深孔覆蓋層防滲灌漿試驗在工程施工中的應用

(中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 611130)

1 工程概況

桐子林水電站系雅礱江干流最末一級梯級開發(fā)水電站，總裝機為600MW，最大壩高69.50m，總庫容0.9120億m3，以發(fā)電為主。上游圍堰左堰肩通過防滲處理形成阻水帷幕，防止堰肩滲透變形，為電站主體工程提供干地施工條件。

2 試驗方案

2.1 試驗區(qū)選擇與布孔

2.1.1 試驗選址

根據(jù)四方現(xiàn)場勘查分析，將試驗區(qū)選定在距二期上游圍堰左堰肩覆蓋層防滲軸線下游約8m區(qū)域，地質條件具有代表性。

2.1.2 孔位布置

鉆孔揭示17～42m為漂砂卵礫石夾粉砂質黏土、砂壤土夾層及粉細砂，其中35～38m有較大孤石；57～63m為卵礫石層和塊碎石層；與設計地質剖面圖中描述的地質情況基本相符。試驗區(qū)地質情況較復雜，有較強的代表性。

2.1.3 孔位布置

本次試驗分兩階段進行。第一階段：灌漿孔設計為2排，間、排距為1.5m，矩形布置。第二階段布孔與第一階段相結合，在背水排、迎水排中間增布一排，孔距為1.5m，梅花形布置。

2.2 灌漿試驗內容及目的

2.2.1 試驗目的

通過灌漿的方式對二期上游圍堰左岸堰肩部位覆蓋層進行防滲處理，將地層結構復雜多變、透水性強的覆蓋層基礎進行處理，增強覆蓋層基礎的完整性和力學性能指標，改善其防滲性能，以提高該部位覆蓋層的抗?jié)B能力等，為左岸堰肩防滲處理提供合理的施工工藝、技術參數(shù)和生產指導。

2.2.2 試驗內容

a.通過漿液試驗確定漿液配制工藝，選擇水泥和外加劑等灌漿材料。

b.通過灌漿試驗，選擇適合本工程地質條件的鉆孔、灌漿方式。

c.確定灌漿用于堰肩覆蓋層地質缺陷處理；確定合理可行的灌漿工藝及相應的施工方法；選擇在施工中采取的灌漿壓力、漿液濃度及漿液變換等技術參數(shù)。為下一步二期上游圍堰左堰肩灌漿提供可靠的技術參數(shù)和生產指導。

2.3 灌漿試驗施工程序

施工時按先施工背水排，再施工迎水排，最后施工中間排的順序進行施工。

施工工藝流程：場地平整→混凝土蓋板澆筑→鑲鑄孔口管→先導孔施工→背水排施工→迎水排施工→第一次檢查孔施工→中間排施工→第二次檢查孔施工→封孔。

2.4 灌漿材料及漿液實驗內容

2.4.1 水泥

灌漿水泥的要求滿足《通用硅酸鹽水泥》(GB 175—2007)的技術要求。采用P·O42.5水泥，在灌漿之前進行抽樣檢查，每批水泥抽樣一次，試驗成果經監(jiān)理人審查合格后才能用于工程施工。水泥試驗包括：細度，漿液的穩(wěn)定性、流動性或黏度，漿液的析水率、沉淀速度，漿液的凝固時間及結石強度等。

2.4.2 摻和料

根據(jù)實際情況，漿液可摻加膨潤土(細度為200目)、黏性土(塑性指數(shù)不宜小于14)、粉煤灰(質量標準參照《水工混凝土摻用粉煤灰技術規(guī)范》)、砂(質地堅硬的天然砂或人工砂、粒徑不宜大于2mm)。

2.4.3 水

采用左岸系統(tǒng)水。

2.4.4 外加劑

根據(jù)灌漿試驗需要并經監(jiān)理工程師批準，在水泥漿液中摻入外加劑，以適應不同的地質條件和工程要求。外加劑采用速凝劑、純堿等。

2.4.5 漿液試驗內容

對進場的水泥、砂及現(xiàn)場拌制的漿液進行了抽樣檢查,檢測參數(shù)見表1。

表1 原材料檢測參數(shù)

試驗室對灌漿原材料及漿液的檢測結果均滿足設計要求。

3 試驗結果與分析

3.1 現(xiàn)場試驗施工

3.1.1 抬動觀測

防滲灌漿試驗區(qū)布置抬動觀測孔，抬動觀測孔孔位由現(xiàn)場監(jiān)理工程師確定。抬動觀測裝置在施工前安裝完成，在灌漿過程中應監(jiān)測被灌巖體的抬動情況。

3.1.2 鉆孔

試驗區(qū)鉆孔孔位均按施工圖紙嚴格放樣并記錄。鉆孔包括抬動觀測孔、灌漿孔、質量檢查孔。

3.1.2.1 跟管鉆進工藝

采用YXZ-90A型全液壓錨固鉆機偏心跟管鉆進，跟管為φ140導管，直至孔底。如因故無法鉆至孔底，采用XY-2地質鉆機用泥漿護壁的方式完成剩余孔段的鉆孔。

3.1.2.2 孔口封閉灌漿法

采用XY-2地質鉆機進行鉆孔，鉆孔沖洗液為黏土泥漿。

a.鑲鑄套管。套管管徑89mm(或108mm)，埋深長度12m(非灌段)，管口高出地面10～20cm，埋設正直、牢固。

b.灌漿孔鉆進結束后，使用馬氏漏斗黏度為31～36s的泥漿清孔，孔底沉淀厚度不大于20cm。

c.鉆孔護壁采用黏土泥漿，針對不同地層對低固相護壁漿液主要性能的要求有所區(qū)別。

3.1.2.3 孔斜控制及糾偏措施

a.認真做好機械的就位安裝和開孔工作，選用短的、直的機上鉆桿和對中性能好的立軸卡盤，不使用立軸晃動的鉆機開孔、鉆孔；開孔時要校正鉆機，開孔的鉆具長度，要隨鉆孔延深而加長。

b.采用合理的鉆進參數(shù)，減小孔壁間隙。

c.不輕易換徑。必須換徑時，應使用變徑導向鉆具，或采取其他導正定位措施。

d.鉆進軟硬互層等地層時，要采用長巖芯管低轉速、低鉆壓鉆進。

e.鉆進過程中按要求測量孔斜，發(fā)現(xiàn)問題及時糾正，可采用導向板、孔底埋管等措施進行糾偏；當孔深較淺、偏斜不大時，可將鉆機的立軸方向適當向鉆孔偏斜的相反方向偏轉，以獲得糾偏的效果。

3.1.3 灌漿

3.1.3.1 設計灌漿段長

灌漿方法:試驗區(qū)采用“孔口封閉灌漿法”與“套管灌漿法”進行灌漿施工。

從高程1012m開始計算，第一段段長為2.0m，第2段為3.0m，以下各段為5m，特殊情況應根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)理工程師的要求及現(xiàn)場實際情況縮短段長并調整灌漿壓力。

3.1.3.2 漿液變換標準

根據(jù)不同的地質情況，考慮迎水排灌漿孔直接受水流沖刷的動水影響，沖洪積及踏滑堆積體松散架空，顆粒之間間隙大，針對不同的灌漿地段，分別采用不同的灌漿漿液進行灌注。

3.1.3.3 漿液比級變換標準及結束標準

a.根據(jù)灌漿情況對漿液水灰比進行適當變換；當采用最大濃度漿液施灌，注入率大而無明顯減少時，可采用間歇灌漿法或改用砂漿灌注。在灌漿過程中出現(xiàn)漏失、注灰量大，灌漿難于結束時，應采用低壓、濃漿、限流、限量、間歇灌漿等措施。

b.達到下列條件之一，可結束灌漿：?在最大灌漿壓力下，注入率不大于2L/min，并已持續(xù)灌注20min；?單位注灰量達到最大值時，中間排孔應采用?中的條件。

3.1.3.4 封孔

灌漿封孔采用“全孔灌漿封閉法”封孔。即全孔灌漿完畢后，采用導管注漿將孔內余漿置換成為0.6∶1的濃漿，而后將灌漿塞塞在孔口進行純壓式灌漿封孔。封孔灌漿壓力使用最大灌漿壓力，持續(xù)時間不小于30min。

3.1.4 特殊情況處理

在施工過程中，遇特殊情況及時通知現(xiàn)場監(jiān)理工程師，并根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)理工程師的指令選擇以下處理方式對特殊情況進行處理。

3.1.4.1 孔壁坍塌

遇到孔壁坍塌掉塊的孔段，采用泥漿護壁無效時，停止鉆進行，進行灌漿處理。

3.1.4.2 灌漿中斷

a.因機械、管路、儀表、停水、停電等故障而造成灌漿中斷時，盡快排除故障，立即恢復灌漿。否則沖洗鉆孔，重新灌漿。當無法沖洗或沖洗無效時，掃孔后復灌。

b.恢復灌漿時，如注入率與中斷前相近，可采用中斷前水泥漿的比級繼續(xù)灌注；如注入率較中斷前減少很多(注入率為中斷前注入率70%以下)，且在短時間內停止吸漿，應及時采取補救措施。

3.1.4.3 串漿、冒漿

a.被串孔正在鉆進時，立即起鉆，停止鉆進，并對串漿孔進行堵塞，待灌漿孔灌漿完畢后，再對被串孔進行掃孔、沖洗，而后繼續(xù)鉆進。

b.被串孔具備灌漿條件，且串漿量不大，在灌漿的同時，在被串孔內通入水流，使水泥漿液不致充填孔內；串漿量大時，對被串孔同時進行灌漿，灌漿時應一泵一孔。

c.地表裂縫處冒漿時，采用棉紗嵌縫堵塞或用水玻璃砂漿表面封堵，并采用暫停灌漿等措施。

3.2 檢查孔取芯情況分析

通過灌漿后，檢查孔取芯率約為90%，部分孔段采取的巖芯有水泥結石(見圖1)。

圖1 檢查孔巖芯層上水泥結石

3.3 試驗成果分析

3.3.1 試驗區(qū)灌漿資料總體統(tǒng)計分析

灌漿工程具有隱蔽性，被灌覆蓋層具有不均一性、復雜性，一般來講難以準確地評價灌漿效果，為了在有限的試區(qū)內得到有關覆蓋層灌漿效果指標，此次灌漿檢查采取鉆孔取芯、注水試驗等。

3.3.2 水泥單位注灰量分析

單位注灰量可反映出灌漿過程所采用的工藝技術、灌注材料、漿液配比是否具有合理性。一般情況下，單位注灰量具有隨孔序逐序遞減的規(guī)律(見圖2)。

圖2 單位注灰量頻率累計曲線

經分析，各次序的單位注灰量值分布上遵循遞減的規(guī)律。Ⅰ序孔單位注灰量為1667.9kg/m，Ⅱ序孔單位注灰量為854.3kg/m，Ⅱ序孔比Ⅰ序孔遞減48.8%；隨著灌漿次序的增進，地層逐漸被灌注密實，地層得到了有效改善。

3.3.3 漿液性能試驗成果分析

a.純水泥漿液：?黏度隨水灰比減小而增大；?析水率隨水灰比減小而減小；?初凝時間均隨水灰比減小而減小，但減少較緩慢；?7天齡期抗壓強度均隨水灰比減少而增大。

b.水泥砂漿：根據(jù)試驗方案砂漿配合比進行取樣試驗，7天抗壓強度為22～25MPa。

c.水泥-水玻璃漿液：?同一試驗水灰比凝結時間隨水玻璃摻量增加而增大；?7天齡期抗壓強度均隨水玻璃摻量減少而增大。

3.3.4 注水試驗分析

試驗分兩階段進行：第一階段進行兩排孔灌漿試驗，施工完成后進行第一次質量檢查(檢查孔取中間排Ⅰ序孔)，對兩排孔的灌漿效果進行評價；第二階段灌漿試驗在已施工的兩排孔灌漿基礎上進行中間排灌漿孔施工，施工完成后再進行第二次質量檢查，對試驗區(qū)灌漿效果進行評定。評定結果見表2。

表2 第一階段注水試驗成果

第二階段注水試驗25段，合格孔段為22段，占總孔段的88%，最大滲透系數(shù)為2.61×10-5cm/s，不合格孔段為3段，占總孔段的12%，最大滲透系數(shù)為2.16×10-4。根據(jù)兩階段注水試驗對比分析，滲透系數(shù)遞減明顯，符合灌漿規(guī)律。

3.3.5 抬動觀測成果分析

a.灌漿壓力范圍在0.4～1.6MPa，在灌漿施工過程中，統(tǒng)計4個段次的觀測數(shù)據(jù)分別為26μm、37μm、46μm、44μm。從抬動觀測值分析，存在變形，但地層不會產生破壞。

b.在試驗區(qū)混凝土蓋板上四周及中間確定5個觀測點，采用水準儀進行觀測，經對比分析：混凝土蓋板局部沉降有10cm左右，主要為地表水及灌漿鉆孔沖洗液擾動引起的非灌段的沉降。

3.3.6 非灌段分析

在施工過程中發(fā)現(xiàn)大量孔口管偏斜，試驗區(qū)混凝土蓋板發(fā)生不均勻沉降，給施工造成極大的困難。在試驗區(qū)增設水準觀測點觀測發(fā)現(xiàn)，鉆孔灌漿過程中以及降雨量較大時變形觀測值浮動特別大。因此，建議非灌段(高程1012.00m高程以上孔段)采用低壓灌漿進行施工，并鑲鑄孔口管至12m的位置。

4 結論與討論

4.1 功效分析

覆蓋層帷幕灌漿試驗區(qū)完成鉆孔灌漿1142.1m。下游排平均鉆孔功效為5.86m/天，灌漿功效4.06m/天；上游排平均鉆孔功效3.86m/天，灌漿功效3.2m/天；中間排平均鉆孔功效6.08m/天，灌漿功效5.26m/天。從上述鉆灌功效分析得出，中間排鉆灌功效明顯高于上下游排鉆灌的功效。

4.2 結論與建議

4.2.1 結論

b.試驗區(qū)灌漿采用“孔口封閉灌漿法”和“套管灌漿法”相結合的方式進行灌漿施工，有利于施工質量和施工進度控制，將兩種方法相結合是可行的。

c.試驗區(qū)灌漿孔排距為0.75m、孔距為1.5m等參數(shù)滿足要求。

d.試驗區(qū)各灌漿孔段首次灌漿時均采用純水泥漿開灌，各排各次序孔灌漿的漿液比級根據(jù)已灌孔段開灌水灰比和結束水灰比的具體情況進行適當調整的施工工藝可行。

e.通過漿液試驗確定了配制漿液工藝，本次試驗采用P·O42.5水泥為灌漿主材，摻和料為：質地堅硬的天然砂(粒徑不大于2mm)、水玻璃和膨潤土，適合該地區(qū)的地質條件。

f.試驗采用“重錘式”測斜儀和KXP-1測斜儀相結合；“重錘式”測量套管法灌漿的孔段，KXP-1測斜儀測量孔口封閉法灌漿的孔段，均能準確測量鉆孔孔斜。

g.選用地質鉆機和錨固鉆機搭配施工，灌漿設備采用3SNS灌漿泵、液壓塞和三參數(shù)灌漿自動記錄儀滿足灌漿要求。

4.2.2 建議

4.2.2.1 灌漿參數(shù)

試驗所采用的灌漿分段和灌漿壓力，基本能夠滿足漿液擴散要求，但局部產生有抬動等現(xiàn)象；為了充分保證灌漿質量，且不產生抬動，建議灌漿壓力在0.4～1.7MPa之間選取。

4.2.2.2 灌漿工藝

a.建議在廊道或施工面狹窄區(qū)域的灌漿孔，40m以上的孔段采用套管灌漿法，40m以下采用孔口封閉法；在施工場地允許的情況下，可選用大型全液壓鉆孔進行鉆孔施工，全孔采用套(花)管灌漿法進行灌漿施工。

b.建議變形觀測采用“抬動孔觀測” 和“水準觀測點觀測”相結合的方法進行。

c.建議灌漿封孔采用“全孔灌漿封閉法”封孔。

d.建議灌漿質量檢查采用鉆孔取芯和注水試驗相結合的方式進行。