帷幕灌漿在小型病險水庫除險加固工程中的應用

謝 鵬

（耒陽市水利局 衡陽市 421800）

耒陽市有小型水庫270座，這些水庫的建成對全市社會經濟的發展發揮了巨大作用。但由于受經濟、技術等條件的限制，這些水庫在建設時均未對地基進行勘察，更談不上防滲、加固處理，導致日后運行中壩基滲漏現象突出，嚴重制約水庫經濟、社會效益的發揮，甚至成為危及人民生命財產安全的隱患。

帷幕灌漿是指采用先鉆孔，再將水泥漿（或復合漿）在一定壓力下灌注孔內封堵巖體中的縫隙而形成阻水帷幕，以防止壩基滲漏、降低滲透水對壩基的揚壓力，保證壩基的滲透穩定。在耒陽市病險水庫除險加固工作中，廣泛采用了帷幕灌漿治理壩基滲漏問題，取得了良好的效果。

1 前期勘察

灌漿前，應通過現場踏勘、鉆孔取樣、土工試驗等地質勘察工作，充分掌握壩基巖石的種類、成分、巖層構造，研究裂隙和空洞的性質以及地基巖層滲透性，掌握壩址區的水文地質情況。

2 防滲標準及灌漿深度

2.1 防滲標準

帷幕灌漿的防滲標準應按灌后基巖的透水率控制。根據《碾壓式土石壩設計規范》（SL 274—2001）規定，3級及以下的壩基透水率宜為（5～10）Lu。

2.2 灌漿深度

壩基下存在相對不透水層，且埋藏深度不大時，帷幕應深入該層至少5 m。當壩基相對不透水層埋藏較深或分布無規律時，應根據滲流分析和防滲要求，并結合類似工程經驗研究確定帷幕深度。

3 灌漿孔

3.1 灌漿孔布置原則

帷幕灌漿形成的壩基防滲體應與壩身防滲體形成一個整體。對于高噴灌漿、混凝土防滲墻、沖抓套井回填、深層攪拌連續防滲墻等，一般沿防滲體同一軸線布置；對于粘土斜墻、壩面土工膜等，一般沿壩內坡腳布置并向兩岸肩延伸。

當巖石完整、透水性小時，可采用單排帷幕；當巖石破碎、裂隙發育、透水性大、地質條件復雜時，則多采用2～3排。由3排孔組成的帷幕，應先灌注下游排孔，再灌注上游排孔，后灌注中間排孔。由兩排孔組成的帷幕應先灌注下游排，后灌注上游排。

每排灌漿孔按分序加密的原則進行，一般分為二序或三序。第Ⅰ序孔距通常選為（8～12）m，最終孔距多為（2～3）m。雙排孔和三排孔宜按梅花型布置，排距、孔距宜為（1.5～3）m。

3.2 鉆孔技術要求

鉆孔一般采用回轉式鉆機鉆孔，也可采用沖擊式或沖擊回轉式鉆機鉆進。孔徑一般多為59 mm或75 mm，在保證灌漿質量的前提下，宜優先選用小口徑鉆孔，但不得小于46 mm，檢查孔的孔徑要稍大一些，一般可為75 mm或91 mm。

灌漿孔位與設計孔位的偏差不應大于10 cm，孔深不應小于設計孔深。鉛直孔應進行孔斜測量。垂直或頂角小于5°的帷幕灌漿孔，孔底的偏差不應大于表1的規定，如超過時應采取補救措施。

表1 帷幕灌漿孔孔底允許偏差 m

灌漿孔或灌漿段鉆進結束后，應進行鉆孔沖洗，孔內沉積厚度不得超過20 cm，同時在灌漿前應采用壓力水進行裂隙沖洗，沖洗壓力可為灌漿壓力的80%，且不大于1 MPa。沖洗時間至回水清凈時止，不大于20 min。

4 灌漿方法

灌漿方法可分為全孔一次灌漿和全孔分段灌漿，灌漿方法的選用應根據地質條件、壩工要求以及鉆孔情況確定。

4.1 全孔一次灌漿

即把全孔作為一段進行灌漿。在孔深入巖不超過6 m、地質條件良好、巖石較完整、漏水又較小的情況下，可考慮全孔一次灌漿。

4.2 全孔分段灌漿

根據鉆孔各段的鉆進和灌漿的相互順序，又可分為以下幾種灌漿方法：

（1）自上而下分段灌漿法。即自上而下逐段鉆進，隨段安設灌漿塞，逐段灌漿的一種施工方法。此種方法適用于巖石破碎、孔壁不穩固、孔徑不均勻，豎向或陡傾角節理、裂隙發育，滲漏情況嚴重的巖層。

（2）自下而上分段灌漿法。即將鉆孔一直鉆到設計孔深，然后自下而上逐段進行灌漿。此種方法適用于巖石比較堅硬完整，裂隙不很發育，滲透性不甚大的巖層。

（3）綜合分段灌漿法。是一種自上而下與自下而上相結合的分段灌漿方法。在較深的灌漿施工中，把全孔分成幾個大綜合段，每個綜合段中又含有幾個灌漿段。從全孔的施工進程上來看，以綜合段為單元計，表現是自上而下，但從每個綜合段內的各灌漿段來看，則又是自下而上。在地質條件比較復雜而鉆孔又深的情況下可采用綜合分段灌漿法。

（4）孔口封閉灌漿法。即把孔口封閉器安設在孔口，自上而下分段鉆進，逐段灌漿并不待凝的一種分段灌漿方法。此種灌漿方法一般用于比較高的大壩或采用灌漿壓力比較大的基巖帷幕灌漿。

5 灌漿參數

5.1 灌漿段長度

灌漿長度要根據巖石的裂隙發育程度、破碎情況、滲透以及設備條件決定。根據《水工建筑物水泥灌漿施工技術規范》（DLT 5148-2012）要求，參照省內外帷幕灌漿取得的成功經驗，結合各工程的具體情況，灌漿段長度一般取（5～6）m，巖體完整時可適當加長，但最長不應大于10 m；巖體破碎孔壁不穩時，段長應縮短，可采用（3～4）m。

5.2 灌漿壓力

灌漿壓力是控制和提高灌漿質量的一個重要因素，一般情況下，使用較高的壓力是有利的，其優點是：

（1）使漿液能更好地壓入巖層中的細小裂隙和空洞，充填緊密、牢實。

（2）可以獲得較大的擴散范圍，使孔距相對增大，減少鉆孔數目，縮短工期，節約成本。

（3）促使漿液盡快、盡多地析出水分，有利于漿液凝結密實，提高結石的密度和強度，增強防滲和穩固性能。

但灌漿壓力也不能過大，否則可能使巖石裂隙擴寬，甚至產生新的裂隙，使原來的地質條件惡化，或使壩體和巖石抬動變形，發生新的問題。

灌漿壓力宜通過試驗確定，也可通過公式計算或根據經驗先行擬定，而后在施工過程中調整確定。灌漿時應盡快達到設計壓力，但注入率大時應分級升壓。

灌漿壓力可按以下公式計算：

式中P——灌漿壓力（kPa）；

P0——巖基表層的允許壓力（kPa），可按表2選用；

m——灌漿段上巖層每增加1 m所增加的壓力（kPa），可按表 2 選用；

D——灌漿段上巖層的厚度（m）；

k——系數，一般取1.5；

y——壓重的重度（kN/m3）；

h——灌漿段以上壓重的厚度（m）。

表2 P0及m值選用表kPa

5.3 灌漿材料

灌漿宜采用純水泥漿，水泥應為新鮮的普通硅酸鹽水泥，強度不低于42.5。不得使用受潮結塊水泥。

根據灌漿需要，可在水泥漿中加入砂、膨潤土或黏性土、水玻璃等摻合料，也可視需要加入速凝劑、減水劑、穩定劑等外加劑。

5.4 漿液稠度

灌注普通水泥漿液時，漿液水灰比采用5∶1、3∶1、2∶1、1∶1、0.8∶1、0.5∶1 等 6 個等級，灌注時由稀至濃逐級變換。漿液變換原則如下：

（1）當灌漿壓力保持不變，注入率持續減少，或注入率不變而壓力持續升高時，不得改變水灰比。

（2）當某級漿液注入量已達300 L以上，或灌漿時間已達30 min，而灌漿壓力和注入率均無改變或改變不顯著時，應采用濃一級的水灰比。

（3）當注入率大于30L/min時，可根據具體情況越級變濃。灌漿過程，灌漿壓力或注入率突然改變較大時，應立即查明原因，采取相應的措施進行處理。

5.5 結束灌漿標準

在正常的灌漿過程中，灌漿結束的條件通常有兩種：

（1）采用自上而下分段灌漿法時，在規定的灌漿壓力下，灌漿段注入率不大于0.4 L/min，延續30 min或注入率不大于1 L／min繼續灌注60 min，灌漿可以結束；采用自下而上分段灌漿法時，在規定的灌漿壓力下，注入率不大于1 L／min，繼續灌注30 min，可以結束。

（2）在規定的灌漿壓力下，單位長度注入率不大于0.1或0.2 L/min·m，繼續灌漿30 min即可結束。

5.6 封孔方法

（1）導管注漿封孔法。全孔灌漿完畢后，將導管下到鉆孔底部，用灌漿泵泵入水灰比為0.5的水泥漿，將孔內余漿或積水頂出孔處。在泵入漿液的過程中，將導管徐徐上提，并注意導管底部始終保持在漿面以下，此種方法僅適用于深度小于8 m的淺孔。

（2）全孔灌漿封孔法。全孔灌漿完畢，先采用導管注漿法將孔內余漿置換成水灰比為0.5的濃漿，而后將灌漿塞塞在孔口，進行純壓式灌漿封孔。封孔灌漿的壓力可根據工程具體情況確定，一般不小于1 MPa。當采用孔口封閉法灌漿時，可使用該孔最大設計灌漿壓力，灌漿持續時間不應小于1 h。

6 質量檢查

質量檢查以檢查孔壓水試驗成果為主，結合對施工記錄、施工成果資料和檢驗測試資料的分析，進行綜合評定。

檢查孔的數量可為灌漿孔總數的10%左右，一個壩段或一個單元工程內至少應布置一個檢查孔。

檢查孔應布置在帷幕中心線上，并位于斷層、巖體破碎、裂隙發育、強巖溶等地質條件復雜的部位以及末序孔注入量大的孔段附近。檢查孔壓水試驗應在該部位灌漿結束14天后自上而下分段卡塞進行，試驗采用單點法，按《水工建筑物水泥灌漿施工技術規范》（DL/T 5148-2012）附錄 B 執行。

經檢查孔壓水試驗檢查，壩體與基巖接觸段透水率的合格率為100%，其余各段的合格率不小于90%，不合格試段的透水率不超過設計規定的150%，且不合格試段的分布不集中，灌漿質量可評為合格。

7 特殊情況的處理

在小型病險水庫除險加固項目建設過程中，經常遇見吸漿不止、串漿等特殊情況，需要有針對性地采取相應的措施，才能達到預期的效果。

7.1 大吸漿量

在灌漿中，有時會遇到大量吸漿不止，灌漿難以結束的情況，其主要原因是地層的特殊結構條件促使漿液沿某一固定的通道流失。對此種情況，可采用如下方法進行處理：

（1）降壓。采用低壓甚至是自流式灌漿，待裂隙充滿漿液，漿液的流動性降低后，再逐漸升高壓力，按正常的施工要求進行灌漿。

（2） 限流。限制注入率為（15～20）L/min，或更小一些，以減少漿液在裂隙里的流動速度，促使漿液盡快沉積，待注入率明顯減小后，再將壓力升高，使注入率基本保持在（10～15）L/min水平，直至達到灌漿結束標準后結束灌漿。

（3）濃漿灌注。采用最稠的水泥漿（一般為0.5∶1）進行灌注。

（4）加速凝劑。在最稠的漿液中（一般為0.5∶1）中摻入水玻璃、氯化鈣速凝劑。

（5）灌注水泥砂漿。根據灌注情況，摻砂量可以按水泥重量的10%、20%……100%逐步增加，砂的粒徑也可逐漸變粗。將砂漿攪拌均勻后，用砂漿泵灌注。

（6）間歇灌漿。在灌注一定數量水泥或灌注一定時間后，停止灌漿一段時間，然后再灌。間歇時間通常為（2～8）h。只有在比較長時間內，巖層一直大量吸漿并且基本不起壓力或壓力長期較小的情況下，才適合采用間歇灌漿。這種情況下，往往無法在設計壓力下結束灌漿，需待凝一段時間后掃孔、復灌，復灌時爭取在設計壓力下結束灌漿。

7.2 串 漿

在灌漿過程中，漿液從其他鉆孔流出，這種現象稱為串漿。其主要原因是巖石中裂隙較多，相互串連，使灌漿孔相互間直接或間接連通，造成了串漿通路。對此，可采取以下方式預防處理：

（1）加大第一次序孔間的孔距，適當地增長相鄰兩個次序孔先后施工的間隔時間。

（2）當串漿孔為正在鉆進的鉆孔時，應立即停鉆，在串漿孔內漏漿處以上的部位安設灌漿塞，堵塞嚴密，在灌漿孔中則按要求正常灌漿。待灌漿結束后，串漿孔恢復正常鉆進。

（3）若串漿孔為待灌的灌漿孔時，最好是串漿孔與灌漿孔同時進行灌漿，一臺灌漿泵灌注一個孔，如無此條件，則只得采用上述（2）的措施。

8 結 語

在小型水庫除險加固工程中，只要根據大壩基礎的實際情況，采用合適的施工方法，選取合理的技術參數，嚴格控制施工工序，牢牢把關每一個環節，帷幕灌漿均可取得明顯的效果，達到防止壩基滲漏、保證壩基穩定的目的。

[1]中國電力企業聯合會.DL/T 5148—2012.水工建筑物水泥灌漿施工技術規范[S].北京：中國電力出版社，2012.

[2]黃河水利委員會勘測規劃設計研究院.SL 274—2001.碾壓式土石壩設計規范[S].北京：中國水利水電出版社，2002.

[3]孫釗.大壩基巖灌漿（第三版）[M].北京：中國水利水電出版社，2004.

[4]許厚材.水利水電工程基礎灌漿中特殊地層的灌漿方法[J].水力發電，2005，31（9）：36-38.