巖溶地區(qū)不良地質(zhì)條件下防滲帷幕灌漿施工技術(shù)

中國水利水電第八工程局有限公司，湖南 長沙 410007

1 工程概況

高生水電站位于貴州省務(wù)川縣洪渡河干流上，是洪渡河規(guī)劃的第7級梯級電站，壩址以上控制流域面積3126km2，多年平均流量為69.8m3/s。該梯級電站以發(fā)電為主，工程規(guī)模屬二等大（2）型，最大壩高為122.5m，水庫正常蓄水位為420m，庫容1.003×108m3，總裝機(jī)容量為106MW，多年平均發(fā)電量為3.798×108kW·h，年利用小時為3583h。樞紐工程主要由攔河壩、泄水建筑物、右岸引水系統(tǒng)、右岸地下廠房組成。

大壩防滲帷幕由延伸至兩岸的主體防滲帷幕和壩后輔助防滲帷幕組成。兩岸帷幕布置在壩肩灌漿隧洞內(nèi)，左右岸各有3層灌漿隧洞，高程分別為427.5m、365m、321m，左右岸321m隧洞與大壩河床基礎(chǔ)廊道相連，輔助帷幕布置在壩后排水廊道內(nèi)，在河床部位形成一個全封閉的壩后抽排區(qū)。各帷幕灌漿隧洞由回填灌漿、固結(jié)灌漿、帷幕灌漿、搭接帷幕灌漿、排水孔施工等組成。地層透水性普遍較強(qiáng)，地下水豐富。

2 工程地質(zhì)特性

防滲帷幕沿線涉及的地層主要有灰色、深灰色薄—中厚層灰?guī)r，夾灰白色中厚層白云巖及少量泥巖巖性夾層；薄層泥巖與薄層灰?guī)r互層，灰色、深灰色薄—中厚層泥巖夾極少量灰?guī)r團(tuán)塊或條帶，深灰色中厚層灰?guī)r夾泥巖；灰色、深灰色中厚—厚層微晶灰?guī)r局部呈弱白云化結(jié)核灰?guī)r、層間夾泥巖；厚層灰?guī)r夾生物碎屑灰?guī)r；紫紅色、灰綠色、黃灰色泥巖夾中厚層泥質(zhì)灰?guī)r、砂巖等[1]。

地下巖溶形態(tài)以巖溶管道、溶洞、溶蝕裂隙、溶孔、地下涌水、軟弱夾層為主。

3 巖溶地區(qū)不良地質(zhì)段的探測方法

為保質(zhì)保量完成巖溶地區(qū)不良地質(zhì)段防滲帷幕灌漿施工提供可靠依據(jù)，還需精確探測出防滲帷幕范圍內(nèi)隱伏的溶洞、巖溶管道、破碎溶蝕帶等巖溶不良地質(zhì)形態(tài)的詳細(xì)情況，尤其是溶洞發(fā)育情況及數(shù)量、位置、大小、充填物質(zhì)等詳細(xì)情況。

該工程前期施工主要通過在各層帷幕灌漿洞布置物探CT測試孔，沿帷幕灌漿洞軸線每隔24m布置1個物探CT孔，CT孔鉆孔孔徑不小于76mm，每個物探CT測試孔之間需進(jìn)行物探CT，對物探CT測試孔選取一定比例孔進(jìn)行鉆孔取芯、分段壓水及孔內(nèi)可視化錄像?？變?nèi)可視化錄像技術(shù)如圖1所示。需要壓水的物探CT孔采用自上而下分段鉆孔壓水，壓水各段長一般為5m，壓水采用“五點(diǎn)法”。物探CT測試孔施工完成后，在提交物探報告前對物探孔進(jìn)行保護(hù)，完成后對物探CT測試孔用M25砂漿回填。

圖1 孔內(nèi)可視化錄像技術(shù)（探測溶蝕發(fā)育情況）

通過對物探CT測試孔之間進(jìn)行物探CT，結(jié)合鉆孔取芯、孔內(nèi)錄像、自上而下分段壓水試驗、地下水位觀測情況等探測手段，可查明帷幕灌漿范圍內(nèi)不良地質(zhì)段的地段和類型，并結(jié)合前期地質(zhì)勘測資料，取得較準(zhǔn)確的地質(zhì)資料。設(shè)計單位和施工單位要為下一步巖溶地區(qū)不良地質(zhì)段的施工制訂可操作性強(qiáng)、有針對性的設(shè)計方案及施工方案，減少工期影響。

4 防滲帷幕灌漿生產(chǎn)性試驗

在進(jìn)行防滲帷幕灌漿施工前，需選取有代表性的區(qū)域進(jìn)行帷幕灌漿生產(chǎn)性試驗，以求得合適的灌漿指導(dǎo)及合適的灌漿成幕技術(shù)，且要盡量避開施工相互干擾。該工程通過對壩區(qū)防滲帷幕線上的地質(zhì)條件進(jìn)行分析，結(jié)合現(xiàn)場施工條件，選擇了兩個試驗區(qū)進(jìn)行生產(chǎn)性試驗[2]。

生產(chǎn)性試驗的主要目的是論證工程大壩及兩岸地層經(jīng)灌漿處理后的防滲能力，確定適宜的灌漿材料和較優(yōu)的漿液配合比；確定鉆灌工效，指導(dǎo)合理安排灌漿工期；評價防滲帷幕的防滲能力；對斷層破碎溶蝕帶等不良地質(zhì)地段灌漿工藝進(jìn)行研究，為設(shè)計最終確定防滲帷幕底線提供依據(jù)。

5 巖溶地區(qū)不良地質(zhì)段處理措施

巖溶區(qū)不良地質(zhì)段一般有溶洞（充填型、半充填型、無充填型）、軟弱夾層、溶蝕裂隙、溶蝕帶、斷層破碎帶等，主要表現(xiàn)為鉆孔失水、掉鉆、塌孔、返黃色泥水、返泥沙，鉆進(jìn)速度過快時，常出現(xiàn)卡鉆、抱鉆等現(xiàn)象。

（1）對無充填物型溶洞的處理。對揭露出的無充填物的大型溶洞，如通過鉆孔及物探手段探查出溶洞頂部距離開孔高程較淺（10m以下），則可采用豎井開挖技術(shù)，通過開挖豎井將暗的溶洞變成明的，從而能更清楚地對溶洞進(jìn)行揭露，并根據(jù)揭露出的情況進(jìn)行混凝土或砂漿封堵，封堵體的長度和洞頂寬度滿足設(shè)計要求即可。對于埋藏較深，通過物探技術(shù)探查的無充填型溶洞，除用混凝土對溶洞進(jìn)行回填封堵外，也可以灌注低流動性的水泥砂漿。灌注分多次，待凝，控制砂漿擴(kuò)散范圍，直至孔口返漿，灌注時防止被堵孔。為保證相應(yīng)水頭下溶洞封堵體的長度和洞頂寬度要求，在帷幕線附近多開溶洞封堵控制孔，溶洞封堵控制孔鉆孔孔徑為150～200mm，孔深則穿過溶洞，將砂漿通過封堵控制孔下導(dǎo)管送入。對于溶洞封堵控制孔，視其現(xiàn)場封堵情況進(jìn)行適當(dāng)增減，先灌注上、下游孔，再灌注中間孔。由于部分施工工作面灌注砂漿條件受限（灌漿洞過長），因此可以用水泥漿沖砂的方法進(jìn)行灌注，人工在孔口鏟砂，其他要求同水泥砂漿灌注一樣。現(xiàn)場使用0.5∶1∶2（水∶水泥∶砂）的砂漿配合比，并根據(jù)現(xiàn)場施工情況進(jìn)行及時調(diào)整。通過灌注混凝土或灌注砂漿有效堵住大的滲漏通道，把溶洞變成巖體性裂隙，且封堵體達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度后按技術(shù)要求再用純水泥灌漿進(jìn)行帷幕灌漿施工直至達(dá)到設(shè)計要求，帷幕灌漿完成并檢查合格后，在溶洞一側(cè)空腔處布置排水孔[3]。

（2）對半充填型溶洞的處理。當(dāng)溶洞內(nèi)充填密實度不高的黃泥或黃泥沙夾層等不穩(wěn)定性物質(zhì)時，采用高壓沖洗置換灌漿技術(shù)進(jìn)行處理。黃泥層鉆孔不成孔，且容易在鉆進(jìn)過程中卡鉆、抱鉆，高壓置換灌漿吸漿量大。每次灌漿前相隔兩孔分別用高壓泵聯(lián)合大流量大壓力進(jìn)行長時間沖洗，中間孔排出黃色泥水，沖洗至當(dāng)次基本不返黃色泥水后進(jìn)行此次灌漿，灌漿每次按2t/m控制，完后待凝不少于24h。掃孔復(fù)灌前繼續(xù)相隔兩孔分別用高壓泵聯(lián)合大流量大壓力進(jìn)行長時間沖洗（上次排出黃色泥水的孔這次用來沖洗灌漿），沖洗至當(dāng)次基本不返黃色泥水后進(jìn)行此次灌漿，繼續(xù)限量控制灌注、待凝。如此反復(fù)，直至多次大流量大壓力沖洗后黃泥層充填物被置換不再返出，再用純水泥灌漿進(jìn)行帷幕灌漿施工，直至達(dá)到設(shè)計要求后結(jié)束。高壓大流量沖洗置換如圖2所示。完成施工后增加檢查孔數(shù)量，對個別部位進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)處理，提高帷幕體的強(qiáng)度和耐久性。

圖2 高壓大流量沖洗置換圖

（3）對充填型溶洞的處理。當(dāng)溶洞內(nèi)充滿了礫、砂、淤泥等穩(wěn)定物質(zhì)時，采取直接灌漿法，其間形成一道帷幕。灌漿時，一般采取限流、限壓、限量、間歇灌漿及待凝等綜合處理措施。

（4）對動水溶洞的處理。對于動水溶洞，根據(jù)流速大小采用膜袋堵漏、級配料充填（向溶洞中填入小石、中石、大石混合體，用水力沖填，先填大料，后填小料）、灌注膏狀漿液和雙液控制灌漿等措施進(jìn)行處理。對于上述各類灌漿溶洞的處理，最終灌漿結(jié)束后都要進(jìn)行常規(guī)水泥漿液灌漿，達(dá)到結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)才可。對于經(jīng)過混凝土、砂漿、骨料充填等封堵后灌注帷幕灌漿出現(xiàn)吸漿量仍然很大的情況，采取降壓、限流、間歇灌漿、濃漿灌注、加速凝劑、待凝掃孔復(fù)灌等處理方法。

（5）對有涌水孔段的處理。在有涌水的孔段，灌漿前測記涌水壓力和流量，采取縮短段長、加大灌漿壓力（灌漿壓力=設(shè)計壓力+涌水壓力）、屏漿、閉漿、純壓式灌注、摻加速凝劑、延長持續(xù)灌漿時間和待凝時間等措施。

（6）對鉆孔正常但返水異常的孔段的處理。如灌漿過程中出現(xiàn)吸漿量大的情況，應(yīng)采取濃漿、低壓、限流、限量、間歇灌漿等處理措施。當(dāng)該段灌漿單耗達(dá)到2t/m時，如出現(xiàn)灌漿壓力持續(xù)上升或注入率持續(xù)減小的情況，則應(yīng)繼續(xù)灌漿至正常結(jié)束；如灌漿壓力和注入率沒有明顯改變，則待凝處理，待凝時間不少于24h。待凝24h后掃孔復(fù)灌，若出現(xiàn)注入率仍大于50L/min的情況，則要求在漿液中摻外加劑進(jìn)行灌注，直至正常結(jié)束。

（7）對鉆孔遇掉鉆、鉆進(jìn)速度快的孔段的處理。通過做孔內(nèi)攝像，初步探明孔內(nèi)情況，在該孔四周加密鉆孔以便進(jìn)一步探明溶洞的形態(tài)、規(guī)模、走向、充填物等情況，必要時做補(bǔ)充CT；在探明溶洞情況的基礎(chǔ)上制訂針對性的處理措施。

（8）對鉆孔遇塌孔、遇掉鉆、鉆進(jìn)速度快的孔段的處理。這種情況下，根據(jù)實際情況縮短段長灌注。

6 灌漿質(zhì)量結(jié)果分析

對灌漿結(jié)果及質(zhì)量檢查結(jié)果進(jìn)行綜合分析時，主要以灌后檢查孔壓水透水率為主，結(jié)合檢查孔取芯是否有水泥結(jié)石充填、灌漿成果是否符合一般灌漿規(guī)律、物探孔灌前灌后孔內(nèi)可視化錄像觀測及聲波測試、現(xiàn)場灌漿記錄原始資料等綜合分析帷幕灌漿灌后的防滲效果。經(jīng)檢查孔質(zhì)量檢查，透水率滿足設(shè)計提出的灌后質(zhì)量檢查標(biāo)準(zhǔn)，底層灌漿廊道基礎(chǔ)排水孔幾無滲水，不良地質(zhì)段巖心水泥結(jié)石充填明顯，溶洞段砂漿結(jié)石完整。灌漿過程中記錄完整，灌前透水率和單位注入量與孔排序之間的變化關(guān)系符合一般灌漿規(guī)律。長時間高壓疲勞壓水試驗在全過程中壓力和流量比較穩(wěn)定，說明帷幕灌漿質(zhì)量是滿足要求的，是可靠的。

7 結(jié)束語

對于巖溶地區(qū)不良地質(zhì)條件下的防滲帷幕灌漿，正式施工前進(jìn)行了帷幕灌漿生產(chǎn)性試驗，獲取了合理的施工參數(shù)。同時通過前期布置大量物探CT孔，經(jīng)過物探CT測試，結(jié)合鉆孔取芯、灌前壓水等手段，對隱伏的巖溶不良地質(zhì)形態(tài)進(jìn)行了針對性的探測，并在帷幕灌漿大面積施工前針對此制訂了科學(xué)的方案，通過常規(guī)高壓帷幕灌漿加砂漿、高流態(tài)混凝土與溶洞封堵回填手段相互結(jié)合，縮短了施工工期，保證了工程質(zhì)量，確保了庫區(qū)蓄水安全，也為類似工程提供了技術(shù)參考。