高承壓水頭下壩基深厚覆蓋層帷幕補強灌漿技術(shù)研究

王曉飛，蹇 超，徐文峰，肖恩尚，唐玉書

（1.中國水電基礎(chǔ)局有限公司，天津 301700；2.天津市地基與基礎(chǔ)工程企業(yè)重點實驗室，天津 301700；3.四川華電瀘定水電有限公司，四川 成都 610000）

0 前 言

目前，國內(nèi)病險水庫已經(jīng)進入除險加固高峰期，且相關(guān)市場仍在擴大中。大壩防滲體系功能的降低甚至失效是最常見的問題之一。近年來，因壩體滲漏、壩基滲漏、涵管滲漏等工程的實際需要，灌漿堵漏技術(shù)在這個領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，并取得了顯著的工程效果。但是，高水頭動水條件下深厚覆蓋層灌漿鉆孔仍是一個沒有解決的難題。為此，我們以瀘定水電站壩基補強帷幕灌漿工程為依托，對這個問題進行了深入系統(tǒng)的研究。

在高承壓水頭壩基深厚覆蓋層條件下，鉆孔過程中出現(xiàn)涌水、涌砂、塌孔不成孔情況普遍，鉆孔工藝研究是首要解決的難題；其次在該工況下采用何種灌漿工藝能夠保證灌漿效果又是一個研究的重點；此外，在高承壓水頭和動水條件下，常規(guī)的漿材留存度很低，需要結(jié)合地層系統(tǒng)研究一套可灌性良好、速凝、抗沖的漿材體系，以解決不同地層的灌注問題和漿液留存度問題。

1 項目背景

瀘定水電站位于四川瀘定縣，為大渡河干流第12級電站。水庫正常蓄水位1 378.00 m，總庫容2.195億m3，裝機容量920 MW，工程為二等大（Ⅱ）型工程。電站大壩為黏土心墻堆石壩，建基于覆蓋層上，壩頂高程1 385.50 m，最大壩高79.50 m；壩址河床覆蓋層深厚，一般厚度120～130 m，最大厚度148.6 m。河床部位（0+105.50 m～0+250.30 m）壩基防滲體系由垂直混凝土防滲墻下接三排灌漿帷幕（防滲墻內(nèi)一排、防滲墻上下游各一排）組成，混凝土防滲墻厚度1 m，最大深度110 m，覆蓋層灌漿帷幕深度約40 m；兩岸部位壩基防滲體系由垂直混凝土防滲墻+基巖帷幕灌漿（防滲墻內(nèi)一排）組成。

2013年3月31日在下游距壩軸線約448 m，距壩腳下游約200 m的右岸河道1 306 m高程發(fā)現(xiàn)滲水，對應(yīng)壩樁號約0+240 m。至2013年4月15日涌水區(qū)地面發(fā)生塌陷，流量目測約為200 L／s左右，且有較多的灰黑色細(xì)顆粒涌出。針對這一情況，根據(jù)設(shè)計意見在涌水區(qū)域及大壩間布設(shè)9個觀測孔，在涌水點布置11個減壓孔進行疏導(dǎo)。隨后進行了壩后帷幕三個階段補強灌漿施工，前三個階段的補強帷幕灌漿后，涌水點流量和大壩安全監(jiān)測值沒有明顯減小。

瀘定電站灌漿施工階段庫區(qū)水位已基本蓄至設(shè)計最高水位，屬于高承壓水頭下壩基深覆蓋層帷幕補強灌漿，此前采取的均是孔口封閉法和孔口純壓式灌漿相結(jié)合的施工方法，該方法不能有效地針對下部滲漏區(qū)域進行灌注，特別是在發(fā)現(xiàn)涌水、涌砂時，采用孔口封閉法灌注須下設(shè)射漿管至孔底，很容易將鉆桿筑死、發(fā)生孔內(nèi)事故，因此在前三階段施工基本上都是在孔口處采用純壓灌漿方式進行灌注，漿液不能很好地到達(dá)滲漏部位，只是從孔口將涌水、涌砂壓住，漿液擴散并不好，故這兩種方法都不能從根本上解決瀘定電站壩基帷幕在高承壓水頭下補強所面臨的問題。

為了從根本上解決瀘定電站右岸下游河床涌水的問題，對壩基補強帷幕灌漿施工第四階段計劃采用加重泥漿鉆孔、套閥管灌漿和分段卡塞相結(jié)合的施工工藝；并對保證抗沖刷性和強度的條件下，對漿材進行深入的研究。目前加重泥漿鉆孔在水電工程中運用很少，套閥管法在高承壓水頭下壩基深覆蓋層中施工難度很大，需要在實施過程中不斷研究完善。

2 施工難點分析

2.1 鉆孔涌水、涌砂問題

通過前三個階段的補強灌漿可以看出，庫水位在正常水位高承壓水頭下，鉆孔過程中出現(xiàn)涌水、涌砂對施工造成很大的影響，同時涌砂將進一步對深層地質(zhì)造成破壞，因此在鉆孔過程中需要盡量避免出現(xiàn)涌水、涌砂。

常規(guī)方法是采用植物膠護壁或普通泥漿作為鉆孔護壁漿液，這兩種護壁液的比重都在1.2 g／cm3以下，在60 m承壓水頭情況下這兩種護壁材料均無法使用，護壁液無法留在孔內(nèi)、會被涌水帶出，達(dá)不到壓制涌水涌砂及護壁鉆孔的目的。

目前常用的孔口封閉器只能作為灌漿使用，在起下鉆具時必須將孔口封閉裝置拆卸，達(dá)不到在鉆孔全過程中封閉涌水、涌砂的目的。

2.2 灌漿方法的問題

對基巖涌水、涌砂部位灌漿、防滲墻外下游排覆蓋層內(nèi)灌漿，采用行之有效的灌漿方法是本工程重點之一。

前三個階段采用“孔口封閉、孔內(nèi)循環(huán)、自上而下分段”灌漿方法，方法本身是比較成熟的，但遇到涌水、涌砂時該方法無法實施，只能改用“孔口封閉、純壓式”灌漿方法，而此方法是存在缺陷的，只能偶爾作為一種應(yīng)急處理措施，不能作為主要灌漿方法使用。由于本工程涌水、涌砂現(xiàn)象普遍，“孔口封閉、純壓式”灌漿方法在“孔口封閉、孔內(nèi)循環(huán)、自上而下分段”灌漿方法無法實施時可作為前三期的主要灌漿方法全面應(yīng)用，這是造成灌漿效果不佳的主要原因?！翱卓诜忾]、純壓式”灌漿方法的缺陷是不能始終將射漿管留在孔底灌至結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)，在灌漿壓力升高、流量降低到一定程度后，為避免漿液將射漿管鑄死，只能將射漿管提至孔口，從孔口純壓灌注至結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)，這種結(jié)束不能算是真正意義上的結(jié)束，是一種假象的結(jié)束，需要灌注的部位并沒有真正達(dá)到結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)，灌注效果有限，灌漿缺乏針對性。

2.3 灌漿材料的問題

在遇到滲漏通道時，采用常規(guī)的水泥漿液灌注效果不佳，漿液在水流長時間沖刷下難以留存，難以保證其強度和耐久性。本研究將針對高承壓水頭下水流速度較快，研究采用其他灌漿材料的可行性，如采用復(fù)合灌漿材料及速凝膏漿，具有初凝時間短、早期強度高，能夠在較短的時間內(nèi)留存在滲漏通道內(nèi)，達(dá)到封堵大滲漏通道的目的。

目前市場上的常規(guī)速凝漿材普遍在10 min左右初凝，留給現(xiàn)場操作的時間不夠，為了延遲初凝時間，普遍通過摻加緩凝劑來調(diào)制，由于速凝灌漿材料的性能受拌制水平、原材料性能、外加劑性能、環(huán)境溫度、水溫度影響較大，因此市場上能夠達(dá)到1 h左右性能穩(wěn)定、同時具備現(xiàn)場簡易二次調(diào)和的速凝材料幾乎沒有。

3 具體工藝研究

3.1 加重泥漿護壁鉆孔工藝

采用地質(zhì)鉆機進行鉆孔，鉆孔孔徑為Φ91 mm，根據(jù)鉆孔深度不同及涌水壓力不同，采用比重為1.5～1.8 g／cm3之間的加重泥漿作為鉆孔循環(huán)液，加重泥漿以膨潤土漿液為基本液，摻加一定比例的重晶石粉、植物膠及外加劑拌制而成，漿液本身具備較好的流動性和一定的黏性，現(xiàn)場加重泥漿拌制見圖1。在鉆孔過程中，當(dāng)鉆孔達(dá)到一定深度后利用自重壓制60 m承壓水頭、防止涌水涌砂溢出孔口，同時作為護壁泥漿，較好的保證了孔壁穩(wěn)定。

圖1 現(xiàn)場加重泥漿拌制

3.2 孔口封閉法鉆孔工藝

由于開孔后就面臨60 m的水頭壓力，這時加重泥漿的自重優(yōu)勢尚不能發(fā)揮，為防止涌水涌砂溢出孔口，在孔口安裝特制的孔口封閉裝置（見圖2），在孔口處于封閉狀態(tài)的前提下可以進行正常鉆孔、起下鉆桿、鉆具?？卓诜忾]裝置分三部分：最下部為板閥（隔斷裝置）、中部為鉆具封閉裝置、上部為鉆桿封閉裝置。

圖2 孔口封閉裝置模型

3.3 深覆蓋層套閥管灌漿工藝

本工程覆蓋層鉆孔灌漿施工最深達(dá)105 m，采用傳統(tǒng)的孔口封閉法灌漿工藝灌漿效果難以保證，目前淺覆蓋層套閥管灌漿工藝基本成熟，但深覆蓋層套閥管灌漿工藝應(yīng)用較少，在超過60 m的高承壓水頭下進行深覆蓋層套閥管灌漿施工在國內(nèi)是沒有先例的?？紤]到本工程孔深較深，套閥管的自重較大，為了避免套閥管下設(shè)過程中出現(xiàn)異常情況，本工程采用外徑Φ73 mm、壁厚4.5 mm的標(biāo)準(zhǔn)地質(zhì)管制作套閥管，在敷設(shè)膠套的部位向內(nèi)刻槽，槽深1 mm，采用彈性良好的薄壁膠套，膠套內(nèi)徑Φ70.5 mm、壁厚1.5 mm，敷設(shè)后膠套略受力可以很好地包裹套閥管刻槽部位，起到封閉左右的作用，另外膠套外壁與套閥管外壁基本上是平滑的，在下設(shè)過程中不易被損傷，確保了深孔套閥管的成活率。

3.4 灌漿材料

3.4.1 復(fù)合灌漿材料

復(fù)合灌漿材料以硫鋁酸鹽水泥為基材通過添加外加劑配置而成，初凝時間為1 h左右，根據(jù)外界環(huán)境變化可在施工現(xiàn)場可進行簡易的二次調(diào)配。

3.4.2 速凝抗沖膏漿

在遇到吃漿量較大孔段，采用復(fù)合灌漿材料難以灌注結(jié)束或浪費較大時，改為灌注速凝抗沖膏漿，速凝抗沖膏漿由復(fù)合漿液摻加一定比例的外加劑拌制而成，擴散度為12～14 cm，初凝時間為1～1.5 h，在現(xiàn)有設(shè)備條件下可以順利灌入孔內(nèi)，該漿液在孔外無骨料支撐的條件下裸漿可以抵抗0.1～0.2MPa的水流沖刷。速凝抗沖膏漿抗沖及不分散性能演示見圖3。

圖3 速凝抗沖膏漿抗沖及不分散性能演示

3.4.3 硅溶膠

硅溶膠灌漿材料是一種雙液型環(huán)保灌漿材料，其黏度低、與水接近，環(huán)保、耐久性好，相比環(huán)氧、聚氨酯類化學(xué)灌漿材料價格低很多，在本工程中硅溶膠主要應(yīng)用于采用常規(guī)漿液灌注砂層，根據(jù)本工程特點采用的漿液為S型漿液，初凝時間為10～30 min，在孔外A、B液按照1∶1比例混合后再進行灌注，操作簡便，固砂效果好。硅溶膠與砂層形成的膠凝體見圖4。

圖4 硅溶膠與砂層形成的膠凝體

4 應(yīng)用效果

在瀘定水電站壩基0+220 m～0+280 m段補強帷幕灌漿施工中，采用加重泥漿護壁鉆孔工藝配合孔口封閉裝置有效解決了覆蓋層鉆孔中遇到的涌水涌砂問題，覆蓋層最大鉆孔深度達(dá)到105 m；通過采用深孔套閥管灌漿工藝使全孔段灌漿效果得到了有效保證；復(fù)合灌漿材料及復(fù)合抗沖膏漿的應(yīng)用，有效解決了高壓動水條件下的漿液留存問題；硅溶膠的灌注有效保證了砂層的防滲效果。灌后檢查孔透水率均滿足設(shè)計要求，壩后涌水點滲流量從灌前的110 L／s減小到54 L／s，降低率達(dá)到50%，基本達(dá)到了預(yù)期研究目的，同時也為后續(xù)處理施工打下了堅實的基礎(chǔ)。

5 結(jié) 論

（1）通過鉆孔工藝研究，采用加重泥漿結(jié)合特制孔口封閉裝置的鉆孔工藝是合適的，能夠解決覆蓋層的全孔下設(shè)套閥管問題。

（2）通過灌漿工藝研究，采用套閥管工藝或套閥管工藝結(jié)合鉆灌交替工藝在技術(shù)上是可行的，綜合考慮地層孔隙率、孔斜情況為保證漿液擴散半徑覆蓋層灌漿壓力是適宜的。

（3）通過漿材體系研究，采用速凝、抗沖漿液、水泥基漿材、局部砂層仍需采用化學(xué)灌漿的方式進行灌注是適宜的，漿液留存問題和砂層灌注問題得到有效解決。

通過鉆孔工藝、灌漿工藝、漿材體系研究，結(jié)合驗證孔鉆孔取芯及壓水試驗成果分析，本次工藝試驗研究達(dá)到預(yù)期效果。