莽山水庫(kù)副壩工程高壓脈動(dòng)灌漿效果檢測(cè)方法

劉 坪，賀茉莉，楊 清，李升起，喻濟(jì)時(shí)

（1. 湖南宏禹工程集團(tuán)有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410007；2. 湖南省水利水電工程質(zhì)量檢測(cè)中心有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410007）

1 工程概況

湖南省莽山水庫(kù)工程壩址位于湖南省郴州市宜章縣天塘鄉(xiāng)長(zhǎng)樂河菜子沖下燕村，是一個(gè)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（Ⅱ）型水利樞紐工程。水庫(kù)正常蓄水位395 m，防洪高水位398.5 m，校核洪水位399.43 m，發(fā)電死水位355 m，供水死水位340 m；水庫(kù)總庫(kù)容1.33 億m3，防洪庫(kù)容2 400 萬(wàn)m3，灌溉、供水、下游用水庫(kù)容9 300 萬(wàn)m3；電站裝機(jī)容量為18 MW，年發(fā)電量4 400 萬(wàn)kW·h。副壩位于主壩右壩肩約280 m 的埡口處，為瀝青混凝土心墻土石壩，壩頂高程為400.6 m，最大壩高41.1 m（心墻處），壩長(zhǎng)120.6 m，壩頂寬8 m。

副壩壩基地層自上而下為：①地表第四系殘坡積含碎石砂土或粘土質(zhì)砂，厚1.0～2.5 m，系花崗巖風(fēng)化產(chǎn)物；②下伏基巖為燕山早期（γ52(1)）淺肉紅色中、粗粒斑狀黑云母花崗巖，局部綠泥石化。其中花崗巖全風(fēng)化層下限埋深：左壩肩18.0～43.0 m、埡口9.0～13.0 m、右壩肩10.0～15.0 m、主副壩之間山脊脊頂21.5～44.70 m。

2 灌漿施工情況

高壓脈動(dòng)灌漿方法主要是通過較高的脈動(dòng)壓力，灌注一種粘土砂石膏漿，對(duì)全風(fēng)化花崗巖地層分段進(jìn)行擠密和劈裂灌漿處理，形成一種密實(shí)的復(fù)合地基體，達(dá)到防滲的目的[1][2]。

副壩帷幕線樁號(hào)0+556.67～0+727.67，共171 m，孔間距1.5 m，共設(shè)計(jì)鉆孔115 個(gè)，鉆孔編號(hào)G306～G420。設(shè)計(jì)鉆孔深度為進(jìn)入強(qiáng)風(fēng)化上限5 m 以上，且終孔壓水試驗(yàn)透水率小于5 Lu。鉆孔分三序依次施工，每間隔3 個(gè)Ⅰ序孔為一個(gè)施工先導(dǎo)孔，進(jìn)行全孔取芯及注水、壓水試驗(yàn)，查明地層情況及其滲透性。采用水泥粘土砂石膏漿，高壓脈動(dòng)灌漿方法，自下而上以0.5 m/段分段進(jìn)行灌漿，根據(jù)不同深度采用不同的灌漿壓力，深度越深，壓力相應(yīng)越大。

通過前期生產(chǎn)性試驗(yàn)及后續(xù)施工，歷時(shí)約6 個(gè)月施工單位完成了副壩區(qū)的防滲帷幕施工。根據(jù)完工后檢查孔注水及壓水試驗(yàn)數(shù)據(jù)與施工時(shí)鉆孔注水及壓水試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比結(jié)果，高壓脈動(dòng)灌漿處理后地層的抗?jié)B性能有較大提高，已經(jīng)達(dá)到在地層抗?jié)B性方面的設(shè)計(jì)要求。為進(jìn)一步科學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)嘏袛鄼z驗(yàn)防滲處理效果，建設(shè)單位委托了專業(yè)的第三方檢測(cè)單位采用多種方法進(jìn)行了帷幕質(zhì)量檢測(cè)。

3 檢測(cè)方法

3.1 鉆孔聲波試驗(yàn)

本次聲波測(cè)試工作所用儀器為RS-ST01C 非金屬聲波檢測(cè)儀及與之配套的孔內(nèi)聲波換能器。試驗(yàn)方法采用跨孔聲波測(cè)試法，即在一孔中發(fā)射聲波，在另一孔中接收通過巖體介質(zhì)傳播而來的聲波信號(hào)。

在帷幕灌漿中心線上及帷幕線外各鉆2 孔，孔深40 m，進(jìn)行鉆孔聲波試驗(yàn)、取土樣進(jìn)行常規(guī)物理力學(xué)性能試驗(yàn)。工作時(shí)，發(fā)射源與接收換能器以同一高程沿孔壁，由下往上每次間隔0.5 m 向上提升，逐點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試。在野外實(shí)測(cè)過程中，儀器讀數(shù)穩(wěn)定，按規(guī)范要求，進(jìn)行了重復(fù)觀測(cè)和檢查觀測(cè)，相對(duì)誤差小于4.8%，符合規(guī)范要求。

巖體Vp 值大小與巖體的地質(zhì)特性有關(guān)，當(dāng)巖體完整致密，新鮮堅(jiān)硬時(shí)具有高波速特征；當(dāng)巖體風(fēng)化強(qiáng)烈，斷層裂隙發(fā)育巖體破碎時(shí)具有低波速特征。壩基進(jìn)行灌漿處理能提高基礎(chǔ)巖石力學(xué)性能，改善壩基巖體完整程度，提高巖體Vp 值，這就為使用跨孔聲波測(cè)試法檢測(cè)巖體灌漿質(zhì)量效果提供了地球物理前提條件。

3.2 室內(nèi)土工試驗(yàn)

本試驗(yàn)的目的是測(cè)定粗顆粒土在滲流水通過時(shí)，試樣的滲透系數(shù)和細(xì)顆粒隨滲流逐漸流失的臨界坡降（管涌）及土體整體浮動(dòng)時(shí)的破壞坡降（流土），嚴(yán)格按照《土工試驗(yàn)規(guī)程》（SL 237-1999）執(zhí)行。

試樣裝好后，測(cè)量試樣的實(shí)際厚度，然后采用熱水飽和法進(jìn)行飽和，即在供水箱內(nèi)貯存熱水（水溫不低于室溫，減少試驗(yàn)過程中由于試驗(yàn)用水分離出的氣泡堵塞試樣孔隙），使水位略高于試樣底面位置，再緩慢地提升水箱，每次提升1 cm，待水箱水位與試樣中水位相平，并等10 min 后，再提升水箱。隨著供水箱上升，讓水由儀器底部向上滲入，使試樣緩慢飽和，以完全排除試樣中的空氣。與此同時(shí)，隨著水位上升，應(yīng)接通相應(yīng)的測(cè)壓管。

提升供水箱，使供水箱的水面高出滲透容器的溢水口，保持常水頭差，形成初始滲透坡降。對(duì)管涌土，加第一級(jí)水頭時(shí)，初始滲透坡降可為0.02～0.03，然后一般可按0.05、01、0.15、0.2、0.3、0.4、0.5、0.7、1.0、1.5、2.0、3.0、…等坡降遞增。在接近臨界坡降時(shí)，滲透坡降遞增值應(yīng)酌量減小。對(duì)于非管涌土，初始滲透坡降可適當(dāng)提高，滲透坡降遞增值應(yīng)適當(dāng)放大。

每次升高水頭0.5～1 h 后，測(cè)記測(cè)壓管水位，并用量筒測(cè)讀滲水量3 次。每次測(cè)讀間隔時(shí)間一般為10～20 min，同時(shí)測(cè)讀水溫。對(duì)非管涌土，測(cè)讀間隔時(shí)間可適當(dāng)延長(zhǎng)。仔細(xì)觀察試驗(yàn)過程中出現(xiàn)的各種現(xiàn)象，如水的渾濁程度、冒氣泡、細(xì)顆粒的跳動(dòng)、移動(dòng)或被水流帶出、土體懸浮、滲流量及測(cè)壓管水位的變化等。如果連續(xù)4 次測(cè)得的水位及滲水量基本穩(wěn)定，又無(wú)異?，F(xiàn)象，可提升至下一級(jí)水頭，直至試樣破壞。

在雙對(duì)數(shù)紙上，以滲透坡降i 為縱坐標(biāo)，滲透速度v 為橫坐標(biāo)，繪制滲透坡降與滲流速度關(guān)系曲線（lgi～lgv 曲線），在圖中確定其臨界坡降和破壞坡降。當(dāng)lgi～lgv 關(guān)系曲線的斜率開始變化，并觀察到細(xì)顆粒開始跳動(dòng)或被水流帶出時(shí)，認(rèn)為該試樣達(dá)到了臨界坡降；隨著水頭增大，細(xì)粒不斷被帶走，滲流量變大，當(dāng)水頭增加到試樣失去抗?jié)B強(qiáng)度，該坡降稱為試樣的破壞坡降。

4 檢測(cè)結(jié)果

4.1 鉆孔聲波試驗(yàn)

1）灌漿前

灌前跨孔聲波測(cè)試在K2-1 和K2-2 兩個(gè)鉆孔之間進(jìn)行，從聲波測(cè)試成果圖來看，孔深12 m 以上波速曲線起伏不大，平均波速為883 m/s，波速范圍為791～995 m/s；12.5～19 m 平均波速為1 246 m/s，波速范圍為1 053～1 521 m/s；從19.5 m 以下可能是風(fēng)化層中夾雜有塊石的緣故造成波速起伏較大，平均波速為1 739 m/s，波速范圍為999～2 852 m/s。

2）灌漿后

后跨孔聲波測(cè)試在J2-1 和J2-2 兩個(gè)鉆孔之間進(jìn)行，從聲波測(cè)試成果圖來看，孔深31 m 以上波速曲線起伏不大，平均波速為1 154 m/s，波速范圍為994～1 696 m/s；從31.5 m 以下可能是風(fēng)化層中夾雜有塊石的緣故造成波速起伏較大；平均波速為1 981 m/s，波速范圍為1 414～2 684 m/s。

綜合灌前灌后聲波測(cè)試剖面Vp 曲線特點(diǎn)，灌前測(cè)試曲線表現(xiàn)為Vp 值較低，變化頻繁，低值尖值點(diǎn)出現(xiàn)較多。當(dāng)巖體經(jīng)過灌漿處理后Vp 值提高，波動(dòng)幅度變小。由表1 可知，灌后Vp 值有所提高并且較為平穩(wěn)，說明灌漿后起到一定的效果。

4.2 室內(nèi)土工試驗(yàn)

1）顆分、密度、孔隙率

表1 灌漿前后聲波測(cè)試縱波波速度Vp 值（m/s）區(qū)間分段統(tǒng)計(jì)表

2）滲透變形

根據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（GB-50487-2008）中附錄G“土的滲透變形判別”。由多種粒徑組成的天然不均勻土層，可視為由粗、細(xì)兩部分組成，粗粒為骨架，細(xì)粒為填料，混合料的滲流特性決定于細(xì)粒的滲透性質(zhì)。大量試驗(yàn)和計(jì)算結(jié)果均證明，可以認(rèn)為細(xì)粒顆粒含量等于30%是細(xì)料開始參與骨架作用的界限值。原土樣顆粒分析級(jí)配見表2，天然狀態(tài)土樣物理性質(zhì)指標(biāo)見表3，滲透及滲透變形試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表2 室內(nèi)土工試驗(yàn)顆粒分析及土樣分類成果表

表3 室內(nèi)土工試驗(yàn)天然狀態(tài)土樣物理性質(zhì)指標(biāo)

表4 土樣滲透及滲透變形試驗(yàn)結(jié)果

1#、2#試樣為帷幕灌漿中心線以外鉆取的土樣，采用擾動(dòng)樣按照原狀樣的干密度進(jìn)行滲透及滲透變形試驗(yàn)。3#、4#試樣為帷幕灌漿中心線上鉆取的土樣，采用原狀樣進(jìn)行滲透及滲透變形試驗(yàn)，試樣膠結(jié)情況較好，3#試樣當(dāng)試驗(yàn)水力坡降達(dá)到11 時(shí)、4#試樣當(dāng)試驗(yàn)水力坡降達(dá)到10 時(shí)，均未觀察到滲透變形破壞現(xiàn)象，此時(shí)整個(gè)試樣被抬起，無(wú)法進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。

5 結(jié) 語(yǔ)

1）灌漿前聲波測(cè)試剖面波速范圍為791～2 852 m/s，平均波速12 m 以上為883 m/s；12.5～19 m 為1 246 m/s；19.5 m 以下為1 739 m/s。灌漿后聲波測(cè)試剖面波速范圍為994～2 684 m/s，平均波速31 m 以上為1 154 m/s；31.5 m 以下為1 981 m/s。灌后Vp 值提高，波動(dòng)幅度變小。說明高壓脈動(dòng)灌漿施工后有一定的效果。

2）原土樣為礫質(zhì)中壤土，土樣干密度平均值為1.77g/cm3，孔隙率平均值為32.2%；灌漿后土樣干密度平均值為1.88 g/cm3，孔隙率平均值為28.2%。說明高壓脈動(dòng)灌漿施工后土體密實(shí)度有所提高。

3）原土樣臨界坡降值為0.75 和0.70，破壞坡降平均值為2.25 和2.50，滲透系數(shù)為3.4×10-4cm/s 和4.9×10-4cm/s，為中等透水等級(jí)。灌漿后土樣，試樣膠結(jié)情況較好，3#試樣當(dāng)試驗(yàn)水力坡降達(dá)到11 時(shí)、4#試樣當(dāng)試驗(yàn)水力坡降達(dá)到10 時(shí)，均未觀察到滲透變形破壞現(xiàn)象；滲透系數(shù)為8.3×10-5cm/s 和7.3×10-5cm/s，為弱透水等級(jí)。

綜上所述，通過對(duì)莽山水庫(kù)副壩全風(fēng)化花崗巖地層高壓脈動(dòng)灌漿防滲處理施工前后巖土體的聲波測(cè)試、密度和孔隙率測(cè)試、滲透性試驗(yàn)、滲透變形破壞試驗(yàn)等多種方法的檢測(cè)，最終結(jié)果表明其防滲帷幕施工效果達(dá)到設(shè)計(jì)的防滲要求。