高水頭條件下溶蝕砂化巖層帷幕灌漿技術(shù)研究

(中國水電基礎(chǔ)局有限公司，天津 301700)

1 工程概況

觀音巖水電站工程是金沙江中游河段規(guī)劃八個梯級電站的最末一個梯級，工程以發(fā)電為主，兼顧供水和防洪。水庫正常蓄水位1134.00m，電站裝機容量3000MW。

壩基開挖揭示，出露的地層主要為侏羅系中統(tǒng)蛇店組，巖性主要為鈣質(zhì)細砂巖、礫巖夾粉砂巖和泥質(zhì)粉砂巖，根據(jù)地質(zhì)測繪，樞紐區(qū)蛇店組中砂巖(包括粉砂巖)厚度一般為0.40m，最厚可達20.90m，占壩址區(qū)壩基段地層的75.20%；泥質(zhì)巖層一般為0.10～5.80m，占壩址區(qū)壩基段地層的16.60%。由于地下水淋漓作用，沿層理方向或陡傾角裂隙方向產(chǎn)生溶蝕現(xiàn)象，形成一定規(guī)模的溶腔或者溶蝕通道，這對壩基變形穩(wěn)定和滲控工程構(gòu)成不利因素。

大壩蓄水以后，通過壩基滲控監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)個別壩段的測壓管和滲壓計與庫水相關(guān)性較好，且監(jiān)測水位在水庫蓄水時與庫水位同步抬升，分析認(rèn)為本區(qū)域存在繞帷幕底部溶蝕砂化巖層滲漏的通道。根據(jù)設(shè)計新增布置的水位探測孔數(shù)據(jù)得出：原帷幕線以內(nèi)透水率均小于1Lu，證明帷幕完整連續(xù)，超過懸掛式帷幕線以下部位透水率均大于5Lu，最大達到92.30Lu，印證了帷幕底部存在繞帷幕底部滲漏的通道。為保證大壩蓄水安全和經(jīng)濟運行，進行了深部截水堵漏帷幕灌漿。

2 研究的意義

根據(jù)設(shè)計布置的截水堵漏帷幕方案，帷幕灌漿孔口高程為985.00m，與壩前蓄水位存在137m的水頭差，水頭凈高產(chǎn)生的壓力超過1MPa，且截水堵漏帷幕灌漿孔深為166m。在高水頭、超深孔、復(fù)雜地層條件下進行灌漿成幕，施工難度在國內(nèi)較為罕見。為了保證工程滲控安全和減少滲水排水量，解決高水頭條件下溶蝕砂化巖層帷幕灌漿技術(shù)是非常必要的。因此，通過該項目研究，分析高水頭條件下溶蝕砂化巖層帷幕灌漿的技術(shù)特點和施工難點，探求經(jīng)濟有效的灌漿方式和快速的施工工藝，為解決“高水頭條件下溶蝕砂化巖層灌漿成幕”難題，提供新的途徑和解決方案。

3 研究的步驟和難點

3.1 研究的步驟

3.1.1 收集整理探測孔資料

溶蝕砂化巖層的發(fā)育、發(fā)展離不開基本地層地質(zhì)條件。首先，從開挖揭示的溶蝕條帶的分布或發(fā)展規(guī)律入手，重點分析溶蝕砂化發(fā)育的部位和深度。其次收集水位探測孔探明的地下水深度、涌水流量和涌水壓力等數(shù)據(jù)，并收集探測孔壓水透水率數(shù)據(jù)，為后續(xù)施工提供依據(jù)。

3.1.2 綜合整理大壩蓄水前帷幕灌漿有關(guān)資料

對大壩蓄水前兩個階段帷幕灌漿施工過程中出現(xiàn)的鉆孔塌孔、掉鉆、巖層變換、回漿返濃、無壓無回、涌水涌砂、串漿等特殊情況進行詳細統(tǒng)計，進一步詳細了解地質(zhì)情況，明確溶蝕砂化條帶分布情況。

3.1.3 提出溶蝕砂化高水頭條件下灌漿方案

綜合運用各種理論技術(shù)和施工工藝，結(jié)合前期灌漿施工技術(shù)和取得的成果，在充分論證分析和指導(dǎo)下，提出溶蝕砂化高水頭條件下灌漿方案，會同建設(shè)各方進行評審。

3.1.4 根據(jù)實際施工情況優(yōu)化改進施工工藝

工程施工注重的是理論結(jié)合實際，根據(jù)工程實際確定的灌漿材料和灌漿工藝是否適用于工程實際，應(yīng)通過實踐來確定，找到最合適的工藝，確保滿足工程需要。

3.2 研究的難點

3.2.1 動水條件下施工難度大

觀音巖水電站截水堵漏帷幕是在大壩蓄水以后進行的，灌漿孔孔口高程為985.00m，與壩前水位1122.00m存在137m的水頭差，在地下水位線以下灌漿，大部分的灌漿孔存在涌水涌砂現(xiàn)象，最大涌水壓力0.70MPa，最大涌水流量約182L/min，受地下滲流及動水壓力影響，灌漿過程中漿液不斷被稀釋、滲流沖刷帶走及孔內(nèi)涌水反向擠出等，多數(shù)孔段需要多次待凝復(fù)灌，既減弱了灌漿效果，又降低施工功效，大大增加了施工難度。

3.2.2 溶蝕砂化巖層灌漿可灌性差

溶蝕殘留的砂土和砂糖狀巖體，吸水不吸漿，普通水泥灌漿的方法難以有效處理，可灌性差，水泥漿液難以侵入并把砂巖膠結(jié)。在未與灌漿孔充分相連，未充分受壓的情況下，砂巖仍以松散狀態(tài)存在巖體中。在與灌漿孔連通時，其中的裂隙可以被充填，但是難以進入其中的孔隙形成不透水體。因此，對灌漿材料的選取及其細度指標(biāo)都提出了極高的要求。

3.2.3 多裂隙砂巖體成幕困難

該工程巖體為侏羅系中統(tǒng)蛇店組，河湖相沉積碎屑巖，屬“紅層”巖體。巖性主要為鈣質(zhì)細砂巖、礫巖夾粉砂巖和泥質(zhì)粉砂巖，巖體多裂隙、節(jié)理，裂隙發(fā)育部位巖體呈碎塊狀，在《紅層與大壩》一書中提出：“根據(jù)小浪底和其他一些工程的實踐，當(dāng)壩基為以多裂隙的砂巖為主的壩基巖體時，帷幕形成的難度是很大的，這一點應(yīng)該有充分的思想準(zhǔn)備?！边@充分說明了在高水頭條件下在“紅層”巖體灌漿成幕的困難很大。

3.2.4 涌水涌砂孔段快速造孔工藝

在溶蝕砂化巖層高水頭作用下帷幕灌漿鉆孔工程中出現(xiàn)涌水涌砂現(xiàn)象較為普遍，為此，通常采用待凝和復(fù)灌等措施，進行反復(fù)鉆孔才能成孔，上述原因嚴(yán)重影響了鉆孔效率，將嚴(yán)重制約工程進度，探索溶蝕砂化巖層快速鑿孔技術(shù)成為一個重要課題。

4 主要的技術(shù)研究

4.1 帷幕灌漿設(shè)計

4.1.1 帷幕型式

截水帷幕灌漿孔深為166m，孔距2m，排距1.50m，分Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ孔布置，均為垂直孔。

4.1.2 鉆孔方法

主要鉆孔設(shè)備為XY-2型地質(zhì)回轉(zhuǎn)鉆機，選用金剛石鉆頭鉆具鉆進。

4.1.3 灌漿方法

采用“自上而下孔口封閉循環(huán)灌漿法”，使用高壓灌漿。

4.1.4 灌漿段長

第一段長為2m，第二段至原帷幕線每20m為一段，原帷幕線以下每5m為一段。

4.2 灌漿材料

4.2.1 灌漿漿液

正確選擇灌漿漿液是保證溶蝕砂化巖層灌漿質(zhì)量的重要因素，也影響著灌漿施工工效，應(yīng)該詳細研究。依據(jù)已有經(jīng)驗，截水堵漏帷幕灌漿施工針對巖層比較破碎、溶蝕砂化條帶或零星分布的囊狀溶洞比較發(fā)育孔段，選用普通硅酸鹽水泥(P.O 42.5)漿液灌漿，漿液水灰比采用2∶1、1∶1、0.8∶1、0.6∶1 四級比級；針對裂隙發(fā)育較少、溶蝕較輕微的孔段，則宜選擇超細水泥漿液灌漿，漿液水灰比使用3∶1。具體配比及性能指標(biāo)見表1。

表1 水泥漿液配比及物理性能檢測

遇涌水涌砂段為了防止?jié){液被稀釋擠出，或遇到較大溶縫為限制漿液擴散過遠，可直接使用水泥—水玻璃雙液進行灌注，水泥漿液具有結(jié)石體強度高、不污染環(huán)境等優(yōu)點，但是它滲透性差，加入水玻璃后形成混合漿液使其膠凝時間可調(diào)，提高了灌漿的可控性。

當(dāng)灌漿孔達到100m以下時，受上下游高壓水頭作用以及地質(zhì)條件的限制，灌漿難度普遍增大，為防止純水泥漿液灌注時發(fā)生鑄鉆事故，提高施工效率，當(dāng)壓水透水率q≥5Lu時，采用單一水灰比的穩(wěn)定漿液進行灌漿。與普通水泥漿液相比，以穩(wěn)定漿液進行灌漿結(jié)構(gòu)體密實、耐久、力學(xué)強度高，穩(wěn)定性好，在寬大、有動水裂隙中有較好的可控性。其配合比性能檢測見表2。

表2 穩(wěn)定漿液配合比及性能檢測

4.2.2 漿液變換原則

灌漿漿液由稀到濃逐級變換。當(dāng)某一比級漿液注入量已達300L以上，或灌注時間已達30min，而灌漿壓力和注入率均無顯著改變時，應(yīng)換濃一級水灰比漿液灌注。當(dāng)注入率大于30L/min時，根據(jù)施工具體情況，可越級變濃。

4.3 灌漿壓力和控制方式

4.3.1 灌漿壓力

截水堵漏帷幕采用“自上而下孔口封閉循環(huán)灌漿法”，使用高壓灌漿，最高壓力為5MPa。在溶蝕砂化巖層使用高壓灌漿，可使可灌性不好的軟弱巖層產(chǎn)生新的劈裂，促使更多的漿液被灌入，巖層被壓密擠實，有助于漿液的排水固結(jié)，提高巖層承載力，從而獲得良好的灌漿效果。

截水帷幕灌漿I序孔采用連續(xù)分次升壓方式，即開灌后分2～3個階段連續(xù)升壓到設(shè)計壓力；Ⅱ、Ⅲ序孔均采用一次升壓方式，即開灌后盡快達到設(shè)計壓力。在強溶蝕砂化地帶或串漏比較嚴(yán)重時，在低壓下即大量耗漿，甚至不能起壓，使用間斷分次升壓灌注，間斷次數(shù)、間斷時間視具體情況規(guī)定進行。

4.3.2 壓力控制方式

溶蝕砂化巖層帷幕灌漿，盡量避免“低壓力、小注入量”和“高壓力、大注入量”這兩種壓力控制方式?！暗蛪毫?、小注入量”的壓力控制方式使溶巖裂隙在低壓狀態(tài)下過早地被堵塞，影響漿液的擴散半徑，并會形成不密實的水泥結(jié)石，不但對灌漿質(zhì)量不利，而且降低施工功效。“高壓力、大注入量” 的壓力控制方式是一種盲目追求灌漿量的灌漿方式，高壓下漿液沿著裂隙擴散到帷幕體以外，造成灌漿材料的大量浪費，對工程造價造成負面作用。

結(jié)束條件：采用自上而下分段灌漿法，在規(guī)定壓力下，當(dāng)注入率不大于1L/min時，繼續(xù)灌注30min后結(jié)束灌漿。

4.4 動水條件下“成幕”研究

4.4.1 滲漏通道的處理方法

對于滲漏量不大的滲漏通道，沒有地下水強烈流動的灌漿孔處理，觀音巖水電站排水孔涌水孔封堵試驗表明，水泥—水玻璃雙液純壓式灌漿工藝，可以在較短的時間內(nèi)取得止水效果。

對于附近有跑漏漿通道的，使用水泥—水玻璃雙液純壓式灌漿往往需要消耗大量的灌漿材料，灌入的材料都流失了，一般可采用低壓、濃漿、限流、限量、間歇灌漿法灌注。這種處理方法，結(jié)束灌漿時不一定非要達到設(shè)計壓力，按照灌入的漿量來控制間歇時間，待凝一段時間后應(yīng)再將灌漿孔掃孔復(fù)灌，直到正常灌漿結(jié)束。

4.4.2 動水條件下灌漿方法

對于特大的漏水通道，有動水情況下，如果采用一般的灌漿方法，會造成大量灌漿材料的浪費，有時根本沒有成效。以往的工程經(jīng)驗是將大量干黃豆、干海帶等遇水膨脹物質(zhì)倒入灌漿孔內(nèi)封堵通道或孔隙，也會在水泥漿液中摻加鋸末、棉籽殼、碎紙屑、云母片等纖維物質(zhì)，利用其網(wǎng)狀性能降低灌入漿液的流動范圍使?jié){液能在孔隙內(nèi)被擋住，從而凝固，達到封堵滲漏通道的效果。

使用抗沖膏漿灌漿方法，可提高漿液的抗水流沖擊作用，從而保證水泥的連續(xù)堆積和凝固。最早于20世紀(jì)80年代在貴州紅楓大壩的帷幕灌漿中成功應(yīng)用了膏狀漿液灌漿，對于大空隙通道的堵漏取得了良好的效果。灌漿試驗結(jié)果表明：該種漿液可在1m/s流速的水中不被分散，是堵漏的首選材料，可用于大涌水部位的堵漏灌漿。

5 研究成果

觀音巖水電站高水頭條件下溶蝕砂化巖層的截水堵漏帷幕灌漿已取得成功，上游帷幕共完成鉆灌41046m，灌后布置質(zhì)量檢查孔檢驗479段，其中小于1Lu的450段，占總壓水段數(shù)的94% ，滿足設(shè)計要求，說明截水帷幕具有一定的連續(xù)性和整體性。

根據(jù)滲控監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測，截水堵漏帷幕灌漿施工完成后壩基滲水總量大幅減少，也說明截水堵漏帷幕起到了截水作用。

6 結(jié) 語

對于溶蝕砂化巖層的水電工程壩基防滲處理，灌漿成幕問題尤為重要，特別是在水庫蓄水之后，在高水頭條件下發(fā)現(xiàn)的大型溶蝕砂化巖層滲漏通道，處理的難度更大。該研究成果，可對此類工程問題的處理提供參考依據(jù)。