大塘坞水库主副坝及基础帷幕灌浆试验

郑永强

(上饶市国控水利水电工程建设监理有限公司，江西 上饶 334100)

1 工程概况

大塘坞水库工程等别为Ⅲ等，大坝、溢洪道和灌溉发电涵管均为3级建筑物。大坝防洪标准采用100年一遇洪水设计，设计洪水位119.27 m，1000年一遇洪水校核，校核洪水位119.67 m；消能防冲建筑采用30年一遇洪水设计。本工程主要建设内容有主副坝加固、溢洪道加固、发电兼灌溉管涵封堵、上坝公路等。

该水库主坝及左右副坝基岩上部为上岩组橘色中细粒砂岩，节理裂隙发育，岩体破碎，岩芯短粗或碎裂，根据压水试验，其岩体透水率在7.0～192.0 Lu之间，透水率均值为94.5 Lu，为中等～强透水。下部为下岩组粉紫色含砾粗砂岩，硬质，构造裂隙及节理不发育，岩体完整性好，压水试验得出的岩体透水率在1.0～4.6 Lu之间，均值为3.2 Lu，为弱～微透水。

2 灌浆试验设计

2.1 设计思路

帷幕灌浆孔顺着原坝轴线单排布置，帷幕设计长度为265.4 m，最终孔距通过灌浆试验确定。帷幕为接地式设计，灌浆底界限应深入相对隔水层一定深度[1]。坝体防渗充填纯黏土浆液，坝体和坝基连接带则灌注一定配比的水泥黏土混合浆液，具体掺配比由灌浆试验确定；坝基防渗帷幕则灌注水泥浆。对于同一孔位而言，应先灌注坝体和坝基结合段，再循环灌注坝基段，最后从下向上充填灌注坝体段；基岩孔则按照从上至下的次序分段循环灌浆。

通过对不同孔距、孔深的灌浆孔展开灌浆试验，确定经济合理、切实可行的施工参数，为该水库主副坝及基础帷幕灌浆提供依据。

2.2 帷幕灌浆试验孔布置

结合帷幕灌浆设计要求，以主坝段及右副坝延伸段为帷幕灌浆试验段，上下游双排共布设20个注浆孔，排距1.5 m，孔距2.0 m，梅花形布置，见图1。待下游排施工结束后，另行布设2个检查孔JC-28-1和JC-28-2，以检查单排帷幕灌浆效果。若检查孔压水试验结果显示合格，则不再施工上游排；相反，则进行上游排帷幕灌浆施工，并布设2个检查孔，检查施工效果。

图1 帷幕灌浆试验段孔位布置

试验开始后，主副坝按照自上而下的次序充填式灌浆，基础则按照自上而下分段孔内循环式灌浆，射管孔与孔底的距离在0.5 m以内，先灌注2.0 m孔距，再灌注1.5 m孔距。试验孔帷幕灌浆结果详见表1和表2。

表1 下游排试验孔帷幕灌浆结果

表2 上游排试验孔帷幕灌浆结果

2.3 灌浆材料

水泥选用工程所在地供应的细度为80 μm、方孔筛筛余量≤5%、初凝时间5.5 h、终凝时间6.5 h的P·O 42.5普通硅酸盐水泥。黏土则采用水库毗邻山体大龙口组灰岩风化后的紫红色黏土，黏粒含量在30%～45%之间，砂砾含量<5%，可溶盐含量<3%，有机质含量为1%，塑性指数20%～30%，干容重1.4 t/m3，比重2.75 g/cm3。水泥和黏土物理力学性能均满足《水工建筑物水泥灌浆施工技术规范》(SL/T 62—2020)要求。

采用湿法进行黏土制浆，制浆材料必须提前称量，重量误差控制在5%以内。借助泥浆搅拌机充分混合黏土和水，通过高速水流和搅拌机叶片的综合作用，将黏土破碎、分解并拌和成黏稠状浆体；经由过滤池将碎屑和砂砾全部滤除；再经沉淀池沉淀后置入储浆池内备用。使用比重称多次称重，原浆比重位于1.30～1.35 g/cm3之间，表明原浆具备较好的稳定性。

冬季施工期间必须加强灌浆管路及机房的防寒保暖，将浆液温度控制在5～40 ℃，如果采用热水制浆，则水的温度应在40 ℃以下。

3 灌浆试验

3.1 钻 孔

该水库大坝及基础采用回转钻机钻孔，实际孔位和设计孔位偏差不得超出10 cm，且实际孔深不得小于设计孔深。钻进期间，全部钻孔均应展开孔斜测量，孔底偏差必须满足《水工建筑物水泥灌浆施工技术规范》(SL/T 62—2020)。钻孔过程中如遇塌孔，必须灌浆后再恢复钻进；对先导孔、检查孔必须钻芯取样，按照取样次序统一编号装箱保存，并对岩芯实际情况进行描述、绘制钻孔柱状图[2]。

3.2 压水试验

灌浆前通过压力水对各灌浆段进行裂隙冲洗，冲洗水压应为灌浆压力的0.8～1.0倍，冲洗时间应持续至回水清澈且不超出20 min，对于超20 min后回水仍不清澈的孔段，应加大水压后继续冲洗，直至孔内残存沉积物厚度<20 cm为止。

待完成裂隙冲洗后，由上至下分段展开压水试验，并根据试验结果计算透水率。试验前观测水位，并以试验区周围观测孔测量安定水位，并按相关规程展开压水试验。试验按照单点法展开，注水时水头抬高1.0 m，并通过量筒或水表注水；基岩段下置栓塞至灌浆顶50 cm处后张紧。按照3个压力点5个阶段压水，试验压力分布为0.3P、0.6P、1.0P(P为灌浆压力的0.8倍)。压水时间总共为20 min，并按5 min间隔进行1次压水流量测读，以最终流量值为计算流量，用透水率表示。试验结束并由现场监理工程师检验合格后进入下道工序。

3.3 帷幕灌浆

第1灌浆段长3.0 m，其余灌浆段长5.0 m，末段灌浆段长不超出8.0 m。第1排Ⅰ序孔、Ⅱ序孔及Ⅲ序孔初始灌浆压力为0.3 MPa和0.4 MPa；第2排初始灌浆压力均为0.4 MPa，并按灌浆深度逐次增大。浆液水灰比共分成5.0∶1、3.0∶1、2.0∶1、1.0∶1、0.7∶1、0.5∶1等比级，具体要求见表3。

表3 灌浆压力参数控制要求

浆液从稀变浓逐级变换，当灌浆压力变化减缓且注入率减小或注入率不变而灌浆压力持续升高时，不再改变水灰比[3]。而当相应等级浆液注入量超300 L，或灌浆时间超30 min，但注浆压力和注入率保持不变或变化不明显时，应将水灰比提高1个比级；当注入率超30 L/min时，应结合实际情况越级变浓。在注浆期间，如果出现注入率或灌浆压力突变的情况，必须立即彻查原因，并报现场监理工程师以及时应对。

孔距为2.0 m和1.5 m时，灌浆压力计算分别如式(1)、式(2)：

P=0.5+mD

(1)

P=mD

(2)

式中：P为灌浆表压力，kg/cm2；m为灌浆孔压力系数，取0.15～0.17；D为灌浆段顶板以上与地面间的厚度，m。施灌时先从下限压力起灌，待孔段不吃浆或吸浆量持续减小时，将试验压力提升20%～30%。通过比较试验区灌浆压力和注浆量，主副坝第1段灌浆表压力为0.5～0.7 kg/cm2，第2段灌浆表压力为0.7～1.0 kg/cm2，注浆孔浆液单注量为208.7 kg/m；基岩段出现2次串浆，副坝段出现2次冒浆。现场技术人员根据规范SL/T 62—2020，采取表面封堵、降低灌浆压力、使用浓浆、限制流量、间歇灌注、待凝、复灌等处理措施后，串浆、冒浆现象得到有效控制。

待各灌浆段注浆压力达到设计压力最大值，且注入率降至1.0 L/min以下后，继续灌注30 min，结束灌浆。如果长时间达不到结束灌浆标准，则应上报现场监理工程师，协商解决。灌浆结束后，按照全孔灌浆封孔法封孔。

4 试验成果分析

4.1 透水率试验成果

将透水率分布划分为微弱区、较弱区、弱区、较强区、强区、极强区等区段，试验结果见表4。根据表中结果，水库各区段岩体均具有一定程度的透水性，Ⅰ序孔、Ⅱ序孔、Ⅲ序孔透水率均值依次为214.85 Lu、252.46 Lu、66.14 Lu，表现为递减趋势，表明基岩较为破碎且横纵向节理裂隙较多，串联发育，岩层具有较强的透水性。此外，单注量和透水率均随灌浆次序的增加而减少，透水率合格段数量增多，与正常帷幕灌浆变化趋势规律相符[4]。

表4 不同孔段透水率试验成果

4.2 单位注浆量

按不同孔段单位注浆量分布情况，将其分成5个区段，检测成果见表5。根据结果，Ⅰ序孔、Ⅱ序孔、Ⅲ序孔注浆量均值分别为478.97 kg/m、151.76 kg/m、106.52 kg/m，表明各孔段岩体完整性均一般，并具备较好的可灌性。

表5 不同孔段注浆量检测成果

4.3 检查孔压水情况

Ⅰ序孔、检查孔压水试验结果见表6，根据试验结果及对检查孔岩芯的观察，上游排和下游排灌浆试验效果良好。上游排Ⅰ序孔压水试验中透水率>5 Lu的孔段占比高达87%，灌浆后检查结果显示的透水率均降至5 Lu以下，符合设计要求。下游排Ⅰ序孔压水试验中透水率>5 Lu的孔段占比高达97%，透水率在20 Lu以上的孔段占50%，灌浆施工后占比分别降至56%和17%。根据以上结果，灌浆效果十分显著，灌浆孔距和排距设置较为合理，可在该水库大坝及基础灌浆施工中推广应用。

表6 压水试验成果

少数孔段单位注浆量存在异常，原因主要在于相应部位岩体裂隙发育但不贯穿；岩体裂隙延伸较长，浆液浪费大；基岩向下逐段压力增大，浆液持续流失，且未采取有效抑制措施。

5 结 论

该水库大坝及基础帷幕灌浆试验结果表明，孔口封闭循环式灌浆方法切实可行，灌浆孔双排布置可提升浆液可灌性和经济性。该水库基岩强风化破碎，灌浆前透水率较大，灌浆时若压力较大，很容易引发冒浆、串浆、地表抬动变形。在大坝防渗底界保持不变的情况下，将局部坝段灌浆孔距从2.0 m调整至1.5 m，为灌浆期间坝体稳定提供了保证。结合帷幕灌浆试验结果，通过采用科学合理的灌浆施工工艺及参数，该水库主副坝及基础帷幕灌浆工程提前104 d完工，为水库工程提前运行提供了保证。竣工后，该水库坝体被评定为优良，经过2 a正常高水位运行，坝坡无潮湿、渗漏出现，坝脚量水堰槽也无积水，施工质量经得住考验。