充填灌漿技術(shù)在強(qiáng)透水性復(fù)雜地層防滲墻施工中的應(yīng)用

張 前，周尚玉

（中國(guó)水電基礎(chǔ)有限公司，天津 301700）

1 應(yīng)用背景

始建于20世紀(jì)60～70年代的一些大型水庫(kù)，當(dāng)時(shí)為節(jié)約投資，大壩主體大部分為代料（砂礫石土）粘土心墻結(jié)構(gòu)的碾壓式粘土心墻代料組合壩，而采用該類回填料的土石壩，在運(yùn)行幾十年后，大都逐漸出現(xiàn)滲漏，導(dǎo)致水庫(kù)無(wú)法滿負(fù)荷蓄水影響庫(kù)容，同時(shí)不同程度地出現(xiàn)險(xiǎn)情。究其原因，主要是因?yàn)樵谛藿〞r(shí)受限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平、施工機(jī)械化程度和經(jīng)濟(jì)條件，在回填料的使用上沒有進(jìn)行嚴(yán)格控制，壩體的壓實(shí)度未達(dá)到技術(shù)要求。在對(duì)該類病險(xiǎn)水庫(kù)進(jìn)行除險(xiǎn)加固時(shí)，通常會(huì)在大壩心墻部位設(shè)置混凝土防滲墻進(jìn)行防滲處理以阻斷壩體內(nèi)的滲漏通道，保證大壩主體結(jié)構(gòu)安全。由于當(dāng)年建庫(kù)時(shí)的技術(shù)資料保存不完整、地勘資料不準(zhǔn)確，在防滲墻施工時(shí)，遇到該類松散透水地層時(shí)，槽孔內(nèi)大概率發(fā)生嚴(yán)重漏漿、大面積塌孔情況。如果采用常規(guī)性的方法如擠密夯實(shí)土體、控制造孔速度、調(diào)整造孔泥漿性能等措施,效果并不理想。還會(huì)造成固壁泥漿嚴(yán)重浪費(fèi)、擴(kuò)孔系數(shù)嚴(yán)重偏大、工期成本嚴(yán)重失控，極易引發(fā)安全生產(chǎn)事故。

如果在防滲墻施工前根據(jù)先導(dǎo)孔所探明的地質(zhì)狀況，提前對(duì)防滲墻軸線上、下游兩側(cè)進(jìn)行充填灌漿，對(duì)松散、透水土體內(nèi)的孔隙進(jìn)行有效填充，提高土體本身的整體性和支撐性，就可以在防滲墻施工過程中有效減小槽孔塌孔率、提高成墻質(zhì)量，保證防滲墻施工安全、質(zhì)量、進(jìn)度可控。

2 處理效果

為了保證防滲墻施工過程可控，在施工前通過先導(dǎo)孔探明地質(zhì)情況后開展生產(chǎn)性試驗(yàn)后，驗(yàn)證初步擬定的施工方案、選擇的施工機(jī)具及采取的施工工藝的適用性，通過試驗(yàn)成果來(lái)確定有針性的施工方案。本文通過對(duì)某病險(xiǎn)水庫(kù)碾壓式粘土心墻（心墻頂寬4.6m）代料組合壩塑性混凝土防滲墻（墻體厚度0.8m）施工前，在試驗(yàn)段對(duì)充填灌漿處理前后效果進(jìn)行對(duì)比，來(lái)檢驗(yàn)充填灌漿技術(shù)在該地層的有效性。

為了確定充填灌漿處理深度，保證生產(chǎn)性試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和客觀性，設(shè)置的試驗(yàn)區(qū)內(nèi)槽孔的地質(zhì)情況應(yīng)相對(duì)一致，且無(wú)明顯變化。選擇終孔深度相對(duì)較大的槽孔，以保證地層的相對(duì)完整、連續(xù)、有代表性。

按照以上原則，生產(chǎn)性試驗(yàn)段主要布置在防滲墻軸線范圍內(nèi)槽孔距離在30m（地質(zhì)情況無(wú)明顯變化）范圍之內(nèi)，且終孔深度不小于50m 的F-11 和F-15 兩個(gè)槽孔。試驗(yàn)區(qū)內(nèi)的F-11 槽孔在施工前不進(jìn)行充填灌漿處理，如遇漏漿、塌孔等特殊情況采用擠密夯實(shí)土體、控制造孔速度、調(diào)整造孔泥漿性能等常規(guī)措施進(jìn)行處理。F-15 槽孔則在開抓前，在槽孔上、下游兩側(cè)位置，距槽孔上、下游邊線外側(cè)1.6m 距離各設(shè)置一排充填灌漿孔進(jìn)行充填灌漿處理，孔間距2.0m。通過對(duì)試驗(yàn)區(qū)內(nèi)兩個(gè)槽孔處理效果的成果對(duì)比來(lái)為施工方案的確定提供依據(jù)。

2.1 地質(zhì)情況

為了保證地質(zhì)勘測(cè)資料的準(zhǔn)確性，在布置先導(dǎo)孔時(shí)采取加密原則，在F-10槽孔、F-15槽孔的軸線位置分別布置FXD-08和FXD-09兩個(gè)先導(dǎo)孔進(jìn)行鉆孔取芯并進(jìn)行簡(jiǎn)易壓水試驗(yàn)。

根據(jù)先導(dǎo)孔的施工成果（表1）可以發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)先導(dǎo)孔所探明的地質(zhì)情況都存在相似情況，即該碾壓式粘土心墻代料組合壩體在其粘土心墻填筑過程中，對(duì)填筑料的控制不夠嚴(yán)格，有大量砂礫土夾雜其中；部分位置出現(xiàn)了液化粘土，說明該部位碾壓時(shí)壓實(shí)度不足，導(dǎo)致上游庫(kù)內(nèi)水滲入壩體心墻內(nèi)導(dǎo)致其液化失穩(wěn)。以上情況多出現(xiàn)在距壩頂高程約15m 范圍內(nèi)，該范圍內(nèi)的土體松散，且多處失穩(wěn)、液化。按照壓水試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，該深度范圍內(nèi)透水率異常偏大，具有強(qiáng)透水性。

表1 先導(dǎo)孔成果統(tǒng)計(jì)表

2.2 常規(guī)措施的處理效果

按照試驗(yàn)方案，首先按照防滲墻施工常規(guī)做法對(duì)F-11槽孔進(jìn)行施工，派專業(yè)技術(shù)人員對(duì)其開挖過程進(jìn)行嚴(yán)密監(jiān)測(cè)。施工方法為：

（1）“抓取法”成槽，即采用金泰SG46 抓斗分“三抓”挖掘地層，形成槽孔；

（2）進(jìn)行固壁的泥漿采用Ca基膨潤(rùn)土泥漿確保開挖過程中槽孔穩(wěn)定；

（3）清孔采用“氣舉法”清孔換漿，JHD-200型泥漿凈化器凈化泥漿；

（4）澆筑方法采用泥漿下“直升導(dǎo)管法”；

（5）墻段連接采用“接頭管法”，保證接頭連接質(zhì)量。

在F-11 槽孔開抓后，由于頂部導(dǎo)墻的保護(hù)作用，孔深0～5m 范圍內(nèi)未出現(xiàn)明顯塌孔，但是泥漿滲漏情況非常明顯，通過降低抓取速度、泥漿內(nèi)加入鋸末減緩滲漏速度、利用抓斗斗體夯實(shí)槽孔內(nèi)土體后再繼續(xù)抓取等措施處理后，可以繼續(xù)造孔；但是在孔深8～15m范圍內(nèi)，由于槽孔孔壁兩側(cè)粘土內(nèi)砂礫石土含量極大，滲漏通道明顯，槽孔內(nèi)泥漿流失速度瞬間加快，多次出現(xiàn)孔內(nèi)泥漿瞬間排空的極端情況，泥漿滲漏速度遠(yuǎn)大于泥漿液補(bǔ)充速度，在此過程中，上述的處理措施已完全失效，且導(dǎo)墻底部大范圍出現(xiàn)孔壁坍塌、脫空情況，對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)的人員和設(shè)備安全產(chǎn)生重大威脅，只能迅速采用粘土回填已開挖部分，防止出現(xiàn)嚴(yán)重后果。回填完成后，通過至少8h自然沉降，采取了將膨潤(rùn)土調(diào)整為Na基膨潤(rùn)土并在泥漿內(nèi)增加鋸末等堵漏材料、降低抓取速度同時(shí)通過抓斗斗體先夯實(shí)后開抓等措施后艱難成槽完成澆筑。雖然通過各種處理措施完成該槽孔的施工，由于大范圍的塌孔，對(duì)后續(xù)相鄰槽孔施工時(shí)的安全、進(jìn)度造成很大影響，不僅降低了施工效率、還增加了施工難度和成本投入。

F-11槽孔造孔施工過程情況見表2。

表2 F-11槽孔施工情況統(tǒng)計(jì)表

F-11槽孔澆筑過程中，按照不同深度的混凝土耗用量繪制澆筑指示圖（見圖1）。

圖1 F-11澆筑指示圖

按照F-11槽孔的造孔和澆筑情況分析，該槽孔澆筑時(shí)的擴(kuò)孔系數(shù)與造孔時(shí)槽孔內(nèi)的情況相應(yīng)位置的情況一致，即塌孔、漏漿的嚴(yán)重性與擴(kuò)孔系數(shù)（K）成正比。F-11槽孔擴(kuò)孔系數(shù)K=1.29，該槽孔擴(kuò)孔系數(shù)相對(duì)于正常粘土層防滲墻的擴(kuò)孔系數(shù)（約K＜1.1）是要明顯偏大的。

由此可以看出，在地質(zhì)情況異常復(fù)雜情況下，采用常規(guī)措施處理造孔過程的特殊情況，并不能起到理想的效果。若僅靠施工單位本身過硬的技術(shù)能力、極為豐富的施工經(jīng)驗(yàn)和合理的處理措施來(lái)彌補(bǔ)地質(zhì)條件先天缺陷，從而保證施工質(zhì)量、安全和進(jìn)度是不現(xiàn)實(shí)的。而頻繁出現(xiàn)異常漏漿和大范圍塌孔，使得施工效率低下，經(jīng)常性地進(jìn)行回填、復(fù)抓等重復(fù)性施工。同樣，在澆筑過程中擴(kuò)孔系數(shù)遠(yuǎn)大于正常值范圍，會(huì)使泥漿回收率大大降低、混凝土的耗用量大大增加，不止付出數(shù)倍的人工、材料和設(shè)備成本，而且會(huì)導(dǎo)致孔型失控，影響成墻質(zhì)量。

因此，先對(duì)松散、強(qiáng)透水性復(fù)雜地層進(jìn)行有效處理后，再開始防滲墻施工，才能提高成槽效率、降低施工成本、保證施工安全和質(zhì)量。

2.3 充填灌漿處理效果

結(jié)合前期先導(dǎo)孔成果與F-11 槽孔的施工情況進(jìn)行分析，在該地層中造孔，從開孔即出現(xiàn)漏漿情況，尤其在孔深8～15m 范圍內(nèi)出現(xiàn)異常嚴(yán)重的漏漿甚至泥漿液瞬間排空現(xiàn)象。與先導(dǎo)孔巖芯對(duì)比發(fā)現(xiàn)，該深度范圍內(nèi)的巖樣中砂礫石含量大于65%，其漏漿情況也與壓水試驗(yàn)結(jié)果相吻合。大壩粘土心墻的粘土內(nèi)砂礫石含量很大，且土體松散，說明在建壩時(shí)距壩頂15m深度范圍內(nèi)材料控制和碾壓質(zhì)量均不達(dá)標(biāo)。該地層屬大孔隙、強(qiáng)透水的易滲漏地層。在這類地層中進(jìn)行防滲墻施工，若不先對(duì)透水孔隙進(jìn)行填充、加固，封閉滲漏通道，無(wú)法保證防滲墻施工質(zhì)量，會(huì)對(duì)生產(chǎn)安全和施工效率產(chǎn)生很大負(fù)面作用。如果要從根本上解決嚴(yán)重漏漿問題，需先對(duì)該類地層大滲漏孔隙進(jìn)行充填處理，隔絕滲漏通道，而充填灌漿技術(shù)是應(yīng)對(duì)此類問題快捷、經(jīng)濟(jì)、有效的處理方法[2]

2.3.1 孔位布置

F-15槽孔開抓前，在槽孔上、下游兩側(cè)位置，距槽孔上、下游邊線外側(cè)1.6m距離各設(shè)置一排充填灌漿孔進(jìn)行充填灌漿處理，鉆孔孔徑?110mm，間距2.0m。按照F-11 和先導(dǎo)孔情況來(lái)看，嚴(yán)重塌孔、漏漿情況主要出現(xiàn)在深度小于15m 范圍內(nèi)，為保證充填范圍的有效性，試驗(yàn)段鉆孔深度暫定為16m。灌漿孔分2 序施工，施工順序?yàn)椋合娶裥蚩缀螈蛐蚩祝壬嫌闻藕笙掠闻?。灌漿壓力則利用漿液自重和灌漿泵自帶泵壓進(jìn)行無(wú)壓力灌漿，對(duì)松散地層進(jìn)行處理，灌漿材料采用水泥膨潤(rùn)土漿液，孔位布置見圖2。

圖2 充填灌漿孔位布置圖

2.3.2 漿液配比及制備

充填灌漿的漿液采用水泥粘土漿（水固比為0.5∶1），采用大密度漿液使?jié){液保持較大稠度，有利于漿液在可控制的擴(kuò)散范圍內(nèi)縮短漿液凝結(jié)時(shí)間，提高充填灌漿的可控性和有效性，如遇特殊情況，出現(xiàn)吃漿量異常時(shí)可在漿液中加入細(xì)砂進(jìn)行灌注。

充填灌漿液采用ZJ-1000 高速攪拌機(jī)進(jìn)行拌制，制漿程序如下：

（1）制漿材料使用順序：按照配合比，先在攪拌桶內(nèi)加入水，然后加入水泥攪拌均勻，最后加入粘土粉充分?jǐn)嚢瑁?/p>

（2）制出穩(wěn)定漿液后應(yīng)過篩除去漿液中混雜的大顆粒雜質(zhì)后存入儲(chǔ)漿池，通過事先布置好的管路，使用S-300灌漿泵輸至孔口。

2.3.3 充填灌漿施工工藝

施工時(shí)使用HK-360 型深孔鉆機(jī)無(wú)水干鉆成孔，然后由MDL-150型錨固鉆機(jī)下設(shè)套管固壁，采用自下而上分段提升套管無(wú)壓灌漿的施工工藝，工藝流程見圖3。

（1）鉆孔。本次充填灌漿的處理范圍按照方案，主要針對(duì)位于孔深小于15m 范圍內(nèi)的松散地層，根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際地質(zhì)情況，由于地層松散且透水性強(qiáng)，需干鉆成孔后套管護(hù)壁，本次試驗(yàn)采用HK-360 型深孔鉆機(jī)無(wú)水干鉆成孔，MDL-150 型錨固鉆機(jī)下設(shè)套管，一鉆成孔至計(jì)劃孔深后下設(shè)套管，保證鉆孔的有效孔徑，這樣漿液在自重壓力作用下能有效滲入壩體滲漏通道[1]。鉆孔采用直徑不小于108mm 的合金鉆頭進(jìn)行。灌漿前，由MDL-150 型錨固鉆機(jī)上提套管至距孔底不大于5m，準(zhǔn)備灌漿。

（2）灌漿。灌漿段長(zhǎng)自上而下分別按照6m、5m、5m的長(zhǎng)度來(lái)進(jìn)行設(shè)置，施工過程中的可以根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)調(diào)整段長(zhǎng)，地質(zhì)情況差，可以縮短段長(zhǎng)；地質(zhì)條件好，可增加段長(zhǎng)。從而保證灌漿質(zhì)量、提高灌漿效率。灌漿時(shí)采用自下而上分段灌漿，下部一段灌漿結(jié)束后，套管上提達(dá)到上部下一段灌漿長(zhǎng)度后繼續(xù)灌漿，直至提出孔口完成最后一段灌漿。灌漿壓力為漿柱自重壓力與灌漿泵輸漿泵壓之和，即無(wú)壓力灌漿。灌漿時(shí)漿液由儲(chǔ)漿池通過管路泵送入孔，當(dāng)灌注段不吃漿或者孔內(nèi)漿液冒出孔口時(shí)，即可結(jié)束本段灌漿，總體灌漿情況見表3。

表3 F-15灌漿情況統(tǒng)計(jì)表

2.3.4 效果檢驗(yàn)

充填灌漿施工完畢24h后，即開始F-15槽孔的施工。為了形成對(duì)比，造孔時(shí)采用的泥漿、施工工藝與F-11槽孔保持一致。F-15槽孔整個(gè)施工過程非常順利，不但在造孔時(shí)未出現(xiàn)大規(guī)模塌孔和嚴(yán)重漏漿情況（造孔情況見表4），而且在澆筑過程中，F(xiàn)-15槽孔的終澆擴(kuò)孔系數(shù)（K值）僅為1.06（見圖4），擴(kuò)孔系數(shù)明顯減小，混凝土消耗量大幅度降低。

圖4 F-15澆筑指示圖

表4 F-15槽孔施工情況統(tǒng)計(jì)表

3 結(jié)論

通過F-11 和F-15 兩個(gè)槽孔施工情況對(duì)比來(lái)看，在強(qiáng)透水性復(fù)雜地層防滲墻施工前通過充填灌漿技術(shù)對(duì)松散、強(qiáng)透水性滲漏地層先進(jìn)行處理，可以使土體的密實(shí)度得到有效增強(qiáng)，通過漿液對(duì)松散土體顆粒之間進(jìn)行有效、充分填充，提高土體本身的閉水、阻水性能。最終從根本上使槽孔兩側(cè)的孔壁的直立性、防滲漏性得到顯著提高，極大地改善地質(zhì)條件，從而確保灌后防滲墻施工過程控制的可靠性。

所以，依據(jù)可靠的地質(zhì)復(fù)核成果，在強(qiáng)透水性復(fù)雜地質(zhì)條件防滲墻施工前采用充填灌漿技術(shù)對(duì)地層進(jìn)行有效處理，可以極大地節(jié)約成本、縮短工期，同時(shí)對(duì)槽孔的安全性和可靠性產(chǎn)生質(zhì)的提升。