欽寸水庫含泥砂礫石層帷幕灌漿方案選擇

王昂峰,任 佶

(1.浙江廣川工程咨詢有限公司,浙江 杭州 310020;2.浙江省水利水電勘測設(shè)計院,浙江 杭州 310012)

欽寸水庫位于浙江省紹興市新昌縣境內(nèi),是一座大型水庫,總庫容2.44億m3,水庫正常蓄水位98.00 m,壩型為混凝土面板堆石壩,壩頂高程106.00 m,最大壩高為64.00m,大壩左側(cè)布置岸坡式溢洪道。大壩左壩頭至鐵頂山一帶存在玄武巖下伏含泥砂礫卵石層,該夾層下部為角礫凝灰?guī)r。左壩頭向左延伸長度約400 m范圍內(nèi),含泥砂礫卵石層厚度約17～20 m,分布高程一般在80～100 m,滲透系數(shù)為1.4×10-4～3.4×10-5cm/s,屬中等～弱透水性,存在向鄰谷滲漏的問題,須進行防滲處理。為進一步查明大壩左壩頭至鐵頂山一帶存在玄武巖下伏含泥砂礫卵石層的灌漿可能性,為庫周防滲帷幕灌漿施工確定合理的技術(shù)參數(shù),建設(shè)單位對水庫進行了左岸庫周帷幕灌漿試驗。

1 灌漿試驗

試驗通過調(diào)整帷幕灌漿的排數(shù)、孔距、壓力、段長和灌漿材料等試驗手段,分析不同條件下的灌入漿量、擴散半徑、可灌性以及檢查孔成果對比等,從而查明大壩左側(cè)砂礫石層詳細分布(尤其是尖滅位置),進而確定本工程理想的帷幕防滲體系布設(shè)方案和施工工藝。

1.1 地質(zhì)情況

通過試驗孔和合理布置的勘探孔,進一步查明了大壩左側(cè)山肩的地質(zhì)情況:

溢洪道往左,砂礫石層逐步減少至尖滅,尖滅點位于勘探孔ZK23(窯廠)和ZK29之間,進而確定了砂礫石層帷幕灌漿處理范圍為溢洪道左側(cè)邊緣至窯廠附近,帷幕軸線長約300 m。

試驗段地層自上而下依次為:

含礫粉質(zhì)黏土,厚度為1.00～1.70 m,黃褐色。

玄武巖,埋藏深至20.00～21.00 m(高程103.05～104.05m),厚度18.50～19.90m,深灰色,上部3.00～4.00 m巖石破碎,呈強風(fēng)化狀,以下呈弱風(fēng)化～微風(fēng)化狀,對高程 106.00～104.00 m壓水試驗,最大透水率為6.6 Lu(B70號孔),最小透水率為0.4 Lu(C68號孔)。

玄武巖下伏含泥砂礫石層,埋藏深至37.60～38.30 m(高程85.75～86.45 m),厚度16.80～17.60 m。含泥砂礫石層上部0.70 m左右,地層密實,灰黃色,砂礫石礫徑為3～4 mm,含粉細砂為主。本層0.70～10.00 m地層較密實,砂礫石礫徑為5～25 cm,含中、粗砂為主,經(jīng)壓水試驗,最大透水率為158.6 Lu(C63號孔第3段);本層10.00 m以下至砂礫石層底部,地層密實,砂礫石礫徑為3～10 cm,含中、粗砂為主,經(jīng)壓水試驗,最大透水率為12.3 Lu(A80號孔第5段),最小透水率為1.1 Lu(B65號孔第7段)。

含泥砂礫石層下伏角礫凝灰?guī)r,全風(fēng)化～強風(fēng)化,灰白色。壓水試驗最大透水率為3.34 Lu(A64號孔第8段)。左岸趾板線工程地質(zhì)剖面圖見圖1。

1.2 灌漿試驗

1.2.1 第1階段

單排帷幕灌漿孔布置,試驗鉆灌孔9只(A77～A85),孔距2.5 m,檢查孔2只(JA1和JA2)。灌漿第1段長2.0 m,砂礫石層中段長3.0m,基巖段長5.0 m;灌漿壓力采用第1段0.3 MPa,以下每段增加0.05MPa。使用普通水泥。

1.2.2 第2階段

在第1階段的基礎(chǔ)上進行雙排帷幕灌漿孔布置,并提高了灌漿壓力,首段灌漿壓力取0.8 MPa,以下每段增加0.03～0.04MPa。A77號孔以左10.m增設(shè)的5只孔 (孔號為A72～A76)及在A排上游2.0 m布設(shè)B排(14只孔),A、B排各孔呈梅花形布置。共完成鉆灌孔23只,其中在A排5只(A72～A76),B排14只 (B72～B85),檢查孔 4只 (J中1～J中4)。A排新布置的灌漿孔孔距調(diào)整為2.0m。使用普通水泥。

1.2.3 第3階段

3排帷幕灌漿孔設(shè)計(插入式),增加磨細水泥作為灌材進行試驗比較。

A72以左范圍,布置3灌漿孔,單排孔數(shù)為16只,孔距、排距均為2.0 m。帷幕深度軸線排進入基巖5.0 m,上下游排進入基巖0.5 m。A排采用超細水泥,B、C排的56～63號孔采用普通水泥,64～71號孔采用超細水泥。

完成A72號以左A、B、C 3排灌漿孔,計48只,布置的檢查孔10只,其中C排檢查孔2只 (JC1和JC2),軸線排檢查孔4只 (JA3、JA4、JA5、JA6),B排與 A排之間檢查孔2只 (J中4、J中5),C排與A排之間檢查孔 2只(J中3、J中6)。

試驗帷幕灌漿示意圖見圖2所示。

圖2 試驗段帷幕灌漿示意圖

1.2.4 鉆灌工藝

采用清水造孔,下套管止水止?jié){,自上而下循環(huán)灌漿。玄武巖和砂礫石造孔采用金剛石鉆頭單管清水鉆進,覆蓋層開孔直徑為150 mm,玄武巖造孔直徑為130 mm,砂礫石層造孔直徑為110～91 mm,終孔段直徑為91 mm。下套止水在第1灌段和第4灌段結(jié)束后進行,終孔后對第1～3段進行復(fù)灌。每段完成后待凝12 h后再進行下一段鉆灌。

2 檢查孔成果分析

2.1 單排帷幕灌漿孔設(shè)計

試驗段a段經(jīng)單排帷幕灌漿后(普通水泥),有5段次未能達到設(shè)計防滲標(biāo)準(zhǔn),占總段數(shù)的31.25%,合格率為68.75%。試驗段C64～C71單排帷幕灌漿 (超細水泥)完成后,經(jīng)檢查有2段次未能達到設(shè)計防滲標(biāo)準(zhǔn),占總段數(shù)的14.29%,合格率為85.71%。以上情況表明,單排超細水泥灌漿效果好于單排普通水泥,而單排帷幕灌漿的布置方案不可行。

2.2 雙排帷幕灌漿

雙排帷幕灌漿檢查結(jié)果表明在試驗壓力為0.4 MPa條件下,有3段次透水率未能滿足設(shè)計要求,占總段數(shù)的10.7%。其中J中2-3(共1段次)相鄰灌漿孔孔距為2.0 m,J中3-3、J中4-3(共2段次)相鄰灌漿孔孔距為2.5 m,從中分析認為灌漿孔孔距為2.0 m的灌漿效果比孔距為2.5 m的有較大提高。按第2階段的試驗方案 (包括工藝、排數(shù)、孔距、灌漿材料)灌漿后也未能達到設(shè)計防滲要求。

2.3 3排插入式帷幕灌漿

檢查孔壓水試驗結(jié)果表明每段壓水試驗透水率均滿足設(shè)計防滲要求 (≤5 Lu),證明經(jīng)3排(包括上下游排為普通水泥、中間排為超細水泥組合和上中下3排均為超細水泥組合)水泥灌漿后地基防滲達到設(shè)計要求。

3 灌漿技術(shù)參數(shù)分析

3.1 漿液擴散半徑理論計算

砂礫石層灌漿漿液擴散半徑計算公式:

式中,R為擴散半徑;C為單位長度孔段內(nèi)灌入的漿液量(以重量計);β為有效的充填系數(shù);nc為地層的空隙率;γ為漿液比重。

主要對高程104.00～98.00 m的一些透水率相對較大的灌段進行了計算分析。實際β取60%,nc取15%～20%。計算結(jié)果如表1、2。

表1 壓力調(diào)整前后漿液擴散半徑比較

隨著壓力的提高漿液擴散半徑明顯增大,并基本達到設(shè)計漿液擴散半徑。

表2 普通水泥和磨細水泥灌漿漿液擴散半徑比較

在透水率基本相同的條件下,磨細水泥擴散半徑大于普通水泥,即磨細水泥可灌性好于普通水泥。

3.2 水泥的可灌性分析

可灌比值是砂礫石層能否接受有效灌漿處理的一種指標(biāo),通常以下式表示:

式中:M為可灌比值;D15為受灌砂礫石層的顆粒級配曲線上含量為15%處的粒徑 (mm);d85為灌注材料的顆粒級配曲線上含量為85%處的粒徑 (mm)。

通過對水泥細度和試驗段砂礫石顆粒分析試驗,砂礫石D15為 0.4 mm,42.5普通水泥d85為0.037 3 mm,磨細水泥d85為0.023 4 mm。經(jīng)計算42.5普通水泥可灌比值M1為10.7,磨細水泥的可灌比值M2為17.1,兩者均滿足水泥灌漿條件,兩者經(jīng)比較M1＜M2,磨細水泥可灌性好于普通水泥。

3.3 灌漿排數(shù)、排距、孔距

單排的普通水泥或超細水泥灌漿和2排的普通水泥灌漿不滿足設(shè)計防滲要求;3排灌漿后滿足設(shè)計防滲要求;且隨著排數(shù)增加,平均透水率下降,檢查孔合格率明顯提高。采用3排帷幕灌漿是合理的。

孔距2.0 m對比孔距2.5 m,其檢查孔合格率明顯提高。第3階段試驗鉆孔孔距為2.0 m,其檢查孔透水率滿足設(shè)計防滲要求。從擴散半徑分析(1.03～1.85 m),灌漿孔距和排距選擇2.0 m較為合理。

3.4 灌漿深度

考慮帷幕的耐久,為保證砂礫石層中的帷幕形成合理的厚度,3排帷幕灌漿全部采用落地式,中間排深入凝灰?guī)r巖5.0m,上下游排深入基巖0.5～1.0m。

3.5 灌漿壓力

灌漿壓力提高到0.8～1.04 MPa后,水泥灌入量增加,擴散半徑增大,并達到了設(shè)計擴散范圍。玄武巖層灌漿壓力為0.6MPa,砂礫石層首段灌漿壓力取0.8 MPa,以下每段增加0.03～0.04 MPa。

3.6 灌漿材料

在第3階段試驗中,軸線排采用超細水泥,上下游排采用普通水泥,經(jīng)檢查孔試驗,其壓水試驗透水率能滿足設(shè)計防滲要求,且較為經(jīng)濟。

3.7 灌漿段長

鑒于試驗區(qū)域的第2、3段砂礫石比較松散,透水率相對比較大,為加強此范圍的灌漿質(zhì)量,在第3階段后期試驗時對灌漿段長進行了優(yōu)化,第1～7段分別調(diào)整為2.5,2.0,2.0,3.0,3.5,3.5,3.5 m,第8段根據(jù)孔深做適當(dāng)調(diào)整,但在基巖段的段長不超過5.0 m。

4 結(jié) 語

本文以欽寸水庫的砂礫石層帷幕灌漿處理,用常規(guī)的勘探、灌漿手段,通過不同階段、不同條件的試驗,在對比分析中得出合理的技術(shù)參數(shù)和布設(shè)方案,為今后類似水利工程含泥砂礫石層處理提供了參考。

[1]王昂峰.欽寸水庫左側(cè)庫岸防滲帷幕灌漿試驗工程建設(shè)監(jiān)理工作報告[R].杭州:浙江廣川工程咨詢有限公司.2010.

[2]金水源.欽寸水庫左側(cè)庫岸防滲帷幕灌漿試驗段試驗報告[R].杭州:浙江省水利水電勘測設(shè)計院.2010.