寻甸县磨盘寺水库除险加固工程大坝帷幕灌浆试验浅析

刘朝波

（昆明市河湖管理中心，云南 昆明 650000）

1 工程概况

磨盘寺水库位于羊街镇甸龙村委会磨盘寺村后箐，地理坐标为东经103°5′，北纬22°28′。磨盘寺水库控制流域面积为5.4km2，水库坝址与羊街镇的直线距离约5.5 km，与寻甸县城的直线距离约22 km。水库主河道长3.98 km，主河道平均比降为35‰。磨盘寺水库于1992年5月竣工，同期开始蓄水，建成的土坝高20.4 m，蓄水40万m3。坝型为均质土坝，现状坝顶高程为2020.7 m，最大坝高20.4 m，坝顶长150 m，坝顶宽7.8 m，无防浪墙，坝顶宽度及大坝坝坡极不规整，上下游坝坡均无护坡。

2 帷幕灌浆设计

磨盘寺水库大坝帷幕灌浆工程设计为单排孔，沿坝轴线布置，孔距2 m，分三次序施工。左坝肩延伸5个孔，右坝肩延伸9个孔，总计灌浆孔90个，设计钻孔进尺2042.59 m，设计灌浆进尺2042.59 m。

3 灌浆试验的目的和任务

灌浆试验的目的是通过灌浆试验验证大坝采用防渗帷幕灌浆处理方案在技术上的可行性、效果上的可靠性和经济上的合理性，进一步确定有关灌浆技术的参数（如孔距、排距、防渗帷幕边界、灌浆压力、材料消耗量、浆液待凝时间等），明确帷幕灌浆施工方案，指导灌浆施工。

主要任务是了解坝土、结合部和坝基岩层的力学性状、可灌性和透水性，论证坝基帷幕灌浆的可行性，以及坝土、结合部、坝基岩层灌浆后力学性状的提高程度，探索适合坝基帷幕灌浆的灌浆工艺，为优化灌浆参数、简化施工工序、降低工程造价提供依据。

4 灌浆试验施工

4.1 灌浆试验孔的布置

根据《磨盘寺水库除险加固工程大坝帷幕灌浆设计图》及业主单位、监理单位的相关要求，本工程帷幕灌浆试验孔共布置一组，孔号为WM32-Ⅰ～WM36-Ⅰ，共计5个孔，为单排布置，孔距2.0 m，分三序施工。

4.2 钻孔

本次试验采用全站仪按照设计图纸进行钻孔和孔位放线，并注明孔号和次序。钻机采用XY-1型回转式钻机，将钻机就位，安装平稳无摆动、校正立轴无偏斜后，要先对准一序孔的孔位中心开孔，开始采用低压力慢转速，钻进到一定深度时，应适时变径，并加长岩芯管长度，逐渐加大压力及转速，有效保证了钻孔孔向垂直向下。

钻孔的开孔孔径为110 mm，终孔孔径为91 mm，采用硬质合金钻头清水钻进。所有钻孔在达到设计孔深终孔时，监理工程师应到现场量孔，钻孔深度符合设计要求。

4.3 钻孔冲洗及压（注）水试验

（1）钻孔冲洗只在基岩灌浆段中进行，钻孔达到规定深度后，用钻孔机具取出孔内岩渣，确认打捞干净后，下入射浆管至孔底，用大泵量脉动水流，由孔内向孔外冲洗，同时上下提动射浆管作活塞运动，如此反复冲洗至回水变清（肉眼看不见岩粉颗粒）后延时10～20 min结束，总时间不少于30 min。

（2）钻孔注水试验。对坝体土层及强风化岩层采用注水试验，灌段达到规定深度后，用钻孔机具取出孔内岩渣，随后开始地下水位观测，得到地下水位数据后进行注水试验，用量杯或水表控制孔内注水量，注水水头高度一般与孔口齐平，个别漏水孔段在大流量的情况下仍不能将孔注满，则在注水的同时，下入水位计测出注水水头高度，作为计算依据；注水所采用的流量计为1000 mL量杯或水表。

注水试验时，保持注水水位不变，每2～5 min读取一次注入流量，当连续4次读数的最大值与最小值之差小于最终值的10%，或不大于1 L时，即可结束试验。取最终值作为计算值，若遇有漏水孔段，注入水流量较大时，则尽量缩短注水的时间，以免造成危害。

根据工程实际情况，本次注水试验采用式（1）计算。

式中：Q——稳定注入量，m3/d；S——注水水头高度，m；d——钻孔直径，m。

（3）压水试验。在压水试验之前，先观测地下水位作为计算全压力的参数，5 min观测一次钻孔内水位，当观测到的地下水位数据连续两次之差小于5 cm/min，即可确定地下水位值，并以最后一次的观测数据作为地下水位值。

“简易压水试验”的压水时间为20 min，每2～5 min测读一次压水流量，当连续4次压入流量的最大值与最小值之差小于最后一次流量值的10%即可结束，以最后一次流量值作为计算流量。

压水试验流量稳定标准与注水试验相同，其试验采用式（2）计算。

式 中：q——透 水 率，Lu；Q——压 入 流 量，L/min；P——作用于试段的全压力，MPa；L——试段长度，m。

4.4 灌浆

4.4.1 灌浆方法与程序

灌浆采用自上而下分段灌浆与异常段复灌相结合的方法。灌浆分三序进行，Ⅰ序孔钻孔灌浆结束后，进行Ⅱ序孔的钻孔和灌浆，最后进行Ⅲ序孔的钻孔和灌浆施工，逐渐加密。

自上而下分段灌浆的施工程序为：钻进（一段）→捞渣→水位观测→钻孔冲洗与否→压（注）水试验→灌浆→待凝→复灌与否→扫孔钻进（下—段）。如此反复直至终孔灌浆结束，然后进行灌浆段封孔，之后取拔套管，进行非灌段封孔至结束。

4.4.2 灌浆段长

坝土段段长控制在5 m左右，接触段在岩石中的长度不大于2.0 m。基岩每个灌浆段长度为5～6 m，特殊情况下则适当缩短或加长，最长不大于10 m。

4.4.3 灌浆压力

灌浆试验压力按孔口压力控制，各试段的灌浆压力按照式（3）控制。

式中：P0——初始压力，MPa；M——压力增率；Z——试段上覆岩土体厚度，m。

根据磨盘寺水库大坝帷幕灌浆设计要求，坝顶以下第一段灌浆压力0.01 MPa～0.075 MPa，灌浆每加深1m灌浆压力上升0.015 MPa，第二段以后每段灌浆压力根据分段长度升高0.06 MPa～0.09 MPa，当压力达到最大灌浆压力0.3 MPa时，其余各段均按0.3 MPa进行。

4.4.4 灌浆材料及设备

根据设计技术要求，坝体土层采用1:3水泥黏土混合浆灌注；坝基结合部采用1:1水泥黏土混合浆灌注；基岩采用纯水泥浆灌注。

灌浆用水泥采用寻甸县羊街水泥厂生产的P.O 42.5普通硅酸盐水泥，黏土采用上坝用黏土，两项材料均取样送检，其各项指标均符合设计要求。

灌浆设备为100/15型砂浆泵，自带200 L立式双层搅拌桶。灌浆机最大工作压力为1.5 MPa，水平输送距离为200 m，垂直输送距离为50 m，完全满足施工需要，泥浆搅拌机采用自制卧式0.8 m3搅拌机，其能连续工作，出浆量大，可满足施工需要。灌浆管路采用硬管连接，在与孔口压力表装置之间采用软管连接，能承受1.5 MPa的压力。

4.4.5 制浆及浆液浓度变换

纯黏土原浆制作是采用湿法制浆，将黏土在堆料场浸湿，之后用水冲入泥浆搅拌机中搅拌成浆，经0.5 cm筛网过滤，并经沉淀池沉淀后将泥浆中的大颗粒杂物如碎石、草根、枯枝等全部清除后倒入2 m3的储浆池中备用。水泥黏土混合浆拌制是根据需要的配合比先将黏土原浆抽至灌浆搅拌桶中，之后放入相应配比的水泥，最后再加入一定量的清水，搅拌均匀后即成待灌的混合浆液。纯水泥浆液制作是根据水灰比先将水放至搅拌桶中之后再投入相应的水泥，经过搅拌机搅拌均匀后即成待灌浆液。

坝体土层采用1:3水泥黏土混合浆灌注，水灰比由稀到浓依次为2:1、1.5:1、1:1、0.8:1；坝基结合部采用1:1水泥黏土混合浆灌注，水灰比依次为3:1、2:1、1:1、0.8:1、0.6:1；基岩层采用纯水泥浆灌注，水灰比依次为5:1、3:1、2:1、1:1、0.8:1、0.6:1、0.5:1。浆液浓度大小的变化应根据试段地质条件及渗漏情况而定。浓度大适用于强透水岩体，浓度小适用于弱透水岩体。可根据压（注）水试验值来初步确定，在实际工作中根据压力变化情况和灌浆注入量来确定浆液的变换，浆液浓度应由稀到浓逐渐变换[1]。

4.4.6 灌浆结束标准与封孔

灌浆结束标准为：在灌段达到规定的压力下，单位吸浆量不大于1 L/min时延续灌注60 min结束，或灌段停止吸浆时延续灌注30 min结束。封孔：采用全孔灌浆封孔法进行封孔[2]。

5 灌浆试验成果分析与评述

5.1 完成工程量

本次试验共计完成试验孔一组，共计5个孔，完成钻孔进尺139.23 m，完成灌浆段长139.23 m，灌浆注入水泥12 t，完成检查孔2个，完成钻孔进尺56.08 m，完成压水试验9段。

5.2 透水率与灌浆次序关系的分析与评述

统计试验孔各次序孔透水率情况如表1所示。

表1 各次序孔透水率情况

由表1可以看出，试验孔的透水率值均不大，且都随着灌浆次序的推进而逐渐降低，岩层的透水率随着灌浆次序的增加，而呈现明显的递减趋势，符合正常的灌浆规律，说明灌浆效果较好。

5.3 单位注入量与灌浆次序关系的分析与评述

统计各次序孔单位注入量如表2所示。

表2 各次序孔单位注入量

由表2可看出，各次序孔单位注入量随着灌浆次序的增加而呈现显著减少，符合灌浆规律[3]。同时也证明了压（注）水试验资料准确，渗透系数与透水率值与单位注入量成正比关系，符合客观实际。

6 灌浆质量与效果检查

6.1 各次序孔灌前压水试验检查

各次序孔在灌浆前均作了压（注）水试验，I序孔的压水试验值准确地探明了岩层在灌浆前的原始透水能力，渗透系数平均值Ⅰ序孔为43.15×10-5cm/s、Ⅱ序孔渗透系数平均值降为13.85×10-5cm/s、Ⅲ序孔渗透系数平均值则降为8.96×10-5cm/s，Ⅰ序孔透水率平均值为12.80 Lu、Ⅱ序孔透水率平均值为9.94 Lu、Ⅲ序孔透水率平均值为8.53 Lu。通过上述对透水率与灌浆次序的分析，可以看出经过灌浆处理后，岩层的透水性逐渐降低，且随着灌浆次序的推进，至Ⅲ序孔时透水率值已趋近于防渗标准值，符合正常灌浆规律，说明灌浆效果良好。

6.2 检查孔压水试验检查

灌浆试验结束后，经待凝14 d后开始打检查孔。该组试验孔布置检查孔2个，J4位于钻孔WM33～WM34孔中间，J5位于钻孔WM35～WM36号孔中间。共开展了12段压（注）水检查，坝土段采用钻孔常水头注水试验进行检查，渗透系数最大值为5.68×10-6cm/s，小于设计标准1.0×10-5cm/s；基岩段采用五点法压水进行检查，透水率最大值为4.48 Lu，小于设计标准10 Lu。说明该部位坝体及坝基岩层，经过灌浆处理后，其透水性降低，防渗性能大幅提高，达到设计防渗标准，已形成了防渗帷幕[4]。

7 结语

通过寻甸县磨盘寺水库除险加固工程大坝帷幕灌浆试验，得出以下结论。

（1）采用本次试验中所用的施工工艺、试验方法及灌浆程序和帷幕的布置形式（单排布置、2.0 m孔距），在WM33孔第3段灌浆及WM35孔第2段灌浆时，坝顶产生劈裂，宽度控制在2 cm，说明采用该工艺进行防渗帷幕灌浆是可行的，通过试验孔压水试验表明，灌浆是可以将帷幕的防渗性能提高到小于10 Lu标准的[5]。

（2）在灌浆试验中所采用的水泥材料、浆液配比及浓度变换等，可以用于下一步灌浆工作。

（3）在施工中所使用的各型机械设备均能满足施工要求，可以用于下步的灌浆工作。