宜春市四方井水利樞紐工程基礎(chǔ)帷幕灌漿處理技術(shù)及防滲效果分析

葛 亮

（江西省宜春市水利局,江西 宜春 336000）

1 工程概況

宜春市四方井水利樞紐工程位于袁河支流溫湯河下游,水庫(kù)壩址以上流域面積173 km2,多年平均流量5.35 m3/s,多年平均凈流量1.69×108m3,多年平均徑流深975.22 mm,壩址徑流的年內(nèi)變化較大,6 月份最大,占全年徑流量的14.5%；12 月份最小,占全年徑流量的4.0%。四方井水庫(kù)正常蓄水位152.00 m,主壩設(shè)計(jì)洪水位153.93 m,壩頂高層155.80 m,壩頂寬8.0 m,壩頂長(zhǎng)338 m,大壩為粘土心墻壩。由于該水利樞紐所在地區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜,加上施工技術(shù)等原因在基礎(chǔ)部位出現(xiàn)局部滲漏,需要采取防滲措施。結(jié)合地質(zhì)條件和滲漏情況,決定采取帷幕灌漿技術(shù)進(jìn)行處理。

2 帷幕灌漿防滲處理技術(shù)的應(yīng)用

帷幕灌漿是水工建筑物防滲處理中常用的技術(shù),其原理是在確定裂隙位置后,從地面向下鉆孔,然后以高壓向鉆孔內(nèi)注入漿液,漿液在壓力作用下向裂隙內(nèi)滲透,使裂縫內(nèi)充滿(mǎn)漿液進(jìn)而起到封堵裂隙、防止?jié)B水的效果。多個(gè)鉆孔以特定間距、行距排列,相鄰鉆孔之間漿液相互連接形成帷幕,進(jìn)一步提高了水工建筑物基礎(chǔ)的防滲性能。帷幕底線(xiàn)深至巖石透水率小于5 Lu 的地帶,河床部位的帷幕底線(xiàn)高程為108.80 m,先導(dǎo)孔比普通孔深5 m,兩壩肩處的帷幕孔深由大壩中心向壩肩兩側(cè)逐漸遞減。

2.1 施工準(zhǔn)備

為保證帷幕灌漿施工順利進(jìn)行,需要做好前期準(zhǔn)備工作。開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)勘查工作,利用地質(zhì)探測(cè)設(shè)備明確四方井水利樞紐工程基礎(chǔ)上裂縫的數(shù)量、分布位置,條件允許的情況下還要進(jìn)一步探明裂縫的深度、長(zhǎng)度、走向,根據(jù)上述信息合理布置鉆孔位置,對(duì)提高帷幕注漿防滲效果有積極幫助。同時(shí),做好設(shè)備儀器的準(zhǔn)備工作,本工程帷幕灌漿施工中所需的儀器有XY-20C 型地質(zhì)鉆機(jī)、SGB6-10 型灌漿泵、ZJ400 型制漿機(jī)、D6-25 型高壓水泵以及KXP-IS 型測(cè)斜儀等。工作人員需要對(duì)各類(lèi)儀器、設(shè)備進(jìn)行逐一檢查,核對(duì)型號(hào)、規(guī)格、數(shù)量是否與清單備注一致,確定不存在問(wèn)題后安排設(shè)備進(jìn)場(chǎng)。對(duì)于帷幕灌漿施工所用的各類(lèi)材料也要進(jìn)行仔細(xì)檢查,本工程中所用水泥均為42.5 普通硅酸鹽水泥,應(yīng)確保水泥無(wú)受潮、板結(jié)情況,使用前要用孔徑為100μm 的防控篩子過(guò)篩,并且保證篩余量不得超過(guò)5%。對(duì)于超過(guò)生產(chǎn)日期30 天、有受潮結(jié)塊的水泥,一律不得使用。摻入水泥中的砂子、粉煤灰、水玻璃等也要根據(jù)施工要求進(jìn)行質(zhì)量檢查,并按照配合比制作成不同濃度的漿液。本工程中帷幕灌漿所用漿液均為現(xiàn)配現(xiàn)用,保證灌漿效果,制備的漿液如果在6h 內(nèi)沒(méi)有使用完畢應(yīng)當(dāng)廢棄。

2.2 鉆孔施工

本工程采用XY-2PC 型回轉(zhuǎn)地質(zhì)鉆機(jī)進(jìn)行壩面鉆孔,采用合金鉆頭。為保證鉆孔垂直于壩面,鉆孔前使用水準(zhǔn)儀進(jìn)行鉆機(jī)立軸的垂直度校正?，F(xiàn)場(chǎng)施工人員清理壩面的雜物后,按照設(shè)計(jì)圖紙?jiān)趬蚊嫔线M(jìn)行測(cè)量放樣,標(biāo)記出孔位,復(fù)核孔位坐標(biāo)無(wú)誤后開(kāi)始進(jìn)行鉆孔。本工程中共設(shè)有3 序孔,Ⅰ序孔的孔徑為100 mm,孔深為2 m。鉆至設(shè)計(jì)孔深后開(kāi)始?jí)核囼?yàn),符合施工要求后再進(jìn)行灌漿作業(yè)；Ⅱ序孔和Ⅲ序孔的孔徑均為80 mm,孔深為2 m。將鉆機(jī)移動(dòng)至1 號(hào)孔位上,設(shè)定好鉆機(jī)參數(shù),包括鉆孔壓力、鉆進(jìn)速度等,然后啟動(dòng)鉆機(jī)進(jìn)行鉆孔[1]。期間施工人員密切關(guān)注壓力表,如果出現(xiàn)壓力突然增加或減小的情況,需要立即查明原因,必要時(shí)可暫停鉆進(jìn)。實(shí)際鉆孔深度與設(shè)計(jì)鉆孔深度之間的誤差不得超過(guò)10 mm,鉆至設(shè)計(jì)深度后進(jìn)行成孔質(zhì)量檢查,檢查孔斜率是否達(dá)標(biāo),觀察有無(wú)孔壁坍塌問(wèn)題。對(duì)于不符合要求的要及時(shí)填埋并在相鄰位置重新開(kāi)孔,對(duì)于符合要求的進(jìn)行鉆孔清洗。

2.3 鉆孔清洗

本工程中使用的鉆桿裝有巖芯管,在鉆孔檢查達(dá)標(biāo)后可以利用地面的水泵向桿內(nèi)注水,用高壓水沖洗孔內(nèi)砂石,達(dá)到清孔效果。這樣既可以保證清孔徹底,同時(shí)還能簡(jiǎn)化施工工序。沖洗時(shí)間水壓設(shè)定為灌漿壓力的80%即可,最大不得超過(guò)1MPa。現(xiàn)場(chǎng)施工人員注意觀察孔內(nèi)返水,在返水澄清后需要繼續(xù)沖洗5 min 方可停止,要求單個(gè)鉆孔沖洗時(shí)間不得低于20 min,沖洗完畢后孔底沉積物厚度不得超過(guò)10 cm。清孔結(jié)束后進(jìn)行壓水試驗(yàn),其目的是直觀地掌握該工程所在地區(qū)的地層透水性,以便于根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果配制灌漿漿液。本工程采用“單點(diǎn)法”壓水,透水率（T）計(jì)算公式如下：

式中：Q 為每分鐘注入裂隙中的水量L/min；H 為總的壓水力,以水頭計(jì),m；L 為壓水試驗(yàn)段的長(zhǎng)度,m。

2.4 孔口封閉灌漿

本工程使用的孔口管是直徑為98 mm 的無(wú)縫鋼管,頂部設(shè)有法蘭盤(pán),保證與孔口封閉器牢固連接。在鉆機(jī)鉆至第一段底部后,使用常規(guī)的灌漿設(shè)備進(jìn)行灌漿,漿液達(dá)到標(biāo)高后再換成0.5∶1 的水泥漿液置換孔內(nèi)漿液。等到灌漿孔注滿(mǎn)后,將孔口管垂直放入孔內(nèi),讓孔口管的中心軸線(xiàn)與灌漿孔的中心軸線(xiàn)完全重合?？卓诠芊湃牒箪o置約6 h,在漿液完成初凝后繼續(xù)開(kāi)展下一步施工。由于孔口封閉灌漿屬于高壓灌漿（灌漿壓力在5 MPa 左右）,為保證壩體裂隙中能夠充滿(mǎn)漿液達(dá)到理想的防滲和加固效果,需要將孔口管鑲嵌到基巖中,保證高壓灌漿時(shí)不會(huì)出現(xiàn)孔口管偏移的情況?？卓诠芮度牖鶐r的深度至少要達(dá)到1.5 m,同時(shí)為了保證漿液能夠在孔內(nèi)循環(huán),還要求射漿管的管口與孔底距離小于50 cm。封閉器作為連接灌漿管路和孔口管的中間設(shè)備,對(duì)封閉器的安裝也提出了嚴(yán)格要求。安裝封閉器前,施工人員應(yīng)檢查封閉器的密封性能,保證孔口封閉灌漿時(shí)能夠做到不漏氣、不漏漿。完成準(zhǔn)備工作后,設(shè)定灌漿設(shè)備的注漿壓力、注漿速度等參數(shù),然后開(kāi)始孔口封閉灌漿,為了防止灌漿過(guò)程中相鄰兩個(gè)鉆孔之間出現(xiàn)串漿情況進(jìn)而影響防滲效果,本工程中對(duì)鉆孔進(jìn)行了排序,將全部的276 個(gè)鉆孔分成了3 序,其中I 序孔70 個(gè),Ⅱ序孔69 個(gè),Ⅲ序孔137 個(gè)。采用間隔灌漿的方式,首先完成I 序孔的灌漿,然后依次是Ⅱ序空和Ⅲ序孔,這種施工方式有利于形成均勻、連續(xù)的帷幕體。

為了防止灌漿過(guò)程中相鄰兩個(gè)鉆孔之間出現(xiàn)串漿情況進(jìn)而影響防滲效果,本工程中對(duì)鉆孔進(jìn)行了排序,將全部的276個(gè)鉆孔分成了3 序,其中I 序孔140 個(gè),Ⅱ序孔70 個(gè),Ⅲ序孔66 個(gè)。采用間隔灌漿的方式,首先完成I 序孔的灌漿,然后依次是Ⅱ序空和Ⅲ序孔,這種施工方式有利于形成均勻、連續(xù)的帷幕體。

2.5 帷幕灌漿特殊情況處理

在帷幕灌漿施工中,由于各條裂隙的深度、長(zhǎng)度存在差異,加上壩體結(jié)構(gòu)、漿液濃度等諸多因素的影響,在灌漿時(shí)容易出現(xiàn)地面冒漿、孔內(nèi)漏漿、壓力突增等多種特殊情況,要求現(xiàn)場(chǎng)施工人員能夠?qū)Πl(fā)生的各類(lèi)特殊情況作出妥善處理。在本次四方井水利樞紐工程基礎(chǔ)帷幕灌漿作業(yè)中,遇到了以下三類(lèi)特殊情況：

1）是鉆孔至基巖處,出現(xiàn)了失水、落鉆情況,落鉆36 cm。在觀察到這一情況后,施工人員立即停止鉆孔,并使用0.5∶1的漿液進(jìn)行分次灌注。第一次灌注量為2 t,灌完后靜置30 min,等到漿液初步凝固后再進(jìn)行第二次灌注,灌注量為2.5 t,同樣靜置30 min,重復(fù)該方法共計(jì)灌注13.9 t,問(wèn)題得到解決。

2）是壓水回水較小甚至是無(wú)回水情況。分別按照1∶1 和0.8∶1 的比例配制了漿液進(jìn)行灌孔；同時(shí),將關(guān)鍵壓力從原來(lái)的5 MPa 降低至3.5 MPa,將灌漿流量調(diào)整為原來(lái)的80%,并采取間歇灌漿措施,間歇時(shí)間為30 min。按照上述方法單孔灌漿量為4240 kg,問(wèn)題得到解決。

3）是鉆機(jī)壓力增加但是鉆頭進(jìn)深不變的情況,推測(cè)原因是遇到孤石。現(xiàn)場(chǎng)施工人員調(diào)整鉆孔方法,改為沖擊鉆進(jìn),并適當(dāng)減小了鉆進(jìn)壓力。經(jīng)過(guò)反復(fù)、多次沖擊后,孤石被破碎,鉆機(jī)壓力恢復(fù)正常,鉆頭能夠正常鉆進(jìn)。

3 帷幕灌漿防滲效果分析

3.1 帷幕透水率分析

統(tǒng)計(jì)各次序灌漿孔壓水試驗(yàn)的透水率,結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 帷幕透水率分析表

由表1 數(shù)據(jù)可知,各次序灌漿孔壓水試驗(yàn)的透水率呈現(xiàn)出降低趨勢(shì)。Ⅰ序灌漿孔的壓水透水率平均值為19.58 Lu,說(shuō)明經(jīng)過(guò)帷幕灌漿后水利樞紐基礎(chǔ)的滲水情況得到改善,但是透水率仍然處于較高水平；經(jīng)過(guò)Ⅱ序灌漿孔和Ⅲ灌漿孔的施工處理后,壓水透水率的平均值降低為8.35 Lu,此時(shí)基礎(chǔ)防滲效果得到顯著增強(qiáng),達(dá)到了預(yù)期的效果。從整體上看,各孔序壓水透水率比較均勻,說(shuō)明多數(shù)裂縫的連通性較好,漿液注入以后能夠均勻滲透,從而提高了整體防滲效果。

3.2 帷幕灌漿質(zhì)量檢查

在施工結(jié)束后進(jìn)行14 天的養(yǎng)護(hù),養(yǎng)護(hù)完成后從施工區(qū)域內(nèi)隨機(jī)選取若干鉆孔進(jìn)行抽樣檢查,抽選鉆孔數(shù)為灌漿總孔數(shù)的10%。檢查方法選擇單點(diǎn)壓水試驗(yàn)法。這里從抽樣孔中隨機(jī)選出5 個(gè),結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 壓水試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

由表2 數(shù)據(jù)可知,本工程采用“單點(diǎn)法”壓水,透水率在11.16 Lu～18.31 Lu 之間,相比于帷幕灌漿處理前,透水率最大降低了4.03 倍。從提取的巖芯來(lái)看,水泥結(jié)石脈充填膠結(jié)果良好,厚度在1.2 mm～2.0 mm 之間,說(shuō)明經(jīng)過(guò)灌漿處理后該水利樞紐的基礎(chǔ)防滲性能得到了提升。

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于宜春市四方井水利樞紐工程的基礎(chǔ)滲漏問(wèn)題,本文選用技術(shù)成熟的帷幕灌漿方法進(jìn)行處理。在現(xiàn)場(chǎng)施工中,重點(diǎn)對(duì)鉆孔方法、成孔檢查、灌漿流程、壓水試驗(yàn)等施工環(huán)節(jié)采取了質(zhì)量控制措施,保證形成良好的防滲帷幕。在施工結(jié)束后開(kāi)展了質(zhì)量檢查,結(jié)果表明施工區(qū)域基礎(chǔ)透水率有明顯的降低,漿液在縫隙中的充填效果良好,形成了均勻、連續(xù)、低滲透的帷幕。本次帷幕灌漿治理基礎(chǔ)滲漏問(wèn)題取得了理想效果,切實(shí)保障了四方井水利樞紐工程的運(yùn)行安全。