固結灌漿技術在水庫泄洪洞加固中的應用

胡啟軍

(信陽市潑河水庫管理局,河南 信陽 465426)

1 工程概況

潑河水庫位于河南省信陽市，坐落在淮河流域潢河支流潑陂河上，總庫容為2.33億m3。承擔著下游防洪安全、城鎮供水、農業灌溉、生態供水、水力發電等任務，主體工程包括大壩、泄洪洞、溢洪道、輸水洞、水電站等。泄洪洞是潑河水庫主要泄水建筑物之一，汛期承擔著水庫泄洪、調沙等任務。洞身位于主壩右側山體下，總長 115.50 m。加固前為圓形無壓洞，洞徑3.50 m，混凝土襯砌厚度 0.40 m，最大泄量 160 m3/s；加固后出口設控制閘門，為圓形有壓洞，洞徑3.10 m，混凝土襯砌厚度 0.60 m，最大泄量 106 m3/s。

泄洪洞加固前，已經運行40多年，使用頻率高。工程存在的主要問題：洞身段有 12 條裂縫，其中 3 條環向裂縫，縫內滲水有白色分泌物析出。裂縫長度 0.40～11.00 m，縫寬<1 mm，部分裂縫內均有析出物，無相互錯動現象。經多年復檢對比，縫寬存在增大、增多趨勢。

2 工程設計

潑河水庫泄洪洞位置山體共發育 6 條斷層，洞身段巖層有 3 條斷裂層。洞身段山體受斷層影響，兩側巖石較破碎，且附近尚有較發育的裂隙，局部形成裂隙密集帶。經分析，裂縫因洞身受斷層破碎帶內、外水壓力變化產生細微變形引起。工程加固對洞身混凝土進行二次襯砌，出口修建工作閘門，對洞身進行固結灌漿處理。對泄洪洞0+020～0+122段進行全斷面固結灌漿，固結灌漿孔梅花形布置，每圓形斷面設6孔，排距為1 m，鉆孔深入巖石3 m。

3 固結灌漿的原理及作用

在洞壁鉆灌漿孔，利用鉆孔把合適配比的水泥漿,通過施加壓力，壓入洞身巖體裂隙中。水泥漿膠凝固結后，提高洞身巖體的整體性、穩定性、抗滲性、抗壓強度等，防止洞身巖體變形、滲水及不均勻沉降。

4 固結灌漿控制參數選擇

平行泄洪洞軸線均勻布設12排灌漿孔，每圓形斷面設6孔，孔距1 m，梅花形布置。初擬灌漿壓力0.20～0.40 MPa，選取有代表性的洞段，做灌漿試驗，由灌漿實驗確定壓力、時間、進漿率、水灰比等主要控制參數。固結灌漿采用三序施工，灌漿孔深入基巖3 m，灌漿使用標號42.5復合硅酸鹽水泥。

5 固結灌漿施工工序

5.1 施工布置

①施工供電系統：泄洪洞進口閘室的電力系統，滿足施工用電。由電力專業人員架設專用線路至施工工作面，洞外的制漿輸漿系統等電纜用杉木桿架設，洞內的電纜有序地固定在不影響施工的洞壁上。②施工通風系統：泄洪洞內架設專用通風管道，利用壓縮機通風，風壓、風量滿足洞內施工需要；施工粉塵由風機及時排出洞外。③施工用水系統：施工用水用潛水泵直接從水庫中抽取，水庫水質為二類，滿足施工要求；洞內水管有序地固定在不影響施工的洞壁上，施工廢水匯集洞底，及時排出洞外。④鉆孔、灌漿臺車設置:由于洞身斷面尺寸限制，洞內空間小，每個工作面只配備1臺專用的鉆孔設備或灌漿設備。⑤制漿輸漿系統:洞內空間不足以布置集中制漿輸漿系統，為方便灌漿施工，不影響洞內交通，將集中制漿輸漿系統設置在洞口外空曠位置。

5.2 鉆孔

按照設計要求孔徑38 mm、入巖3 m、排距1 m的標準進行鉆孔。鉆頭對孔位中心，鉆桿垂直于洞壁。按照灌漿先后順序，先鉆一序孔，再鉆二序孔，最后鉆三序孔。鉆孔過程中，要對孔徑、孔深等進行查驗。鉆孔結束后，用風機管把灌漿孔內的石屑雜物清理干凈，同時插入PVC管做好成孔保護，防止孔壁坍塌、孔內落入異物。

5.3 預埋灌漿管

在孔內預埋灌漿管，管深入距離孔底20 cm處，管口高出洞壁混凝土面20 cm。距離洞壁混凝土面深30 cm處用封隔片封堵，孔口至封隔片段的空間用高標號砂漿填塞嚴密。填塞的砂漿固結后，使孔身內部形成密閉的空間，水泥漿壓力灌入時，水泥漿在洞身巖體的裂隙中流動充填而不冒漿。

5.4 洗孔

固結灌漿前，用清水進行沖洗灌漿孔。采用泥漿泵以高壓水流，從孔底向孔外沖洗。把孔內的巖粉、裂隙中的泥質充填物等沖出孔外，達到水泥漿在裂隙面膠凝固結的效果。洗孔壓力控制在灌漿壓力的80%，回水清澈便結束洗孔。灌漿孔沖洗后，應及時進行灌漿作業。

5.5 壓水實驗

利用灌漿壓力系統向灌漿孔壓入清水，壓水實驗壓力為灌漿壓力的80%。每孔壓水時間為20 min,每5 min時間觀察記錄1次水表的壓入水量，以最后的流量值，作為計算透水率的基數，并根據實驗數據計算灌漿孔的透水率。保存好實驗記錄和計算結果，報監理工程師復核。

5.6 灌漿材料及制漿

水泥漿采用42.5硅酸鹽水泥，水庫清水拌和，水溫≥5℃，水灰比采用2∶1、1∶1、0.60∶1.00三個比級。對洞身巖體空隙較大部位用水泥砂漿灌注，以細砂為宜，摻砂量控制在水泥重量1.50倍以內。灌漿管采用高壓膠皮管，管徑與灌漿泵一致。

5.7 壓力灌漿

固結灌漿分區段進行，每段長度為10 m。區段端部填塞嚴密，段內按逐漸加密的灌漿原則進行，分三序進行。按照由下而上，先邊孔，后頂孔，由洞內較低位置向較高位置推移灌漿。

灌漿具體步驟:進漿孔選取的是從最低端第一個孔開始作業，緊鄰的孔用來進行水、氣的排放，在粘稠度最高的漿液通過孔洞排出以后，迅速將該孔封閉，然后轉至下一個進漿孔的位置。灌漿作業完以后，把孔口閘閥關閉，等到水泥漿完全進入凝結狀態，再對閉漿裝置進行處理。為了水泥漿達到理想的凝結效果，前序孔大致需要3 d時間，再對二序孔進行作業，最后對三序孔進行作業。

純壓式灌漿方法：灌漿管底端與孔底大約有20 cm的距離，并且和注漿蓋頭以及輸漿管路建立連接，通過壓漿泵進行對水泥漿的輸入，漿液通過漿管從孔底慢慢注滿整孔的空間。經過壓力，水泥漿順著孔壁裂隙中灌入，然后水泥漿會與附近的巖體產生膠凝固結的作用，從而建立了密閉的防滲體。在設計壓力下，灌漿孔停止吸漿，并繼續灌漿5 min后結束。

5.8 封孔及孔位處理

在完成漿液灌注作業后，由于水泥漿固結體積會縮小，灌漿孔口部位置會出現一定的空間，此時需要把孔內水分以及污物進行有效的處理，采用高標號砂漿對其進行封填，及時割除伸出洞壁混凝土面外的埋管。

6 固結灌漿的質量控制要點

6.1 孔位及孔深

灌漿孔入巖石深度≥3 m，孔位誤差≤10 cm，垂直偏差≤10 cm。

6.2 成孔保護

鉆孔結束，及時做好成孔保護。對破碎巖石的孔壁，套管起拔前，插入PVC管，保護孔壁，防止鉆孔坍塌和落入異物。

6.3 灌漿管埋設

驗孔合格后，在孔內預埋3.40 m長的灌漿管，用高標號的砂漿對封隔片到洞壁段的間隙進行封堵。水泥漿灌注時，水泥漿在洞身巖體的裂隙中流動、充填、固結。

6.4 灌漿壓力

工程為洞壁巖石固結灌漿,灌漿壓力控制在0.20～0.40 MPa。

6.5 水泥漿控制

水灰比分別采2∶1、1∶1、0.60∶1.00，按先稀后濃的順序灌漿，先灌入水灰比2∶1水泥漿。當灌入水泥漿量已達150 L以上，或灌注水泥漿時間超過30 min，灌漿壓力和灌注率均改變不明顯時，應加濃一級水灰比，逐級加濃，最后把水泥漿的水灰比調整到0.60∶1.00。對空隙較大部位，必要時用水泥砂漿進行灌注，摻細砂量控制在水泥重量1.50倍以內。灌漿孔停止吸漿5 min后，停止灌漿作業。

7 灌漿過程中特殊情況的預防與處理

7.1 中斷處理

停電、停水或機械故障等問題造成被迫中斷灌漿，要及時恢復灌漿。中斷時間超過30 min時，對鉆孔重新沖洗，必要時進行掃孔。恢復階段首先需要進行稀漿，在此過程中一旦出現吸漿率同中斷前沒有明顯的區別，要逐級變漿，及時把漿液濃度恢復到中斷前的濃度。若恢復后漿液的注入率減少很多，短時間內停止吸漿，說明中斷灌漿造成裂縫口堵塞，應采取補救措施，及時拔出栓塞進行掃孔，對鉆孔重新沖洗后再進行灌漿。

7.2 串漿處理

在漿液進行灌注過程中，漿液從鄰近孔流出產生串漿的情況。一是對串漿孔沖洗干凈，同時對串漿孔進行灌漿；二是將適量干凈的水注入到串孔中，再將串漿孔進行堵塞。對串漿孔進行灌漿作業時，先將孔中清水排出，水泥漿應當加濃、降低灌注壓力，延長相鄰兩孔灌注間隔時間，防止將前期灌入水泥漿從巖體縫隙中壓出。

7.3 冒漿處理

灌漿作業時，水泥漿從裂隙冒出。視冒漿具體情況，采用表面封堵、降低灌漿壓力、加濃水泥漿、間隔灌漿等方法。必要時，采用水泥砂漿灌注，冒漿停止后，再正常進行灌漿。

8 灌漿質量檢查

8.1 檢查孔設置

檢查孔的數量占灌漿孔總數的10%。檢查孔布置原則：2個灌漿孔中間；洞身巖石斷層、空隙、破碎帶等巖體部位；吸入量大或灌漿不正常的灌漿孔周圍；洞身裂縫等對灌漿質量有影響的部位。

8.2 檢查鉆孔

對檢查孔位置進行標注，經過現場監理人員確認后再進行鉆孔。鉆孔進行過程中，對鉆取的巖芯進行檢查，并計算巖芯獲得率。同時要對巖芯透水性進行分析。

8.3 壓水實驗

采用檢查孔壓水實驗的方法，測定透水率。灌漿結束14 d后，可對其附近的檢查孔進行壓水實驗。壓水實驗按照從上而下分段卡塞，檢查固結灌漿后洞身巖石透水性，并對實驗成果進行分析。

8.4 質量檢查

當檢查孔的透水率小于設計值時，可認為該段灌漿效果達到要求；當檢查孔的透水率大于設計值時，要按照監理要求，對該段增補灌漿孔，進一步灌漿。灌漿結束后，要堅持灌漿孔封口質量。

9 結語

在水利工程中，固結灌漿屬于重要隱蔽工程,工序非常復雜,灌漿施工工藝水平決定工程的質量與安全。現在水利水電建筑工程水泥灌漿技術已經發展得非常成熟，水泥灌漿技術控制至關重要，要結合實際工程、地質、施工環境等情況，灌漿主要控制參數要根據現場洞壁巖石裂隙情況由試驗確定。潑河水庫泄洪洞固結灌漿施工質量高，達到設計要求，望能為同類工程提供參考。