。总体来看，该大坝坝基岩石属于中等介质，可灌性好。

表1 各灌浆次序孔透水率分析表

表2 试验区各次序孔单位注入量分析表

从表1中可以看出，各次序孔的压水透水率在灌浆前后压水透水率呈递减趋势，说明灌浆的效果十分良好，达到灌浆分序加密的效果，灌浆孔距的选择合理。

由表3可以看出，I序孔单位耗灰量为167.37 kg/m，III序孔单位耗灰量为49.32 kg/m。可以看出，随着灌浆孔的加密，单位耗灰量呈明显的递减趋势。通过图4可知，随着试验段灌浆孔孔距的变小，单位耗灰量逐渐降低，符合灌浆的一般规律。说明该地层可灌性良好，采用分序加密法灌浆效果明显，该灌浆方法适合该大坝坝基地层。

表3 试验区灌浆成果分析表

图4 试验区各次序孔透水率和单位耗灰量频率累计曲线图

3.3 试验质量检查

帷幕灌浆试验区的压水透水率均符合工程设计要求。先导孔和检查孔压水试验成果统计表见表4。

表4 试验区先导孔和检查孔压水成果表

由表4可知，本次灌浆区域内的各次序孔平均透水率及单位耗灰量关系为：I序孔>II序孔>III序孔>检查孔，随着灌浆孔孔距的减小，透水率和单位耗灰量基本呈递减趋势，符合灌浆的一般规律。

4 结 论

本文从灌浆试验的目的、试验区域的选择、施工过程及资料整理等环节，介绍了灌浆试验的全过程。试验表明，坝基地层可灌性良好，工程帷幕灌浆设计及施工方案是合理的，包括灌浆孔孔距、灌浆压力、分段长度、浆液浓度、抬动观测、孔斜等参数的验证。在施工中，采用低浓度浆液配合高压力进行灌浆，能够降低灌入岩石裂隙浆液的泌水性能，提高结石强度，从而保证灌浆施工质量。

通过对压水试验和灌浆过程曲线进行分析得到，地层没有出现水力劈裂现象，混凝土盖重也没有发生抬动，灌浆效果检查符合设计要求。说明采用试验中所用的灌浆工艺和灌浆参数，可以提高大坝基础的防渗能力，能够达到工程所要求的防渗标准。通过对本次灌浆试验的研究，为后期坝基帷幕灌浆施工提供了重要的技术资料和施工方法。