壩基巖溶管道型涌水注漿封堵工程技術(shù)研究

李 兵

(新疆水利水電項目管理有限公司，烏魯木齊 830000)

1 工程背景

某水庫是一座以防洪為主，兼具灌溉、養(yǎng)殖、旅游等功能的小型水庫。水庫的集雨面積為3.04 km2，總庫容約521.34×104m3。水庫工程規(guī)模為小(Ⅰ)型，工程等別為Ⅴ等，主要水工建筑物級別為5級，現(xiàn)狀樞紐主要建筑物有大壩、溢洪道、引水渠等。大壩建成于上世紀(jì)70年代中期，為均質(zhì)土壩，全長185.20 m，最大壩高4.5 m，大壩壩頂寬度3.5～5.0 m，壩頂?shù)缆窞橥谅罚滑F(xiàn)狀壩頂高程為45.15～45.40 m，大壩迎水側(cè)坡比為1∶1.5左右，背水側(cè)坡比為1∶2.5～1∶3.0左右。水庫由于設(shè)計施工標(biāo)準(zhǔn)低，經(jīng)過長期運行后已經(jīng)存在諸多問題，亟待進行除險加固。從壩基的滲漏情況來看，由于大壩設(shè)計建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)較低，沒有設(shè)計專門的壩基防滲措施，因此大壩建成之后即存在一定的滲漏問題。經(jīng)過多年的運行，水庫的壩基滲漏日漸嚴(yán)重，已經(jīng)影響到水庫的安全運行和效益發(fā)揮。目前，水庫大壩主要存在7處出水點，分別是下游導(dǎo)流洞內(nèi)、下游壩基、導(dǎo)流洞出口左側(cè)、大壩下游排水盲溝、溢洪道右側(cè)、溢洪道左側(cè)以及左岸壩腳。因此，通過對滲漏點的綜合分析并采取合適的防滲漏措施具有十分重要的意義。

2 基于壓水滲透試驗的壩基滲漏部位和原因分析

為了查明該水庫的滲漏原因，結(jié)合出水點的分布特征，在平行于壩軸線上游1.0 m部位布置19個檢查孔[1]。其中，在大壩左岸壩段共布置1個水平孔(S01)、1個斜孔(X02)和7個垂直孔(C03-C09)，共9個檢查孔；河床壩段布置4個垂直孔(C10-C13)；在大壩的右岸壩段布置5個垂直孔(C14-C18)和1個斜孔(X19)，共6個檢查孔。通過上述檢查孔進行壓水試驗，通過試驗數(shù)據(jù)分析，確定壩基滲漏的主要原因和部位[2]。壓水滲透性試驗過程中，在設(shè)置的19個檢查孔中共進行長度為5.0 m的137段壓水試驗，總長度為687.5 m。

從左岸壩段的9個檢查孔的77段壓水試驗結(jié)果可知，大壩左岸壩段原開挖基準(zhǔn)線以下10 m范圍內(nèi)的巖體透水率較大，一般在10 Lu以上。按照《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB 50487-2008)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，屬于中等透水層，其余部位為弱透水層或微透水層[3]。從右岸壩段的6個檢查孔的45段壓水試驗結(jié)果可知，該壩段透水率小于3 Lu的滲透線分布在大壩建基面以下20～25 m，而上部巖體的透水率較高。在C16、C17和C18檢查孔的壓水過程中，存在串孔現(xiàn)象，說明存在比較明顯的滲透通道。

綜上所述，大壩建基面以下20 m范圍為大壩的主要滲漏通道，特別是左壩段的10和3 Lu下限下移嚴(yán)重，且右壩段的3 Lu線明顯低于前期的帷幕灌漿深度，成為造成大壩滲漏的主要原因。

對主要滲漏點的巖體鉆孔探查顯示，大壩滲漏部位的巖體主要為碳酸鹽，有較多的鉆孔發(fā)現(xiàn)巖體內(nèi)部的裂隙和溶洞，且其中的絕大部分含水。涌水量較大的滲漏部位主要表現(xiàn)為巖溶管道型涌水。

3 壩基涌水注漿封堵工程技術(shù)思路

3.1 控流降速技術(shù)及應(yīng)用

根據(jù)前期的地質(zhì)調(diào)查結(jié)果，X03、X05和X07壩段的涌水點不僅流速大，而且流量水平較高，給封堵施工造成不小的難度[4]。因此，要達到良好的注漿封堵效果，有必要首先降低巖溶管道內(nèi)的水流速度，為后續(xù)的注漿施工創(chuàng)造有利條件[5]。具體而言，在X03、X05壩段的集中涌水點的正上方部位進行控流降速工程，使巖溶管道中的涌水達到可控狀態(tài)[6]。其中，降速截止閥的主要作用是調(diào)節(jié)涌水點的流速，從而提高注漿過程中的漿液留存率。止?jié){墊的設(shè)計為涌水點鋪平，在涌水區(qū)域進行鋪沙袋、支模板、鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)以及縮口澆筑，進行錨桿的鉆孔和安裝，然后進行二層鋼筋網(wǎng)以及工字鋼并進行模板的支設(shè)，隨即進行二層混凝土的澆筑工作，確保能夠達到設(shè)計強度。

為了檢驗控流降速的效果，在上述施工完畢之后逐步關(guān)閉止?jié){墊上的4個閥門，并觀測匯水槽內(nèi)的水流流速和流量以及各個探查孔內(nèi)的水位變化特征。根據(jù)試驗結(jié)果，繪制出圖1所示匯水槽內(nèi)的流速變化曲線。由圖1可知，剛開始控流時涌水點的流速降低趨勢不明顯，隨著控流度的增加，流速的降低愈加明顯。此外，在控流閥門關(guān)閉之后，南側(cè)的探查孔產(chǎn)生比較明顯的反應(yīng)，不僅涌水量逐漸增加，部分鉆孔還出現(xiàn)涌水變渾濁的現(xiàn)象。

圖1 流速變化曲線

3.2 鉆孔注漿技術(shù)

由于前期的地質(zhì)調(diào)查結(jié)果顯示，大壩壩基部位的水文地質(zhì)環(huán)境比較復(fù)雜，不僅地層破碎，溶洞和裂隙發(fā)育，而且各孔的差異較大。因此在注漿施工過程中，根據(jù)不同的地質(zhì)情況選擇不同配比的注漿材料進行注漿，以提高注漿效果[7]。此外，為了防止?jié){液凝結(jié)速度較快而出現(xiàn)堵孔現(xiàn)象，在注漿施工中采用管口混合雙漿液的施工方式，其原理見圖2。

圖2 孔口混合注漿原理示意圖

根據(jù)相關(guān)的工程施工經(jīng)驗，注漿用的水泥水玻璃雙漿液的水泥和水玻璃的配比在1∶1～3∶1之間，具體的配比選擇按照裂隙溶洞的大小確定[8]。具體而言，當(dāng)鉆孔顯示的裂隙較小，且管道內(nèi)的水流流速較低時，首先將水泥和水玻璃的配比設(shè)定為3∶1，將水灰比選為1∶1；當(dāng)遇到溶洞為主要過水通道，且管道水流速度較大時，首先在控流降速的基礎(chǔ)上調(diào)整注漿量，后續(xù)對水泥和水玻璃的配比也進行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，提高管道內(nèi)漿液的沉積效果。

4 注漿效果分析與評價

4.1 堵水效果分析與評價

在X03和X05壩段的涌水點下游設(shè)置測水槽，在10月初，為了便于測量涌水點的流量，將X07壩段涌水點也匯入上述測水槽。根據(jù)測量數(shù)據(jù)，繪制出圖3所示的水量變化曲線圖。由圖3可知，在工程準(zhǔn)備的2019年8月末至9月初，受到當(dāng)時水庫上游降水較多、水庫處于高位運行因素的影響，涌水點的水流量較大；在9月末至10月末，經(jīng)過系統(tǒng)的堵水治理，涌水量明顯減小，在后期將X07壩段的涌水匯入之后，總涌水量進一步降低，說明堵水施工獲得良好的封堵效果。

圖3 涌水量變化曲線

4.2 經(jīng)濟效益和社會效益分析與評價

在進行堵水施工之后，大壩壩基的滲漏量大幅減小，可以帶來顯著的經(jīng)濟效益。據(jù)初步測算，在實施大壩底部滲漏堵水施工之后，水庫每年可以減少滲漏損失135×104m3，可以產(chǎn)生經(jīng)濟效益約88萬元。根據(jù)相關(guān)的工程設(shè)計和預(yù)算設(shè)計，壩基巖溶管道型涌水注漿封堵工程的工程投入約63萬元。由此可見，施工結(jié)束后一年內(nèi)即可收回該項目的工程投資，具有十分顯著的經(jīng)濟效益。另一方面，在壩基巖溶管道型涌水注漿封堵和相關(guān)除險加固工程措施的共同作用下，大壩的安全系數(shù)得到大幅提升，水庫的各項功能都得到更好的發(fā)揮，具有十分顯著的社會效益。此外，由于巖溶地質(zhì)的復(fù)雜性，壩基巖溶管道型涌水一直是水工領(lǐng)域的難點問題。因此，本次研究和試驗成果可以為相關(guān)工程提供理論和實踐層面的支持和借鑒。

5 結(jié) 語

本次研究以某水庫大壩壩基巖溶管道涌水堵水治理工程為背景，針對基于壓水滲透試驗的壩基滲漏部位和原因進行分析，結(jié)合滲漏的實際情況，探討壩基涌水注漿封堵工程技術(shù)思路，取得良好的工程堵水效果和經(jīng)濟社會效益，對相關(guān)類似工程具有重要的理論和實踐借鑒價值。本次研究的注漿工藝為傳統(tǒng)的單孔注漿工藝，相對于現(xiàn)有的工程注漿工藝發(fā)展已經(jīng)明顯滯后。在今后的研究中，需要針對復(fù)雜的巖溶滲漏治理工程，積極開展多孔聯(lián)合注漿封堵研究，探究各個注漿參數(shù)與注漿效果之間的影響規(guī)律，提出最佳的聯(lián)合注漿設(shè)計方法，進一步提高注漿堵水施工效果。