軟巖壩基帶狀延伸微薄透鏡體滲透性改良實踐

高德樹

（甘肅省水利水電勘測設計研究院有限責任公司，蘭州730000）

1 引言

隨著我國水利建設向縱深的發展，縣域功能水庫建設取得長足進步。這些水庫壩體不高，庫容也多在幾百萬立方米的級別，壩址工程地質要求略低。但是，對于干旱地區，庫壩的滲透性問題尤為重要。甘肅莊浪一個小型水庫遇到的工程地質問題就比較特殊。

2 庫壩工程地質概況

莊浪花崖水庫為一年調節縣域供水水源工程，它包括壤土心墻砂礫石壩、泄水建筑物（泄洪洞、溢洪道）及取水管道。選定壩址最大設計壩高41.8 m，總庫容為2×106m3。

庫區區域構造屬于祁呂賀“山”字形構造體系，處在西南馬蹄形盾地與隴西六盤山旋回褶皺帶內店峽向斜的西南翼，主體為白堊系地層，呈單斜產狀，主構造線呈北西西向、北北東向。

庫、壩巖體屬于白堊系下統（K12），巖性為砂礫巖、砂巖夾泥巖。砂礫巖呈厚層，泥質、輕鈣質膠結，一般巖芯采取率達90%以上，巖體完整性較好。巖層平緩，產狀NW310°～345°NE∠10°～15°，砂礫巖傾向上游，構造簡單，無斷層。壩基巖體飽和抗壓強度最大值27MPa，最小值8MPa，均值17.8MPa，屬較軟巖～軟巖。弱風化帶基巖透水率一般小于5Lu，為弱透水至微透水地層。

3 壩基微薄透鏡體的發現

3.1 壩基滲透異常性與補充勘探

水文地質與工程地質勘察對壩基巖體的認識如下：

地下水為基巖裂隙水。在落選壩址岸坡有一處泉水溢出，水量較小，附近花崖斷層勘探到承壓水，透水率約4.1Lu，地下水沒有腐蝕性。

初步設計階段的勘察均按照常規勘察程序進行。共在壩基延伸線左右布置了6 個勘探孔，其中唯有鉆孔ZK03 的壓水試驗出現異常，在10～35m 孔深段，巖芯提取率低，透水率20.92～26.8Lu，達到中等滲透率，局部試驗段還出現壓水不起壓的情形，與其他鉆孔背景巖體普遍小于5Lu 形成較大差異。

在初設審查時，專家結合壩址的巖體水文地質表象，分析鉆孔異常，決定在ZK03 旁補充鉆孔勘探1 孔（ZK07）。

補充勘探改變了方法，采取了半合套管取芯的雙套管鉆進新工藝，以期能完整地取出原狀巖芯半合套管鉆進。

3.2 微薄透鏡體

實際半合雙套管鉆進取芯全部成功。

補充勘探鉆孔揭露出壩基局部含有多層微弱膠結的微薄砂礫透鏡體，如圖1 所示。分析所取各個透鏡體巖芯可知這些透鏡體有以下特征：（1）厚度僅有 3～17cm；（2）最下層者與覆壓巖體有弱不整合接觸；（3）含有磨圓度高至卵礫的1～3cm 礫石，松散無膠結，孔隙度很高；（4）灰綠色重，與前期巖相比偏向于形成環境具還原特點；（5）多達6 層；（6）其微含水層都具微承壓性，局部承壓水頭高27～28m。

3.3 成因分析

從透鏡體的結構組成推斷，其成因為小型河流的河漫灘沉積，水徑流小，在面上某個方向不見得連續延伸，但卻是彼此能夠串聯的。多期的河流洪積與河漫灘沉積交互出現，形成了多個分層。

因為河漫灘沉積的基礎空隙率就高，經歷后期構造運動后，通過裂隙能得到補給水，巖層緩傾10°～15°，既創造了賦存條件，又提供了充足的水動力，容易形成排泄，使地下水活動保持持續活躍，鈣質膠結就形成不起來，加之具備管涌條件而使得細顆粒隨地下水遷移流失。

3.4 微薄透鏡體的強滲透性

鉆孔壓水試驗顯示，這些微薄透鏡體具有強透水性。ZK07孔在30～35m 試段，在0.1MPa 壓力下透水量 61L/min，透水率達到92Lu。這種強透水性微薄透鏡體構成比較罕見的庫壩水文地質現象。

4 壩基帷幕灌漿試驗條件

經過反復查明，壩基局部存在微薄透鏡體強透水層，構成壩基滲漏和滲透穩定問題。

在壩基滲透性改良方面，工程上已經積累了很多帷幕灌漿的經驗[1～3]。施工圖設計決定對花崖水庫壩基進行帷幕灌漿處理。針對微薄透鏡體的賦存區域，設計3 排帷幕進行灌漿，其余普通裂隙巖體區域采用一排帷幕灌漿。

4.1 灌漿試驗分區

根據壩基巖體裂隙發育的特征、微薄透鏡體含水層發育情況，將壩基分成2 個特征滲透改良區域。在2 個特征滲透區域各選定一個試驗區，分別是右壩下游3 排帷幕區，中壩段單排帷幕區，另加凹槽試驗區。試區布置落在帷幕灌漿軸線上，以便試驗灌漿結果將作為防滲帷幕的組成部分。

4.2 灌漿試驗孔布置

微薄透鏡體含水層發育區帷幕按照梅花形布置，孔距1.5m，排距1.5m，共15 個孔，鉆孔頂角垂直于水平線，設計頂角0°。灌漿孔深入基巖5m。

4.3 灌漿試驗孔沖洗、波速測試、壓水試驗

試驗孔先進行低壓洗孔，再以設定灌漿最大壓力的80%進行高壓洗孔。配套的波速檢測采用單孔法，從孔底向孔口方向，間距0.2m，一發雙收測試。

洗孔后采用一級壓力單點循環壓水試驗，弱風化頂面基巖封閉，全孔段壓水。

4.4 灌漿

4.4.1 漿液配比

依據規范和灌漿施工技術的要求，灌漿試驗的水灰比定為 2∶1、1∶1、0.7∶1、0.5∶1 4 個配比級，不管每個孔實測巖體透水率的大小，開灌水灰比一律以2∶1 進行，漿液濃度由稀到濃逐級增加。漿液在使用前對＞80μm 的粗顆粒予以過濾。

4.4.2 灌漿壓力

適宜的灌漿壓力既不至于造成混凝土蓋重抬動和漿力劈裂巖體，又能形成較大的擴散半徑。參照相似巖體水庫帷幕灌漿的實踐，厚層塊狀鈣質膠結砂礫巖發生漿力劈裂的臨界壓力為1MPa。試驗孔混凝土蓋重厚1m，試驗灌漿壓力取為0.5MPa。吸漿量較小時采用一次升壓法。遇到巖體透水性強、吸漿量較大時，采用分級升壓法。

5 微薄透鏡體帷幕灌漿反應

5.1 背景滲透次序性

微薄透鏡體試驗區各孔位透水率較大的情況多集中在23m 以上深度試段，甚至部分孔段出現過無壓、無回現象。再次驗證了微薄透鏡體的強透水能力。

從表1 數據反映，與普通裂隙巖體相比，微薄透鏡體的強滲透性表現得更加充分。盡管一次灌漿后平均滲透性大幅度衰減約1/2，仍然個別段透鏡體層段二次灌漿滲透性沒有衰減，在上游排孔局部試段還有增加。這說明一些微博透鏡體有超出預想但仍然與成因吻合的帶狀延展度。

5.2 灌漿抬動

在微薄透鏡體試驗區的15 個鉆孔內，共完成110 段灌漿，結果產生抬動的孔段共58 段，占比53%；在孔深5～25m顯示抬動頻率較高。有3 個孔試段依次累計抬動值達到154μm、154μm、192μm，接近抬動控制范圍值。

5.3 冒漿、漏漿

相比在基巖裂隙處淺孔位出現過一處冒漿，劈裂裂隙長度2m。在微薄透鏡體區域上游排孔出現過漏漿，二次灌漿注灰量不降反增。實際操作時采用間歇1h 即收到了先期灌漿凝漿效果。

5.4 微薄透鏡體注灰量

微薄透鏡體試驗區平均單注灰量達到491.9kg/m，單注灰大于500kg/m 的共35 段，占總灌漿段的32%，其中下游排19 段，同排占比50%，上游排11 段，同排占比32%，中間排5 段，同排占比13%。出現次序孔注灰量大于前序孔注灰量的情況。各排單注灰量有明顯遞減規律。

6 微薄透鏡體帷幕灌漿效果檢驗

6.1 微薄透鏡體灌漿試驗效果檢驗

灌漿試驗完成14d 后，在微薄透鏡體試區布置了2 個檢驗孔，檢驗巖芯，測定聲波，與之前對比。

灌漿壓力為0.4MPa 時，在檢驗孔巖芯的裂隙中發現水泥結石，說明漿液沿裂隙方向擴散半徑大于2m。從每個孔的漿液注入率變化趨勢來看，灌漿前后孔內波速測試結果顯示，在微薄透鏡體試驗區原強滲透段最小波速值均有15%以上的提高。

灌漿前后孔內波速測試結果顯示，在微薄透鏡體試驗區原強滲段最小波速值均有15%以上的提高。

6.2 微薄透鏡體灌漿

在壩基開挖后，施工帷幕灌漿中采納了灌漿試驗取得的微薄透鏡體參數，對于大吸漿或無壓無回的情況下加入水玻璃、細沙、粉煤灰或其他外加劑材料，在灌注時間較長情況下加入了緩凝劑等材料，成功限制了漿液擴散范圍，灌漿達到了滲透率設計要求。截至2016 年9 月，花崖水庫大壩建成臨近驗收。

7 結論

厚層洪積成因的弱滲透性軟巖存在微薄沖積相松散透鏡體，宜采用半合管雙套管鉆進取芯。花崖水庫壩基勘察灌漿實踐，揭示了即便厚僅3～17cm 的微薄透鏡體，在小于5Lu 背景裂隙巖體中，也可以表現出100Lu 以上的滲透性。不過，采用在0.43MPa 壓力下限流、限量、增加漿液方向度、間歇灌漿，微薄透鏡體的可灌性仍然是比較好的。