孔口封闭帷幕灌浆在水库泥岩坝基灌浆中的应用

卢树雄

甘肃水利工程地质建设有限责任公司，甘肃 兰州 730000

【摘要】北台子水库本次主要施工内容是对主副坝坝基进行帷幕灌浆防渗处理，灌浆设计要求为帷幕灌浆达到透水率小于5Lu自下而上分段灌浆，水库坝基为泥岩地基，工程开工后按照设计及规范要求在施工区域进行灌浆试验，通过灌浆试验能够进一步验证设计参数及确定可灌性好的施工参数，达到更好的灌浆质量，在试验过程中采用自下而上分段灌浆，由于泥岩在灌浆过程中遇水后会泥化变软，灌浆封孔器在灌浆压力的作用下上移脱塞导致灌浆失败，经过研究后采用孔口封闭法自上而下分段灌浆进行试验，试验成功灌浆质量良好。

【关键词】水库：泥岩；孔口封闭；帷幕灌浆

一、工程简介

北台子水库位于山丹县霍城镇，总库容131万m3，属小(1)型Ⅳ等工程，其主要建筑物按4级设计，。水库主要由主坝、副坝、输水洞、泄水槽四部分组成。北台子水库于2007年建成，现已运行了十余年，水库结构为粘土均质坝，坝基为泥岩结构，主坝坝基基岩节理裂隙较发育，岩性较软弱，渗透流水逐渐冲蚀形成了现状坝基段的渗漏带，对大坝安全影响较大，需对主副坝进行防渗处理。本次坝基防渗采用帷幕灌浆法防渗处理。

二、工程设计

帷幕灌浆轴线与坝轴线重合，沿坝轴线在主坝坝肩、坝基共布置帷幕灌浆674m，副坝坝肩、坝基387m进行帷幕灌浆防渗施工。帷幕灌浆孔沿坝轴线单排布置，孔距2.0m，共布置531孔，采用自下而上分段灌浆，使用循环式灌浆法，坝基灌浆帷幕的设计标准按灌后基岩的透水率控制，帷幕灌浆终孔深入到透水率小于5Lu基岩，即基岩相对隔水层以下5m位置，最后一段小于5Lu即可，若大于5Lu则继续延伸一段，灌浆地质为泥岩结构。

三、灌浆试验

3.1试验目的：鉴于主副坝坝基帷幕灌浆轴线长度达1061m，为了验证设计施工方案，向业主提供决策依据，为主、副坝基岩帷幕灌浆提供施工相吻合技术参数，更好的保证灌浆施工质量。通过现场生产性灌浆试验验证设计文件中的灌浆方法及参数的可灌性、防渗效果的良好性、施工经济的可行性，试验评价帷幕灌浆后地基的渗透性和抗渗透破坏能力，推荐合理的灌浆布置，如灌浆孔排数、排距、孔距、孔深等，推荐适宜的施工方法、施工程序、灌浆压力、灌浆材料、浆液配比与浆液性能，适宜的水灰比等。

3.2试验区布置：试验区域位于主坝桩号0+096~0+104位置，此部位为水库深河槽部位，渗流量大，代表性强。试验段布设试验孔5个，检查孔2个，孔深17m，参照设计灌浆深度共分4段，其中第一段2.0m，以下各段5.0m，共划分灌浆段20段。孔位布置由单排孔组成，其中Ⅰ序孔2个，Ⅱ序孔1个，Ⅲ序孔2个，检查孔2个，试验段以自下而上分段灌浆法进行试验。

3.3试验参数选定：帷幕灌浆试验采用自下而上分段灌浆，灌浆压力按不小于1.5倍坝前水头考虑。根据类似工程施工经验，拟定灌浆压力如下：接触段0.30MPa，第二段0.40MPa，第三段0.50MPa，第四段0.60MPa。帷幕灌浆终孔深入到透水率小于5Lu，即基岩相对隔水层以下5m，最后一段小于5Lu即可。

3.4试验段实施：①钻孔：单排孔，孔距2.0m，孔序三序，孔径≥56mm。开孔位置与设计偏差不得大于10cm，由于本次灌浆为坝基帷幕灌浆，坝体不进行灌浆，因此在坝体部分预埋Φ90mm钢管形成套管。孔深不小于设计孔深。钻孔结束后进行钻孔冲洗，孔底残留物厚度不应大于20cm。②裂隙冲洗：自下而上分段灌浆法，用压力水冲洗，灌浆前对全孔进行一次裂隙冲洗。③压水试验：自下而上分段灌浆法和孔口封闭法进行帷幕灌浆时，各灌段均采用单点法进行压水试验。④灌浆段长：水库基岩与坝体接触段段长为2.0m，以下各段段长为5.0m，如遇特殊情况可适当调整段长，但长度不超过10m。⑤灌浆方式：采用循环式灌浆，射浆管距孔底不大于50cm。⑥灌浆材料：普通硅酸盐水泥，强度等级为：P.O 42.5。其细度为通过80μm方孔筛的筛余量不大于5%。⑦浆液配比及变换：水泥浆液水灰比按照规范采用5、3、2、1、0.7、0.5六个等级，施工时由稀至浓逐级变换比级，开灌水灰比为5：1。⑧灌浆结束标准：依据《水工建筑物水泥灌浆施工技术规范》条款款相关规定：当灌浆压力达到最大灌浆压力时，注入率小于1L/min后，持续灌注30min，方可结束灌浆。⑨灌浆封孔：单孔灌浆完成后，使用水灰比为0.5的新鲜水泥浆液将孔内积水稀释或置换，然后进行全孔灌浆封孔。封孔灌浆时压力采用该孔最大灌浆压力，灌浆时间为1小时。

四、试验段实施过程中存在的问题

按照确定的灌浆参数开展帷幕灌浆生产试验，孔深17米，共计划分4段，依据灌浆原则先I序孔施工，然后进行II序孔，I、II序孔完成后再进行III序孔的原则施工，因此先开始I序孔灌浆，既I-1和I-2孔，由于采用自下而上的方式进行灌浆，因此需要按照图纸设计深度一次钻孔，然后将灌浆封孔器安装在相应的灌浆段进行阻塞，安装完成后按照灌浆工艺开始灌浆，每段灌浆完成以后进行上一段灌浆作业，依次向上施工。但在I序孔灌注一定时间后灌浆记录仪瞬间失压，回浆消失，随后继续灌注浆液从孔口冒出以及出现封孔器卡塞无法取出，灌浆失败，清洗孔位以后继续进行重复灌浆，加压灌注一定时间以后继续出现以上问题，灌浆工作无法完成，由于本灌浆为灌浆试验，继续向上进行灌浆同样问题继续出现，I序孔灌浆未完成。为了寻找原因在进行II序施工，同样问题继续出现无法继续进行灌浆试验，灌浆试验工作失败而终。

四、存在问题原因分析

自下而上分段灌浆法就是按照设计灌浆深度一次钻孔达到设计孔深，然后自下向上逐段安装灌浆封孔器在相应深度进行灌浆的施工工艺。很显然出现问题的主要原因为封孔器在封孔位置塞不住产生向上移动，导致瞬间失压以及浆液外流，因为本水库坝基岩性为泥岩结构，而泥岩在遇水后会出现泥化而变软，封孔器是靠气泵加压产生膨胀后与孔位卡塞，泥岩软化后孔壁湿滑与封孔器胶塞摩擦力不够，加之灌浆加压过程中压强推动封孔器产生向上推力作业导致封孔器移动的力量，导致封孔器上移致使灌浆失败。

五、改变施工工艺

鉴于以上问题需要完成灌浆试验施工需要进一步改变方法，经项目参建方集思广益分析研究，改用孔口封闭法自上而下分段灌浆法进行试验，既封孔器安装在坝体预埋钢管管口，自上而下逐段钻孔灌浆，每次钻孔深度为灌浆深度，上一段完成合格后进行下一段灌浆，依次向下完成直至终孔标准。改用孔口封闭法自上而下分段灌浆法进行后未出现以上类似情况，试验段实施顺利完成。试验段全部完成后按照规范要求14d后进行检查孔质量检查，因为检查孔是主要评定判别灌浆质量及工艺的指标，帷幕灌浆工程质量以检查孔压水试验成果为主要判断依据，结合钻孔记录、压水试验记录、灌浆记录等。对灌浆记录数据进行分序统计表、灌浆孔综合统计表分析，整理形成检查孔成果汇总表、检查孔钻孔柱状图、岩芯实物及照片等。经过对施工过程记录、成果资料和检验测试资料的分析，进行综合评定，试验段检查孔压水试验均达到透水率小于5Lu要求，灌浆防渗质量优良满足设计及规范要求。

六、结束语

灌浆试验在灌浆过程实施过程中起着非常重要的作用，通过试验将设计方案及拟定的工艺参数进行复核试验，能够更好的探寻适合的工艺和数据。通过灌浆试验确定与岩性相适应的施工工艺，泥岩在干燥的状态下强度较高，但由于自身是由粘土矿物组成的岩石，具有一定的吸水性，遇水后表面泥化变软，无法与灌浆封孔器紧密卡塞，从而泥岩地基自下而上分段灌浆适应性差，灌浆效率低实施性不强。采用孔口封闭灌浆时封孔器与孔口管或预埋灌浆管封闭紧密，减少脱塞、卡塞、漏浆等影响因素，相比自下而上分段灌浆工艺而言全孔最终将达到单孔最大灌浆压力，进一步提高和保证灌浆防渗质量，应用性较强，尤其在类似水库基岩灌浆过程中能够更好的实施。