關(guān)門巖水庫大壩軟巖基礎(chǔ)滲漏處理技術(shù)研究

王琦凱 王知曉 陳崇德

(湖北省漳河工程管理局，湖北 荊門 448156)

1 概 述

關(guān)門巖水庫大壩基礎(chǔ)為軟巖基礎(chǔ)，存在弱—微透水層，在長期水流的作用下，可能造成大壩基礎(chǔ)沉陷或壩體垮塌的危害，因而處理好水庫大壩軟巖基礎(chǔ)滲漏，是水庫建設(shè)與發(fā)揮效益的關(guān)鍵所在。大壩基礎(chǔ)滲漏處理的方法較多，主要有劈裂灌漿、高壓噴射灌漿、深層水泥土攪拌樁防滲墻、帷幕灌漿、低壓速凝式灌漿等，但在選擇具體處理方法時(shí)，必須認(rèn)真分析水庫滲漏的原因，不但要求在技術(shù)上切實(shí)可行，而且還要求節(jié)省投資,并能在較短時(shí)間內(nèi)解決水庫的滲漏問題。根據(jù)關(guān)門巖水庫大壩基礎(chǔ)存在的滲漏問題，考慮施工環(huán)境、條件及技術(shù)、功能、經(jīng)濟(jì)、安全、環(huán)保等因素，經(jīng)多方案比較論證，采取帷幕灌漿的方法處理壩基軟巖基礎(chǔ)滲漏問題。

關(guān)門巖水庫位于長江一級(jí)支流清江水系漁洋河上游河段，地處五峰土家族自治縣漁洋關(guān)鎮(zhèn)柴埠溪風(fēng)景區(qū)內(nèi)，距五峰縣城25km。水庫集水面積63.70km2，最大壩高85.6m，壩長295m，壩頂寬7m，總庫容1440萬m3，其中有效庫容1184萬m3，死庫容63萬m3，大壩按50年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，1000年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)校核，工程為Ⅲ等中型工程。水庫是以城鎮(zhèn)供水為主，結(jié)合農(nóng)業(yè)灌溉、防洪、旅游開發(fā)等綜合利用的中型水庫，城鎮(zhèn)供水設(shè)計(jì)保證率95%，灌溉設(shè)計(jì)保證率75%。

壩址區(qū)呈“V”字形河谷，河谷深切。壩基河床為沖、洪積堆積物，厚度17～21m，以卵石為主，成分主要為白云質(zhì)灰?guī)r、白云巖夾薄層灰?guī)r等，平均直徑2.5cm。表層夾少量孤石，直徑0.3～0.5m，下部夾大量碎石塊，少量粗細(xì)砂、黏土不均勻分布其中。卵石含量65%以上，碎石塊約占25%，細(xì)顆粒含量在5%～10%，總體較為均勻。壩址區(qū)基礎(chǔ)穩(wěn)定性較好，地表巖溶泉少見，但溶蝕裂隙發(fā)育，壩基巖體以弱透水性為主，為了提高壩基抗?jié)B性能，采用帷幕灌漿處理。

2 關(guān)門巖水庫大壩軟巖基礎(chǔ)滲漏處理技術(shù)研究與應(yīng)用

2.1 軟巖基礎(chǔ)滲漏處理重點(diǎn)和難點(diǎn)

a.軟巖基礎(chǔ)滲漏處理重點(diǎn)：?嚴(yán)格控制孔位；?嚴(yán)格控制鉆孔深度；?嚴(yán)格控制洗孔與壓水試驗(yàn)的壓力；?嚴(yán)格控制灌漿壓力和漿液配比；?灌漿過程中應(yīng)注意檢查孔口封閉情況，及時(shí)變漿，回漿返濃時(shí)按要求處理等；?質(zhì)量控制以檢查孔壓水試驗(yàn)成果為主。

b.軟巖基礎(chǔ)滲漏處理難點(diǎn)：?灌漿中斷；?串漿；?漏漿；?固管；?成槽過程中大石塊的處理；?塌孔；?操作方法不當(dāng)?shù)取?/p>

2.2 關(guān)門巖水庫大壩軟巖基礎(chǔ)滲漏處理技術(shù)研究

2.2.1 帷幕灌漿試驗(yàn)孔布設(shè)

a.試驗(yàn)區(qū)。試驗(yàn)區(qū)選在大壩河床防滲墻軸線上(樁號(hào)0+192.85～0+200.85)，單排進(jìn)行生產(chǎn)性帷幕灌漿試驗(yàn)。

b.試驗(yàn)孔布設(shè)?？拙?m，每排分三序施工。

c.共布設(shè)9個(gè)灌漿孔(含先導(dǎo)孔)。

d.試驗(yàn)孔深度見表1。

表1 試驗(yàn)孔深度統(tǒng)計(jì)

2.2.2 帷幕灌漿施工試驗(yàn)技術(shù)要求

a.工藝流程：?帷幕灌漿按分序加密法分段施工；?鉆孔的施工順序?yàn)椋合葘?dǎo)孔→Ⅰ序孔→Ⅱ序孔→Ⅲ序孔→質(zhì)量檢查孔；?灌漿采用“孔口封閉，孔內(nèi)循環(huán)，自上而下分段灌漿”。

b.孔位。?按照防滲墻預(yù)埋管布置孔位，在孔位處設(shè)置明顯的標(biāo)記；?灌漿孔分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ序?？孜徊贾靡妶D1。

圖1 孔位布置

c.鉆孔：?采用金剛石液壓回旋鉆進(jìn)；?灌漿孔開孔直徑90mm，終孔直徑58mm；?孔深按表1要求，孔底偏差值不得大于0.7m；?清孔采用壓力水沖洗；?鉆孔記錄主要包括：鉆孔編號(hào)，位置、樁號(hào)，角度，孔口高程，開孔、終孔時(shí)間，分段鉆進(jìn)返渣、返水、返風(fēng)以及巖石特性情況，鉆孔變徑，鉆機(jī)異常，終孔孔深與孔徑等情況。段長劃分見表2。

表2 鉆孔段長劃分

2.2.3 灌漿施工

a.制漿：?采用P·O425普通硅酸鹽水泥，出廠時(shí)間不得超過3個(gè)月；?嚴(yán)格按設(shè)計(jì)水灰比配料，攪拌時(shí)間大于3min；?漿液自制備至使用結(jié)束時(shí)間不得超過4h。

b.漿液水灰比采用5∶1、3∶1、2∶1、1∶ 1、0.8∶1、0.5∶1 等6個(gè)重量比級(jí)，開始灌漿水灰比采用5∶1。

c.灌漿壓力值見表3。

表3 灌漿壓力值

d.漿液變換標(biāo)準(zhǔn)：?當(dāng)灌漿壓力保持不變，注入率持續(xù)減小時(shí)，或注入率不變而壓力持續(xù)升高時(shí)，不改變水灰比；?當(dāng)某一比級(jí)漿液注入量達(dá)300L以上，或灌注時(shí)間超過30min，而漿液壓力和注入率均無變化或變化不顯著時(shí)，可改濃一級(jí)水灰比；?當(dāng)注入率大于30L/min時(shí)，根據(jù)具體情況可越級(jí)變濃[1]。

e.灌漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)：?在最大設(shè)計(jì)壓力下，當(dāng)注入率不大于1L/min后，延續(xù)灌注90min，灌漿即可結(jié)束；?當(dāng)終孔段透水率或單位注漿量大于設(shè)計(jì)值(q>3Lu)時(shí)，應(yīng)加深鉆孔，繼續(xù)灌漿；?當(dāng)加深超過兩段后仍不能滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)，將情況報(bào)有關(guān)單位處理；?在最大設(shè)計(jì)壓力下，總灌漿時(shí)間不少于120min。

f.封孔：?采用“全孔灌漿封孔法”封孔，即灌漿結(jié)束后，灌漿管注入水灰比0.5∶1的濃漿，將孔內(nèi)余漿置換出來，然后用塞子塞在孔口，使用最大灌漿壓力繼續(xù)灌漿封口，灌漿持續(xù)時(shí)間不小于60min；?封孔后產(chǎn)生的上部脫空段，采用人工回填砂漿封實(shí)。

g.注意事項(xiàng)。針對灌漿施工中常出現(xiàn)的一些問題，制定方案，采取措施，做好出現(xiàn)冒漿、漏漿、串漿、灌漿中斷、回漿變濃等問題的處理，同時(shí)對灌漿較多和孔口涌水的孔段，根據(jù)具體情況采取有效的控制措施[2]。

2.3 試驗(yàn)成果分析

2.3.1 統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

a.灌漿量統(tǒng)計(jì)見表4。

表4 灌漿量統(tǒng)計(jì)

從表4可以看出，試驗(yàn)區(qū)9個(gè)灌漿試驗(yàn)孔共注入灰量92801.69kg，單位注入量233.49kg/m，壓水試驗(yàn)平均透水率19.82Lu。

b.透水率頻率分析見圖2，單位注灰量頻率分析見圖3。

圖2 透水率頻率曲線

圖3 單位注灰量頻率曲線

從圖2和圖3可以看出：頻率曲線符合理論上的相應(yīng)遞減以及現(xiàn)場施工的實(shí)際情況。

2.3.2 鉆孔取芯檢測

a.檢查孔布置與施工。灌漿試驗(yàn)?zāi)Y(jié)14天后布置檢查孔，檢查孔布置在HW-45與HW-46之間(由參建各方根據(jù)資料與現(xiàn)場實(shí)際情況協(xié)商，監(jiān)理單位確認(rèn))，編號(hào)HW-J1，孔深深入巖基43m，采用φ76鉆具鉆進(jìn)。

b.檢查孔壓水成果。全孔分10段次采用單點(diǎn)法進(jìn)行壓水試驗(yàn)，壓力為灌漿壓力的80%并不大于1MPa，壓水資料由灌漿自動(dòng)記錄儀檢查并記錄。計(jì)算公式如下：

q=Q/PL

(1)

式中q——試驗(yàn)段透水率，Lu；

Q——壓水流量，L/min；

P——作用于試驗(yàn)段的全部壓力，MPa；

L——試驗(yàn)段長度，m。

按式(1)計(jì)算，HW-J1檢查孔10段壓水試驗(yàn)透水率平均值為2.07Lu。結(jié)合表4中的數(shù)據(jù)，可以看出帷幕灌漿防滲效果相當(dāng)明顯。

c.鉆孔取芯。共計(jì)取芯8箱，均發(fā)現(xiàn)了水泥結(jié)石，其中第5箱第13回次發(fā)現(xiàn)了一塊6cm的水泥結(jié)石，第1箱第4回次、第2箱第6回次、第3箱第9回次、第4箱第11回次均發(fā)現(xiàn)了4cm的水泥結(jié)石。說明所灌注的水泥漿液進(jìn)入了裂隙，帷幕灌漿達(dá)到了應(yīng)有的效果。

2.4 試驗(yàn)成果應(yīng)用

2.4.1 大壩河床帷幕灌漿

a.依據(jù)上述試驗(yàn)成果，經(jīng)有關(guān)部門審查批準(zhǔn)后，編制關(guān)門巖水庫大壩基礎(chǔ)帷幕灌漿工藝流程以及各項(xiàng)控制指標(biāo)，用于指導(dǎo)工程的施工。帷幕灌漿工藝流程見圖4。

圖4 帷幕灌漿工藝流程

b.灌漿孔布置在混凝土趾板、趾墻基礎(chǔ)區(qū)域內(nèi)，深度按設(shè)計(jì)要求深入相對不透水層(q<5Lu)以下5m，防滲帷幕最大深度65m。

c.河床砂卵礫石覆蓋層厚17～21m，砂卵礫石覆蓋層采用混凝土防滲墻截?cái)鄩位鶑?qiáng)透水層滲漏通道，并與下部巖基相接，組成壩體封閉式防滲體系[3]。下部巖基以弱—微透水層為主，采用防滲帷幕灌漿，主要工程量見表5，河床帷幕灌漿孔分布見圖5。

圖5 河床帷幕灌漿孔分布

表5 大壩河床段帷幕灌漿主要工程量

d.灌漿質(zhì)量及安全控制措施。?在灌漿施工前，根據(jù)設(shè)計(jì)文件或相應(yīng)的資料(如施工圖、灌漿施工技術(shù)要求、流域工程地質(zhì)和水文地質(zhì)資料等)，編制灌漿施工組織設(shè)計(jì)，進(jìn)行技術(shù)交底[4]；?灌漿機(jī)具的選擇：攪拌機(jī)的轉(zhuǎn)速、拌和能力應(yīng)保持均勻、連續(xù)；灌漿泵的技術(shù)性能與所灌注的漿液類型、濃度相適應(yīng)，最大工作壓力與波動(dòng)范圍以及排漿量應(yīng)滿足現(xiàn)場灌漿的實(shí)際需要；灌漿管路漿液流動(dòng)暢通，并能承受1.5倍的最大灌漿壓力；灌漿塞具有良好的膨脹和耐壓性能，易于安裝和卸除；鉆孔與灌漿的計(jì)量器具須定期進(jìn)行校驗(yàn)或檢定，確保量值準(zhǔn)確；?灌漿過程控制：嚴(yán)格按照工藝流程及各項(xiàng)控制指標(biāo)施工，堅(jiān)持現(xiàn)場質(zhì)量檢測和旁站，避免用儀器代替人的監(jiān)管；灌漿用的水泥、外加劑、摻和料等按規(guī)定要求進(jìn)行檢測；灌漿孔各灌漿段不論透水率大小均按技術(shù)要求進(jìn)行灌漿；冬、夏季施工做好防寒與降溫工作；?各項(xiàng)施工記錄有專人在現(xiàn)場逐項(xiàng)填寫，定期檢查和隨時(shí)抽查，做到及時(shí)、準(zhǔn)確、完整、清晰、可靠[5]；?安全生產(chǎn)措施：建立安全生產(chǎn)管理機(jī)構(gòu)；制定與落實(shí)安全控制的各項(xiàng)措施；每周進(jìn)行一次安全生產(chǎn)大檢查，對檢查出的安全隱患制定整改和預(yù)防措施；?工程驗(yàn)收：單元和分部工程灌漿結(jié)束后，及時(shí)報(bào)送工程驗(yàn)收要求提供的灌漿資料與申請驗(yàn)收報(bào)告[6]。

2.4.2 河床帷幕灌漿效果

a.壓水成果。共布置12個(gè)檢查孔，壓水120段，合格120段，合格率100%，其中優(yōu)良率 95%。

b.河床帷幕灌漿分為7個(gè)單元，121孔(包括試驗(yàn)孔)，合格率100%，其中優(yōu)良率95%。

c.河床段溶蝕裂隙發(fā)育，切割較深，傾角80°～90°，鉆孔遇溶蝕裂隙時(shí)，單位吸漿量變化較大，灌漿效果明顯。

d.從灌漿資料分析，隨孔序的遞增，透水率呈遞減的趨勢，小于3Lu的孔段從11%上升到96%，大于20Lu的孔段從6%減少到0.4%，平均透水率2.32Lu，符合設(shè)計(jì)要求。

e.鉆孔121個(gè)，孔位偏差均小于10cm，孔底偏差均控制在設(shè)計(jì)值范圍內(nèi)(僅個(gè)別孔底偏差0.52m)。

f.鉆孔取芯均發(fā)現(xiàn)水泥結(jié)石塊，直徑一般在4～8cm之間。

2.5 方案比較

a.經(jīng)濟(jì)比較。關(guān)門巖水庫大壩軟巖基礎(chǔ)滲漏處理有劈裂灌漿、高壓噴射灌漿、深層水泥土攪拌樁防滲墻、帷幕灌漿等方案，其他主要方案工程造價(jià)高于帷幕灌漿施工方案的2.4%以上。

b.技術(shù)比較。有的方案不適應(yīng)于工程區(qū)的地質(zhì)條件，且技術(shù)條件、施工可操作性不符合工程區(qū)的實(shí)際情況。

c.效果比較。從關(guān)門巖水庫大壩軟巖基礎(chǔ)滲漏處理情況來看，達(dá)到了設(shè)計(jì)效果，可在類似工程中推廣應(yīng)用。

3 結(jié) 語

實(shí)踐證明，帷幕灌漿具有施工實(shí)用性強(qiáng)、安全可靠性強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)性強(qiáng)以及技術(shù)成熟性強(qiáng)等優(yōu)勢，目前在水庫大壩、河道堤防等水利工程基礎(chǔ)滲漏處理中得到廣泛的應(yīng)用，并取得了良好的成效。但帷幕灌漿工程屬于隱蔽工程，施工中對質(zhì)量控制非常嚴(yán)格，稍有不慎，造成的不利影響較大，因此，在今后的推廣應(yīng)用中，一定要按照規(guī)范與設(shè)計(jì)要求，編制切實(shí)可行的施工方案，嚴(yán)格控制每一道施工工序，不斷研究解決帷幕灌漿技術(shù)中的難題，促進(jìn)水利工程建設(shè)與管理事業(yè)的可持續(xù)發(fā)展與進(jìn)步。