强风化坝基渗水堵漏脉动灌浆技术
摘 要：
云南红河州八尺水库为绿春县新增水源工程，水资源十分宝贵，2015年开工建设，2017年面板堆石坝开始蓄水。随库水位上升坝基渗水量逐渐加大，先后2次空库后采用常规灌浆方式对坝基进行灌浆补强后，最大渗水量还有0.1 m3/s,蓄水一直达不到正常水位，原因是坝基强风化地层破碎结构，采用常规灌浆工艺必然存在灌浆范围不可控、局部跑浆、均一性差、低压灌注不密实等问题，难以形成有效的防渗帷幕结构。通过系统研究分析地质条件、防渗结构及灌浆技术，采用“引孔自下而上小段脉动灌浆”工艺，以灌入量及抬动值控制灌浆压力，实施控制性灌浆，并根据施工过程钻孔、灌浆、渗漏量监控等动态信息，不断优化钻灌工程量。按照这一技术路线，先进行灌浆试验、再实施强化灌浆施工，对于没有腾空库容的水下20 m范围，布置少量斜孔灌浆，灌后所有检查孔渗透率控制在5 Lu以下，整体渗水量降低到约0.011 m3/s(正常蓄水位),下降了90%。此技术对此类坝基防渗和堵漏均有良好的应用价值。
关键词：
破碎岩体;灌浆机理;灌浆工艺;帷幕灌浆;
张贵金(1964—),男，教授，博士研究生导师，博士，研究方向为基础处理新技术。
基金：
国家自然科学基金(51279019);
引用：
张贵金，司马尹亮，陈安重，等． 强风化坝基渗水堵漏脉动灌浆技术［J］. 水利水电技术( 中英文) ，2022，53( 3) : 78-83.
ZHANG Guijin，SIMA Yinliang，CHEN Anzhong，et al． Seepage plugging technology for strongly weathered dam foundation ［J］. Water Ｒesources and Hydropower Engineering，2022，53( 3) : 78-83.
0 引 言
由于坝区材料老化、高压水渗流溶蚀，加上库区地质条件的隐蔽性、复杂性及多变性，以及蓄水后的水压力变化，引起水库出现渗漏的情况十分普遍,实践证明，灌浆是一种行之有效的处理手段。对于坝基为强风化地层破碎的结构，采用常规灌浆工艺必然存在灌浆范围不可控、局部跑浆均一性差、低压灌注不密实等问题，难以形成有效的防渗帷幕结构，蓄水运行后，必然存在渗漏通道，影响水库安全和效益。
针对强风化复杂地层防渗加固问题，很多学者在室内试验和理论机理方面做了研究。如：李志刚等[1]以志留系粉砂质板岩为研究对象，开展了不同板理角度的单轴压缩和巴西劈裂试验，揭示其强度特征和破坏机制；许宏发等针对破碎岩体，开展灌浆前后抗压强度试验，提出了注浆加固体强度增长率的经验公式；李召峰等以富水破碎岩体为研究对象，进行注浆加固实验与注浆机制研究，得到注浆加固后破碎岩体力学性质变化规律，以及注浆材料的优选顺序。针对灌浆工艺和灌浆材料，张贵金等提出复杂岩土层同一钻孔可灌性存在差异，灌浆材料要随机应变，灌浆工艺应针对性创新，研制出一种适合复杂地层的可控性黏土水泥稳定浆材，提出了“钻灌一体，脉动灌浆”新工艺以解决松软地层防渗问题，并不断改进，但工艺流程还不完全适用于坝基强风化地层破碎结构堵漏。
红河州八尺中型水库为绿春县新增水源工程，水资源十分宝贵，2015年开工建设，2017年面板堆石坝开始蓄水(见图1和图2)。随库水位上升坝基渗水量逐渐变大，当库水位达到1 746.65 m(正常蓄水位为1 747.9 m)时，渗水量达到了0.1 m3/s。坝基浅层岩层挤压破碎，裂隙发育密集，风化侵蚀强烈，先后2次空库后采用常规灌浆方式对坝基进行灌浆补强，仍存在渗漏，导致蓄水无法达到正常水位。因此，通过研究分析坝基地质构造特征、历次灌浆过程、常规灌浆存在的问题，创新提出适宜的灌浆方法；并考虑控制面板抬动影响，确定灌浆参数；开展现场试验，确实解决八尺水库坝基渗漏问题，并应用优化，具有重要的工程意义。
图1 整体坝址
图2 大坝防渗体系
1 八尺水库坝基防渗常规灌浆存在的问题
1.1 常规灌浆过程分析
八尺水库施工阶段，通过趾板基础固结灌浆、坝基防渗帷幕灌浆，形成了坝基防渗系统；蓄水后渗漏量大，空库后又采用常规灌浆进行两次灌浆补强处理，取得了一定效果，但渗漏情况仍较严重。对历次灌浆过程进行分析，存在以下问题：(1)灌浆压力不足。由于受到趾板结构抬动变形严格控制，固结灌浆与帷幕灌浆设计均采用了较小的灌浆压力。从3次灌浆实施过程压力控制成果统计情况来看，固结灌浆平均灌浆压力约0.35 MPa, 其中接触段平均灌浆压力约0.3 MPa; 帷幕灌浆平均灌浆压力约0.6 MPa, 其中浅孔前3段平均灌浆压力约0.18 MPa(低于固结灌浆压力)。(2)浆液浓度过稀。根据3次帷幕灌浆成果统计分析结果，80%以上孔段均以水灰比5∶1开灌3∶1结束，这就意味着3次帷幕灌浆基本上灌入的是较稀的水泥浆液。通常情况下，稀浆开灌稀浆结束灌浆方式，主要针对较完整弱透水性岩体灌浆工程；对于强风化碎块结构、中等透水岩体灌浆工程，实际工程很少采取这种方式。(3)单位灌入量小。资料分析显示，趾板基础固结灌浆平均单位注入量约300 kg/m; 帷幕灌浆平均单位注入量约200 kg/m; 第一次补强灌浆平均单位注入量约80 kg/m; 第二次补强灌浆平均单位注入量约150 kg/m。一方面，由于灌入的是水灰比5∶1～3∶1的稀浆，按体积统计计算出的水泥用量非常少，可能同实际单位灌入量存在差异；另一方面，由于多数孔段灌浆均采用较大的注入率灌注，明显存在劈裂跑浆无效灌注。(4)灌浆结束标准。历次常规灌浆结束标准根据《水工建筑物水泥灌浆技术规范》(SL62-2014),在最大设计压力下，注入率不大于1 L/min后，继续灌注30 min, 可结束灌浆。没有结合八尺水库实际地层情况作调整，导致有效灌入量不能得到保证，灌浆效果较差。
综上分析，由于灌浆压力小，导致有效灌注量不足；水灰比较大，胶结体密度降低，抗压强度下降，随库水位上升，抗渗性能衰减，灌入浆液的有效性难以保证，所以渗漏情况仍会出现。
1.2 渗漏处理难点与重点
渗漏处理难点与重点如下：(1)强风化破碎地层进行防渗灌浆时，不仅需要灌入足够的浆量以有效充填岩层孔隙通道，还需避免因灌浆压力过大导致结构抬动破坏。(2)考虑后期水库蓄水，水位抬高，且因灌注地层破碎含水夹泥，浆液结石体还需具备一定早期强度、较高的后期强度和高抗渗性，选用的浆材应满足要求。(3)在面板堆石坝趾板上进行灌浆施工，需考虑施工场地限制，结构安全，并兼顾工程造价、施工工期。(4)有的还不具备空库条件，要解决帷幕水下部分强化灌浆的有效性和可靠性。
2 灌浆新技术及现场试验
2.1 灌浆新工艺
鉴于常规灌浆在八尺水库趾板下基岩防渗灌浆施工的局限性，研究提出“引孔自下而上小段脉动灌浆技术”。新技术工艺将常规三缸活塞灌浆泵拆除两缸转为脉动灌浆泵，为一种小泵量、小段长控制性与强制性脉动劈楔式灌注。此工艺采用小段灌注，原位冲挤，脉动劈裂，在保证有效灌入量的同时，防止劈裂跑浆、抬动破坏。工艺原理如图3所示，一个灌浆时间T即为一次灌浆过程，分为脉动段和间歇段，脉动频率为100 Hz, 间歇段灌浆压力为零。
图3 脉动灌浆周期过程示意
如图4所示，“引孔自下而上小段脉动灌浆技术”工艺流程：采用小口径通径钻(70 mm),对灌浆孔段进行全孔快速钻孔成孔，而后下入高压液压栓塞，按小段长自下而上依次进行灌浆分段封闭，对封闭段脉动泵入要求的水泥稳定浆液或混合浆液，依次自下而上进行小泵量、小段长、控制性灌注。
图4 引孔自下而上小段脉动灌浆工艺流程
2.2 现场试验
2.2.1 布 孔
选择右岸趾板处，布置单排5个灌浆试验孔进行试验。灌浆孔口高程与孔距如图5所示，孔深为深入到强风化层5 m。两个Ⅰ序孔为S1、S5,一个Ⅱ序孔为S3,两个Ⅲ序孔为S2、S4。
图5 灌浆试验孔布置(单位：m)
2.2.2 灌浆材料与配比
采用黏土水泥浆液，结合浆液的各项物理力学性能，黏土水泥质和水的配比为0.8∶1,膨润土占水泥量的15%～20%,浆液性能参数如表1所列。
2.2.3 脉动灌浆参数
按新技术灌浆机理及相关理论研究，分段段长宜为0.5～1 m, 脉动量为0.2 L/次，脉动压力在1.5～2.0 MPa压力下，20 min可形成加固帷幕。根据各试验孔取芯情况，确定灌浆压力参数如表2所列。
2.2.4 抬动装置布置
设置2个趾板地表抬动变形观测装置，实时观测灌浆全过程中的趾板变形。每小段弹性变形控制值为200 μm, 一旦抬动值接近或达到200 μm, 即暂停强压挤劈灌注，待变形抬动值回落稳定后再实施间歇控制性强压挤劈灌注。
2.2.5 灌浆结束标准
每灌浆段结束控制标准为：(1)当单位灌入量达到设定最大单位灌入量、且灌浆压力大于设定最小灌浆压力时；或当灌入量超过设定最大灌入量的20%,但灌浆压力仍小于设定最小灌浆压力时，则停止强压挤劈灌浆，并带压闭浆5 min或压力表压力消散归零后，结束本段灌浆。(2)当灌浆压力达到设定最大灌浆压力、且灌入量大于设定最小灌入量时；或当灌浆压力超过设定最大灌浆压力的10%,但灌入量仍小于设定最小灌入量时，则停止强压挤劈灌浆，并带压闭浆5 min或压力表压力消散归零后，结束本段灌浆。
灌浆结束后，栓塞保持封堵在趾板混凝土孔段，通过灌浆泵出浆口三通回浆控制，按照结束孔段最终脉动灌浆压力的80%继续脉动屏浆30 min, 确保趾板混凝土与基岩接触段灌浆封闭的密实性与耐久性。
2.2.6 试验结果分析
单位灌入量：由于采用自下而上小段长栓塞封闭，无回浆调控强制性脉动挤劈灌注，试验每小段灌入量按照设定的灌入量控制，平均单位灌入量为190 kg/m, 相比于八尺水库第一次常规补强灌浆平均单位注入量增加了137.5%,相比于第二次增加了26.7%;且浆液相对密度控制在1.6～1.7,灌浆效果明显提升。
灌浆压力：新工艺采用1.0 m封闭段长、0.2 L/(冲次)脉动量与100冲次/min脉动频率，可实现1.2～3.5 MPa的瞬间脉动灌浆压力，且灌浆间隙期间具有较高的弹性余压与较长的归零延续时间，基本满足对CⅣ-CⅤ类破碎岩体实施“小段脉动挤劈”控制性灌浆设定的挤劈压力。
抬动观测：对上部浅层破碎岩体进行灌浆过程中，由于上覆混凝土盖重对地层约束有限，在1.2～3.5 MPa的瞬间脉动灌浆压力下，各孔段压水和灌浆过程中产生的抬动均不超过设定值200 μm, 最大为20 μm。
灌后压水试验：灌前渗透率在5 Lu以下的孔段占10%,5～20 Lu的孔段占40%,20～50 Lu的孔段占35%,50 Lu以上的孔段占15%。灌后检查孔渗透率全孔段下降到5 Lu以下，其中70%的孔段渗透率降低到3 Lu以下，达到防渗标准。
3 坝基防渗强化灌浆施工优化
将新工艺运用于八尺水库坝基帷幕补强灌浆全面施工，为节约工程造价，基于钻孔压水结果、灌浆过程吃浆量及压力、实时监控的坝后渗流量变化的综合分析，对施工进行动态优化。将这些数据在帷幕系统的CAD图上按进度分区分片标注，按分区分片单元进行实时分析，对部分低透水率的孔或孔段采取不灌、少灌，在保证帷幕整体灌浆效果的同时减少灌浆工程量，提高效率；对于死水位以下部分的帷幕段，暂不空库，采取斜孔进行强化灌浆，以进一步节约工期和造价。
3.1 孔位布置及分片分区
本次补强灌浆帷幕线长约110 m, 孔距为1 m, 左右岸死水位部位钻孔编号为ZK1,往死水位以上逐序编号。死水位以下在左右岸分别钻进5个和4个斜孔(见图6),孔深按照延伸到达河床部位趾板以下部位和造孔能力，经研究具体确定，每个钻灌孔深应依据孔底揭示的地层情况确定。
图6 左右岸斜孔位置示意(单位：m)
将施工区域分区分片如图7所示，以便开展动态优化研究。
图7 分区示意
3.2 施工优化举例
对比先导孔/钻孔压水数据与原地质剖面图，分析确定是否减小孔数或钻灌孔深。当孔深达到渗透量5 Lu以下地层时，便停止钻孔；当相邻钻孔的压水数据为5 Lu以下，该区域可不灌。如图8所示，左岸先导孔显示，钻孔ZK7与ZK9的附近，两孔渗透量较低，且只有浅部岩层渗透量大于5 Lu, 因此中间孔ZK8深部可不灌，该区域即左2区全部孔深可适当缩短，节省约1/3的工程量。
图8 左岸趾板先导孔压水数据
3.3 全面施工效果评价
新工艺具有显著的优越性：(1)工效高，单耗低。单孔钻灌，新工艺8 h即可完成，采用常规灌浆平均需要1.5～2 d; 常规灌浆无效灌注量大，单耗达到400 kg/m左右，新工艺单耗下降到约200 kg/m。(2)效果好。整体渗透量达标，均达到5 Lu的防渗标准。坝后渗漏量监测表明，与强化灌浆之前同水位相比，渗漏降低90%。
4 结 语
(1)对于八尺水库坝基强风化地层破碎结构防渗问题，研究分析表明，采用常规灌浆工艺必然存在灌浆范围不可控、局部跑浆均一性差、低压灌注不密实等问题，难以形成有效的防渗帷幕结构。
(2)研究提出的“引孔自下而上小段脉动灌浆”新技术，具有显著的优越性。试验和应用表明，完全可以解决破碎地层成孔困难、难以分段、压力受限、劈裂跑浆、均一性差、效果一般等诸多技术问题，工效高、单耗低、效果好。
(3)基于钻孔压水结果、灌浆过程吃浆量及压力、实时监控的坝后渗流量变化的综合分析，对灌浆施工进行动态优化。按分区分片单元进行实时分析，对部分低透水率的孔或孔段采取不灌、少灌，在保证帷幕整体灌浆效果的同时减少灌浆工程量，提高效率；对于死水位以下部分的帷幕段，无需放空水库，采取斜孔进行强化灌浆，可以进一步节约工期和造价。
研究表明，新技术对类似工程的防渗和堵漏均有良好的推广应用价值。
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