基于復(fù)雜地質(zhì)條件下的水庫壩基帷幕灌漿施工問題分析

徐力澤

(新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，烏魯木齊 830091)

某水庫的主壩屬于均質(zhì)土壩，壩頂寬約6m，壩體長度為441m，。高為40m。水庫總?cè)萘繛?.96億m3，由于建設(shè)年代較為久遠(yuǎn)，受限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件，填筑壩體之前未做好壩基清理工作，河床、壩肩等處出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的滲漏問題，因而需要采取壩基帷幕灌漿施工技術(shù)針對(duì)此水庫的壩基實(shí)施加固。原有的帷幕灌漿設(shè)計(jì)是在壩頂中心線兩側(cè)分別設(shè)置一排灌漿孔，兩排之間留有1.5m的距離。河床段及巖坡段的孔距分別設(shè)置為3m與4m，共鉆進(jìn)孔子洞為188個(gè)，鉆孔進(jìn)尺總量為7487m，灌漿段的總長度為3164m。

1 水庫地質(zhì)條件分析

1.1 地貌特征

本水庫的建設(shè)地為低山丘陵區(qū)，為構(gòu)造剝蝕侵蝕地貌。山體結(jié)構(gòu)為下古生界碎屑巖與泥質(zhì)巖組合而成，在長年的剝蝕侵蝕影響下，形成了較厚的風(fēng)化殼。河床鉆孔時(shí)遇到了厚度為3m的沖擊卵礫石層，河床段屬于二級(jí)侵蝕堆積階地。此水庫處于多個(gè)構(gòu)造帶復(fù)合區(qū)域，新華夏系是其主要控制構(gòu)造帶。水壩右肩上游存在三條小斷層，破碎區(qū)域最窄處為5cm，最寬處為30cm，斷層結(jié)構(gòu)成分為糜棱巖與石英脈相摻雜。

1.2 基巖及透水層情況

本水庫壩址基巖為古老淺變質(zhì)巖，是在長時(shí)間地質(zhì)剝蝕與侵蝕下形成的，在高強(qiáng)度風(fēng)化作用影響下形成了程度不一的風(fēng)化帶。整個(gè)風(fēng)化帶巖體均為散體結(jié)構(gòu)，主要成分是土與巖塊。全區(qū)均有強(qiáng)風(fēng)化帶分布，為碎裂結(jié)構(gòu)型巖體。全區(qū)各處均有弱風(fēng)化帶，為強(qiáng)度較低的層狀結(jié)構(gòu)。壩基透水層主要是強(qiáng)弱風(fēng)化帶及河床砂卵礫石，透水層分布具有連續(xù)性特征，最薄處為10m，最厚處不超過30m。滲透系數(shù)最低值為1×10-4，最高值為1×10-2。透水率介于10Lu與100Lu之間。

2 復(fù)雜地質(zhì)條件下水庫壩基帷幕灌漿施工問題分析

由于本水庫壩基加固工程位于地質(zhì)條件相對(duì)復(fù)雜的區(qū)域，需要重點(diǎn)解決的施工問題主要有2個(gè)方面：①灌漿參數(shù)選擇困難。由于壩基透水層的滲透系數(shù)較高，需要在應(yīng)用適合灌漿材料的基礎(chǔ)上，選擇適合的灌漿參數(shù)，從而有效降低水庫壩基的滲透系數(shù)，消除河床與壩肩滲漏問題。但受到工程地質(zhì)條件的影響，灌漿參數(shù)確定面臨較大難度[1]。②原有帷幕設(shè)計(jì)中布孔方式存在問題，河床段與巖坡段孔距過大，并且對(duì)漏水孔段或透水率較高孔洞鉆孔時(shí)較為困難。針對(duì)這些問題，本工程實(shí)施中進(jìn)行了三次灌漿試驗(yàn)，結(jié)合三次試驗(yàn)的結(jié)果得出了最為適合的灌漿施工參數(shù)及最佳的施工工藝及布孔方式，以此保證復(fù)雜地質(zhì)條件下水庫壩基帷幕灌漿施工的質(zhì)量。

3 基于復(fù)雜地質(zhì)條件的水庫壩基帷幕灌漿施工問題解決方法

3.1 優(yōu)選灌漿參數(shù)選擇

本水庫壩基帷幕灌漿施工中所選用的灌漿材料為32.5型普通硅酸鹽水泥，以純水泥漿液灌注，并在其中添加適量偏硅酸鈉水溶液作為添加劑。為確定最佳的灌漿參數(shù)，本工程展開了三次帷幕灌漿試驗(yàn)。

3.1.1 首次帷幕灌漿試驗(yàn)

3.1.1.1 孔位布置

第一次帷幕灌漿試驗(yàn)時(shí)，上排孔位設(shè)置于靠近壩頂上游邊線2.25m處，間隔1.5m布設(shè)下排孔，上下兩排各設(shè)置5個(gè)孔，交錯(cuò)分布。

3.1.1.2 鉆孔施工

針對(duì)土層區(qū)域，選用直徑為11cm硬質(zhì)合金鉆頭泥漿護(hù)壁鉆進(jìn)法，將厚度低于8.9cm的鋼管埋設(shè)于巖面之上，按照水灰比為0.6∶1配置泥漿，灌注于鋼管背側(cè)及土體之間，預(yù)留2日凝固時(shí)間而后實(shí)施巖石鉆孔。利用5.9cm的金剛石鉆頭雙管單動(dòng)鉆具作為基巖處鉆進(jìn)工具，并取芯描述。

3.1.1.3 巖石裂隙沖洗及注水、壓水試驗(yàn)

沖洗巖石裂隙時(shí)采用壓力水沖洗法，以灌漿壓力的80%作為沖洗壓力值，無需沖洗卵礫石層，直接實(shí)施注水試驗(yàn)。巖層處采用單點(diǎn)法壓水試驗(yàn)，試驗(yàn)水壓應(yīng)設(shè)定為0.3MPa。

3.1.1.4 灌漿試驗(yàn)

灌漿時(shí)采用由上至下的孔口封閉法，采取循環(huán)注漿模式，射漿管與孔底之間應(yīng)留有0.5m的距離。應(yīng)分段注漿，卵礫石層段、巖層接觸段的注漿長度分別設(shè)定為1m與2m，其余注漿段均為5m長度。

3.1.1.5 施工問題分析

首次灌漿參數(shù)試驗(yàn)中，土層鉆進(jìn)時(shí)出現(xiàn)了多次黏土漿滲漏問題，巖層部分孔段鉆孔時(shí)未出現(xiàn)返水現(xiàn)象。采取巖芯時(shí)發(fā)生了破碎，采取率最低為14%，最高為80%。一些孔巖層中存在厚度0.2～4.36m不等的夾泥層，沖洗巖層裂隙時(shí)部分灌段不起壓或未出現(xiàn)返水現(xiàn)象。灌漿時(shí)最高耗灰量高達(dá)了10.1t/s。灌漿施工時(shí)綜合應(yīng)用了低壓控制、限定流量或間歇灌漿等措施，但孔段均需復(fù)灌3～4次左右。

3.1.1.6 試驗(yàn)成果分析

運(yùn)用注水試驗(yàn)法對(duì)孔卵石層進(jìn)行注水試驗(yàn)，巖層則采取五點(diǎn)法分段壓水試驗(yàn)，得到的透水率結(jié)果介于2.23Lu與66.96Lu之間，與規(guī)定要求的低于5Lu要求不相符。

3.1.2 二次灌漿試驗(yàn)

3.1.2.1 試驗(yàn)方法

本次灌漿試驗(yàn)時(shí)，分別提高了各個(gè)試驗(yàn)施工段的灌漿壓力，與首次灌漿試驗(yàn)相比，壓力值提高了0.1MPa。且采取孔口封閉分段灌注方法，在灌漿吸漿量較低時(shí)，增大稀漿灌注量，以使之在短時(shí)間內(nèi)快速達(dá)到設(shè)計(jì)壓力值。灌漿后卵礫石層及接觸段的凝固時(shí)間分別設(shè)定為8h與24h以上。同時(shí)，各段均需檢測(cè)地下水位并實(shí)施注水試驗(yàn)。利用五點(diǎn)法針對(duì)下栓塞展開壓水試驗(yàn)，并計(jì)算其透水率[2]。

3.1.2.2 試驗(yàn)結(jié)果

兩個(gè)試驗(yàn)段分別設(shè)置2個(gè)檢查孔，經(jīng)檢測(cè)，河床段檢查孔的透水率控制在5Lu之下，達(dá)到了設(shè)計(jì)透水率要求。卵石層低于2.59×10-4cm/s接觸段的孔段均達(dá)到了試驗(yàn)要求。檢查共設(shè)置了20段檢查孔，具體檢查成果如表1所示。

表1 二次灌漿試驗(yàn)檢查成果分析

3.1.3 第三次灌漿試驗(yàn)

雖然二次試驗(yàn)中河床段的透水率要求已達(dá)標(biāo)，然而岸坡段灌漿效果并不夠理想，因而通過第三次試驗(yàn)進(jìn)一步調(diào)整參數(shù)，并強(qiáng)化過程控制力度。

3.1.3.1 參數(shù)調(diào)整

本次以水氣輪換方式替代壓力水進(jìn)行巖石裂隙的沖洗，水壓仍然設(shè)定為灌漿壓力的80%，氣壓控制在0.3MPa以下(詳見表2)。對(duì)砂卵石層與接觸段的灌漿壓力進(jìn)行分別調(diào)整。灌漿時(shí)在保持壩體不變形的基礎(chǔ)上盡可能增大灌漿壓力，以快速達(dá)到試驗(yàn)壓力。

表2 三次試驗(yàn)沖洗及灌漿壓力參數(shù)

3.1.3.2 灌漿工藝調(diào)整

按照灌漿壓水試驗(yàn)確定灌漿水灰比，以循環(huán)式灌注方法實(shí)施灌漿，水灰比設(shè)定為按照5∶1或3∶1。吸漿量較高孔段采純壓灌注法復(fù)灌，且在其中加入適量的偏硅酸納水溶液。吸漿量較少區(qū)域增大稀漿灌注量，同一比級(jí)的漿液灌注量超過500L之后，如果壓力未發(fā)生變化，或吸漿率變化不明顯，以濃度高一等級(jí)的漿液灌注。若灌注漿液變濃后吸漿量減少或是不吸漿，應(yīng)調(diào)回原有漿液等級(jí)。同時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)水泥用量控制，各灌漿段耗灰量應(yīng)介于1～1.5t之間。除接觸段凝固時(shí)間設(shè)置為24h外，其余灌漿段均設(shè)定為8h。

3.1.4 試驗(yàn)成果分析

本次試驗(yàn)設(shè)置了10段檢查孔設(shè)置，各個(gè)檢孔段設(shè)2個(gè)檢查孔，全部利用五點(diǎn)法進(jìn)行壓水試驗(yàn)。經(jīng)測(cè)定，僅有一段透水率為6.19Lu，未達(dá)到透水率要求，另外9段的透水率均<5Lu，合格率高達(dá)90%。第三次試驗(yàn)的灌漿參數(shù)應(yīng)作為最佳施工參數(shù)。

3.2 合理布孔、調(diào)整灌漿施工工藝

3.2.1 布孔調(diào)整

經(jīng)試驗(yàn)分析得知，原先設(shè)計(jì)的布孔方式并不合理，因而將設(shè)計(jì)中上游排孔取消，只保留下游一排孔，并將岸坡段與河床段的孔距分別調(diào)整為1.33m與1.5m。

3.2.2 施工工藝優(yōu)化

本工程壩基帷幕灌漿施工時(shí)，采用水氣輪換方法對(duì)巖石裂隙做沖洗處理，氣壓值應(yīng)設(shè)定為0.3MPa，各次灌漿水泥量設(shè)定為75～150kg/m之間，凝固后再逐一復(fù)灌。針對(duì)透水率較大或鉆孔時(shí)出現(xiàn)漏水現(xiàn)象的孔段，以孔口注漿法灌注，或減少注漿量，再利用孔口封閉循環(huán)法掃孔復(fù)灌。針對(duì)吸漿量較大、難以起壓的灌漿孔，應(yīng)控制灌漿流量、降低灌漿壓力，或采取間歇式灌漿法，并需加入適量的偏硅酸鈉水溶液。終孔段透水率高于5Lu的孔段需提高灌段深度。

3.3 復(fù)雜地質(zhì)水庫壩基帷幕灌漿施工問題解決成效檢查

通過檢查灌漿效果發(fā)現(xiàn)，本工程各序孔的平均耗灰量分別為452.4kg/m、406.04kg/m、253.62kg/m，本工程帷幕灌漿與水泥漿液灌注規(guī)律相符。同時(shí)，各個(gè)單元灌漿14日后，從灌漿孔中選取10%做效果檢查，分別對(duì)卵礫石層及巖石層展開注水試驗(yàn)及五點(diǎn)法分段壓水試驗(yàn)，得出礫卵石層的滲透系數(shù)未超過10-4cm/s，且?guī)r層透水率也控制在5Lu以下。在本工程24單元中設(shè)置了26個(gè)檢查孔，所有檢查結(jié)果均與設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)相符。

4 結(jié) 語

由于本工程地質(zhì)條件較為復(fù)雜，為解決帷幕灌漿施工參數(shù)難確定的問題，展開了三次灌漿試驗(yàn)，通過結(jié)果對(duì)比與參數(shù)調(diào)整得出了最優(yōu)的帷幕灌漿施工參數(shù)。同時(shí)復(fù)雜地質(zhì)條件下，應(yīng)在保證施工規(guī)范性的基礎(chǔ)上采取可行性的施工措施，降低施工難度，保證施工質(zhì)量。文章采用限量法控制灌漿量，并調(diào)整了凝固時(shí)間、添加了相應(yīng)的加速凝劑，以此降低復(fù)灌次數(shù)，實(shí)現(xiàn)了施工速度的提升，且?guī)r石裂隙方面以水氣輪換沖洗法替代水壓力沖洗法，為水庫壩基帷幕灌漿施工質(zhì)量的提升提供了保障[3]。