石灰窑水库土坝坝体灌浆优化设计与施工技术

潘选明 陈文晋

（曲靖市水利水电开发有限责任公司 云南曲靖 655000）

引言

随着我国国民经济的快速发展，水利建设的速度也越来越快，小型水库的除险加固工程也越来越多。石灰窑水库除险加固工程中，针对土坝坝体灌浆设计，笔者根据土坝的特点，结合以往施工的多项工程的经验，提出了优化土坝坝体灌浆设计方案，实施后灌浆效果非常好。近年来，大坝坝体防渗采用塑性混凝土防渗墙与坝基帷幕灌浆相结合的方案取得了较好的防渗效果。但是，由于受资金、地质及施工条件等的影响，多数小型水库对坝体的防渗还是采用帷幕灌浆的处理办法。因此，为了确保土坝坝体灌浆的效果，避免工程造成浪费，本文结合石灰窑水库土坝坝体灌浆，对土坝坝体灌浆的设计理念和施工技术进行了深入探讨，对施工中遇到的一些问题提出了解决的办法，可为其它类似土坝工程坝体灌浆施工提供参考。

1 工程概况

石灰窑水库是一座以灌溉为主、兼以防洪调节的小（一）型水利工程。水库集雨面积4.7km2，总库容161.5万m3，始建于1958年。大坝为均质坝，坝顶宽3m，坝长55.6m，最大坝高21.6m。存在的主要问题之一是坝体、坝基渗透系数达不到规范的要求。正常蓄水位情况下，下游坝坡出现大面积渗漏潮湿区（散浸），面积达440m2；下游坝坡中部右侧靠近山体处有一集中漏水点，渗漏量为 0.14m3/s；坝脚排水棱体后渗漏量为1.63m3/s。水库大坝除险加固采用土坝坝体灌浆防渗，坝体与坝基接触带、坝基实施了帷幕灌浆，从而实现整体帷幕的防渗效果。工程于 2009年1月开工，2009年6月完工。

2 土坝坝体灌浆的机理和特点

长期以来，土坝坝体灌浆仅被理解为渗透和充填两种机理。把对地基灌浆的认识和工艺用于土坝坝体灌浆，虽然也取得了一定效果，但由于未抓住土坝的特点而达不到理想的目的。其实土坝坝体作为被灌体，它与地基有本质上的区别。土坝坝体是人工堆筑成的长条形土料（含粒黏土或粉质黏土）建筑物，为梯形断面。从力学方面分析，大坝任一单元体均受到三向应力的作用。一组为坝体上下游方向的最大主应力σ1；另一组为自重即垂直方向的中间主应力σ2；第三组为左右方向的最小主应力σ3。显然三向应力其大小为σ1＞σ2＞σ3。因此，坝体在坝轴线附近有一个弱应力面(见图1)。土坝坝体灌浆应与地基灌浆有所不同，土坝的特点必然反映在灌浆方法中。

图1 坝体单元三向应力分布状态图

土坝坝体灌浆的实践证明，坝土极易产生劈裂，土坝坝体灌浆的机理主要为劈裂式，其中包括了充填。若坝土中无裂缝、空洞，即使细小颗粒的水泥黏土混合浆也难渗入或充填到坝体土粒孔隙中。要在渗漏的黏性土坝坝体中建立防渗帷幕，除了靠浆液自重以外，还必须施加一定的压力，这样，浆液必然首先沿坝体弱应力面劈裂坝土产生裂缝，而后充填之。灌浆时，坝体河槽段坝顶横向受拉，易出现纵向劈裂缝；岸坡段坝顶纵向受拉，常出现横向劈裂缝。通过灌浆时的“浆压坝”、停灌后的“坝压浆”的多次循环反复。因势利导地把土坝坝体坝轴线附近的弱应力面和劈裂灌浆有机的结合起来，以在坝体中形成一道近于垂直连续、保有一定厚度的浆体防渗帷幕，解决土坝坝体渗漏的问题。

3 土坝坝体灌浆的设计要求及优化设计方案

3.1 原设计及要求

石灰窑水库大坝坝体、坝基与基岩结合部、基岩设计进行垂直帷幕灌浆防渗处理。大坝帷幕灌浆孔沿老坝轴线偏下游2.82m处布置，建立帷幕灌浆长80m，单排孔，孔距2.0m。布置灌浆孔41个，布置质量检查孔4个，共计45孔。帷幕灌浆孔分三序施工,帷幕底界原则上应进入弱透水层 5m（q＜10Lu）。

（1）采用纯压式灌浆法自上而下分段充填灌浆的方法和方式进行施工；

（2）帷幕灌浆采用强度等级 PO.42.5普通硅酸盐水泥；

（3）帷幕灌浆段长度一般为 5～6m，特殊情况下适当缩短或加长，但不得大于10m；结合部段长控制为2.5m,其中岩石长度1.5m,坝土段长1m；

（4）坝土段灌浆待凝时间为24小时，基岩待凝时间为8小时；

（5）各灌浆孔段，不论透水率大小均应严格按照技术要求进行灌浆；

（6）浆液配合比及浆液浓度的选用：坝体采用水泥:黏土=1:2的水泥黏土浆灌注；坝体及基岩结合部采用水泥:黏土=1:1的水泥黏土浆灌注；基岩采用纯水泥浆灌注；

（7）防渗标准：经灌浆后使防渗帷幕内坝身土体渗透系数K＜1×10-4cm/s；结合部及基岩内的透水率q＜10Lu。

3.2 优化后的土坝坝体灌浆设计及要求

针对石灰窑水库土坝坝体灌浆设计，笔者根据土坝的特点，结合以往施工的多项工程的经验，提出了如下优化土坝坝体灌浆部位设计方案：

（1）土坝坝体部位灌浆不宜采用原设计的“自上而下分段充填灌浆的方法”即地基灌浆的方法进行施工。而应采用“自下而上分段劈裂式灌浆的方法”进行。亦即按先施灌结合部段，然后依次施灌坝基段，最后进行土坝坝体段劈裂式灌浆。

（2）根据黏性土坝的特征，土坝坝体劈裂式灌浆不能单纯的按规范要求的“全孔孔底自流式灌注的方法灌浆”，采用自下而上分段（段长≯10m）止浆，分段逐渐向上劈裂直至坝顶的灌浆方法，且应采用一定的灌浆压力。

（3）终灌标准。不按地基灌浆的终灌标准执行，而是按土坝坝体劈裂式灌浆的终灌标准执行，即当浆液升到孔口或坝顶连续劈裂冒浆3次以上时即可认为灌浆已达饱、满、实要求，可以终灌。

4 土坝坝体灌浆施工

土坝坝体灌浆施工次序：灌浆轴线确定及布孔→灌浆试验→Ⅰ序孔灌浆→Ⅱ序孔灌浆→Ⅲ序孔灌浆→等待→灌浆质量检查孔施工。

具体施工程序如下所述。

4.1 场地规划及施工准备

进行灌浆施工前，先根据施工场地的地形及招标文件的要求，对场地进行合理的布置。由于石灰窑水库大坝坝顶宽 3m，坝长 55.6m，制浆站、配浆站及灌浆系统布置在左坝肩的坝轴线下游侧。

施工前准备主要有黏土堆料场、水泥库房、黏土制浆站、配浆站及灌浆系统的准备，施工平台、钻孔机具设备、供水供电等准备工作。堆料场、水泥库房占地面积为80m2，制浆站、配浆站及灌浆系统占地约为60m2。配备的设备有黏土制浆机 2台、灰浆搅拌机 2台、3SNS型灌浆机 2台、水泵2台、地质钻机4台、测斜仪1台等。

4.2 灌浆试验

在灌浆设计之前，必须进行灌浆试验，以论证劈裂灌浆的可行性、可灌性及灌浆设计的各种技术参数，如坝体土的物理力学性质、灌浆孔排数、孔距、灌浆压力等。

4.3 钻孔

灌浆孔为垂直孔，开孔口径为130～110mm，终孔为 91～75mm，坝土体采用无泵或少许清水钻进成孔，孔斜控制在规范要求偏差之内。

4.4 灌浆材料、制浆及配比控制

坝土灌浆用黏土采用库区附近泥岩风化的红黏土，水泥用强度等级PO.42.5普通硅酸盐水泥。

黏土原浆采用机械、湿法制浆，浆液稠度（密度）为1.1～1.45，以备调用。

石灰窑水库坝体灌浆采用水泥:黏土=1:2的水泥黏土混合浆灌注，混合浆比重级为：1.19、1.28、1.35、1.4、1.5共5个级别。

4.5 灌浆的综合控制

坝体灌浆孔单孔施工工序为：钻机定位→开孔→下入Ⅰ级套管→钻进→坝土注水试验→下入Ⅱ级套管→钻进→坝土注水试验→下入Ⅲ级套管（距结合部 0.5～1.0m）→钻穿结合部进入坝基→结合部压水试验、灌浆→待凝钻进下一段→压水试验、灌浆→依此循环直至终孔→坝基、结合部段封孔→坝体段自下而上劈裂式灌浆，灌完一段起拔一级套管直至坝顶→坝体段封孔、结束。

石灰窑水库坝体止浆采用多级套管止浆，每级套管均用100kg重锤打下0.5～1.0m以确保止浆效果。

坝体劈裂式灌浆自下而上分段灌浆段长度控制在不大于10m。

这种自下而上分段、多级套管止浆、逐渐（级）劈裂灌注浆液至坝顶的施工方法，可以确保坝体内形成帷幕厚度从下到上（坝顶）的均匀性，达到较好的防渗效果。

4.5.1 坝体灌浆量的控制

石灰窑水库坝体灌浆采用水泥:黏土=1:2的水泥黏土混合浆灌注，以先灌稀浆劈裂后逐渐变为充填浓浆为原则，一般每一比级灌注 300～400L后即加浓一级直至 1.5比重级终灌。单孔每次灌浆量以“少灌多复”为原则，停灌后坝顶沉陷量不能太大，而且能很快产生回弹。一般每次单位灌浆量在0.5～1.0m3/m，但对单孔总灌入浆量不控制。复灌次数为5～10次，灌浆间隔时间3～5天。

4.5.2 灌浆压力控制

灌浆压力以不大于试验孔确定的劈裂压力为准，岸坡段则采用此压力值的80%来控制，即能达到“内劈外不劈”的效果。灌浆压力△P（孔口最大允许劈裂压力）用下式计算：

式中：σ3为作用在钻孔平面上劈裂点处的最小主应力；σ2为沿钻孔平面劈裂点处三向应力状态的中间主应力，在河曹段σ2=μ（σ1+σ3）；μ为泊松比，一般取 0.35～0.40；σ1为三向应力状态的最大主应力，近似取0.9倍土柱重；α为圆孔应力集中系数，可取2.2～2.5；h为全孔灌浆时注浆管高度；y为浆液容重。

4.5.3 灌浆劈裂缝控制

纵裂（顺坝轴方向）控制在停灌后坝面裂缝能自然闭合，其裂缝宽度≯3cm；横裂一旦发现立即停灌，分析原因并作处理。

4.5.4 灌浆位移控制

坝顶上、下游两坝肩处横向水平位移≯3cm，并在停灌后能基本复原。

4.6 终灌标准及封孔

终灌标准：当浆液升到孔口或坝顶连续劈裂冒浆3次以上时即可认为灌浆已达饱、满、实要求，可以终灌；封孔：每孔灌浆完成后，将注浆管拔出，注满密度＞1.5的稠（浓）浆，并直至浆液不再下沉为止。

5 土坝坝体灌浆施工中遇到的问题及处理办法

在灌浆施工中，遇到以下几个问题，其处理的方法如下:

（1）裂缝。分顺坝轴方向纵向裂缝和垂直坝轴方向的横向裂缝。纵向裂缝有劈裂缝和湿陷缝。纵向裂缝劈裂缝处理方法是每次灌浆只要把其裂宽控制在规定范围内，使之自然闭合；纵向湿陷缝宽度只要控制在规定范围内，施工中一般也可不予考虑，但要防止水流灌入；横（斜）向裂缝需要特别重视，多发生在坝头、弧形坝段或坝下涵洞的位置，其产生原因是该部位的小主应力方向发生了变化。一旦出现横（斜）向裂缝，立即停止灌浆孔的灌浆，对裂缝进行开挖、回填夯实处理。

（2）冒浆。坝顶冒浆采取停灌处理即可；坝坡冒浆的处理方法是停灌、开挖，用黏土回填夯实冒浆部位；孔口周围冒浆，采用压砂封堵，减缓灌浆速度继续灌注；坝下放水砌石涵洞冒浆，对冒浆点用棉絮或碎布条塞堵，减缓灌浆速度，加浓灌注浆液并间歇灌注或停灌再多灌几次。

（3）串浆。灌浆过程中，若邻孔出现串浆，堵住串浆孔，继续灌注。

（4）单孔吃浆量过大，其原因一般有灌浆工艺不当；放水涵洞侧墙与坝土存在接触冲刷有空洞或不密实；坝体存在局部疏松部位等。这些部位往往会出现吃浆量过大的情形，一旦出现，应引起重视，具体分析原因，采用控制每次灌浆量，加浓灌注浆液，多灌几次等方法处理。

（5）缩孔卡钻。其原因是灌浆施工使坝体含水量过高，孔壁不能自立所致。浅孔抱钻时，采用倒打重锤强力起拔；深孔抱钻，主要靠预防，一旦出现用倒打重锤强力起拔无效时，可采用掏空、边强力活动边倒打重锤强力起拔等方法。

（6）止浆套管难以起拔。常用倒打重锤强力起拔的方法，有时会出现难以起拔的情形。我们采取的方法是，正常灌浆待坝体被劈裂后尚未回弹时立即倒打重锤强力起拔，非常有效。

6 结束语

（1）石灰窑水库土坝坝体灌浆，经过对原土坝坝体灌浆的设计进行优化，对施工技术进行了一些深入探讨，对施工中遇到的一些问题进行了大胆的尝试。由于采取科学的设计处理方案，正确的施工工艺，达到了比预期更好的效果。经正常蓄水位检验，下游坝坡原 440m2渗漏潮湿区（散浸）全部消失；下游坝坡中部右侧靠近山体处集中漏水点（渗漏量0.14m3/s）也干涸并消失；坝脚排水棱体后渗漏量从灌前的 1.63m3/s减少为 0.002m3/s，减少率为 99.9%。半年后坝顶探坑（3m）检测帷幕厚度为9～10cm，完全满足防渗要求。质量检查孔注水试验结果，坝体渗透系K从 2.1×10-3cm/s减少为 2.7×10-5cm/s，完全达到设计要求防渗标准K＜1×10-4cm/s的要求。

（2）多个水库土坝坝体灌浆的实践证明：根据土坝的特点，坝土极易产生劈裂，其灌浆的机理主要为劈裂式，其中包括了充填。土坝坝体灌浆应与地基灌浆加以区别，土坝的特点必然应反映在灌浆方法中。灌浆前必须通过灌浆试验，建立科学、合理的设计理念和制定可行的设计方案，施工应采取合理的施工工艺，做好土坝坝体劈裂式灌浆中几个指标的综合控制。比如不能单纯的按规范要求的“全孔孔底自流式灌注的方法灌浆”，而应采用自下而上分段（段长≯10m）止浆、分段逐渐（级）向上劈裂直至坝顶的灌浆方法，且应施加一定的灌浆压力。这样，可以确保坝体内从下到上（坝顶）形成的帷幕厚度比较均匀，取得较好的防渗效果。

（3）近年来，小型水库的除险加固工程较多。但由于受资金、地质及施工条件等的影响，多数小型水库对坝体的防渗还是采用帷幕灌浆的处理办法。因此，为了确保土坝坝体灌浆的效果，避免工程造成浪费。我们对土坝坝体灌浆的设计理念和施工技术进行了深化探讨、及时总结，对施工中遇到的一些问题提出了解决的办法。总之，掌握其施工方法及质量控制措施对保证工程施工质量具有重要的指导意义。同时，也可推广应用于其它类似土坝坝体灌浆的施工中。

1 白永年，刘宪奎等， 土坝坝体和堤防灌浆， 水利电力出版社

2 SD266—88 土坝坝体灌浆技术规范.