高壓脈動沖擠灌漿法在航電樞紐工程中的應(yīng)用研究

【摘要】文中介紹了高壓脈動沖擠灌漿法在貴州旁海航電樞紐工程中的應(yīng)用，詳細闡述了可控擠入復(fù)合膏漿高壓脈動沖擠灌漿法在砂卵石層處理中的實際效果。同時，對比傳統(tǒng)灌漿法的優(yōu)缺點，研究了在礫石層中采用可控擠入復(fù)合膏漿高壓脈動沖擠灌漿法進行防滲加固的優(yōu)勢。工程實踐證實，在旁海航電樞紐工程中采用高壓脈動沖擠灌漿法，既簡便又實用，該方法具備顯著的經(jīng)濟效益和廣泛的應(yīng)用可行性。

【關(guān)鍵詞】防滲帷幕；灌漿方法；擠入灌漿

【中圖分類號】TU745" " " 【文獻標志碼】A" " " "【文章編號】1673-6028（2024）01-0126-03

隨著科技的進步，水利工程對防滲性能提出了更高要求，傳統(tǒng)的灌漿方法在全風(fēng)化地層、砂礫層、松散土層等環(huán)境下效果不佳，無法達到設(shè)計標準。替代方法雖然存在，但成本高昂、工期長。因此，近年來，出現(xiàn)了一種創(chuàng)新的灌漿技術(shù)——高壓脈動沖擠灌漿法，能夠有效解決這些問題[1]。

1 工程概況

旁海航電樞紐位于貴州黔東南凱里市境內(nèi)清水江上，為清水江干流的第一個梯級。壩軸線位于旁海鎮(zhèn)旁海大橋的上游1.25km處，距離凱里城區(qū)35km，距離貴陽市225km，是一座以航運、發(fā)電為主，兼顧旅游的航電樞紐工程[2]。本樞紐工程從左至右依次布置左岸土石壩、混凝土重力壩、船閘、泄水閘、發(fā)電廠房及右岸非溢流壩段，壩頂高程568.5m，壩頂全長281.7m。河床式電站廠房布置于右岸，總裝機容量42MW，安裝2臺21MW燈泡貫流式機組；泄水閘共5孔，孔口凈寬14m，設(shè)計為折線型實用堰，堰頂高程546.5m，閘壩頂高程568.5m，最大壩高30m，正常蓄水位565.0m。

2 地質(zhì)條件

根據(jù)不同的地層巖性、構(gòu)造斷裂程度和物理力學(xué)性質(zhì)，廠壩基礎(chǔ)從左岸到右岸可劃分為Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ三個區(qū)域，具體描述如下：

Ⅰ區(qū)：在左斜坡和左河床基礎(chǔ)上分布（F1斷裂左側(cè)），為奧陶系大灣組（O1d）地層，巖石主要是砂巖、泥巖，局部有夾頁巖，巖石中有較弱風(fēng)化，巖石的單軸飽和抗壓強度范圍為38～48MPa，波速3300m/s﹤Vp﹤4200m/s。

Ⅱ區(qū)：分布在河床中部至壩體與壩體交界處的河床右側(cè)，由沿河斷裂F1和分支斷裂F8、F9的斷裂帶及斷裂影響帶構(gòu)成。其中，斷層破裂帶呈顆粒狀，顯示出松散的顆粒，主要是泥、泥包裹巖，顆粒呈連續(xù)狀；斷裂作用帶表現(xiàn)為嵌鑲－破碎構(gòu)造，巖塊間嵌合力較差，結(jié)構(gòu)面非常發(fā)育，且充填了大量的碎屑泥塊。該地區(qū)按巖體工程地質(zhì)劃分為CⅣ― CⅤ巖體，巖體機械強度低，巖性以頁巖和綠泥石板巖為主，遇水易軟化成泥。不能滿足壩基要求，需要做特殊處理。

Ⅲ區(qū)：分布于車間區(qū)及右岸，屬于志留系翁項群（S2-3wn）地層，巖性以砂頁巖、泥頁巖、中厚―中生物灰?guī)r為主，聲波2700m/s﹤Vp﹤3300m/s。弱風(fēng)化狀態(tài)頁巖單軸飽和抗壓強度小于15MPa。該地區(qū)屬于巖體工程CⅣ地質(zhì)分類，其巖石力學(xué)強度偏低，且其頁巖在水分的作用下容易發(fā)生軟化。

3 高壓脈動沖擠灌漿法施工

主副壩連接段上部為3～33m的全強風(fēng)化花崗巖，其強度低、滲透性強，采用傳統(tǒng)硅酸鹽水泥漿滲透率低，難以形成有效的帷幕，屬典型的“吸水不吸漿”地層[3]。在主、副壩的連接部位，采用高壓脈動沖擠灌漿工藝[4]。本項目擬采取雙行雙序排列方式，排距1.0m，間距2.5m，呈梅花形錯行布置。其施工順序為：帷幕灌漿、分層、加密，無開挖條件下，采取雙排鉆孔，先后排施工；已經(jīng)開挖的水渠地基采用雙排鉆孔，先進行內(nèi)部排水，再進行外排水。按兩層順序，先Ⅰ序施工，再Ⅱ序施工。對于深層地層（泥灰或黏土礦），孔深控制在5m以內(nèi)；泥漿頂深入土壤層1.0m，底部進入巖石層（泥灰?guī)r或黏土巖）0.5m。

3.1 灌漿材料與制漿技術(shù)

（1）水泥：常規(guī)硅酸鹽袋裝水泥，同力牌PO42.5。

（2）黏土：根據(jù)本工程具體條件，采用了黏土漿料。研究發(fā)現(xiàn)，在酸性條件下，漿液中加入適量的氫氧化鈉可以改善漿液的特性。

（3）水：通過水檢驗，采用地下水即可滿足灌漿需要。

（4）添加劑：黏土在冬季施工中早期強度不足，在混凝土中加入早強結(jié)構(gòu)性材料，可提高混凝土的早期強度，同時還添加了一種早凝固結(jié)構(gòu)劑，以減緩泥漿流速。

（5）改性劑：為了保證漿液不會產(chǎn)生水析出，并且可以控制漿液的固化時間、減小漿料流動性，應(yīng)加入改性劑。

（6）表1為漿料配比表，灌漿材料的配制方法：①按照黏土：水（1000kg）的比例制漿，使之成為1.31～1.35g/cm3的黏土原漿；②將一定用量的水泥漿液用泵送入漿料粉碎機，按規(guī)定比例加入凝固劑和改性劑；③將600kg水：800kg水泥按比例添加到高速制漿機中，再添加適量早強劑進行拌和，最后將拌勻的水泥漿泵入漿料粉碎機，進行混合、攪拌，制得膏漿。

3.2 灌漿設(shè)施

灌漿工程所用水泥漿是在集中制漿廠配制的。一期泄水閘和廠房工程的集中制漿站設(shè)于該標右岸基礎(chǔ)上；二期泄水閘、船閘部分及附屬部分的集中制漿站均位于左岸建筑的生產(chǎn)設(shè)備布局區(qū)域。集中制漿站采用鋼管框架和木結(jié)構(gòu)，制漿平臺面積為8m×5m，配備NJ-600高速制漿機、1m3制漿滾筒和BW250/50制漿泵。漿液輸送管采用50mm活接頭螺紋鋼管。灌漿工程的水泥儲存室靠近制漿站設(shè)置，廠房為磚混結(jié)構(gòu)，占地5050m2。所用的主要灌漿設(shè)備如表2所列。

3.3 灌漿參數(shù)

高壓脈動灌漿有別于傳統(tǒng)灌漿，經(jīng)初步實驗，確定了以下幾個施工參數(shù)：

（1）復(fù)合砂漿配比：本課題組已研制出一種砂漿，由水泥、全風(fēng)化砂、膨潤土、改性劑（2：1.5：2：0.02

～0.06）高流動性混合砂漿，可根據(jù)現(xiàn)場情況作相應(yīng)調(diào)節(jié)。

（2）灌漿壓力：鉆孔深度為2～5m時，灌漿壓力為1.2MPa，鉆孔深度為5～10m時，灌漿壓力為1.5MPa，深度10～15m的壓力適用于2.0MPa，深度15～25m的壓力適用于3.0MPa。結(jié)束標準根據(jù)實際情況確定：①當灌漿段灌漿量大于150L/段，且能達到最小調(diào)定壓力1.0MPa時，灌漿段結(jié)束，抬高段進行灌漿。②當灌漿段灌漿壓力大于3.0MPa，灌漿量達到7575L/段后，停止灌漿，并對灌漿斷面進行提升。③當灌漿段灌注量大于400L/段后，如果不能滿足最小設(shè)置壓力1.0MPa，則可以停止這一段的灌漿，并對該段進行提升。灌漿到段頂處，如遇孔內(nèi)經(jīng)常冒漿，多次停注后仍不能注入，則可終止灌漿。

（3）脈動頻率：在前期的工作中，對多組脈沖振動頻率進行測試，使用15～20次/min的脈沖頻率，能很好滿足工程要求，用高壓脈沖沖擠灌漿法14d后，測定灌漿質(zhì)量。

（4）滲透系數(shù)：本項目針對全風(fēng)化花崗巖開展研究，對其進行注水模擬實驗，結(jié)果表明，在灌注前，其最大滲透系數(shù)為22.85Lu，而脈沖灌漿的最大滲透系數(shù)為4.49Lu，低于5Lu，符合設(shè)計要求。

（5）鉆孔取芯檢查：在進行檢查時，對兩個開采孔之間的鉆孔進行采樣，結(jié)果表明，泥漿中含有漿體結(jié)石，這表明泥漿在兩個孔之間的薄弱部位起到了擠密充填的作用，減少了地層的滲透系數(shù)，實現(xiàn)了防滲目的。

（6）聲波檢查：在灌注前后，對整個鉆孔進行聲波測試，并通過聲波穿透測試，將兩次聲波資料進行比較，發(fā)現(xiàn)其波速增加了12.3%。由此可見，對全風(fēng)化花崗巖進行加固后，其密實度得到了明顯改善，防滲效果也得到了有效加強。

3.4 施工工藝

本技術(shù)使用全水力無級調(diào)速的高壓脈動沖擠灌漿法。泥漿瞬態(tài)變化與脈沖瞬態(tài)高壓的應(yīng)用，使?jié){液迅速進入裂隙。該方法不僅可以有效地控制灌漿彌散范圍，而且可以確保注滿充填孔周邊的孔隙，因此，在滲透性較差的地層中，很快形成一個均勻連續(xù)幕，并起到了很好的防滲作用。這種處理方式能夠促使泥漿在水、土兩相體系中充分發(fā)揮作用，即在0.5～5MPa的壓強下，泥漿被擠壓到孔隙內(nèi)，替代了水和空氣。

（1）施工過程的一般程序：預(yù)備工作→場地清掃→鉆孔放樣→帷幕導(dǎo)向鉆孔法→先灌排Ⅰ、Ⅱ級孔→后灌排Ⅰ、Ⅱ級孔→帷幕質(zhì)量檢驗（孔灌漿試驗檢查與渠道開挖滲流觀測）→整理資料→單位工程質(zhì)量評價。

（2）鉆孔：①鉆孔控制：鉆進深度為O.5m的黏土（泥灰?guī)r）；②孔徑：鉆孔直徑為130mm，孔深不小于φ75mm；③在卵石層之下的泥灰土（黏土層）中鉆取不少于1.0m，且鉆進時與設(shè)計深度的誤差不能超過20cm。

（3）控制標準：按設(shè)計文件及所用復(fù)合膏體的特性對灌漿壓力進行探討，使用節(jié)流孔壓計測量脈沖壓強，見表3。

（4）結(jié)束標準：注水量的控制指標為平均600L/m?？刂铺嵘龢藴蕿闈M足下列情況中的一項，可以終止該區(qū)段的提升灌漿，并向上段灌注。①當壓力降至設(shè)計要求最低值時，注水量達到預(yù)定控制指標，該段灌漿結(jié)束；②當泵送至設(shè)計壓力最大值時，注入量小于5 L/min，該段灌漿完畢；③對于吸漿量過大的層段，當注入量達不到設(shè)計上限時，應(yīng)增加注入量至設(shè)計1.5倍后停止灌漿。

（5）灌漿：在鉆孔達到需深度后，向孔底下入灌漿管，在距孔2m的灌漿管內(nèi)涂上黃油，再回填砂石至頂層土層lm處，并用水泥混合砂封閉，時長8h。開始灌注時，灌漿泵以較低的流速（約2次/min）緩慢地將2桶漿液（約400L）壓入，然后改為4～7次/min的泵速，在灌漿完成后30～50cm逐級拔出灌漿管，直至整個孔灌漿完畢。

3.5 灌漿效果分析

（1）抬升觀測。該工程采用高壓脈動沖擠灌漿法施工，其斷裂帶為原生的層狀結(jié)構(gòu)，巖石中存在易于破裂的結(jié)構(gòu)。灌漿時，漿液在水壓作用下向巖體內(nèi)沖刷。為避免混凝土頂板突然上浮，應(yīng)嚴格控制灌漿壓力及灌漿速率。

在灌漿施工過程中，采用淺層抬動設(shè)備對基巖隆起進行觀測，并在施工完成后進行測微計安裝和調(diào)試。按設(shè)計要求，在灌漿施工期間，對灌漿體的頂升變形進行監(jiān)控，當頂升變形大于0.2mm時，及時卸壓，以確定最大灌漿壓力。

（2）灌漿質(zhì)量檢驗。在加固灌漿14d后，拆除原始聲波探測孔，開展灌注后的巖體波速測試，比較分析加固前、后巖體強度、完整性的改善情況，評估加固灌漿的有效性。在完成28d后，對其進行鉆芯取樣和室內(nèi)力學(xué)測試。

（3）灌漿效應(yīng)分析。在斷層帶和影響區(qū)采用高強度脈沖灌漿，使用水灰比0.8：1的水泥漿液，灌漿壓力為2.0～3.5MPa，接觸段壓力為1.0MPa，灌漿長度為10300米，平均流量為100L/m。灌漿完成后，灌漿區(qū)內(nèi)巖石波速由2300～2500m/s提高到2700～3000 m/s，整體速度提高約10%，低波速區(qū)得到有效抑制，增強了區(qū)域基礎(chǔ)的整體穩(wěn)定性與承載力。

4 結(jié)論

采用高壓脈動沖擠灌漿法對旁海航電樞紐主、副壩銜接段進行帷幕防滲灌漿，并對全風(fēng)化花崗巖進行灌漿，取得了良好的效果。風(fēng)化的花崗石在土壤與巖石之間，關(guān)于防滲帷幕灌漿的可灌性及作用的不確定性，一直存有爭議。本文所述施工方法已成功地運用于旁海航電樞紐工程，以期對今后的建設(shè)有所啟示。

參考文獻

[1] 郭凱.高壓旋噴灌漿技術(shù)在水庫除險加固中的應(yīng)用

[J].工程技術(shù)研究，2022（3）：87- 88.

[2] 陳健.高壓旋噴灌漿技術(shù)在水庫除險加固中的應(yīng)用

[J].江西建材，2022（8）：25-26.

[3] 趙艷陽.鉆孔灌漿技術(shù)加固砌石渡槽問題探討[J].黑

龍江水利科技，2021（1）：61- 62.

[4] 伍夢祥.灌漿技術(shù)在溶洞處理中的應(yīng)用[J].工程技術(shù)

研究，2020（1）：23-26.

[作者簡介]宋建新（1971—），男，本科，高級經(jīng)濟師，工程師，研究方向：水利水電工程施工。