脈動(dòng)灌漿施工技術(shù)在竹銀水庫(kù)壩體防滲工程中的應(yīng)用

賀茉莉，郭澤洋，趙鐵軍，楊東升

（湖南宏禹工程集團(tuán)有限公司，湖南 長(zhǎng)沙410007）

全世界用于開(kāi)發(fā)水資源的大壩工程已有10多萬(wàn)座，對(duì)人類(lèi)的生產(chǎn)生活起到了至關(guān)重要的作用[1]。根據(jù)國(guó)際大壩委員會(huì)2011年的統(tǒng)計(jì)，全球土石壩總數(shù)為25 094座，占已注冊(cè)大壩總數(shù)的2/3[2]。水利建設(shè)在我國(guó)是從1958年開(kāi)始興起，截止2020年，我國(guó)已建成9.8萬(wàn)余座大小水庫(kù)，其中8.6萬(wàn)余座是土石壩水庫(kù)，絕大多數(shù)建成于1958—1980年間[3]。受限于當(dāng)時(shí)落后的經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件以及運(yùn)營(yíng)期間維護(hù)不到位，諸多土石壩工程存在先天不足和年老失修等問(wèn)題，造成壩體滲水產(chǎn)生滲透破壞，嚴(yán)重時(shí)引起潰壩，給人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全帶來(lái)了重大威脅[4]。

本文以珠海市竹銀水庫(kù)防滲處理工程為依托，論述了一種脈動(dòng)灌漿的壩體灌漿施工技術(shù)。該技術(shù)成功解決了竹銀水庫(kù)壩體滲漏的問(wèn)題，相關(guān)施工工藝、材料和成果可以為類(lèi)似的工程提供借鑒。

1 工程概況

竹銀水源工程位于珠海市北部的斗門(mén)區(qū)六鄉(xiāng)鎮(zhèn)，是珠海目前新建最大的對(duì)澳門(mén)供水水庫(kù)，主要建筑物包括1座主壩、2座副壩、溢洪道，主、副壩分別布置在庫(kù)區(qū)的3個(gè)山口處，壩型為土石分區(qū)壩，主壩壩頂高程51.6 m，壩頂寬度8.0 m，壩頂長(zhǎng)度為556.5 m，最大壩高66 m，總庫(kù)容4 500×104m3。主壩壩體段中等透水帶主要分布在孔深5～71 m；1#副壩壩體段中等透水帶主要分布在孔深5.5～26 m；主壩及1#副壩的巖土接觸段均為中等透水帶，也是本工程的重點(diǎn)處理段。當(dāng)竹銀水庫(kù)水位高于30 m高程時(shí)，存在局部滲漏現(xiàn)象，當(dāng)水庫(kù)水位在48 m以上時(shí)，主壩和1#副壩滲漏量偏大。由于滲漏導(dǎo)致大壩土質(zhì)浸泡松軟，部分滲漏位置還曾出現(xiàn)濁水甚至有泥沙帶出，對(duì)大壩的安全運(yùn)行存在一定的安全隱患。

通過(guò)對(duì)“壩體防滲墻+壩基礎(chǔ)帷幕灌漿”、“壩體脈動(dòng)可控膏漿灌漿+壩基礎(chǔ)帷幕灌漿”等多種方案的比選，確定采用“壩體脈動(dòng)可控膏漿灌漿+壩基礎(chǔ)帷幕灌漿”方案處理竹銀水庫(kù)滲漏問(wèn)題。

2 施工方案與灌漿試驗(yàn)

2.1 施工方案

1）壩基壩肩巖體采用灌注純水泥漿液進(jìn)行帷幕灌漿減滲處理，幕底以伸入相對(duì)不透水層（q<5 Lu）以下3 m進(jìn)行控制。具體采用“基巖面封閉、自上而下分段，孔內(nèi)循環(huán)灌漿法”工藝。

2）壩體采用脈動(dòng)可控灌漿進(jìn)行帷幕灌漿處理，可控灌漿控制底線至全風(fēng)化下限。脈動(dòng)可控灌漿為“可控復(fù)合膏漿高壓脈動(dòng)灌漿”的簡(jiǎn)稱，即采用“可控復(fù)合膏漿高壓脈動(dòng)灌漿工藝”，實(shí)施鉆孔內(nèi)漿體阻塞、自下而上、分小段純壓式灌注粘土水泥膏漿。

3）土體與壩基之間的巖土結(jié)合部位（2～3 m）范圍采用花管灌注可控膏漿。

2.2 灌漿試驗(yàn)

根據(jù)主、副壩減滲施工重點(diǎn)、難點(diǎn)，生產(chǎn)性試驗(yàn)設(shè)置2組，試驗(yàn)?zāi)康娜缦拢?/p>

1）驗(yàn)證壩體、壩基減滲注漿的可行性；

2）檢驗(yàn)帷幕注漿方法、鉆探工藝和注漿工藝的有效性；

3）檢驗(yàn)壩體、壩基注漿參數(shù)的可靠性；

4）確定合適的材料、設(shè)備、注漿工藝、參數(shù)。

第一組試驗(yàn)

灌漿順序：按先施工土體與巖體之間的巖土結(jié)合部進(jìn)行接觸段膏漿灌漿，后施工基巖帷幕灌漿（水泥漿液），最后施工壩體可控灌漿（膏漿）的順序進(jìn)行。

單孔施工程序：施工準(zhǔn)備→鉆孔放樣→鉆機(jī)定位安裝→開(kāi)孔鉆進(jìn)→鉆進(jìn)至可控灌漿底線→下套管至隔離壩體→下入注漿管→采用可控膏漿灌注結(jié)束（土體與巖體之間的巖土結(jié)合部灌漿）→待凝鉆進(jìn)至帷幕灌漿第一段高程（基巖5 m一段）→鉆孔沖洗及卡塞壓水→帷幕灌漿→待凝→第二段鉆孔→鉆孔沖洗及壓水→帷幕灌漿→循環(huán)直至終孔段帷幕灌漿結(jié)束→自下而上壩體可控灌漿→封孔→單孔資料整理提交。

第二組試驗(yàn)

灌漿順序：采用先巖土結(jié)合部位可控灌漿，后壩體可控灌漿（巖土結(jié)合部位與壩體可控灌漿采用自下而上連續(xù)施工），再壩基帷幕的順序。

單孔施工程序：施工準(zhǔn)備—→鉆孔放樣—→鉆機(jī)定位安裝—→開(kāi)孔鉆進(jìn)—→鉆進(jìn)至可控灌漿底線（進(jìn)入巖體內(nèi)2 m）—→下入注漿管—→采用可控膏漿自下而上灌注至段頂結(jié)束—→待凝—→掃孔鉆進(jìn)至壩基帷幕灌漿第一段設(shè)計(jì)高程—→鉆孔沖洗—→裂隙沖洗—→簡(jiǎn)易壓水—→第二段及以下段循環(huán)鉆孔、壓水試驗(yàn)—→鉆孔至設(shè)計(jì)孔深—→自下而上分段灌漿—→終孔段灌漿結(jié)束—→灌漿封孔—→單孔資料整理。

2.3 生產(chǎn)性試驗(yàn)結(jié)果分析

第一組試驗(yàn)鉆進(jìn)困難，需要反復(fù)進(jìn)行掃孔鉆進(jìn)，發(fā)生鉆孔坍塌，卡鉆埋鉆，甚至發(fā)生注漿管斷管的事故，如圖1所示，需要花費(fèi)大量的人力、物力和時(shí)間對(duì)事故進(jìn)行處理，由于鉆孔坍塌和卡鉆埋鉆造成試驗(yàn)區(qū)域反復(fù)注漿，材料耗費(fèi)嚴(yán)重。

圖1 孔內(nèi)斷管事故

第二組試驗(yàn)基本沒(méi)有發(fā)生塌孔、卡鉆、埋鉆、斷管等孔內(nèi)事故，大大節(jié)約了成本和工期。試驗(yàn)區(qū)段灌漿結(jié)束后的檢查孔取芯完整，有明顯的膏漿結(jié)石體，如圖2所示。注水試驗(yàn)滲透系數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求K≤5×10-5cm/s，各段壓水試驗(yàn)滲透系數(shù)均滿足設(shè)計(jì)要求q≤5 Lu。由此證明本次灌漿試驗(yàn)，第二組灌漿試驗(yàn)采用的施工工藝及參數(shù)可以滿足質(zhì)量要求。

圖2 第二組試驗(yàn)檢查孔取芯

3 脈動(dòng)灌漿施工

3.1 施工場(chǎng)地布置

主壩和1#副壩沿壩軸線布置1排膏漿灌漿孔，膏漿灌漿總長(zhǎng)約1 220 m，其中主壩可控膏漿灌漿范圍0+55.5 m～0+610.5 m，1#副壩可控膏漿灌漿范圍0+55.3 m～0+429.3 m。施工現(xiàn)場(chǎng)共布置6套膏漿制/灌漿系統(tǒng)，另有2臺(tái)水泥漿制漿系統(tǒng)供給水泥漿，滿足現(xiàn)場(chǎng)膏漿灌漿的需要。

按照設(shè)計(jì)要求，可控膏漿灌漿孔孔距為2 m，先導(dǎo)孔孔間距為32 m，所有灌漿孔按照三序施工，其中：先導(dǎo)孔優(yōu)先施工，然后施工Ⅰ序孔，再施工Ⅱ序孔，最后施工Ⅲ序孔。施工后按照每10個(gè)孔劃分一個(gè)單元布置檢查孔。

3.2 施工流程

通過(guò)對(duì)比，選擇第二組試驗(yàn)所對(duì)應(yīng)的施工方法進(jìn)行單孔施工。

3.3 施工參數(shù)

1）先導(dǎo)孔施工。先導(dǎo)孔施工重點(diǎn)是要保證全孔有效取芯和壓、注水準(zhǔn)確性，采用分段套管護(hù)壁，分層取樣、分層做壓、注水，先導(dǎo)孔需進(jìn)入強(qiáng)風(fēng)化地層，且終孔壓水試驗(yàn)的透水率≤5 lu。

2）脈動(dòng)膏漿灌漿材料配合比為：水∶水泥∶膨潤(rùn)土∶外加劑=3∶1∶3∶0.01，單位：kg。

3）脈動(dòng)灌漿的提升間隔為0.5 m，采用灌漿壓力和灌入量雙參數(shù)控制，每段結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)所涉及的灌漿壓力和灌漿量如表1所示。

表1 灌漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)

①達(dá)到最大設(shè)計(jì)壓力、最小注入量，結(jié)束本段灌漿上提；

②達(dá)到最大注入量、最小設(shè)計(jì)壓力，結(jié)束本段灌漿上提；

③吸漿量較大的段，注入率達(dá)到擬定控制注入量無(wú)法提升至設(shè)計(jì)壓力下限者，加大注入量至設(shè)計(jì)的1.5倍時(shí)，可結(jié)束本段灌漿。

4）水泥帷幕灌漿變漿標(biāo)準(zhǔn)和結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)：

①當(dāng)灌漿壓力保持不變，注入率持續(xù)減少時(shí)，或當(dāng)注入率保持不變而灌漿壓力持續(xù)升高時(shí)，不得改變水灰比。

②當(dāng)某一比級(jí)漿液注入量已達(dá)300 L以上，或灌注時(shí)間已達(dá)30 min，而灌漿壓力和注入率均無(wú)顯著改變時(shí)，應(yīng)換濃一級(jí)水灰比漿液灌注；當(dāng)注入率大于30 L/min時(shí)，根據(jù)施工具體情況，可越級(jí)變濃。

③帷幕灌漿采用自上而下分段灌漿時(shí)，在最大設(shè)計(jì)壓力下，當(dāng)注入率不大于1 L/min后，延續(xù)灌注時(shí)間不少于30 min，灌漿即可結(jié)束。

④若最后連續(xù)3個(gè)注入率讀數(shù)均大于1 L/min時(shí)，則不能結(jié)束灌漿；當(dāng)長(zhǎng)期達(dá)不到結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，報(bào)請(qǐng)監(jiān)理人共同研究處理措施。

3.4 具體施工方法

1）鉆孔定位放樣。施工時(shí)，確保開(kāi)孔位置與設(shè)計(jì)位置偏差不大于10 cm，按照2 m的孔間距布置Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ序孔。

2）鉆孔施工。采用HGY-200C型地質(zhì)鉆機(jī)鉆進(jìn)，開(kāi)孔直徑為Φ110～130 mm，壩體孔徑一般不小于91 mm，壩基巖石不小于56 mm。

各組試驗(yàn)鉆孔施工順序?yàn)椋合葘?dǎo)孔—→Ⅰ序灌漿孔—→Ⅱ序灌漿孔—→Ⅲ序灌漿孔—→質(zhì)量檢查孔

3）灌漿施工。漿液必須攪拌均勻并測(cè)定漿液密度，漿液在使用前應(yīng)過(guò)篩，從制漿到用完的時(shí)間宜小于4 h。

連接灌漿設(shè)備、灌漿管路、拔管機(jī)、壓力表等設(shè)備，配置灌漿用的膏狀漿液，漿液配合比為：水∶水泥∶膨潤(rùn)土∶HY-1=3∶1∶3∶0.01。水泥要求經(jīng)80μm方篩篩余量不大于5%，膨潤(rùn)土要求經(jīng)75μm方篩篩余量不大于4%。

4）分段提升注漿管，按照0.5 m/段的速度自下而上對(duì)壩體灌注膏狀漿液，灌漿參數(shù)要按照技術(shù)要求執(zhí)行。

5）壩體段膏漿灌漿結(jié)束后進(jìn)行漿液待凝處理。

6）重新掃孔，掃孔至可控灌漿底線，逐段鉆進(jìn)、逐段做簡(jiǎn)易壓水至設(shè)計(jì)孔深，然后自下而上灌注水泥漿液，直至終孔段灌漿結(jié)束。

7）灌漿封孔，完成單孔資料。

4 效果檢驗(yàn)

竹銀水庫(kù)項(xiàng)目采用可控膏漿的灌漿方法對(duì)主壩和1#副壩進(jìn)行灌漿處理，施工前后經(jīng)過(guò)業(yè)主檢查并委托第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)，合格標(biāo)準(zhǔn)及結(jié)果如下：

1）檢查孔壓注水：灌漿前對(duì)地層進(jìn)行了透水率的檢測(cè)，原狀土滲透系數(shù)為：10-4≤K＜10-2cm/s和10-5≤K＜10-4cm/s，合格要求各段滲透系數(shù)K≤5×10-5cm/s且合格率在90%以上，不合格段不集中。檢查結(jié)果表明，各段注水試驗(yàn)滲透系數(shù)均滿足設(shè)計(jì)要求K≤5×10-5cm/s，由此證明灌漿處理后的壩體滲透率得到降低。

2）量水堰：在水庫(kù)蓄水到49.1 m過(guò)程中，對(duì)量水堰進(jìn)行了持續(xù)的觀察和統(tǒng)計(jì)，在庫(kù)水位達(dá)到49.1 m后，主壩下游量水堰流量為13.9 L/s，1#副壩下游量水堰流量為13.24 L/s，分別小于合同要求的26 L/s和28 L/s。水庫(kù)水位達(dá)到49.1 m后進(jìn)行了持續(xù)的觀察，量水堰流量基本保持不變，滿足合同要求，如圖3所示，是竹銀水庫(kù)主/1#副壩灌漿施工前后量水堰隨庫(kù)水位的變化。

3）壩后出滲現(xiàn)象：實(shí)施壩體灌漿施工之前，主壩和1#副壩下游存在出滲現(xiàn)象，坡面和坡腳一些位置有浸濕問(wèn)題，地面泥濘；實(shí)施壩體灌漿施工之后，壩體出滲現(xiàn)象消失，出滲點(diǎn)位置的地面干燥，處理效果明顯，如圖4所示。

5 結(jié)論

本文以珠海市竹銀水庫(kù)防滲處理工程為依托，論述了一種脈動(dòng)膏漿的壩體灌漿施工技術(shù)，得到以下結(jié)論：

圖3 竹銀水庫(kù)主/1#副壩灌漿施工前后量水堰對(duì)比

圖4 壩后出滲點(diǎn)灌漿前后對(duì)比

1）采用脈動(dòng)灌漿技術(shù)對(duì)竹銀壩體實(shí)施膏漿灌漿，漿體能夠在壩體中形成充填固結(jié)，形成整體密實(shí)的效果。

2）通過(guò)實(shí)施可控膏漿灌漿技術(shù)，壩體滲透各段系數(shù)符合標(biāo)準(zhǔn)，量水堰流量滿足要求，壩后原出滲點(diǎn)消失。

3）脈動(dòng)膏漿的壩體灌漿施工技術(shù)成功地解決了竹銀水庫(kù)壩體滲漏的問(wèn)題，相關(guān)施工工藝、材料和成果可以為類(lèi)似的工程提供借鑒。