水泥与化学浆液组合灌浆技术在围堰渗漏处理中的应用

屈高见1，阎海娥2

(1.中国水利水电第三工程局有限公司，陕西西安，710032;2.中国电建中南勘测设计研究院，湖南长沙，410014)

作者简介: 屈高见(1967—)，男，陕西商洛人，教授级高工，主要从事化学灌浆与混凝土工程缺陷修补。

【摘 要】 枕头坝水电站二期上游土石围堰通过实施KGM絮凝水泥砂浆与油溶性聚氨酯组合灌浆堵漏方案，成功封堵大流量涌水，在水电工程领域创造出“干基坑”奇迹，该堵漏方案具有快速、高效、低成本的特点，在消除土石围堰渗漏隐患方面有独特的优势。

【关键词】 水电站; 围堰; 组合灌浆; 油溶性聚氨酯; KGM絮凝剂

1 引言

化学灌浆技术以其种类繁多的灌浆材料和灵活多变的工艺技术，解决了大量传统水泥灌浆技术难以解决的工程渗漏问题。但由于化学灌浆技术成本较高，像围堰这种临时建筑物，鲜有采用。笔者于2012年6月份采用水泥与化学浆液组合灌浆技术成功封堵了四川省枕头坝一级水电站上游围堰大流量涌水，在水电工程领域创造出“干基坑”奇迹。该应用实例表明，水泥与化学浆液组合灌浆技术可以利用化学灌浆技术优势，最大程度节约工程成本。

2 工程概况

枕头坝一级水电站位于四川省乐山市金口河区，为大渡河干流水电梯级规划的第十九个梯级。电站最大坝高86.5m，电站装机容量720MW，开发任务为发电，兼顾下游用水。该工程采用分期导流方式，二期导流由右岸导流明渠过流，主河床二期全年土石围堰挡水，其中上游围堰堰顶高程为▽613.0，渗墙轴线长172m，最大堰高为36m，堰体▽602以上为土工膜防渗，堰体▽602以下为混凝土防渗墙防渗，防渗墙平均槽深45m，入岩1m，墙厚度1m。二期土石围堰防渗墙于2011年12月下旬开始，2012年3月上旬完成。

2012年3月上旬，上游防渗墙混凝土强度达70%以上后基坑内开始抽水，抽水过程中发现基坑内水位下降变化不明显，且上游水位上涨时基坑内水位随着上涨，由此判断防渗墙体基础与基坑内存在较大渗漏通道，实测渗漏量大于4000m3/h，属大流量涌水。水电工程施工过程中，围堰的作用是在河流中构筑一个封闭的隔水区域保证施工在无水环境进行，因此，围堰基础涌水给基坑的开挖和后续混凝土施工带来极大的不利影响，在极端的条件下还可能存在水淹基坑的重大隐患。图1为上下游围堰防渗墙施工平面布置图。

图1 上下游围堰防渗墙施工平面布置图

3 围堰渗漏特点分析与处理方案制定

3．1 渗漏部位的调查确定

制定渗漏处理方案前首先要明确围堰涌水部位。利用钻取芯检查孔对上游防渗墙体质量进行全面检查，结果表明混凝土防渗墙本体密实，无渗漏通道。但防渗墙右岸区域的检查孔在垂直穿透防渗墙后开始出现“无返水”现象，进一步查阅该部位地质物探资料揭示右岸岸坡河床有大起伏陡坎，局部存在“倒悬体”，该地质特点易导致混凝土防渗墙体基础难以真正嵌入“倒悬体”下部基岩，从而在“倒悬体”以下出现渗漏通道。通过以上两点判断，涌水位置应在围堰右岸。

枕头坝水电站二期上游围堰出现涌水问题后，连续对上游围堰防渗墙基础进行水泥灌浆，但右岸渗漏区域某孔在灌注50T水泥后无效果，在其周围区域加密钻孔灌注混凝土，均无效。通过第一阶段水泥钻孔灌浆过程，虽然没有取得明显的堵漏效果，但对透水情况却有了更加清晰准确的了解: 透水部位集中在右岸长6m，宽4m(深度范围)的范围内，总渗漏面积约为24m2，实测渗漏量大于4000m3/h，最大渗流流速约4.0m/s。

3．2 水泥、化学组合灌浆方案制定

新的涌水封堵方案是在总结汲取以前纯水泥基灌浆封堵失败教训的基础上并结合主体工程进度要求制定的。新方案必须同时满足三点要求:

(1)围堰涌水处理施工工作面位于上游围堰混凝土防渗墙平台，该平台高程602m，当地水文预报6月2号以后围堰前的大渡河水位上涨并将淹没602m平台。因此，要求涌水处理务必在5月22日至6月2日10天内完成;

(2)实测渗漏量大于4000m3/h，最大渗流流速约4.0m/s，前期所灌水泥浆液大量流失，要求灌浆材料具有在动水条件下快速固化的性能;

(3)围堰是枕头坝水电站建设过程中的临时建筑物，防渗灌浆工程预算造价较低，要求涌水封堵方案的造价不得突破预算。

基于以上三点要求，制定的涌水封堵方案必须同时满足“工期短、效果好、造价低”的特点。为此，引入水泥/化学组合灌浆技术，即灌浆过程由水泥灌浆和化学灌浆组合而成，并分别创造水泥浆液和化学浆液在灌浆介质中的固化条件，使其分别固化，以堵塞各类渗漏通道，从而达到既利用化学灌浆技术优势又最大程度节约成本的目的。通过对众多灌浆材料分析比较及类似工程经验总结，灌浆材料拟采用油溶性聚氨酯和添加絮凝剂的水泥砂浆组合灌注。

4 灌浆材料

4．1 KGM絮凝剂砂浆

KGM絮凝剂是水电三局勘测设计研究院为解决如何最大程度避免水泥基灌浆材料在富水环境中胶结成分流失问题而研制的一种添加剂，主要成分是葡甘露聚糖(KGM)水溶胶，经加工复配成具有絮凝和稳定特性的水泥基浆液的专用絮凝剂。KGM絮凝剂用于水泥砂浆中，可使水泥砂浆快速形成稳定的絮凝状结构，具有遇水不易分散、减少浆液流失的特点。由于葡甘露聚糖(KGM)从天然绿色植物中提取，因此具有环保、廉价的特点。KGM絮凝稳定剂技术参数见表1。

表1 KGM絮凝稳定剂技术参数

续表1

4．2 油溶性聚氨酯灌浆材料

枕头坝水电站上游围堰基础涌水的特点是:

(1)透水区域集中，位置明确，要求浆液扩散半径不宜过大;

(2)围堰上下游存在超过20m的水位差，透水量≥4000m3/h，流速约4m/s，在有压力、大流量、较高流速的动水环境中，希望能找到一种能在很短时间内、最好是在堵水瞬间能达到难以被流水冲走的高强度的材料。

根据以上涌水特点分析，认为油溶性聚氨酯灌浆材料有可能达到这项苛刻的要求。由于其分子中的NCO基团和水能快速反应，可在数秒钟内开始发泡、固化，能达到快速封堵漏水的目的。以某单组分油溶性聚氨酯化学灌浆材料为例，其主要特点有:

(1)固化快，遇水后迅速反应、发泡、固化，反应时间可通过催化剂的用量进行调节，一般可控制在数十秒至数分钟内固化;

(2)强度高，密闭条件下成型时，4h可达20MPa的抗压强度;

(3)膨胀倍数大，自由发泡时，一般可达20倍以上;

(4)浆液为单组分，使用方便;

本工程所用的油溶性聚氨酯灌浆材料，性能指标满足JC/T2041—2010《聚氨酯灌浆材料》的标准要求。

5 水泥/化学组合灌浆方法

5．1 组合灌浆原则

在前期水泥灌浆探明的堰基漏水区域布孔，按钻—孔灌—孔的方法进行，采用地质钻机钻孔，首次钻孔孔径φ150mm，孔深18～20m(穿透混凝土防渗墙，钻孔中孔内停止返水即为首次灌浆孔深)，首次灌注絮凝剂砂浆，采用孔口不封闭、全孔不分段纯压式灌注方式，灌浆压力0.2 MPa，灌至孔满结束。待孔内絮凝剂砂浆凝固后，原孔扫钻孔，孔径减小至φ76mm，孔深20～24m(进入基岩相对不透水层)，二次灌注油溶性聚氨酯材料，采用孔内埋管孔口封闭全孔不分段纯压式灌浆，初始灌浆压力0.5MPa，灌至灌浆管路中浆液自然固化结束(1h左右)。第一个孔组合灌浆结束后，按相同的方法进行第二孔组合灌浆，直至涌水全部封堵。

5．2 絮凝剂水泥砂浆灌浆

砂浆水灰比应控制在0.4 1至0.5 1之间，实际施工在设备许可的条件下，应以水灰比越小越好，KGM絮凝剂的使用量为3%～8%，以水泥用量的百分比计算。絮凝剂水泥砂浆配合比见表2。

表2 絮凝剂水泥砂浆配合比

KGM絮凝剂的浆液搅拌工序: 水+KGM→搅拌1～2min+水泥(砂)→搅拌1～2min→出浆。

施工工艺: 采取在制浆站拌制浆，经注浆泵将浆液送至现场的高速搅拌机，搅拌桶的容积为200L，加KGM絮凝剂10kg(5%)搅拌2min，之后加速凝剂(液剂)18kg(9%)搅拌30～60s，快速送入螺旋泵注浆。

5．3 油溶性聚氨酯灌浆

浆液配比: 主剂(A组分) 辅剂(B组分) =10 1，20℃时遇水发泡时间小于20s。

注浆操作流程: 钻孔→埋管→连接设备→制浆→灌浆→结束。

施工技术要点:

(1)钻孔: 地质钻机原孔扫钻，孔径φ76mm，扫孔过程中注意观察孔口返水情况，孔深穿过防渗墙进入基岩;

(2)埋管: 埋一根进浆管至孔底，孔口再埋一根排水(气)管，进浆管采用φ30mm钢管，靠近孔底约6m范围加工为花管，排水(气)管采用φ24mm钢管，埋设孔口部位长度2.0m左右，用干硬性砂浆埋管，保证密实不漏浆。

(3)灌浆: 两台大流量化灌泵(100L/min，2.5MPa，其中一台备用)并联到进浆管，灌浆先使用其中一台，另一台备用，当工作泵出现故障时，阀门快速转换至另一台泵，保证灌浆不间断。待排气管出浆时，大流量灌注，直至压力陡增，管路固化堵塞即结束。

6 分析与探讨

6．1 KGM絮凝剂水泥砂浆灌注

灌浆施工在围堰上游▽602m混凝土防渗墙顶部平台进行。灌浆孔沿防渗墙中线布设，孔距1.0m，孔位编号自左至右为SW－17#，SW－18#，SW－19#，……依次递增。灌浆成果统计见表3:

表3 灌浆成果统计

注: 总计灌注砂浆24.0m3，孔内体积占浆约为:5×0.35=5.25m3。

6．2 油溶性聚氨酯灌注

首次化学灌浆在SW－19#孔位进行，该孔孔径75mm、孔深24m，灌注150min，共灌注油溶性聚氨酯3.0t。灌注过程中对基坑抽水泵坑观察，约30min后有白色泡沫随透水流出，透水量目测略有减少，灌浆期间上游大渡河水位保持595.5m。

第二次化学灌浆在孔位SW－18#～SW－19#中间另开孔灌注，120min共灌注油溶性聚氨酯3.0t。灌浆结束2h后基坑抽水泵坑部分透水点断流，灌浆期间上游大渡河水位保持595.5m左右无变化;

第三次化学灌浆在SW－18#进行，90min共灌注油溶性聚氨酯2.5t，灌后约40min后基坑抽水泵坑水位明显下降，此次灌注前上游大渡河水位涨至▽598m。

第四次化学灌浆在SW－18#～SW－17#中间扫孔进行(孔径75mm、孔深23.4m) 120min共灌注油溶性聚氨酯4.0t; 灌后120min基坑抽水泵坑已呈现无水干基坑。此次灌注上游水位保持▽595m。油溶性聚氨酯灌浆成果统计见表4。

表4 油溶性聚氨酯灌浆成果统计

注: 总计灌注聚氨酯12.5t，孔内回填砂砾石，孔内占浆忽略。

6．3 灌浆前后对比

采用水泥与化学浆液组合灌浆处理，基坑前后对比照片见图2。

图2 围堰渗漏处理前后基坑集水情况对比照片

7 结语

枕头坝水电站上游围堰基础涌水采用水泥/化学组合灌浆技术成功封堵。组合灌浆共灌注水泥砂浆24m3、油溶性聚氨酯12.5t。灌浆施工总耗时20h左右，加上中间钻孔时间，实际施工时间仅8d左右。和同等规模水泥帷幕灌浆相比较，无论是工期还是成本都显著减少。

水电工程施工过程中，围堰属临时性的挡水建筑物，其作用是在河流中构筑一个封闭的隔水区域保证施工在无水环境下进行。因此，在工程建设期，围堰防渗问题关系施工安全。不容忽视。枕头坝水电站二期上游土石围堰通过实施水泥/化学组合灌浆堵漏方案，成功封堵大流量涌水，在水电工程领域创造出“干基坑”奇迹，体现该方案快速、高效、低成本的特点，在消除土石围堰漏渗安全隐患方面有着自身独特的优势。

参考文献

［1］蒋硕忠，谭日升.几种常用化学灌浆方式的区别［J］.

［2］汪在芹.复杂地基化学灌浆技术［M］.北京: 中国电力出版社，2012.