混凝土面板堆石壩帷幕灌漿的設(shè)計(jì)、施工及監(jiān)測(cè)

嚴(yán)尚嶸

(貴州新中水工程有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550081)

1 引言

帷幕灌漿是將漿液灌入巖體或土層的裂隙、孔隙，形成連續(xù)的阻水帷幕，以減小滲流量和降低滲透壓力的灌漿工程。帷幕頂部與混凝土閘底板或壩體連接，底部深入相對(duì)不透水巖層一定深度，以阻止或減少地基中地下水的滲透，與位于其下游的排水系統(tǒng)共同作用，還可降低滲透水流對(duì)閘壩的揚(yáng)壓力。20世紀(jì)以來(lái)，帷幕灌漿一直是水工建筑物地基防滲處理的主要手段，對(duì)保證水工建筑物的安全運(yùn)行起著重要作用[1]。

2 前期準(zhǔn)備

2.1 工程地質(zhì)和水文地質(zhì)

測(cè)區(qū)地處西南地區(qū)，地形以中低山為主，兼有丘陵地貌。該壩線河谷兩岸及河床出露地層為D2b1、D2b2、D2d1+2砂巖、泥頁(yè)巖地層，巖體透水性小，地下水類(lèi)型為基巖裂隙水，均為相對(duì)隔水地層，左岸地下水平均水力坡降為34.5%，右岸地下水平均水力坡降為38.7%，河床地下水與河水位一致，地下水補(bǔ)給河水。河段、地質(zhì)情況見(jiàn)圖1。

圖1 建壩河段地形、地質(zhì)示意圖

在項(xiàng)目中進(jìn)行水壓試驗(yàn)(WPT)，以評(píng)估巖石單元的滲透性，并確定其水力壓裂或加密侵蝕的潛力。以Lugeon單位(Lu)表示的總體結(jié)果見(jiàn)表1。項(xiàng)目的平均吸水率在8 Lu左右，最大的數(shù)據(jù)百分比在10 Lu以下，屬于低滲透巖。

表1 1.0 MPa下水壓試驗(yàn)總體結(jié)果(1 Lu=l/(min·m)表示)

表2指出了最重要的地質(zhì)特征，在操作階段有可能從水庫(kù)到下游產(chǎn)生泄漏路徑的風(fēng)險(xiǎn)。在工程中，這些區(qū)域占帷幕灌漿面不到15%，但由于其吸水性較高，這些結(jié)構(gòu)被認(rèn)為是灌漿處理的幾何形狀和范圍，特別是吸水性在20 Lu以上的結(jié)構(gòu)。

表2 主要地質(zhì)特征及吸收值

2.2灌漿測(cè)試

為了表征巖體與其的可灌漿性相關(guān)，測(cè)試面板在項(xiàng)目的代表性區(qū)域進(jìn)行。這些性能被定義為：合適的孔距、漿液材料的滲透性、適宜的漿液壓力和體積、平均漿液消耗量以及水力達(dá)到頂點(diǎn)后的灌漿特性(定義為達(dá)到一定壓力時(shí)，漿液流量突然增加)。

試驗(yàn)在5 m長(zhǎng)的井段中進(jìn)行，井深可達(dá)60 m，在最大設(shè)計(jì)水池高程時(shí)，施加壓力達(dá)到水頭的2.5倍。在無(wú)流量條件下，達(dá)到最大壓力時(shí)停止注漿，超過(guò)了某個(gè)特定預(yù)定義的體積(根據(jù)地質(zhì)條件，有時(shí)超過(guò)1 m3)，或者發(fā)生了水力達(dá)到頂點(diǎn)的事件，在這種情況下，評(píng)估其行為以確定施加的壓力是否會(huì)導(dǎo)致過(guò)量的灌漿消耗，或者僅僅是裂縫的臨時(shí)彈性開(kāi)口。注漿采用劈裂間距法，第一級(jí)孔間距為12 m，中間定位新孔，每3 m封閉一次[2]。

在施工階段采用的灌漿方法，運(yùn)用灌漿強(qiáng)度值，也叫GIN方法，這需要定義三個(gè)灌漿目標(biāo)：最大壓力、最大體積和GIN曲線[3]。圖2為工程灌漿試驗(yàn)結(jié)果，在GIN曲線或合適行為閾值以下區(qū)域，采用注漿壓力和體積的封閉試驗(yàn)，降低了后續(xù)階段孔洞的耗水量和滲透性。

在水力達(dá)到頂點(diǎn)事件發(fā)生后觀察到的行為中，也選擇了GIN曲線，這種現(xiàn)象經(jīng)常出現(xiàn)在圖2所示的區(qū)域，分別在項(xiàng)目45%的測(cè)試中出現(xiàn)，這些事件大多沒(méi)有導(dǎo)致過(guò)量的灌漿消耗，項(xiàng)目的巖體強(qiáng)度受到3.0 MPa以上壓力的限制，這反映在GIN曲線所覆蓋的區(qū)域是有限的，證實(shí)了裂縫一般是封閉或不連續(xù)的，只有主要結(jié)構(gòu)可以有效地灌漿。

圖2 灌漿強(qiáng)度曲線及可灌漿性試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3 帷幕灌漿設(shè)計(jì)

3.1 灌漿配置

通過(guò)滲透性和灌漿性試驗(yàn)，定義了初步的帷幕灌漿配置，其特征見(jiàn)表3。

表3 帷幕灌漿特性

對(duì)于工程來(lái)說(shuō)，確定橋臺(tái)帷幕灌漿延伸的主要標(biāo)準(zhǔn)是覆蓋具有滲透性和連續(xù)性的重要地質(zhì)結(jié)構(gòu)的區(qū)域，在這些區(qū)域之間設(shè)置垂直距離為50 m左右的廊道。中段探測(cè)孔的深度至少對(duì)應(yīng)大壩高度的1/3，根據(jù)這些孔的結(jié)果，確定了最合適的處理深度和密度。項(xiàng)目在中段未識(shí)別出主要透水結(jié)構(gòu)，因此帷幕灌漿平均深度限制在50 m以?xún)?nèi)。

為加強(qiáng)淺埋區(qū)治理，設(shè)計(jì)了幾個(gè)基礎(chǔ)注漿加固方案，每個(gè)方案由2～4條深度可變的灌漿線組成?？椎姆较虮辉O(shè)計(jì)成與大量的重要裂縫相交，同時(shí)也尋求帷幕的總體傾角朝向上游。對(duì)于水力發(fā)電工程，也設(shè)計(jì)了帷幕灌漿，以防止地下土建結(jié)構(gòu)滲漏[4]，見(jiàn)圖3。

圖3 大壩軸向地質(zhì)斷面帷幕注漿限制

3.2 灌漿材料

在項(xiàng)目中，使用了布萊恩系數(shù)高于4500 cm2/g的水泥基混合物，灌漿混合物的設(shè)計(jì)具有較低的粘度和最小的組分沉降量。項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)表明，灌漿混合物具有季節(jié)性變化或組合物性質(zhì)上有細(xì)微變化[5]，這一事實(shí)導(dǎo)致在施工階段要有嚴(yán)格的質(zhì)量控制，而項(xiàng)目使用的添加劑的高細(xì)度(硅灰或膨潤(rùn)土)允許更穩(wěn)定的外部代理，見(jiàn)表4。

表4 基本灌漿混合物和主要性能

3.3 灌漿法

灌漿過(guò)程基于GIN方法，通過(guò)實(shí)時(shí)記錄壓力演化(P)和累積注入體積(V)來(lái)控制灌漿過(guò)程。當(dāng)達(dá)到預(yù)定的最大壓力或體積，或當(dāng)注漿路徑與代表恒定P·V乘積的雙曲線相交時(shí)，注漿過(guò)程結(jié)束。

圖4顯示了一個(gè)GIN圖和不同的灌漿路徑，其中“d”是在可接受范圍內(nèi)的無(wú)流量目標(biāo)(指定GIN的±10%)。在路徑1，灌漿以恒定流量(o-b)進(jìn)行，最大流速約為10 L/min，然后，將壓力降低，直到達(dá)到無(wú)流量目標(biāo)的GIN值(b-d)。然而，由于在此過(guò)程中要精確識(shí)別水力壓裂行為是很復(fù)雜的，因此，應(yīng)該正確地定義項(xiàng)目每個(gè)區(qū)域的GIN極限。但是，這并不代表有問(wèn)題，因?yàn)閹r石在注入過(guò)程中能夠抵抗更高的壓力。在主要斷裂帶，為獲得低壓力下的高消耗(通常低于0.5 MPa)，方法被修改為混合增稠(消除增塑劑或添加惰性填充)，以限制灌漿流動(dòng)。圖4為該區(qū)域在GIN圖中的近似位置。

圖4 GIN圖中的灌漿路徑

在路徑2中，注漿時(shí)壓力增量每分鐘在0.1 MPa～0.5 MPa，當(dāng)在灌漿過(guò)程中檢測(cè)到流量突然增加時(shí)，壓力保持不變，直到流量出現(xiàn)下降趨勢(shì)(圖5中的階梯形路徑o-d)。

GIN灌漿參數(shù)及標(biāo)準(zhǔn)流程詳見(jiàn)表5。在施工階段，這些參數(shù)根據(jù)特殊情況進(jìn)行調(diào)整，以?xún)?yōu)化處理。

表5 灌漿參數(shù)

3.4 灌漿數(shù)據(jù)分析

圖5為工程各區(qū)域、各階段的灌漿消耗量變化情況。確定最后處理階段的一般標(biāo)準(zhǔn)是消耗量小于30 kg/m或最終滲透率小于5 Lu。

另一方面，項(xiàng)目連續(xù)性的裂縫是顯而易見(jiàn)的，因?yàn)樗许?xiàng)目的區(qū)域都顯示在Ⅰ和Ⅱ之間有一個(gè)顯著的灌漿減少趨勢(shì)(50%左右，見(jiàn)圖5)。在接下來(lái)的階段中，耗水量的減少非常有限，除了中部的Ⅳ級(jí)孔增加了灌漿量，后來(lái)不得不用0.75 m間距的孔矯正，用更小的GIN和目標(biāo)壓力來(lái)灌漿。這種行為的假設(shè)是基于壓裂的高連續(xù)性，使得孔間距為3 m的帷幕灌漿能夠充分閉合，中間孔間距為1.5 m，經(jīng)常發(fā)生水力壓裂和消耗損失，可能位于水密面之外。最后，避免Ⅳ期和Ⅴ期的處理，除了斷層帶之外，不會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的后果。綜上所述，本工程灌漿處理主要集中在主要斷裂帶和底座下淺層巖體上，因?yàn)獒∧淮蟛糠治挥跐B透系數(shù)在5 Lu以下的巖體上。

圖5 按照項(xiàng)目、區(qū)域的平均消耗

項(xiàng)目中，灌漿線是在與斷裂帶相關(guān)的高滲透性區(qū)域執(zhí)行的，在這些情況下，至少需要三條灌漿線來(lái)獲得可接受的剩余滲透性或最終灌漿量。柱基中部位于巖脈和高滲透性斷層的交匯處，由于此時(shí)可能有水頭(1.9 MPa左右)，該區(qū)域需要5條40 m深的管線，以獲得平均約30 kg/m的灌漿。在本工程中，水頭大于1.5 MPa(壩下三分之一)、后期消耗約100 kg/m的主要地質(zhì)構(gòu)造在運(yùn)行階段大多出現(xiàn)滲漏問(wèn)題，需要進(jìn)行額外處理。

4 長(zhǎng)期行為表現(xiàn)

結(jié)合下游壩體廊道的滲漏數(shù)據(jù)和橋臺(tái)廊道的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，分析了實(shí)際運(yùn)行中的帷幕灌漿的性能，見(jiàn)表6。

表6 泄漏和效率數(shù)據(jù)

此外，以排水幕下游水壓計(jì)的水頭占總水頭的百分比來(lái)評(píng)價(jià)巖幕排水系統(tǒng)的防滲效率，與水庫(kù)最大負(fù)荷相關(guān)，以水壓計(jì)高程為參考。換句話說(shuō)，如果下游水壓計(jì)的壓力為零，則可獲得100%的效率。

水庫(kù)的平均滲漏距離下游廊道約120 L/s，距離橋臺(tái)廊道1 L/s～17 L/s。這些數(shù)值被認(rèn)為是可以接受的，并且是在其他這種高度在100 m以上的大壩的最低登記值之內(nèi)。

在項(xiàng)目中，只有位于主要斷裂帶的水壓計(jì)能清楚地響應(yīng)水庫(kù)水位的變化，同時(shí)也對(duì)應(yīng)著最低的效率水平(約30%)。特別是斷層，第一次充填時(shí)泄漏量高達(dá)33 L/s，經(jīng)過(guò)灌漿加固處理后，目前泄漏量約為9 L/s。由于在此之前還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)具有高滲透性或異常灌漿的臨界區(qū)域，因此預(yù)計(jì)帷幕灌漿在操作階段具有良好的性能。

5 結(jié)論

由于到目前為止測(cè)得的泄漏量很低，項(xiàng)目的帷幕灌漿設(shè)計(jì)和長(zhǎng)期性能都是令人滿意的。根據(jù)地質(zhì)特征確定帷幕深度和延伸范圍的方法，考慮到WPT較高的構(gòu)造是一種合適的做法。在高滲透性區(qū)域執(zhí)行了幾條灌漿線，目標(biāo)消耗低于30 kg/m，滲透性低于5 Lu，確保了在操作階段的效果。

在項(xiàng)目中提出的非均質(zhì)性很高的巖體中，GIN方法需要不斷監(jiān)測(cè)參數(shù)的適當(dāng)調(diào)整，它與其他灌漿方法相補(bǔ)充，特別是在高滲透性區(qū)域，在大多數(shù)情況下是令人滿意的。實(shí)際上，帷幕灌漿的設(shè)計(jì)注重于對(duì)高連續(xù)性和滲透性結(jié)構(gòu)的優(yōu)化處理，以及在施工過(guò)程中根據(jù)觀測(cè)方法提出調(diào)整設(shè)計(jì)的建議。