全風化花崗巖防滲關鍵技術研究與應用

王旭斌 鄭洪 林飛 王明 賓斌

摘 要：全風化花崗巖地層因其具有松散體和結構強度較高的特點，一直是防滲施工處理中的難點。依托莽山水庫副壩地基防滲處理工程，開展全風化花崗巖防滲關鍵技術研究與應用，通過現(xiàn)場工藝與生產(chǎn)性試驗，并采用多種檢測手段測試，結果表明：全風化花崗巖地層經(jīng)采用高壓脈動灌漿技術灌注離析漿液進行防滲處理后，地層透水率可達到小于5Lu，耐久性和帷幕破壞性試驗結果均可滿足設計要求。

關鍵詞：高壓脈動灌漿；全風化花崗巖；防滲；離析漿液；地基處理；莽山水庫

中圖分類號：TV543 文獻標識碼：A 文章編號：1004-7344（2018）30-0191-02

1 前 言

莽山水庫位于湖南省郴州市宜章縣境內(nèi)的珠江流域北江二級支流長樂水上游，是一個以防洪、灌溉為主，兼顧城鎮(zhèn)供水與發(fā)電等綜合效益的大（2）型水利樞紐工程，水庫正常蓄水位395m。莽山水庫工程副壩位于距主壩右壩肩約280m的沖溝埡口處，為瀝青混凝土心墻土石壩，最大壩高41.1m，壩頂長124m?；◢弾r具有球狀風化和囊狀風化的特征，全風化層厚度較大，最厚達44.7m；全風化層中夾雜著未完全風化的孤石，直徑可達數(shù)米。全風化花崗巖顆粒成分以粗砂為主，其中粘粒含量為10～15%、粉粒含量為10～21%、礫含量為10～16%、砂粒含量50～65%，為礫質(zhì)中壤土。根據(jù)鉆孔壓水試驗成果，全風化花崗巖透水率為10～20Lu，屬于弱～中等透水，小于5.0Lu的相對隔水層埋深位于25.0～35.0m以下。

2 灌漿試驗

2.1 工藝與材料試驗

在對副壩地基的全風化花崗巖進行灌漿生產(chǎn)性試驗之前，選擇地質(zhì)條件相似的沙壩料場進行前期試驗研究，主要摸索合適的漿液材料、配比和灌漿工藝，并同時進行普通帷幕灌漿的對比試驗。

在試驗區(qū)，主要進行高壓脈動灌漿和水泥灌漿試驗，并分別采用了1.5m和2.0m兩種孔距進行試驗。在試驗過程中，因水泥灌漿出現(xiàn)地表冒漿、漿液失水回濃等難以解決的技術問題，導致無法實現(xiàn)正常注漿，以中途失敗結束。

在高壓脈動灌漿試驗過程中，首先采用了膏狀漿液、低塌落度水泥砂漿等漿體進行試驗。在灌注膏狀漿液時，存在地表冒漿現(xiàn)象；在灌注低塌落度漿液時，存在壓力過大，地表開裂等現(xiàn)象。經(jīng)過分析與總結，結合全風化花崗巖的特征，采用水泥、膨潤土、全風化花崗巖砂土、水、HY-1外加劑等形成的離析型漿液，即漿液上下分層，其中漿液上部以水泥粘土漿為主；下部以較大顆粒的水泥砂漿為主。這種離析型漿液上部的粘土水泥細顆粒物質(zhì)可以滲入到花崗巖的小孔隙中；漿液下部的水泥砂漿，可對全風化花崗巖產(chǎn)生強烈的壓密效應，降低全風化花崗巖的孔隙率。試驗結果表明：采用高壓脈動灌漿技術[1]對全風化花崗巖灌注離析型漿液進行防滲處理，具有較好的可行性。

2.2 全風化花崗巖防滲處理生產(chǎn)性試驗

在副壩左壩肩進行生產(chǎn)性試驗，共布置鉆孔5個，分三序孔施工，孔間距1.5m。

2.2.1 灌漿原材料

灌漿材料主要由水泥、膨潤土、全風化花崗巖砂土（過篩）、HY-1及水組成。

（1）水泥：采用P·O42.5級水泥，其細度通過80μm方孔篩的篩余量小于5%。

（2）膨潤土：有機物含量不宜大于3%。

（3）全風化花崗巖砂土：為全風化花崗巖，經(jīng)過10mm方孔篩網(wǎng)過篩所得。

（4）HY-1：具有使?jié){液增稠、速凝、早強等效果，其添加量按水泥重量的3～6%控制。

（5）水：取自位于山坡腳的小溪。

2.2.2 高壓脈動灌漿生產(chǎn)性試驗

（1）鉆孔

開孔孔徑為？準110mm，終孔孔徑不小于？準75mm。鉆孔深度不小于設計孔深，孔內(nèi)殘留物不超過20cm。鉆孔次序與注漿次序相一致，并保證穩(wěn)定漿液灌漿施工時，同一排相鄰的兩個次序孔之間，鉆孔注漿的高差不小于15m。

（2）注水試驗

先導孔和檢查孔在全風化層內(nèi)進行分段注水試驗。

（3）高壓脈動灌漿施工

①灌漿方法：自下而上分段提升法，提升段長為0.5m，即達到結束標準后可上提0.5m。

②離析型漿液配比見表1。

③最大灌漿壓力與結束標準。

結束標準如下：

a.當灌漿段注入量達到150L/段，達到設定最小灌漿壓力1.2MPa時，可結束該段灌漿，上提一段進行灌漿。

b.當灌漿段灌漿壓力達到各段深設定的最大壓力時（見表2），注入量達到75L/段時，可結束該段灌漿，上提一段進行灌漿。

c.當灌漿段注入量達到400L/段以上，仍未達到最小設定壓力1.2MPa時，可結束該段灌漿，上提一段進行灌漿。

（4）特殊情況處理

①孔口冒漿，應采取增加漿液粘稠度，減少漿量，減慢注漿頻率等方法進行處理。

②注漿管拔斷或擠斷，應緩慢拔出上面的注漿管，在原鉆孔附近0.2m重新鉆孔至斷管處，再下灌漿管進行灌漿至正常結束。

3 生產(chǎn)性試驗灌漿帷幕質(zhì)量與評價

3.1 各序孔注入量分析

采用離析型漿液和高壓脈動灌漿工藝，進行生產(chǎn)性試驗。根據(jù)試驗后各序孔的單位平均注入量對比，II序孔比I序孔低，僅為I序孔的56.7%；III序孔比II序孔低，僅為II序孔的55.8%，說明了前序孔在灌漿后，對孔間地層的壓密、滲透達到了較好的效果，提高了土體抗?jié)B透性，可以推測，III序孔灌漿漿液在其有效擴散范圍內(nèi)已經(jīng)與I序和II序孔的漿液明顯搭接。

3.2 檢查孔取芯及透水率結果分析

（1）檢查孔取芯情況

檢查孔ZJ1位于ZK2與ZK3中間。根據(jù)鉆孔取芯情況，可知芯樣中多處可見充填漿脈或結石體，且各段（5m）內(nèi)均有分布，較為均勻。說明1.5m孔距進行高壓脈動灌漿，漿體擴散半徑范圍內(nèi)可形成完整帷幕體。

（2）取芯芯樣室內(nèi)測試

原土樣為礫質(zhì)中壤土，從相關的試驗數(shù)據(jù)結果可以看出，灌漿后的土樣平均干密度要大于灌前原土樣、孔隙率平均值要小于灌前原土樣，說明灌漿后土體密實度有所提高。

原土樣破壞坡降值為2.50，滲透系數(shù)為4.9×10-4cm/s，為中等透水等級。灌漿后土樣當試驗水力坡降達到10時，未觀察到滲透變形破壞現(xiàn)象；滲透系數(shù)為4.0×10-5cm/s，為弱透水等級，說明在灌漿后，土樣被部分膠結，孔隙率減小，透水率降低。

（3）檢查孔注水試驗

ZJ1各段注水試驗透水率均小于5Lu，且較之前先導孔ZK1相比，灌漿后地層透水率明顯變小。通過相關的試驗數(shù)據(jù)對比可知，離析型漿液+高壓脈動灌漿試驗對地層的壓密、滲透充填效果明顯，地層抗?jié)B性能得到明顯改善，且驗證了1.5m孔距可以形成很好的帷幕體，能夠達到理想的防滲效果。

3.3 灌漿前后標貫數(shù)據(jù)對比

先導孔及檢查孔鉆進時進行了N63.5標準貫入試驗，通過標貫數(shù)據(jù)的對比，驗證高壓脈動灌漿對地層的壓密效果。高壓脈動灌漿處理后的土體密實度有了較明顯提高，灌漿壓密效果較好。

4 試驗灌漿帷幕耐久性、破壞性試驗與評價

對生產(chǎn)性試驗形成的灌漿帷幕進行了耐久性試驗和破壞性試驗，以進一步評價試驗灌漿帷幕的耐久性能。

4.1 帷幕耐久性試驗

耐久性試驗[2]各試驗段在正常蓄水位水頭1.5倍壓力下，經(jīng)過48h后各段透水率仍穩(wěn)定在3.0Lu左右；說明經(jīng)灌漿處理后地層防滲耐久性能較好，在正常蓄水位水頭壓力長時間作用下仍能保持良好的耐久性。

4.2 帷幕破壞性壓水試驗

帷幕破壞性試驗各試驗段破壞壓力為正常蓄水位水頭壓力的5～7倍，結合耐久性試驗結果，說明經(jīng)灌漿處理后地層在正常蓄水位長期作用下，仍具有良好的防滲性能，帷幕灌漿

處理效果良好。

5 小 結

（1）根據(jù)全風化花崗巖的地質(zhì)特性，采用離析型漿液+高壓脈動灌漿技術，較好地解決了全風化花崗巖中進行防滲處理的技術難題。生產(chǎn)性試驗結果表明，該施工技術可行、成本可控，灌漿效果較好；單位造價500～600元/m，低于高噴灌漿，略高于常規(guī)帷幕灌漿，遠低于混凝土防滲墻。

（2）在漿液中摻入大量全風化花崗巖砂土，形成的離析型漿液，使之具有壓密和滲透雙重功能，且漿液擴散范圍可控，既達到了帷幕灌漿效果，又大幅降低了灌漿施工材料成本，是一種環(huán)保耐久、質(zhì)優(yōu)價廉、防滲可靠的新型灌漿材料。

（3）通過采用多種檢測手段，對生產(chǎn)性試驗結果進行測試與分析論證，證明了各項技術經(jīng)濟指標都較好，可以推廣離析型漿液+高壓脈動灌漿技術應用到本工程及其他類似工程中。

本工程副壩灌漿已施工完畢，由于水庫尚未蓄水，帷幕整體的防滲效果尚待經(jīng)蓄水運行后進行驗證與總結。

參考文獻

[1]張貴金，許毓才，陳安重，等.一種適合松軟地層高效控制灌漿的新工法——自下而上、漿體封閉、高壓脈動灌漿[J].水利水電技術，2012，43（3）：38～41.

[2]張貴金，李小梅，雷 鵬，等.灌漿防滲帷幕施工質(zhì)量與耐久性評價綜述[J].水利水電技術，2014，45（8）：86～91.

收稿日期：2018-9-12

作者簡介：王旭斌（1967-），男，高級工程師，本科，從事水利水電工程設計工作。