浅谈深圳市清林径水库2号坝承压水区帷幕灌浆试验技术应用

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摘要：2号坝基承压水处理是工程设计的重点和难点。在现清林径水库主坝下游河床存在一承压水分布区，承压水区边界自2号坝中侧延伸到右侧山体坡麓地带，宽约70 m，自北向南延伸至150 m山体坡脚。由于承压水埋深较深、涌水量较大、承压水水头较高等因素，给帷幕灌浆施工带来一定的难度，因此截断承压水也是施工的重点和难点，本次灌浆试验达到了设计要求。

关键词2号坝 承压水 帷幕灌浆试验 清林径水库

中图分类号：U445文献标识码： A

1、工程简介

清林径引水调蓄工程位于深圳市龙岗区中北部， 2号坝是在原清林径水库和黄龙湖水库主坝的基础上扩建而成，坝顶长度755m，坝顶宽8m，坝顶高程为82.3m，坝基防渗体采用混凝土防渗墙及帷幕灌浆相结合。

2、承压水区地层岩性情况

2号坝基承压水区坝址土层主要有素填土、冲洪积层、残坡积层、全、强、弱风化砂岩。老坝体填土为中等压缩性，呈中等~弱透水性。残坡积层和全风化岩层呈中等压缩性和弱透水性，强、弱风化岩层呈弱透水性。偏右岸河床3号裂隙密集带为强透水带，内有承压水，宽约90m，走向210°，其底界高程为—22m，需重点防渗处理。

由于承压水埋深较深、涌水量较大、承压水水头较高等因素，给帷幕灌浆施工带来一定的难度。因此在新建2号坝上游侧，即清林径水库老坝下游坡一级马道设置一道施工帷幕，帷幕顶高程略高于此处地下水位，底高程为3LU线以下5 m。施工帷幕能否安全、顺利地将承压水截断，关系到2号坝基防渗墙和基础帷幕灌浆施工成败，因此，需要充分重视施工前的灌浆生产性试验，通过试验确定灌浆材料、掺和料、外加剂、灌浆工艺、灌浆压力和孔序控制等参数。

3、灌浆试验介绍

3.1 常规帷幕灌浆试验存在的主要问题

两次试验采用的是常规帷幕灌浆方法。虽然第二次试验在第一次试验的基础上有所改进，但仍然存在卡塞法不止浆、灌浆压力上不去、吸浆量大、达不到灌浆结束条件等主要问题。因此必须采用一些非常规方法解决这些问题，否则施工帷幕无法建成，坝基防渗体的施工也无法进行。

3.2试验目的

为解决常规帷幕灌浆试验过程中暴露出的上述问题，本次试验将采用在坝填土区及强风化带采用套管孔口栓塞法和低压充填渗灌法、在弱风化带基岩地层采用稳定浆液和双套管法等，并尝试提高灌浆压力。

3.3试验孔的选择

本次试验选取1组2个孔，选定27号和28号孔，孔距为2m。试验在清林径主坝一级马道上，孔口高程56.0m。

3.4坝填土区及强风化带灌浆方法

（1）套管孔口栓塞法

施工范围包括坝填土、残坡积土、全风化砂岩以及强风化砂岩。施工前将Φ146mm钢套管打入坝填土3m深，即帷幕灌浆顶53.0m高程处，然后将栓塞卡在孔口位置，对该区进行充填灌浆。

（2）低压充填渗灌法

坝填土及强风化带的土质相当松散，在灌浆施工中经常发生冒浆以及灌浆压力上不去等事件，对工程的工期以及材料都造成极大的浪费，为了能主动、有序地控制冒浆，决定采用低压充填渗灌法结合间歇、限量、复灌以及添加速凝剂等工艺来主动规避此类风险。

①低压充填渗灌

根据前两次的试验，可知在土层内灌浆，灌浆压力极低，基本是从灌浆泵自流进入灌浆孔，因此在该段地层只能采用低压充填渗灌的方式进行灌浆。

②间歇灌浆

当发生冒浆情况或灌浆过程中吸浆量突然增大且回浆管无回浆时，应首先采用间歇式灌浆，间歇时间不宜超过20min，以免发生堵管现象。

③限量、限时、复灌

当采用间歇灌浆后，冒浆或灌浆过程中吸浆量突然增大且回浆管无回浆的情况仍然没有好转时，则采用限制灌浆量的方式主动控制灌浆材料，以免发生不必要的浪费。

④添加速凝剂

在坝填土区及强风带的灌浆浆液中添加5%的水玻璃，以便加快水泥的凝结时间及提高水泥的早期强度，达到加快施工进度、提高工效，节约灌浆材料的目的。

3.5弱风化带基岩地层灌浆方法

（1） 双套管法

在弱风化带基岩地层进行帷幕灌浆使用了双套管法，该法施工程序如下：

在坝填土区及强风化带灌浆完成后拔出原套管，然后用Φ146mm钻头钻进，钻至坝填土区及强风化带的底部，放入Φ146mm的钢套管，再用Φ127mm钻头在套管底部往下钻进150cm，然后套管内回填0.5:1:0.3的水泥砂浆（砂浆用砂为特细砂），然后利用地质钻机吊锤，将底部有封堵的Φ127mm套管打至与Φ146mm套管管口齐平，挤压孔内砂浆，使砂浆将套管周围的孔隙充填密实，待砂浆初凝后，钻头扫通砂浆层，并钻出下一灌段，将灌浆栓塞卡在内套管底部。

双套管法施工工艺技术要点：

①保证两个套管的垂直度，确保孔底套管间的间距均匀。

②砂浆要捣实，保证砂浆凝固时间不少于48小时。

（2） 稳定浆液

根据钻孔资料可知，坝底的岩层相当破碎，当使用普通的水泥浆液进行施工时，从前两期的试验成果来看，灌浆过程中，吸浆量大，在0.5MPa的压力下，都会发生冒浆现象。为此尝试采用稳定浆液来解决上述问题。

4、 试验工艺流程

4.1 坝填土及强风化带帷幕灌浆的试验流程

平整场地钻机就位打入Φ130mm钢制套管3m深第一段帷幕钻孔 孔口栓塞第一段灌浆初凝后第一段灌浆扫孔第二段帷幕钻孔依次钻孔、灌浆直至弱风化岩层。

4.2 弱风化带基岩帷幕灌浆的试验流程

拔出3m长Φ130mm钢制套管采用Φ146mm钻头钻进至弱风化岩面放入Φ146mm钢制套管至弱风化岩面弱风化岩面钻进50cm套管内注入水泥砂浆8m安放Φ127mm钢制套管至弱风化岩面帷幕钻孔3m栓塞放入套管底部帷幕灌浆帷幕钻孔8m栓塞放入套管底部帷幕灌浆依次钻孔、灌浆直至设计高程。

5、试验结论

5.1 坝填土及强风化带灌浆处理的必要性

（1）因此，无论是采用第二阶段的浆液由稀到浓的灌浆顺序，还是采用第三阶段的0.5:1的浓水泥浆液（其中还添加了5%的水玻璃，以加速水泥浆液的凝固速度）对坝填土区进行灌浆，以达到充实坝体土，使其发挥相当于盖板的作用，都是必须的。不过，第三阶段是有意识地对坝填土区和强风化带进行灌浆处理，以达到形成盖板的目的。而第二阶段坝填土区的灌浆是无意识造成的。故而第三阶段的灌浆方法取得了比第二阶段更为显著的效果，这从第三阶段仅发生2次冒浆均发生在坝填土区及强风化带（在弱风化岩中未发生过冒浆现象）中得到证实。

（2）在坝填土区及强风带进行帷幕灌浆的作用

一是可以有效堵塞透水通道；

二是加固了老坝体，在基岩面上面形成了盖板，能有效防止冒浆事件的发生。

5.2采用浓浆和稳定浆液的必要性

（1）第二阶段采用的由稀浆到浓浆的灌注顺序。根据相关析水率试验资料，稀浆的析水率可达80～90%以上，1:1浓度的浆液的析水率约为35%左右。说明灌浆过程中所灌入岩层裂隙或孔洞中的稀浆，其中大部分的水是要析出来的，仅少部分的水是与水泥起化学作用而凝结成结石。由于稀浆析水量大，在压力作用下，多余水不断从浆液中析出。由于水没有粘聚力，它能进入细小裂隙（在坝填土中存在大量细小裂隙），在其中的扩散永不会停止，所以它的上抬力是很大的，在灌浆压力的作用下，对坝体产生了劈裂作用，从而使水携带着水泥颗粒从坝坡冒出而形成冒浆。

（2）而第三阶段采用的是0.5:1的浓水泥浆液。此种浓浆析水量极少（析水率仅为4～10%），因而防止了对坝体产生劈裂作用，再者加入水玻璃后加快了浆液凝固速度，在坝体裂隙中形成水泥结石，阻止了浆液进一步过度扩散，这从第三阶段仅发生过两次冒浆可得到证实。

（3）0.75：1的稳定浆液的析水率仅为2%，可以说是基本不析水，因此不会因灌浆过程中析出大量水分对坝填土产生劈裂作用。同时由于稳定浆液中加入了高效减水剂，因而具有良好的流动性。在裂隙中流动时压力损失较小，使它能够在0.1～02mm的裂隙中均匀扩散，灌浆时间相对较短，前沿后面的浆液能凝结形成坚固密实的结石。从而避免不必要的大量吸浆，节约灌浆材料。

（4）使用稳定浆液的主要优点：

①由于稳定浆液基本上没有多余水分析出，可使被灌岩缝充填密实，能形成密实性和强度都较高的结石。这种结石具有较高的抗侵蚀能力，因而可提高帷幕的耐久性。

②岩石中产生的上抬力较小，因而可采用较高一些的灌浆压力，而不致造成上抬危险和冒浆。

③扩散范围易于控制，节约灌浆材料。

5.3采用双套管法的必要性

（1）第二阶段试验中存在的主要问题是卡塞不能止水，究其原因是因为岩层裂隙密集交错，孔壁凹凸不平，致使栓塞无法堵塞严密而不能止水。当时采取了更换普通栓塞为注水封闭器及在浆液中掺加水玻璃等措施，但仍解决不了卡塞不能止水的问题。由于坝填土未充分灌浆密实，起不到盖板的作用，致使冒浆和灌浆压力上不去的问题仍然存在。

（2）第三阶段试验采用的双套管法，将卡塞卡在弱风化岩层顶面处，一方面卡塞能有效地卡在套管内达到止水作用，另一方面在此位置卡塞阻止了浆液向坝填土内渗透，加上坝填土已经过浓水泥浆灌注密实起到了盖板的作用。

（3）双套管法的成果分析

①2承2A27号孔外套管Φ146mm长20m，内套管Φ127mm长21m；2承3A28号孔外套管Φ146mm长17m，内套管Φ127mm长18m。内外套管底部相差1m，并且两套管之间充填了砂浆，能有效防止浆液顺套管壁上涌。因此，在第三阶段试验中，弱风化岩层的灌浆过程从未发生过冒浆的现象。

②使用双套管法的主要目的是因为坝基岩层破碎严重，使用常规的灌浆栓塞无法止水，而且灌浆压力低，只有0.5MPa左右。因此借用双套管下设至弱风化岩层的顶面，然后将栓塞卡在套管底部进行帷幕灌浆，可以防止栓塞漏水，并且能加大灌浆压力，灌浆最后两段可以加大到2.0MPa。

6 、灌浆参数建议

6.1灌浆材料

（1）在坝填土区及强风化带采用水灰比0.5:1的浓水泥浆液，并添加5%的水玻璃；

（2）在弱风化带基岩区采用水灰比为0.75:1的稳定浆液，膨润土掺量为0.8%，减水剂掺量为0.5%。

6.2灌浆段长度

（1）在坝填土区及强风化带，每段3m，在接近弱风化岩层顶面时可选用5m；

（2）在弱风化带基岩区，在第三阶段试验时，考虑到时间紧，采用了第一段3m，第二段起每段8m。按常理，灌浆段长度短些，灌浆质量要好些；灌浆段长些，灌浆质量可能会差些。为了进一步提高灌浆质量，建议在正式灌浆施工时，第二段起每段5m。

6.3 灌浆压力

（1）在坝填土区及强风化带，采用低压渗灌，灌浆压力不大于0.1MPa。

（2）在弱风化带基岩区第三阶段试验时，第一段灌浆压力为0.5MPa，第二段为0.8MPa，第三、四段为1.0MPa，第五段为1.3MPa，第六段为1.6MPa，第七段为2.0MPa。

建议正式灌浆施工时，第一段灌浆压力为0.5MPa，以下各段每段增加0.3MPa，最大压力不超过2MPa。

6.4 灌浆结束条件

（1）在坝填土区及强风化带，采用限量法，根据第三阶段试验数据和效果，建议灌浆段单位长度灌入水泥量不超过700 kg为宜。

（2）在弱风化带基岩区，在规定的设计压力下，当注入率（灌浆流量）不大于0.4L/min时，连续灌注60min就可结束该段灌浆。