控制性灌漿在某土石圍堰防滲中的應(yīng)用

李連喜，石建成

控制性灌漿在某土石圍堰防滲中的應(yīng)用

李連喜，石建成

（新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院勘測(cè)總隊(duì)，新疆昌吉 831100）

土石圍堰因其構(gòu)造簡(jiǎn)單、施工便捷、工程造價(jià)低等特點(diǎn)而應(yīng)用于水利水電工程。圍堰的基礎(chǔ)一般為各種沉積地層，在礫卵石和土砂顆粒之間存在彼此連通的孔隙，加之土石圍堰自身空隙較大，存在較大的滲流，因此，需要進(jìn)行防滲處理。控制性灌漿是圍堰堵漏防滲行之有效的方法之一，結(jié)合新疆伊喀什河水電站基礎(chǔ)防滲工程，從方案設(shè)計(jì)、施工技術(shù)、灌漿材料、質(zhì)量檢測(cè)評(píng)價(jià)等方面全面闡述了土石圍堰控制性灌漿的防滲處理技術(shù)，為類似工程提供參考。

控制性灌漿；土石圍堰；防滲方案選擇

1 工程概況

某工程位于新疆伊犁哈薩克自治州伊寧縣境內(nèi)喀什河中游的馬扎爾峽谷，是喀什河規(guī)劃中的第16個(gè)梯級(jí)電站，工程以發(fā)電為主，庫容1．76億m3，裝機(jī)135 MW，屬于大（Ⅱ）型二等工程，主要建筑物為一級(jí)。

該工程采用土石圍堰，設(shè)計(jì)枯水期10年一遇攔洪標(biāo)準(zhǔn)，圍堰長(zhǎng)度165 m，圍堰最大高度36 m。堰體采用黏土心墻防滲，黏土心墻與截流戧堤相結(jié)合。圍堰基礎(chǔ)為5～20 m厚的第四系砂卵礫石地層，圍堰基礎(chǔ)防滲處理對(duì)工程造價(jià)和主體工程的進(jìn)展具有非常重大的意義。

2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

工程區(qū)主要分布上石炭統(tǒng)東圖精河組（C2d）的一套濱海相火山巖-火山碎屑巖構(gòu)造，巖性為中酸性凝灰角礫巖、凝灰?guī)r、凝灰質(zhì)砂巖、熔結(jié)凝灰?guī)r、英安質(zhì)凝灰?guī)r夾灰?guī)r透鏡體。出露的地層主要有古生界和新生界第三系地層以及第四系地層和侵入巖。第四系地層分布廣泛，主要為上更新統(tǒng)－全新統(tǒng)沖積（Qal3－4）砂礫石層，上更新統(tǒng)沖積砂卵礫石層分布于河流兩岸Ⅲ級(jí)階地，厚5～15 m；全新統(tǒng)沖積砂卵礫石層分布于河流兩岸Ⅰ，Ⅱ級(jí)階地及現(xiàn)代河床和河漫灘上，厚度3～20 m。

工程區(qū)域?qū)俅箨懶詼貛夂颍瑲鉁刈兓螅炅枯^充沛、蒸發(fā)強(qiáng)烈。工程區(qū)地下水分為松散層孔隙水和基巖裂隙水2類。孔隙潛水主要分布在河床卵石混合土及河岸邊崩坡積碎石土內(nèi)，含水層厚度10～15 m；河床卵石混合土內(nèi)的潛水埋深0．5～1．0 m，與河水連通，受河水補(bǔ)給。基巖裂隙水補(bǔ)給來源主要是冰雪融水和大氣降水，一般略高于河水位，以下降泉形式及潛流向河谷排泄。河水為重碳酸鈉鈣型水，硫酸根離子含量33．6 mg／L，對(duì)普通硅酸鹽水泥無侵蝕；泉水為重碳酸鈣鎂型水，水質(zhì)較好；基巖裂隙水為重碳酸鈣鈉型水，硫酸根離子含量＜87．4 mg／L，對(duì)普通硅酸鹽水泥無侵蝕。

3 基礎(chǔ)防滲方案選擇

目前基礎(chǔ)垂直防滲的手段較多，比較成熟的工藝有：置換法砼防滲墻、改性深層攪拌防滲墻、高噴灌漿防滲墻、控制性灌漿、樁柱式防滲墻等［1］。該工程圍堰基礎(chǔ)防滲處理具有地質(zhì)條件復(fù)雜、防滲要求高、施工工期短等特點(diǎn)，基礎(chǔ)防滲屬隱蔽工程，一旦發(fā)生質(zhì)量缺陷或事故，返工修補(bǔ)十分困難，施工過程中的質(zhì)量控制非常關(guān)鍵。考慮到圍堰防滲的重要性，經(jīng)與建設(shè)單位、設(shè)計(jì)單位共同協(xié)商，選擇了砼防滲墻、高噴灌漿防滲墻及控制性帷幕灌漿3套方案進(jìn)行比選（詳見表1），綜合考慮質(zhì)量、工期及造價(jià)等指標(biāo)后，高噴灌漿防滲墻和控制性帷幕灌漿各項(xiàng)指標(biāo)均比較接近，考慮到高噴灌漿防滲墻在地下高流速帶成墻存在一定風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)施工過程中廢漿較多不利環(huán)保，故最終確定圍堰基礎(chǔ)的防滲方案為控制性帷幕灌漿。

表1 圍堰基礎(chǔ)防滲方案綜合比較評(píng)價(jià)Table 1 Com prehensive comparison and assessment of weir seepage control plans

4 控制性灌漿的機(jī)理

在砂卵礫石地層中較少采用灌漿方法防滲的原因是對(duì)灌漿的充填范圍不能有效控制，以至要做成防滲標(biāo)準(zhǔn)較高（通常為K≤10－5cm／s）的防滲帷幕，一般要布置多排灌漿孔才能達(dá)到［2］。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展進(jìn)步、工程的實(shí)際需要，出現(xiàn)了控制性灌漿的新興工藝，它以水泥漿液為主劑，以特灌材料為輔助作用，根據(jù)不同的地層情況摻加砂、黏土、纖維等摻合料來改變其化學(xué)性能和物理性能的防滲措施，有效解決了漿液的擴(kuò)散問題，近年來在堤防、圍堰和病險(xiǎn)水庫的基礎(chǔ)防滲中得到大量的應(yīng)用，取得了很好的防滲效果。該技術(shù)是通過化灌材料而使水泥漿液在瞬間失去流動(dòng)性而變成凝固體，或在高流速、大開度的地層時(shí)摻加黏土、砂、纖維等摻和物，增強(qiáng)其抗水流沖釋性能和自堆積性能，從而使?jié){液在高流速、大空隙的條件下能有效地控制它的擴(kuò)散。它有效且經(jīng)濟(jì)地解決了在大空隙、高流速的動(dòng)水條件下的防滲處理工作。

5 控制性灌漿設(shè)計(jì)

控制性帷幕灌漿設(shè)計(jì)為雙排孔，排距1 m，孔距2 m，灌漿孔深入基巖0．5 m。設(shè)計(jì)灌漿孔孔數(shù)168個(gè)，孔深5～20 m，設(shè)計(jì)灌漿進(jìn)尺2 520 m。采用循環(huán)式自下而上分段灌漿方法施工，灌漿孔分兩序施工，先Ⅰ序、后Ⅱ序。灌漿材料為42．5級(jí)普通硅酸鹽水泥和水玻璃。灌漿壓力分二級(jí)，0～10 m壓力為0．3 MPa，10～20 m壓力為0．6 MPa。

6 控制性帷幕灌漿施工

6．1 鉆孔

帷幕灌漿鉆孔采用靜壓套管法，從鉆孔工藝出發(fā)，針對(duì)土石圍堰及第四系地層的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用跟管鉆進(jìn)，有效地解決了松散巖層和填筑地基中鉆孔施工的護(hù)壁問題，不易發(fā)生塌孔埋鉆等事故，提高鉆孔成孔效率［3］。采用XY－50型風(fēng)動(dòng)式跟管鉆機(jī)、?110 mm偏心合金鉆頭、?130 mm地質(zhì)套管跟管鉆進(jìn)。鉆孔定位依據(jù)設(shè)計(jì)文件現(xiàn)場(chǎng)確定，孔位用明顯標(biāo)記在現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)識(shí)，妥善保護(hù)，孔位誤差嚴(yán)格控制在設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)。鉆孔開鉆前，用水平尺對(duì)鉆具和推進(jìn)梁進(jìn)行垂度校核，符合要求方可開鉆。鉆孔過程中隨時(shí)復(fù)核，保證成孔垂直度。在鉆孔過程中，開孔時(shí)要慢速鉆進(jìn)，鉆進(jìn)中遇有換層，立即減壓慢速鉆進(jìn)。鉆孔結(jié)束后，對(duì)鉆孔孔位、孔深進(jìn)行驗(yàn)收，滿足設(shè)計(jì)要求后，轉(zhuǎn)入下一工序。

6．2 灌 漿

6．2．1 灌漿材料

灌漿所用水泥為伊犁南崗水泥廠生產(chǎn)的42．5級(jí)普通硅酸鹽水泥，水泥細(xì)度通過80μm方孔篩的篩余量≯10%。化學(xué)灌漿材料選用水玻璃，水玻璃是由堿金屬氧化物和二氧化硅結(jié)合而成的可溶性堿金屬硅酸鹽材料，具有如下特點(diǎn)：起始粘度低，可灌性好；造價(jià)低，經(jīng)濟(jì)效益巨大；毒副作用小，不會(huì)污染環(huán)境，使用安全；可以與水泥配合使用，兼具水泥漿材與水玻璃漿材的特性等，模數(shù)2．4～3．0，濃度25．3%～34．5%。

6．2．2 漿液配合比及供應(yīng)

為了防止?jié){液的過多流失，主劑水泥漿選用0．5∶1一個(gè)比級(jí)，副液為水玻璃，因化學(xué)灌漿液隨配比的變化其性能的變化較大，且沒有一定規(guī)律。故在實(shí)施前在室內(nèi)進(jìn)行了大量的漿液試驗(yàn)，以下為擬采用的漿液配合比：①普通水泥：W／C（水灰比）＝0．5∶1（重量比）；②普通水泥＋水玻璃：W／C＝0．5∶1；水泥比水玻璃：C／S＝1∶0．1，1∶0．15，1∶0．20。

制漿設(shè)備為自制的450 L高速攪拌機(jī)（1 500 r／min），漿液攪拌完后通過過濾網(wǎng)，灌漿泵選用3SNS泵，輸漿管路采用38 mm高壓膠管，膠管最大承受壓力10 MPa，灌漿泵和灌漿回漿管處均安裝壓力表，壓力表定期檢測(cè)，壓力表與管路之間設(shè)有膠皮隔離裝置。

6．2．3 灌漿段長(zhǎng)及灌漿壓力

灌漿段長(zhǎng)可在1．5～2．5 m之間調(diào)整，全孔分3～10段。灌漿壓力采用二級(jí)，0～10 m壓力為0．3 MPa，10～20 m壓力為0．6 MPa。灌漿過程中，壓力的使用應(yīng)從小到大逐級(jí)增加，防止壓力突然升高，同時(shí)也要防止注入率突然增大。灌漿方法采用自下而上灌漿法，使用孔口封閉器及孔口栓塞止?jié){，灌漿時(shí)下入射漿管，保持孔底漿液循環(huán)。在每次上提試驗(yàn)器時(shí)應(yīng)繼續(xù)對(duì)孔內(nèi)進(jìn)行灌注，以減少動(dòng)水對(duì)漿液的沖釋和上提套管時(shí)應(yīng)力釋放對(duì)孔壁造成的塌落現(xiàn)象。

6．2．4 灌漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)

在設(shè)計(jì)灌漿壓力下，當(dāng)注入量≯2 L／min；或停止吸漿，持續(xù)灌注30 min即可結(jié)束灌漿。

6．2．5 封 孔

每個(gè)灌漿孔全孔灌漿結(jié)束后，會(huì)同監(jiān)理工程師及時(shí)進(jìn)行驗(yàn)收，合格后在設(shè)計(jì)壓力下屏漿30 min即可結(jié)束。人工封孔可在24 h后用水泥砂漿進(jìn)行封填，孔口抹平壓光。

6．2．6 問題及解決方案

施工過程中遇到的主要問題及解決方案如下：

（1）因砂卵礫石地層軟硬分布不均，同時(shí)不能采用泥漿護(hù)壁手段，故鉆孔是關(guān)鍵問題。在工程實(shí)施過程中曾采用QD－100B潛孔鉆配合跟管鉆具鉆孔，由于扭矩小，鉆孔效率低，很難滿足高強(qiáng)度的施工要求；后嘗試采用偏心跟管沖擊鉆具，配備V12／7活塞式空壓機(jī)，因風(fēng)量、風(fēng)壓不足，鉆孔效果不理想。經(jīng)多方咨詢，最終選擇無錫鉆探機(jī)械廠生產(chǎn)的YG50大功率全液壓跟管鉆機(jī)，配備LG23．8／12螺桿式空壓機(jī)，成功地解決了沖擊功、轉(zhuǎn)速、風(fēng)量等關(guān)鍵性問題，克服了砂卵礫石地層的鉆孔問題，臺(tái)班工效達(dá)20～30 m／臺(tái)。

（2）因砂卵礫石地層透水性較大、地下水埋深淺、潛流流速大（約150 L／min），灌漿水泥單耗非常大、水泥漿流失嚴(yán)重（最大曾達(dá)到4 500 kg／m），且不能滿足灌漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)（5～10 L／min）。針對(duì)這種情況，首先是對(duì)漿液配合比進(jìn)行調(diào)整，適當(dāng)增加水玻璃的摻量，最大摻量接近30%，同時(shí)對(duì)異常段采取惰性材料堵漏（綠豆沙、水洗砂、麻絲等）、間隔灌漿時(shí)間多次復(fù)灌等措施，取得了明顯效果。

（3）水玻璃具有快凝性，配合比要根據(jù)不同地層靈活掌握。水玻璃水泥漿液隨拌隨用，一旦鉆、灌設(shè)備出現(xiàn)故障，對(duì)已拌漿液作棄漿處理，同時(shí)沖洗灌漿泵、管路等。

7 灌漿質(zhì)量檢查評(píng)價(jià)

通過對(duì)灌漿資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析，Ⅱ序孔單位水泥注入量明顯低于Ⅰ序孔，降低19．6%～42．4%；檢查孔單位水泥注入量明顯低于Ⅱ序孔，降低35．7%～73．1%，灌漿規(guī)律遞減明顯、變化較大，說明采用Ⅱ序灌漿是合適的，灌漿效果符合設(shè)計(jì)要求。同時(shí)灌漿完成后采用檢查孔驗(yàn)證灌漿質(zhì)量，監(jiān)理工程師共布置檢查孔12個(gè)，XY－2PC地質(zhì)鉆機(jī)清水回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，全孔全斷面取芯，芯樣有明顯結(jié)石，檢查孔壓水試驗(yàn)透水率符合設(shè)計(jì)要求。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，灌漿前堰后滲水量為3．2 m3／s，灌漿后堰后滲漏僅為0．08 m3／s，堰后集水坑1臺(tái)100mm泵可基本滿足基坑抽排水的要求。通過以上3個(gè)方面的資料數(shù)據(jù)表明，該項(xiàng)目控制性帷幕灌漿的質(zhì)量符合設(shè)計(jì)要求，達(dá)到了預(yù)期的目的。

8 結(jié) 語

砂卵礫石地層因其透水性大，在作為圍堰基礎(chǔ)時(shí)通常要進(jìn)行防滲處理，常規(guī)的防滲處理方式多為砼防滲墻。該項(xiàng)目采用控制性帷幕灌漿進(jìn)行圍堰基礎(chǔ)防滲處理取得了成功，防滲帷幕工程效果非常理想。這說明灌漿設(shè)計(jì)方案是合理的、可行的，施工質(zhì)量是符合設(shè)計(jì)和規(guī)范要求的，達(dá)到了預(yù)期的目的。

控制性灌漿具有場(chǎng)地適應(yīng)性強(qiáng)，可以在山區(qū)狹窄場(chǎng)地組織實(shí)施，工期短、防滲性能好等優(yōu)點(diǎn)，在堤防、圍堰及病險(xiǎn)水庫基礎(chǔ)防滲處理方面具有一定的應(yīng)用前景，同時(shí)也可用于提高地基強(qiáng)度及防止地基沉陷等領(lǐng)域。

砂卵礫石地層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，確定其可灌性，選擇漿液，是否需要設(shè)置蓋重，合理確定施工方案和灌漿參數(shù)等都是值得研究和探討的課題。隨著工程技術(shù)的快速發(fā)展，砂卵礫石地層控制性灌漿技術(shù)也會(huì)越來越完善。

［1］ 夏可風(fēng)，吳曉銘．水利水電工程施工手冊(cè)——地基與基礎(chǔ)工程［M］．北京：中國電力出版社，2004．（XIA Ke-feng，WU Xiao-ming．Water Resources and Hydropower Engineering Construction Manual——Ground and Foun-dation Engineering［M］．Beijing：China Electric Power Press，2004．（in Chinese））

［2］ 張景秀．壩基防滲與灌漿技術(shù)（第二版）［M］．北京：中國水利水電出版社，2002．（ZHANG Jing-xiu．Seepage Controlling and Grouting Technology of Dam Foundation（Second Edition）［M］．Beijing：China Water Power Press，2002．（in Chinese））［3］ 任海軍，王桂珍，張可能，等．靜壓套管控制灌漿在滲漏圍堰處理中的應(yīng)用［J］．探礦工程（巖土鉆掘工程），2008，（8）：47－50．（REN Hai-jun，WANG Gui-zhen，ZHANG Ke-neng，et al．Application of Groutingwith Stat-ic Pressure Casing in Treatment of Cofferdam Leakage［J］．Exploration Engineering（Rock＆Soil Drilling Engineer- ing），2008，（8）：47－50．（in Chinese） ）

（編輯：周曉雁）

App lication of Controlled Grouting in Seepage Control of Earth-Rock Cofferdam

LILian-xi，SHIJian-cheng
（Test Institute of Xinjiang Water Resources and Hydropower Investigation，Changji Xinjiang 831100，China）

Due to its simple structure，easy construction，and low construction cost，earth-rock cofferdam is exten-sively used in water resources and hydropower engineering．The basis of cofferdam is usually composed of various sedimentary strata．Pores existbetween gravel and sand particle togetherwith the larger interstice in cofferdam itself lead to severe seepage，which consequently requires seepage control treatment．Controlled grouting proves to be one of the effective ways of seepage control．Based on the foundation seepage control project of Xinjiang Yikashi river，this paper expounded the seepage control techniques of controlled grouting for earth-rock cofferdam from the per-spective of project design，construction technique，grouting material，and quality assessment，and thus can be taken as a reference for similar projects．

controlled grouting；earth-rock cofferdam；seepage control plan selection

TV543

B

1001－5485（2011）04－0059－03

2010-05-21；

2010-08-15

李連喜（1969-），男，湖南邵東人，高級(jí)工程師，主要從事水利水電工程勘察、巖土工程施工等研究，（電話）099-48326161（電子信箱）lilianxi8＠sohu．com。