尋甸縣磨盤寺水庫除險加固工程大壩帷幕灌漿試驗淺析

劉朝波

（昆明市河湖管理中心，云南 昆明 650000）

1 工程概況

磨盤寺水庫位于羊街鎮甸龍村委會磨盤寺村后箐，地理坐標為東經103°5′，北緯22°28′。磨盤寺水庫控制流域面積為5.4km2，水庫壩址與羊街鎮的直線距離約5.5 km，與尋甸縣城的直線距離約22 km。水庫主河道長3.98 km，主河道平均比降為35‰。磨盤寺水庫于1992年5月竣工，同期開始蓄水，建成的土壩高20.4 m，蓄水40萬m3。壩型為均質土壩，現狀壩頂高程為2020.7 m，最大壩高20.4 m，壩頂長150 m，壩頂寬7.8 m，無防浪墻，壩頂寬度及大壩壩坡極不規整，上下游壩坡均無護坡。

2 帷幕灌漿設計

磨盤寺水庫大壩帷幕灌漿工程設計為單排孔，沿壩軸線布置，孔距2 m，分三次序施工。左壩肩延伸5個孔，右壩肩延伸9個孔，總計灌漿孔90個，設計鉆孔進尺2042.59 m，設計灌漿進尺2042.59 m。

3 灌漿試驗的目的和任務

灌漿試驗的目的是通過灌漿試驗驗證大壩采用防滲帷幕灌漿處理方案在技術上的可行性、效果上的可靠性和經濟上的合理性，進一步確定有關灌漿技術的參數（如孔距、排距、防滲帷幕邊界、灌漿壓力、材料消耗量、漿液待凝時間等），明確帷幕灌漿施工方案，指導灌漿施工。

主要任務是了解壩土、結合部和壩基巖層的力學性狀、可灌性和透水性，論證壩基帷幕灌漿的可行性，以及壩土、結合部、壩基巖層灌漿后力學性狀的提高程度，探索適合壩基帷幕灌漿的灌漿工藝，為優化灌漿參數、簡化施工工序、降低工程造價提供依據。

4 灌漿試驗施工

4.1 灌漿試驗孔的布置

根據《磨盤寺水庫除險加固工程大壩帷幕灌漿設計圖》及業主單位、監理單位的相關要求，本工程帷幕灌漿試驗孔共布置一組，孔號為WM32-Ⅰ～WM36-Ⅰ，共計5個孔，為單排布置，孔距2.0 m，分三序施工。

4.2 鉆孔

本次試驗采用全站儀按照設計圖紙進行鉆孔和孔位放線，并注明孔號和次序。鉆機采用XY-1型回轉式鉆機，將鉆機就位，安裝平穩無擺動、校正立軸無偏斜后，要先對準一序孔的孔位中心開孔，開始采用低壓力慢轉速，鉆進到一定深度時，應適時變徑，并加長巖芯管長度，逐漸加大壓力及轉速，有效保證了鉆孔孔向垂直向下。

鉆孔的開孔孔徑為110 mm，終孔孔徑為91 mm，采用硬質合金鉆頭清水鉆進。所有鉆孔在達到設計孔深終孔時，監理工程師應到現場量孔，鉆孔深度符合設計要求。

4.3 鉆孔沖洗及壓（注）水試驗

（1）鉆孔沖洗只在基巖灌漿段中進行，鉆孔達到規定深度后，用鉆孔機具取出孔內巖渣，確認打撈干凈后，下入射漿管至孔底，用大泵量脈動水流，由孔內向孔外沖洗，同時上下提動射漿管作活塞運動，如此反復沖洗至回水變清（肉眼看不見巖粉顆粒）后延時10～20 min結束，總時間不少于30 min。

（2）鉆孔注水試驗。對壩體土層及強風化巖層采用注水試驗，灌段達到規定深度后，用鉆孔機具取出孔內巖渣，隨后開始地下水位觀測，得到地下水位數據后進行注水試驗，用量杯或水表控制孔內注水量，注水水頭高度一般與孔口齊平，個別漏水孔段在大流量的情況下仍不能將孔注滿，則在注水的同時，下入水位計測出注水水頭高度，作為計算依據；注水所采用的流量計為1000 mL量杯或水表。

注水試驗時，保持注水水位不變，每2～5 min讀取一次注入流量，當連續4次讀數的最大值與最小值之差小于最終值的10%，或不大于1 L時，即可結束試驗。取最終值作為計算值，若遇有漏水孔段，注入水流量較大時，則盡量縮短注水的時間，以免造成危害。

根據工程實際情況，本次注水試驗采用式（1）計算。

式中：Q——穩定注入量，m3/d；S——注水水頭高度，m；d——鉆孔直徑，m。

（3）壓水試驗。在壓水試驗之前，先觀測地下水位作為計算全壓力的參數，5 min觀測一次鉆孔內水位，當觀測到的地下水位數據連續兩次之差小于5 cm/min，即可確定地下水位值，并以最后一次的觀測數據作為地下水位值。

“簡易壓水試驗”的壓水時間為20 min，每2～5 min測讀一次壓水流量，當連續4次壓入流量的最大值與最小值之差小于最后一次流量值的10%即可結束，以最后一次流量值作為計算流量。

壓水試驗流量穩定標準與注水試驗相同，其試驗采用式（2）計算。

式 中：q——透 水 率，Lu；Q——壓 入 流 量，L/min；P——作用于試段的全壓力，MPa；L——試段長度，m。

4.4 灌漿

4.4.1 灌漿方法與程序

灌漿采用自上而下分段灌漿與異常段復灌相結合的方法。灌漿分三序進行，Ⅰ序孔鉆孔灌漿結束后，進行Ⅱ序孔的鉆孔和灌漿，最后進行Ⅲ序孔的鉆孔和灌漿施工，逐漸加密。

自上而下分段灌漿的施工程序為：鉆進（一段）→撈渣→水位觀測→鉆孔沖洗與否→壓（注）水試驗→灌漿→待凝→復灌與否→掃孔鉆進（下—段）。如此反復直至終孔灌漿結束，然后進行灌漿段封孔，之后取拔套管，進行非灌段封孔至結束。

4.4.2 灌漿段長

壩土段段長控制在5 m左右，接觸段在巖石中的長度不大于2.0 m?；鶐r每個灌漿段長度為5～6 m，特殊情況下則適當縮短或加長，最長不大于10 m。

4.4.3 灌漿壓力

灌漿試驗壓力按孔口壓力控制，各試段的灌漿壓力按照式（3）控制。

式中：P0——初始壓力，MPa；M——壓力增率；Z——試段上覆巖土體厚度，m。

根據磨盤寺水庫大壩帷幕灌漿設計要求，壩頂以下第一段灌漿壓力0.01 MPa～0.075 MPa，灌漿每加深1m灌漿壓力上升0.015 MPa，第二段以后每段灌漿壓力根據分段長度升高0.06 MPa～0.09 MPa，當壓力達到最大灌漿壓力0.3 MPa時，其余各段均按0.3 MPa進行。

4.4.4 灌漿材料及設備

根據設計技術要求，壩體土層采用1:3水泥黏土混合漿灌注；壩基結合部采用1:1水泥黏土混合漿灌注；基巖采用純水泥漿灌注。

灌漿用水泥采用尋甸縣羊街水泥廠生產的P.O 42.5普通硅酸鹽水泥，黏土采用上壩用黏土，兩項材料均取樣送檢，其各項指標均符合設計要求。

灌漿設備為100/15型砂漿泵，自帶200 L立式雙層攪拌桶。灌漿機最大工作壓力為1.5 MPa，水平輸送距離為200 m，垂直輸送距離為50 m，完全滿足施工需要，泥漿攪拌機采用自制臥式0.8 m3攪拌機，其能連續工作，出漿量大，可滿足施工需要。灌漿管路采用硬管連接，在與孔口壓力表裝置之間采用軟管連接，能承受1.5 MPa的壓力。

4.4.5 制漿及漿液濃度變換

純黏土原漿制作是采用濕法制漿，將黏土在堆料場浸濕，之后用水沖入泥漿攪拌機中攪拌成漿，經0.5 cm篩網過濾，并經沉淀池沉淀后將泥漿中的大顆粒雜物如碎石、草根、枯枝等全部清除后倒入2 m3的儲漿池中備用。水泥黏土混合漿拌制是根據需要的配合比先將黏土原漿抽至灌漿攪拌桶中，之后放入相應配比的水泥，最后再加入一定量的清水，攪拌均勻后即成待灌的混合漿液。純水泥漿液制作是根據水灰比先將水放至攪拌桶中之后再投入相應的水泥，經過攪拌機攪拌均勻后即成待灌漿液。

壩體土層采用1:3水泥黏土混合漿灌注，水灰比由稀到濃依次為2:1、1.5:1、1:1、0.8:1；壩基結合部采用1:1水泥黏土混合漿灌注，水灰比依次為3:1、2:1、1:1、0.8:1、0.6:1；基巖層采用純水泥漿灌注，水灰比依次為5:1、3:1、2:1、1:1、0.8:1、0.6:1、0.5:1。漿液濃度大小的變化應根據試段地質條件及滲漏情況而定。濃度大適用于強透水巖體，濃度小適用于弱透水巖體。可根據壓（注）水試驗值來初步確定，在實際工作中根據壓力變化情況和灌漿注入量來確定漿液的變換，漿液濃度應由稀到濃逐漸變換[1]。

4.4.6 灌漿結束標準與封孔

灌漿結束標準為：在灌段達到規定的壓力下，單位吸漿量不大于1 L/min時延續灌注60 min結束，或灌段停止吸漿時延續灌注30 min結束。封孔：采用全孔灌漿封孔法進行封孔[2]。

5 灌漿試驗成果分析與評述

5.1 完成工程量

本次試驗共計完成試驗孔一組，共計5個孔，完成鉆孔進尺139.23 m，完成灌漿段長139.23 m，灌漿注入水泥12 t，完成檢查孔2個，完成鉆孔進尺56.08 m，完成壓水試驗9段。

5.2 透水率與灌漿次序關系的分析與評述

統計試驗孔各次序孔透水率情況如表1所示。

表1 各次序孔透水率情況

由表1可以看出，試驗孔的透水率值均不大，且都隨著灌漿次序的推進而逐漸降低，巖層的透水率隨著灌漿次序的增加，而呈現明顯的遞減趨勢，符合正常的灌漿規律，說明灌漿效果較好。

5.3 單位注入量與灌漿次序關系的分析與評述

統計各次序孔單位注入量如表2所示。

表2 各次序孔單位注入量

由表2可看出，各次序孔單位注入量隨著灌漿次序的增加而呈現顯著減少，符合灌漿規律[3]。同時也證明了壓（注）水試驗資料準確，滲透系數與透水率值與單位注入量成正比關系，符合客觀實際。

6 灌漿質量與效果檢查

6.1 各次序孔灌前壓水試驗檢查

各次序孔在灌漿前均作了壓（注）水試驗，I序孔的壓水試驗值準確地探明了巖層在灌漿前的原始透水能力，滲透系數平均值Ⅰ序孔為43.15×10-5cm/s、Ⅱ序孔滲透系數平均值降為13.85×10-5cm/s、Ⅲ序孔滲透系數平均值則降為8.96×10-5cm/s，Ⅰ序孔透水率平均值為12.80 Lu、Ⅱ序孔透水率平均值為9.94 Lu、Ⅲ序孔透水率平均值為8.53 Lu。通過上述對透水率與灌漿次序的分析，可以看出經過灌漿處理后，巖層的透水性逐漸降低，且隨著灌漿次序的推進，至Ⅲ序孔時透水率值已趨近于防滲標準值，符合正常灌漿規律，說明灌漿效果良好。

6.2 檢查孔壓水試驗檢查

灌漿試驗結束后，經待凝14 d后開始打檢查孔。該組試驗孔布置檢查孔2個，J4位于鉆孔WM33～WM34孔中間，J5位于鉆孔WM35～WM36號孔中間。共開展了12段壓（注）水檢查，壩土段采用鉆孔常水頭注水試驗進行檢查，滲透系數最大值為5.68×10-6cm/s，小于設計標準1.0×10-5cm/s；基巖段采用五點法壓水進行檢查，透水率最大值為4.48 Lu，小于設計標準10 Lu。說明該部位壩體及壩基巖層，經過灌漿處理后，其透水性降低，防滲性能大幅提高，達到設計防滲標準，已形成了防滲帷幕[4]。

7 結語

通過尋甸縣磨盤寺水庫除險加固工程大壩帷幕灌漿試驗，得出以下結論。

（1）采用本次試驗中所用的施工工藝、試驗方法及灌漿程序和帷幕的布置形式（單排布置、2.0 m孔距），在WM33孔第3段灌漿及WM35孔第2段灌漿時，壩頂產生劈裂，寬度控制在2 cm，說明采用該工藝進行防滲帷幕灌漿是可行的，通過試驗孔壓水試驗表明，灌漿是可以將帷幕的防滲性能提高到小于10 Lu標準的[5]。

（2）在灌漿試驗中所采用的水泥材料、漿液配比及濃度變換等，可以用于下一步灌漿工作。

（3）在施工中所使用的各型機械設備均能滿足施工要求，可以用于下步的灌漿工作。