基于复杂地质条件下的水库坝基帷幕灌浆施工问题分析

徐力泽

(新疆水利水电勘测设计研究院有限责任公司，乌鲁木齐 830091)

某水库的主坝属于均质土坝，坝顶宽约6m，坝体长度为441m，。高为40m。水库总容量为2.96亿m3，由于建设年代较为久远，受限于当时的技术条件，填筑坝体之前未做好坝基清理工作，河床、坝肩等处出现了较为严重的渗漏问题，因而需要采取坝基帷幕灌浆施工技术针对此水库的坝基实施加固。原有的帷幕灌浆设计是在坝顶中心线两侧分别设置一排灌浆孔，两排之间留有1.5m的距离。河床段及岩坡段的孔距分别设置为3m与4m，共钻进孔子洞为188个，钻孔进尺总量为7487m，灌浆段的总长度为3164m。

1 水库地质条件分析

1.1 地貌特征

本水库的建设地为低山丘陵区，为构造剥蚀侵蚀地貌。山体结构为下古生界碎屑岩与泥质岩组合而成，在长年的剥蚀侵蚀影响下，形成了较厚的风化壳。河床钻孔时遇到了厚度为3m的冲击卵砾石层，河床段属于二级侵蚀堆积阶地。此水库处于多个构造带复合区域，新华夏系是其主要控制构造带。水坝右肩上游存在三条小断层，破碎区域最窄处为5cm，最宽处为30cm，断层结构成分为糜棱岩与石英脉相掺杂。

1.2 基岩及透水层情况

本水库坝址基岩为古老浅变质岩，是在长时间地质剥蚀与侵蚀下形成的，在高强度风化作用影响下形成了程度不一的风化带。整个风化带岩体均为散体结构，主要成分是土与岩块。全区均有强风化带分布，为碎裂结构型岩体。全区各处均有弱风化带，为强度较低的层状结构。坝基透水层主要是强弱风化带及河床砂卵砾石，透水层分布具有连续性特征，最薄处为10m，最厚处不超过30m。渗透系数最低值为1×10-4，最高值为1×10-2。透水率介于10Lu与100Lu之间。

2 复杂地质条件下水库坝基帷幕灌浆施工问题分析

由于本水库坝基加固工程位于地质条件相对复杂的区域，需要重点解决的施工问题主要有2个方面：①灌浆参数选择困难。由于坝基透水层的渗透系数较高，需要在应用适合灌浆材料的基础上，选择适合的灌浆参数，从而有效降低水库坝基的渗透系数，消除河床与坝肩渗漏问题。但受到工程地质条件的影响，灌浆参数确定面临较大难度[1]。②原有帷幕设计中布孔方式存在问题，河床段与岩坡段孔距过大，并且对漏水孔段或透水率较高孔洞钻孔时较为困难。针对这些问题，本工程实施中进行了三次灌浆试验，结合三次试验的结果得出了最为适合的灌浆施工参数及最佳的施工工艺及布孔方式，以此保证复杂地质条件下水库坝基帷幕灌浆施工的质量。

3 基于复杂地质条件的水库坝基帷幕灌浆施工问题解决方法

3.1 优选灌浆参数选择

本水库坝基帷幕灌浆施工中所选用的灌浆材料为32.5型普通硅酸盐水泥，以纯水泥浆液灌注，并在其中添加适量偏硅酸钠水溶液作为添加剂。为确定最佳的灌浆参数，本工程展开了三次帷幕灌浆试验。

3.1.1 首次帷幕灌浆试验

3.1.1.1 孔位布置

第一次帷幕灌浆试验时，上排孔位设置于靠近坝顶上游边线2.25m处，间隔1.5m布设下排孔，上下两排各设置5个孔，交错分布。

3.1.1.2 钻孔施工

针对土层区域，选用直径为11cm硬质合金钻头泥浆护壁钻进法，将厚度低于8.9cm的钢管埋设于岩面之上，按照水灰比为0.6∶1配置泥浆，灌注于钢管背侧及土体之间，预留2日凝固时间而后实施岩石钻孔。利用5.9cm的金刚石钻头双管单动钻具作为基岩处钻进工具，并取芯描述。

3.1.1.3 岩石裂隙冲洗及注水、压水试验

冲洗岩石裂隙时采用压力水冲洗法，以灌浆压力的80%作为冲洗压力值，无需冲洗卵砾石层，直接实施注水试验。岩层处采用单点法压水试验，试验水压应设定为0.3MPa。

3.1.1.4 灌浆试验

灌浆时采用由上至下的孔口封闭法，采取循环注浆模式，射浆管与孔底之间应留有0.5m的距离。应分段注浆，卵砾石层段、岩层接触段的注浆长度分别设定为1m与2m，其余注浆段均为5m长度。

3.1.1.5 施工问题分析

首次灌浆参数试验中，土层钻进时出现了多次黏土浆渗漏问题，岩层部分孔段钻孔时未出现返水现象。采取岩芯时发生了破碎，采取率最低为14%，最高为80%。一些孔岩层中存在厚度0.2～4.36m不等的夹泥层，冲洗岩层裂隙时部分灌段不起压或未出现返水现象。灌浆时最高耗灰量高达了10.1t/s。灌浆施工时综合应用了低压控制、限定流量或间歇灌浆等措施，但孔段均需复灌3～4次左右。

3.1.1.6 试验成果分析

运用注水试验法对孔卵石层进行注水试验，岩层则采取五点法分段压水试验，得到的透水率结果介于2.23Lu与66.96Lu之间，与规定要求的低于5Lu要求不相符。

3.1.2 二次灌浆试验

3.1.2.1 试验方法

本次灌浆试验时，分别提高了各个试验施工段的灌浆压力，与首次灌浆试验相比，压力值提高了0.1MPa。且采取孔口封闭分段灌注方法，在灌浆吸浆量较低时，增大稀浆灌注量，以使之在短时间内快速达到设计压力值。灌浆后卵砾石层及接触段的凝固时间分别设定为8h与24h以上。同时，各段均需检测地下水位并实施注水试验。利用五点法针对下栓塞展开压水试验，并计算其透水率[2]。

3.1.2.2 试验结果

两个试验段分别设置2个检查孔，经检测，河床段检查孔的透水率控制在5Lu之下，达到了设计透水率要求。卵石层低于2.59×10-4cm/s接触段的孔段均达到了试验要求。检查共设置了20段检查孔，具体检查成果如表1所示。

表1 二次灌浆试验检查成果分析

3.1.3 第三次灌浆试验

虽然二次试验中河床段的透水率要求已达标，然而岸坡段灌浆效果并不够理想，因而通过第三次试验进一步调整参数，并强化过程控制力度。

3.1.3.1 参数调整

本次以水气轮换方式替代压力水进行岩石裂隙的冲洗，水压仍然设定为灌浆压力的80%，气压控制在0.3MPa以下(详见表2)。对砂卵石层与接触段的灌浆压力进行分别调整。灌浆时在保持坝体不变形的基础上尽可能增大灌浆压力，以快速达到试验压力。

表2 三次试验冲洗及灌浆压力参数

3.1.3.2 灌浆工艺调整

按照灌浆压水试验确定灌浆水灰比，以循环式灌注方法实施灌浆，水灰比设定为按照5∶1或3∶1。吸浆量较高孔段采纯压灌注法复灌，且在其中加入适量的偏硅酸纳水溶液。吸浆量较少区域增大稀浆灌注量，同一比级的浆液灌注量超过500L之后，如果压力未发生变化，或吸浆率变化不明显，以浓度高一等级的浆液灌注。若灌注浆液变浓后吸浆量减少或是不吸浆，应调回原有浆液等级。同时，应加强水泥用量控制，各灌浆段耗灰量应介于1～1.5t之间。除接触段凝固时间设置为24h外，其余灌浆段均设定为8h。

3.1.4 试验成果分析

本次试验设置了10段检查孔设置，各个检孔段设2个检查孔，全部利用五点法进行压水试验。经测定，仅有一段透水率为6.19Lu，未达到透水率要求，另外9段的透水率均<5Lu，合格率高达90%。第三次试验的灌浆参数应作为最佳施工参数。

3.2 合理布孔、调整灌浆施工工艺

3.2.1 布孔调整

经试验分析得知，原先设计的布孔方式并不合理，因而将设计中上游排孔取消，只保留下游一排孔，并将岸坡段与河床段的孔距分别调整为1.33m与1.5m。

3.2.2 施工工艺优化

本工程坝基帷幕灌浆施工时，采用水气轮换方法对岩石裂隙做冲洗处理，气压值应设定为0.3MPa，各次灌浆水泥量设定为75～150kg/m之间，凝固后再逐一复灌。针对透水率较大或钻孔时出现漏水现象的孔段，以孔口注浆法灌注，或减少注浆量，再利用孔口封闭循环法扫孔复灌。针对吸浆量较大、难以起压的灌浆孔，应控制灌浆流量、降低灌浆压力，或采取间歇式灌浆法，并需加入适量的偏硅酸钠水溶液。终孔段透水率高于5Lu的孔段需提高灌段深度。

3.3 复杂地质水库坝基帷幕灌浆施工问题解决成效检查

通过检查灌浆效果发现，本工程各序孔的平均耗灰量分别为452.4kg/m、406.04kg/m、253.62kg/m，本工程帷幕灌浆与水泥浆液灌注规律相符。同时，各个单元灌浆14日后，从灌浆孔中选取10%做效果检查，分别对卵砾石层及岩石层展开注水试验及五点法分段压水试验，得出砾卵石层的渗透系数未超过10-4cm/s，且岩层透水率也控制在5Lu以下。在本工程24单元中设置了26个检查孔，所有检查结果均与设计标准相符。

4 结 语

由于本工程地质条件较为复杂，为解决帷幕灌浆施工参数难确定的问题，展开了三次灌浆试验，通过结果对比与参数调整得出了最优的帷幕灌浆施工参数。同时复杂地质条件下，应在保证施工规范性的基础上采取可行性的施工措施，降低施工难度，保证施工质量。文章采用限量法控制灌浆量，并调整了凝固时间、添加了相应的加速凝剂，以此降低复灌次数，实现了施工速度的提升，且岩石裂隙方面以水气轮换冲洗法替代水压力冲洗法，为水库坝基帷幕灌浆施工质量的提升提供了保障[3]。