古河道單薄分水嶺基礎(chǔ)防滲灌漿效果分析研究

高 明

(中國水電建設(shè)集團(tuán)第十五工程局，陜西 西安 710065)

黑河大壩滲漏主要通過古河道的北嶺和單薄分水嶺向大壩下游和渭河谷地滲漏。單薄分水嶺東嶺段由巖層層面，寬大斷裂裂隙等形成的強(qiáng)透水帶走向與地下水排泄方向一致，具產(chǎn)生層面和集中滲漏的地質(zhì)條件，滲漏造成嚴(yán)重工程問題。①抬升泄洪洞地下水位50 m以上，長期外水壓力作用，對洞室穩(wěn)定不利。②抬升山脊外邊坡地下水位，影響軸線至泄洪洞出口段邊坡穩(wěn)定。③壩體與單薄分水嶺接觸帶鈣質(zhì)石英巖中，溶蝕寬大裂縫發(fā)育，透水性強(qiáng)，滲漏可能造成大壩左岸大面積浸潤線升高，影響壩體穩(wěn)定。④北嶺北坡泉水分布廣泛，滲漏可能產(chǎn)生北坡黃土滑坡或環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害。⑤導(dǎo)流洞施工后，金盆村水井干枯，說明單薄分水嶺東嶺段地下分水嶺基本消失，滲漏更加嚴(yán)重。因此，古河道防滲處理是大壩建設(shè)的關(guān)鍵，經(jīng)滲流分析、研究，在施工中對古河道采取了帷幕灌漿處理，較圓滿的解決了工程的難題，也為其他類似工程積累了一定的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

1 單薄山梁地質(zhì)水文條件

單薄分水嶺防滲工程位于西駱峪—田峪背斜南翼，巖層走向 85°～110°傾向 SW-SE;傾角 30°～40°，北嶺接近于北斜核部，巖層較為平緩，工程部位的斷層、裂隙發(fā)育，較大規(guī)模的斷層有 F23、F26、F37、F4、F5、F75、F76，其中 F75、F76破碎帶寬度達(dá)10～20 m[1]。斷層附近巖體破碎，滲透性強(qiáng)，樁號0+650～0+800段巖層倒轉(zhuǎn)直立，也是主要滲漏區(qū)。水庫蓄水后，該段巖體穩(wěn)定問題較為突出。裂隙發(fā)育主要分為兩組:一組產(chǎn)狀為20°～35°/NW〈55°～80°;另一組產(chǎn)狀為28°～29°/NE〈25°～35°，多發(fā)育在鈣質(zhì)石英巖中。滲漏帶分布主要受構(gòu)造控制，巖性和風(fēng)化特征滲透性具有一定的影響，主要的滲透帶有三種形式，①沿近東西較大規(guī)模斷裂帶分布較強(qiáng)透水帶，寬20～30 m左右，深度較大。②溶蝕裂隙極度發(fā)育鈣質(zhì)石英巖段。③北斜軸部巖體破碎帶。三種透水帶上部強(qiáng)風(fēng)化巖體屬強(qiáng)透水層。單薄山梁進(jìn)行滲透變形研究就是要分析滲流動(dòng)水壓力與軟弱結(jié)構(gòu)面上抗?jié)B力矛盾及其發(fā)展趨勢。

單薄山梁巖體中普遍存在斷層破碎帶，層間錯(cuò)動(dòng)破碎層，節(jié)理裂隙夾泥和軟弱結(jié)構(gòu)面。通過對單薄山梁鉆孔壓水試驗(yàn)資料及導(dǎo)流洞施工地質(zhì)資料綜合分析后認(rèn)為，單薄山梁中巖體的滲漏實(shí)質(zhì)是巖體中裂隙的滲漏，滲漏通道主要是沿EW向發(fā)育的規(guī)模較大且切斷單薄山梁與金盆古河道的斷層破碎帶，由南向依次為 F4、F5、F20、F23、F29、F26、F37 和F75，共八條斷層破碎帶，寬10～20 m，深度較大。這些斷層破碎帶是造成左壩肩單薄山梁巖體發(fā)生滲漏的主要因素[2]。針對古河道滲漏問題，采取了帷幕灌漿處理，是確保大壩安全的關(guān)鍵。

2 灌漿成果分析及灌漿效果評價(jià)

2.1 灌漿試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析總結(jié)

2.1.1 直孔灌漿方法

單薄分水嶺發(fā)育的四組裂隙，傾角在40°～87°，主滲的NEE和SN組裂隙傾角多在80°左右;采用直孔灌漿，可使鉆孔方向與主滲裂隙達(dá)到最佳組合，提高穿越率，改善漿液擴(kuò)散形態(tài)，節(jié)約工程量。

2.1.2 多級灰比灌漿方法

多級灰比灌漿:漿液配制復(fù)雜，灌漿歷時(shí)長，而且漿液在裂隙中滲流，受裂隙面摩擦，易產(chǎn)生沉淀，影響下級濃度漿液的流動(dòng)和擴(kuò)散。而且稀漿液充填裂隙后，漿液流動(dòng)速度減慢，使?jié)鉂{液不宜進(jìn)入，形成的水泥結(jié)石，連續(xù)性差，不密實(shí)，灌漿效果不理想。

2.1.3 地面平臺結(jié)合廊道灌漿方法

地面平臺灌漿施工條件較好，但空鉆段長，加之單薄分水嶺鈣質(zhì)石英巖層狀或透鏡狀分布，形成的軟硬相間地層結(jié)構(gòu)，易造成孔向偏差，難以滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。廊道灌漿減少空鉆段，有利于保證上部孔向，提高帷幕質(zhì)量。

2.1.4 根據(jù)對灌漿數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行綜合分析，采用單排孔，孔距2.0 m比較合適

灌漿壓力3.0 Mpa是合適的，再硬質(zhì)巖區(qū)灌漿壓力還可增大。起灌水灰比的選擇對象對灌漿效果的好壞是極重要的，采用3∶1水灰比作為其灌比適合該地區(qū)的帷幕灌漿施工。采用直孔灌漿法、地面平臺結(jié)合廊道灌漿法比較適合的，采用孔口封閉灌漿法施工簡便，且有利于灌漿帷幕形成，故可作為防滲帷幕施工的主要灌漿方法[3]。采用置換和壓力封孔(P=3.0 Mpa)，可滿足設(shè)計(jì)封孔要求。因該區(qū)段地層構(gòu)造復(fù)雜，故穩(wěn)定漿液部適合該區(qū)域的灌漿。

2.2 帷幕灌漿施工數(shù)據(jù)分析

2.2.1 灌漿成果分析

單薄山梁分水嶺防滲處理工程主要包括單薄山梁排水洞工程，金盆埡口副壩工程，帷幕灌漿防滲處理工程，共分五個(gè)標(biāo)段。35個(gè)單元。完成全部灌漿孔1 004個(gè)(見表1)。共布設(shè)82個(gè)檢查孔，20個(gè)封孔檢查孔。檢查孔數(shù)量占灌漿總孔數(shù)的12.2%，封孔檢查孔占灌漿總孔數(shù)的3%。

表1 完成工程總量統(tǒng)計(jì)

1)單位耗灰量分析。從灌漿資料整理分析看，灌漿效果整體軌律性較明顯，各次序平均單位耗灰量遞減規(guī)律清晰，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ序次灌漿孔透水率 ＜3Lu的段數(shù)呈遞減，均符合灌漿施工規(guī)律。

2)單位耗灰量區(qū)間段數(shù)累計(jì)分析。從各序次孔單位耗灰量區(qū)間段數(shù)所占比例，可以看出明顯的遞減規(guī)律，

3)綜合分析。各標(biāo)段采用先進(jìn)施工工藝，單位耗灰量隨著序次的增加而遞減，單位耗灰量50 kg/m段數(shù)隨序次的增加有較大幅度增加，而較大單位耗灰量段數(shù)隨序次的增加逐漸下降，說明防滲帷幕灌漿已逐步形成。

2.2.2 灌漿效夠果平價(jià)

1)檢查孔壓水效果。灌漿結(jié)束后，布置檢查孔110個(gè)，透水率小于3 Lu的段數(shù)為(104)個(gè)，占總段數(shù)的95%，而透水率3～5 Lu的段數(shù)為(4)個(gè)，大于5 Lu的段數(shù)為(2)個(gè)，占總段數(shù)的5%，從帷幕灌漿水文地質(zhì)剖面及檢查孔所做滲透剖面圖對比顯示，經(jīng)灌漿后巖體的透水率較前大幅度減少，透水率95%以上小于3 Lu，古河道防滲帷幕灌漿效果完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

2)鉆孔巖芯水泥結(jié)石。巖石裂隙中的水泥結(jié)石，因在鉆進(jìn)過程受到強(qiáng)烈地機(jī)械破碎而難以獲得，但從鉆孔巖芯看，Ⅲ序孔及檢查孔巖芯在不同程度仍存在大量水泥結(jié)石，主要分布深度為20～75 m，在深度5～20 m，巖芯中僅見到少量水泥結(jié)石，從水泥結(jié)石結(jié)構(gòu)看，大部分充填密實(shí)，強(qiáng)度較大并與基巖結(jié)合緊密[4]。

綜上所述檢查孔壓水試驗(yàn)透水率小于3 Lu的段數(shù)占95%以上，而且于巖石裂隙中的水泥結(jié)石強(qiáng)度高，因此該帷幕灌漿能力已達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

2.2.3 封孔檢查

封孔檢查孔水泥結(jié)石強(qiáng)度高，透水率及各項(xiàng)強(qiáng)度指標(biāo)軍滿足封孔要求，其中采用穩(wěn)定漿液灌注封孔，強(qiáng)度較低，但也已達(dá)到帷幕放滲強(qiáng)度要求。

1)通過統(tǒng)計(jì)分析，各標(biāo)段灌漿后較灌漿前的透水率(Lu)均有較大的減小，最大達(dá)98.9%，說明灌漿效果是明顯的，灌漿前、后透水率比較見表2。

表2 灌漿前、后透水率比較表

2)灌漿前、后注入率比較。通過統(tǒng)計(jì)分析，各標(biāo)段灌漿后較灌漿前的水泥注入率(kg/m)同樣有很大的遞減，遞減率達(dá) 82.3% ～95.8%，見表3。

表3 灌漿前、后注入率比較表

3)不同次序孔水泥消耗量分析。從各標(biāo)段灌漿分序遞減表4可以看出，基本都是逐序遞減，最大遞減94，雖然Ⅰ、Ⅱ標(biāo)段、Ⅳ標(biāo)段孔序較前序孔未能減少，而還略有增加，但較Ⅰ、Ⅱ序仍有較大遞減，說明對不合格部位增布第Ⅳ序孔是有成效的?？v觀統(tǒng)計(jì)資料仍然符合常規(guī)的灌漿分序加密，漿量按序遞減的原則。

表4 單薄山梁帷幕灌漿各標(biāo)段分序遞減

3 結(jié)語

通過對古河道單薄分水嶺地質(zhì)勘察、地質(zhì)資料收集分析和研究，尋找出單薄分水嶺滲漏的地質(zhì)原因，采用自動(dòng)灌漿記錄儀、孔口封閉法，秦嶺525R普通硅酸鹽水泥、秦嶺525R普通硅酸鹽細(xì)水泥及U型超細(xì)水泥進(jìn)行帷幕灌漿，封堵滲漏途徑，減小大壩滲漏，確保大壩安全。

(1)施工地質(zhì)資料詳細(xì)勘察、數(shù)據(jù)收集、分析得出古河道單薄分水嶺滲漏的地質(zhì)原因。

(2)針對單薄分水嶺滲漏的地質(zhì)原因，通過交道洞灌漿試驗(yàn)及成果分析，提高后續(xù)單薄分水嶺生產(chǎn)施工中廊道灌漿，平臺灌漿，600上壩路灌漿施工工藝及水平。

(3)通過采用通過加工秦嶺525R普通硅酸鹽細(xì)水泥及U型超細(xì)水泥，其顆粒極細(xì)小4～5 um，此表面積850 m2/kg，流動(dòng)性好，解決普通硅酸鹽水泥，能以灌漿土微細(xì)裂隙，達(dá)到防滲標(biāo)準(zhǔn);膨潤土解決鉆孔中塌孔、漏漿問題、同時(shí)提高灌漿速度和效果。

(4)通過采用自動(dòng)灌漿記錄儀提高了灌漿質(zhì)量和效益，加快了施工進(jìn)度。

(5)通過采用先進(jìn)、孔口封閉法及改進(jìn)的孔口封閉器，可以在灌漿鉆桿轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，做到不停泵，不減壓，提高灌漿效益，加快進(jìn)度。

(6)經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，灌漿后較灌漿前的透水率(Lu)均有較大的減少，最大達(dá)到98.9%;灌漿前較灌漿后的水泥注入率(kg/m)有很大遞減，遞減率最大達(dá)到95.8%;灌漿檢查孔透水率小于3 Lu的段數(shù)占總段數(shù)的95%，而透水率3～5 Lu及大于5 Lu占總段數(shù)的5%。經(jīng)灌漿后巖體透水率較以前大幅減少，透水率95%以上小于3 Lu，古河道防滲帷幕灌漿效果完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求，確保大壩安全運(yùn)行。

[1]杜延齡.土質(zhì)防滲體高土石壩關(guān)鍵技術(shù)研究.巖土工程學(xué)報(bào).1996.18(1).

[2]孫釗.大壩基巖灌漿.中國水利水電出版社.2004.03.

[3]孫釗.水工建筑物水泥灌漿施工技術(shù)規(guī)范.SL-94.大壩基巖灌漿[M].中國水利水電出版社.2004.

[4]張景秀.壩基防滲與灌漿技術(shù)(第2版)[M]北京:中國水利水電出版社.2002.