中梁水庫(kù)喀斯特發(fā)育區(qū)組合灌漿技術(shù)探討

屈昌華，昝廷東，周樹(shù)燈

(1.中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)貴陽(yáng)勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，貴州貴陽(yáng) 550081;2.重慶水利投資集團(tuán)巫溪遠(yuǎn)達(dá)公司，重慶 404000)

中梁水庫(kù)喀斯特發(fā)育區(qū)組合灌漿技術(shù)探討

屈昌華1，昝廷東1，周樹(shù)燈2

(1.中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)貴陽(yáng)勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，貴州貴陽(yáng) 550081;2.重慶水利投資集團(tuán)巫溪遠(yuǎn)達(dá)公司，重慶 404000)

中梁水庫(kù)喀斯特發(fā)育，根據(jù)其發(fā)育特點(diǎn)采用了以高壓水泥灌漿為主，多種方法相互組合的灌漿技術(shù)，其優(yōu)點(diǎn)在于設(shè)備配置及工藝簡(jiǎn)單、功效高、造價(jià)低等。通過(guò)對(duì)中梁水庫(kù)喀斯特發(fā)育區(qū)組合灌漿處理技術(shù)進(jìn)行有益的探討，為喀斯特地區(qū)水庫(kù)防滲堵漏處理提供了一種新思路。

喀斯特發(fā)育區(qū);組合灌漿;防滲堵漏;中梁水庫(kù)

1 工程概況

中梁水庫(kù)位于重慶市巫溪縣，水庫(kù)大壩為混凝土面板堆石壩，最大壩高118.50 m，正常蓄水位高程為625.00 m，總庫(kù)容約1億m3。水庫(kù)為縱向深切河谷，兩岸岸坡陡立，碳酸鹽巖分布廣泛，喀斯特發(fā)育。經(jīng)前期勘測(cè)證實(shí):水庫(kù)右岸存在3條較大喀斯特管道，其中1號(hào)管道因庫(kù)岸隔水層被右岸沖溝橫切，破壞了隔水層的完整性，并低于庫(kù)水位，水庫(kù)蓄水后存在沿1號(hào)喀斯特管道滲漏問(wèn)題，其它2條管道因出露高程高于庫(kù)水位，不存在喀斯特滲漏。

為防止庫(kù)水從1號(hào)喀斯特管道滲漏而影響水庫(kù)效益，在庫(kù)內(nèi)隔水層破壞處設(shè)置了一道近SN向防滲帷幕(沖溝下游側(cè))，主要采用的方法是高壓水泥灌漿(分為上、下2層灌漿平洞施工)，施工過(guò)程中由于只采用了一般的灌漿工藝，效果較差，難以達(dá)到工程目的。作者通過(guò)對(duì)喀斯特地質(zhì)條件及其發(fā)育特征分析研究后建議采用組合方法處理，取得了較好效果。組合灌漿技術(shù)具有設(shè)備配置與工藝簡(jiǎn)單、功效高、工程低等優(yōu)點(diǎn)，為喀斯特地區(qū)水庫(kù)防滲堵漏處理提供了一種新思路。

2 喀斯特地質(zhì)條件簡(jiǎn)析［1，2］

2.1 基本地質(zhì)條件

2.1.1 地層巖性

防滲區(qū)內(nèi)主要出露地層為三疊系下統(tǒng)地層，次為二疊系與志留系。其中志留系(S)地層巖性為石英砂巖、泥巖，透水率較小;二疊系主要包括中統(tǒng)銅礦溪組(P2t)碳質(zhì)頁(yè)巖、棲霞組(P2q)與茅口組(P2m)灰?guī)r，上統(tǒng)吳家坪組(P3w)、長(zhǎng)興組(P3c)與大隆組(P3d)地層，除P3d及P3w底部王坡段巖性為炭質(zhì)頁(yè)巖、炭質(zhì)泥巖外，其余為質(zhì)純層厚的灰?guī)r;三疊系下統(tǒng)主要為大冶組(T1d)與嘉陵江組(T1j)角礫巖、灰質(zhì)白云巖、白云巖。

防滲線(xiàn)SN兩端接隔水地層，其中二疊系大隆組(P3d)與三疊系大冶組(T1d)組成水庫(kù)邊界隔水地層(防滲線(xiàn)N接頭)，志留系(S)地層構(gòu)成防滲線(xiàn)S接頭，帷幕底部無(wú)隔水層，以巖體透水率q≤3 Lu控制，為一懸掛式帷幕。

2.1.2 地質(zhì)構(gòu)造

地層近EW向展布(垂直防滲線(xiàn))，產(chǎn)狀為280°～300°/SW(NE)∠50°～85°;區(qū)內(nèi)斷層不發(fā)育，主要有F3、F4、F8;節(jié)理主要有南北向、東西向2組，其次為NE向和NW向2組剪性節(jié)理。SN向節(jié)理為橫張節(jié)理，并密集成帶發(fā)育，控制了區(qū)內(nèi)南北向沖溝的形成。

2.1.3 水文地質(zhì)條件

防滲線(xiàn)地下水主要為喀斯特裂隙與管道水;防滲線(xiàn)上的地下水位低于河水位(575.2 m)，為一地下水位凹槽區(qū)，其中最低水位高程為470 m，比河水位低105 m。

2.2 喀斯特發(fā)育特點(diǎn)

2.2.1 喀斯特發(fā)育規(guī)律

防滲線(xiàn)上喀斯特發(fā)育主要以構(gòu)造方向控制為主要特點(diǎn)，表現(xiàn)為順層面、順斷層裂隙面及褶皺發(fā)育;喀斯特發(fā)育還與地層巖性密切相關(guān)，巖性是巖溶發(fā)育的基礎(chǔ)，若地層呈厚層狀且連續(xù)性好，巖溶發(fā)育愈強(qiáng)烈，如二疊系地層“質(zhì)純層厚”，溶蝕作用強(qiáng)烈，三疊系地層巖性較雜，巖溶發(fā)育相對(duì)較弱。在巖體透水性突變處(隔水層與透水層交界部位)喀斯特同樣發(fā)育。

2.2.2 喀斯特發(fā)育程度分區(qū)

參照《巖溶地區(qū)工程地質(zhì)調(diào)查規(guī)程》(DZ/T 0060－93)，防滲線(xiàn)喀斯特發(fā)育程度可分為強(qiáng)、中等、弱3個(gè)區(qū)域，其中強(qiáng)喀斯特發(fā)育區(qū)見(jiàn)表1。

表1 防滲線(xiàn)強(qiáng)喀斯特發(fā)育區(qū)表

2.2.3 喀斯特強(qiáng)發(fā)育區(qū)的特點(diǎn)

喀斯特強(qiáng)發(fā)育區(qū)主要為充填型及半充填型溶洞、窄縫狀管道及溶蝕裂隙，以鉆孔喀斯特率高、透水率大、水泥單位注入量大為主要特點(diǎn)，規(guī)模在防滲線(xiàn)上投影面積多為數(shù)十平方米至近千平方米，最大體積約6500 m3(上層平洞KL1)，多在地下水位線(xiàn)以上發(fā)育，充填物多為粘土、粘土夾砂、粘土夾碎石。

防滲線(xiàn)上的1號(hào)管道系統(tǒng)主要由多條窄縫狀喀斯特小管道規(guī)模組成，根據(jù)連通試驗(yàn)實(shí)測(cè)的地下水流速(0.05 m/s)，利用公式Q(流量，0.53 m3s)= W(面積)×V(流速)估算防滲線(xiàn)上的過(guò)水?dāng)嗝鎃= 10.6 m2，又據(jù)地質(zhì)調(diào)查，窄縫狀小管道一般長(zhǎng)約為10 m，裂隙寬0.01～0.02 m，大約有50～100條喀斯特小管道［4］。

3 喀斯特強(qiáng)發(fā)育區(qū)組合灌漿技術(shù)

3.1 防滲帷幕灌漿的一般原則

水庫(kù)防滲要達(dá)到的工程目的就是防止庫(kù)水沿溶洞、溶蝕裂隙及管道滲漏，采用的方法是設(shè)置防滲帷幕。由于灌漿技術(shù)成熟，故目前水利水電工程中的防滲帷幕主要采用鉆孔灌漿技術(shù)，材料多為水泥漿材，灌漿壓力多為高壓(＞3MPa)。采用帷幕灌漿進(jìn)行防滲處理一般性原則主要為:(1)查明地質(zhì)情況，特別是要查明斷層、裂隙、破碎巖體等地質(zhì)缺陷，以便選用合適的防滲處理方案與工藝;(2)在有代表性的地段進(jìn)行帷幕灌漿試驗(yàn)，為防滲帷幕設(shè)計(jì)提供合理的技術(shù)參數(shù)(如孔排距、灌漿壓力等);(3)應(yīng)根據(jù)已查明的地質(zhì)條件和灌漿試驗(yàn)成果進(jìn)行帷幕設(shè)計(jì)，適當(dāng)選擇防滲線(xiàn)的方向、長(zhǎng)度、帷幕深度及灌漿參數(shù)，以能將水庫(kù)滲漏量控制在最小程度或規(guī)范允許程度為標(biāo)推;(4)隨著帷幕灌漿施工的不斷深入，應(yīng)根據(jù)灌漿鉆孔揭露新的地質(zhì)情況對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行修正，對(duì)于處理效果較差的灌漿工藝應(yīng)分析原因，選用更為適合有效的灌漿工藝和灌漿材料;(5)在選擇帷幕方案時(shí)既要考慮防滲效果，同時(shí)還應(yīng)充分考慮到經(jīng)濟(jì)因素，力爭(zhēng)做到“效果好，又經(jīng)濟(jì)”。

3.2 喀斯特發(fā)育地區(qū)水庫(kù)防滲帷幕灌漿處理原則

處于地質(zhì)條件復(fù)雜的喀斯特地區(qū)的水庫(kù)，由于喀斯特發(fā)育程度、規(guī)模、形態(tài)不盡相同，從而導(dǎo)致帷幕灌漿處理復(fù)雜，除了具有非喀斯特地區(qū)水庫(kù)帷幕灌漿所有特點(diǎn)外，還獨(dú)具灌漿工藝復(fù)雜、工程量大、工期長(zhǎng)、使用材料多、費(fèi)用高等特點(diǎn)。針對(duì)喀斯特發(fā)育地區(qū)帷幕灌漿的特點(diǎn)，其處理原則除前面提到的之外，還應(yīng)把握以下原則:(1)施工前應(yīng)設(shè)置帷幕灌漿先導(dǎo)孔，并利用鉆孔、物探、水文地質(zhì)試驗(yàn)等手段查明喀斯特的各種邊界條件，如類(lèi)型、規(guī)模、方向及充填物性狀等;(2)在查明喀斯特發(fā)育情況后，有針對(duì)性選用有效的方法或工藝、適合的灌漿材料。

3.3 中梁水庫(kù)帷幕組合灌漿技術(shù)

3.3.1 帷幕灌漿的基本方法及其適用條件

喀斯特地區(qū)水庫(kù)防滲帷幕灌漿就是利用鉆孔并施以一定壓力把各種漿液灌入巖體溶洞、溶蝕裂隙及裂隙孔隙中，形成阻水幕，從而達(dá)到水庫(kù)防滲堵漏的灌漿，基本方法主要包括純壓式灌漿和循環(huán)式灌漿，或自上而下分段灌漿法、自下而上分段灌漿法、綜合灌漿法、孔口封閉灌漿法，或高壓灌漿(＞3 MPa)和中低壓灌漿(＜3 MPa);或水泥灌漿與其它材料灌漿等。

喀斯特發(fā)育區(qū)帷幕灌漿采用單一方法一般難以達(dá)到工程目的，往往需要通過(guò)查明喀斯特邊界條件后同時(shí)選用特殊方法或組合方法，才能達(dá)到預(yù)期效果?？λ固蒯∧还酀{的實(shí)質(zhì)就是采用多種方法先將較大的溶洞介質(zhì)或管道介質(zhì)變成裂隙介質(zhì)后再灌漿。組合方法主要包括:(1)級(jí)配料充填與水泥灌漿液或水泥水玻璃漿液組合法，適用于小型及中型規(guī)模無(wú)充填溶洞、有水但流速小的溶洞;(2)壓力沖洗、壓力置換與水泥灌漿+限壓、限流、限量、間歇等特殊措施組合，適用于充填粘土夾砂為主的溶洞或溶蝕裂隙;(3)不同摻砂比(逐級(jí))的水泥砂漿與水泥灌漿組合，適用于規(guī)模較小的喀斯特管道或溶蝕裂隙;(4)工序調(diào)整法，即按規(guī)范中的特殊情況調(diào)整施工序次，通過(guò)溶洞后再按設(shè)計(jì)要求的序次施工，適用于規(guī)模較大的強(qiáng)溶蝕區(qū);(5)細(xì)石混凝土或細(xì)石自密實(shí)混凝土與水泥灌漿組合，適用于規(guī)模較大的無(wú)充填型溶洞或管道;(6)碎石與細(xì)石混凝土交替回填與水泥灌漿組合，適用于大型充填溶洞及管道; (7)模袋灌漿與水泥灌漿組合，適用于高流速喀斯特管道;(8)壓力置換與水泥灌漿組合，適用于喀斯特發(fā)育深度較大且灌漿孔施工過(guò)程中相互串漿的地段;(9)逐級(jí)升壓、加密孔擠密與水泥灌漿組合等。

3.3.2 中梁水庫(kù)喀斯特強(qiáng)發(fā)育區(qū)組合灌漿處理方法簡(jiǎn)述

中梁水庫(kù)防滲處理設(shè)置了上、下層平洞，處理段長(zhǎng)分別為416 m與380 m，帷幕設(shè)置了3排孔，排距1.3 m，孔距2.0 m，采用梅花型布孔，分3序施工，防滲處理透水率標(biāo)準(zhǔn)為q≤3 Lu，設(shè)計(jì)要求的灌漿方法是“孔口封閉、孔內(nèi)循環(huán)、自上而下分段灌漿法”，最大灌漿壓力為4 MPa。

由于防滲線(xiàn)上喀斯特強(qiáng)發(fā)育區(qū)按常規(guī)高壓水泥灌漿施工未達(dá)到預(yù)期效果，為此，根據(jù)喀斯特發(fā)育情況，有針對(duì)性地選用組合了灌漿方法處理，取得了明顯效果。以KS1喀斯特發(fā)育區(qū)的組合灌漿處理措施為例，簡(jiǎn)要介紹如下。

3.3.2.1 基本地質(zhì)情況

KS1喀斯特強(qiáng)發(fā)育區(qū)位于上層平洞，在防滲線(xiàn)上出露長(zhǎng)度為30 m，孔深0～45 m，面積約1300 m2，喀斯特類(lèi)型主要為無(wú)充填溶洞(KL1)及充填型溶洞，充填物主要為粘土、粘土夾砂以及溶蝕殘留碎塊狀巖石等。水泥灌漿存在的主要問(wèn)題就是灌漿壓力很難達(dá)到設(shè)計(jì)要求3.5 MPa。

3.3.2.2 處理方法

對(duì)于區(qū)內(nèi)的KL1溶洞，將灌漿鉆孔直徑擴(kuò)到150 mm后，先采用C20細(xì)石混凝土與碎石交替回填，再采用水灰比0.5的濃水泥漿進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)灌漿;對(duì)于區(qū)內(nèi)其它部位灌漿孔，根據(jù)在低壓灌漿時(shí)孔口返漿特點(diǎn)，有針對(duì)性采用的組合措施有:(1)采用低壓、濃漿、限流、限量、間歇等措施施工，限流標(biāo)準(zhǔn)為注入率＜15 L/min，限量干料(水泥)為2 t/m，間歇時(shí)間為8～36 h;(2)分排分段升壓，即調(diào)整上下游排灌漿壓力為2 MPa，中間排2.5～3.5 MPa，每個(gè)灌漿段可復(fù)灌幾次，逐次提高灌漿壓力，直至達(dá)到設(shè)計(jì)壓力;(3)每次復(fù)灌當(dāng)灌注材料已達(dá)限量時(shí)停灌或當(dāng)灌漿壓力升到此次預(yù)定的灌漿壓力時(shí)停灌;(4)縮短灌漿段長(zhǎng)度為3 m;(5)壓力沖洗法，即根據(jù)灌漿孔內(nèi)充填物的情況分別采用壓力(5～6 MPa)旋噴沖洗、壓力(5～6 MPa)水沖洗、風(fēng)水聯(lián)合沖洗等; (6)灌注速凝漿液，即每次復(fù)灌將近結(jié)束時(shí)可灌注速凝漿液;(7)上下游排灌漿完畢后，再灌中間排。

3.3.2.3 處理效果

處理完成后通過(guò)檢查孔檢查，符合設(shè)計(jì)防滲標(biāo)準(zhǔn)，效果良好。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)中梁水庫(kù)喀斯特強(qiáng)發(fā)育區(qū)組合灌漿實(shí)踐和技術(shù)探討，筆者獲得2點(diǎn)體會(huì):

(1)喀斯特強(qiáng)發(fā)育區(qū)的帷幕灌漿處理方法應(yīng)有針對(duì)性且應(yīng)多樣化，單一的灌漿方法很難達(dá)到預(yù)期的效果，只有在查明喀斯特發(fā)育情況后選用的組合灌漿處理措施才能達(dá)到預(yù)期的效果;

(2)目前還沒(méi)有定型的喀斯特強(qiáng)發(fā)育帷幕灌漿處理方法，因地制宜地采用組合灌漿技術(shù)是取得良好灌漿效果的保證，也為深部喀斯特溶洞處理提供了一種新的方法。

［1］重慶中梁水電站水庫(kù)防滲工程設(shè)計(jì)咨詢(xún)與現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)服務(wù)總結(jié)工作報(bào)告［R］.貴州貴陽(yáng):中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)貴陽(yáng)勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院.2010.

［2］大寧河中梁水電站初步設(shè)計(jì)報(bào)告(4工程地質(zhì))［R］.湖南長(zhǎng)沙:中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院.2005.

［3］李新明，屈昌華.基于喀斯特發(fā)育特點(diǎn)的中梁水庫(kù)防漏標(biāo)準(zhǔn)探討［J］.中國(guó)水利，2011，(2):47－48，53.

［4］屈昌華.中小型水庫(kù)壩基巖溶管道滲漏勘察與處理實(shí)例［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程)，2007，34(10):60－61.

［5］屈昌華.響水水庫(kù)壩區(qū)灌漿試驗(yàn)分析與評(píng)價(jià)［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程)，2009，36(1):60－61.

Discussion of Composite Grouting Technology in Karst Area of Zhongliang Reservoir

QU Chang-hua1，ZAN Ting-dong1，ZHOU Shu-deng2(1.Guiyang Hydropower Investigation Design＆Research Institute，CHECC，Guizhou Guiyang 550081，China;2.Chongqing Water Conservancy Investment Group Wuxiyuanda Company，Chongqing 404000，China)

According to the characteristics of karst development in Zhongliang reservoir，the high pressure cement grouting is adopted mainly with some other grouting technologies combination.The equipment configuration and the process are simple with high efficiency and low cost.The composite grouting treatment technology in Zhongliang reservoir was discussed to provide a new idea for seepage control and plugging of reservoir in karst development area.

Karst development area;composite grouting technology;seepage control and plugging;Zhongliang reservoir

TV543

A

1672－7428(2012)04－0048－03

2011－10－27

屈昌華(1964－)，男(漢族)，四川人，中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)貴陽(yáng)勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院高級(jí)工程師，水文工程地質(zhì)專(zhuān)業(yè)，從事水利水電勘測(cè)、設(shè)計(jì)及基礎(chǔ)處理施工與咨詢(xún)工作，貴州省貴陽(yáng)市金陽(yáng)新區(qū)，zgqch@163.com。