莽山水庫副壩工程高壓脈動灌漿效果檢測方法

劉 坪，賀茉莉，楊 清，李升起，喻濟時

（1. 湖南宏禹工程集團有限公司，湖南 長沙 410007；2. 湖南省水利水電工程質量檢測中心有限公司，湖南 長沙 410007）

1 工程概況

湖南省莽山水庫工程壩址位于湖南省郴州市宜章縣天塘鄉長樂河菜子沖下燕村，是一個以防洪、灌溉為主，兼顧城鎮供水與發電等綜合效益的大（Ⅱ）型水利樞紐工程。水庫正常蓄水位395 m，防洪高水位398.5 m，校核洪水位399.43 m，發電死水位355 m，供水死水位340 m；水庫總庫容1.33 億m3，防洪庫容2 400 萬m3，灌溉、供水、下游用水庫容9 300 萬m3；電站裝機容量為18 MW，年發電量4 400 萬kW·h。副壩位于主壩右壩肩約280 m 的埡口處，為瀝青混凝土心墻土石壩，壩頂高程為400.6 m，最大壩高41.1 m（心墻處），壩長120.6 m，壩頂寬8 m。

副壩壩基地層自上而下為：①地表第四系殘坡積含碎石砂土或粘土質砂，厚1.0～2.5 m，系花崗巖風化產物；②下伏基巖為燕山早期（γ52(1)）淺肉紅色中、粗粒斑狀黑云母花崗巖，局部綠泥石化。其中花崗巖全風化層下限埋深：左壩肩18.0～43.0 m、埡口9.0～13.0 m、右壩肩10.0～15.0 m、主副壩之間山脊脊頂21.5～44.70 m。

2 灌漿施工情況

高壓脈動灌漿方法主要是通過較高的脈動壓力，灌注一種粘土砂石膏漿，對全風化花崗巖地層分段進行擠密和劈裂灌漿處理，形成一種密實的復合地基體，達到防滲的目的[1][2]。

副壩帷幕線樁號0+556.67～0+727.67，共171 m，孔間距1.5 m，共設計鉆孔115 個，鉆孔編號G306～G420。設計鉆孔深度為進入強風化上限5 m 以上，且終孔壓水試驗透水率小于5 Lu。鉆孔分三序依次施工，每間隔3 個Ⅰ序孔為一個施工先導孔，進行全孔取芯及注水、壓水試驗，查明地層情況及其滲透性。采用水泥粘土砂石膏漿，高壓脈動灌漿方法，自下而上以0.5 m/段分段進行灌漿，根據不同深度采用不同的灌漿壓力，深度越深，壓力相應越大。

通過前期生產性試驗及后續施工，歷時約6 個月施工單位完成了副壩區的防滲帷幕施工。根據完工后檢查孔注水及壓水試驗數據與施工時鉆孔注水及壓水試驗數據的對比結果，高壓脈動灌漿處理后地層的抗滲性能有較大提高，已經達到在地層抗滲性方面的設計要求。為進一步科學、嚴謹地判斷檢驗防滲處理效果，建設單位委托了專業的第三方檢測單位采用多種方法進行了帷幕質量檢測。

3 檢測方法

3.1 鉆孔聲波試驗

本次聲波測試工作所用儀器為RS-ST01C 非金屬聲波檢測儀及與之配套的孔內聲波換能器。試驗方法采用跨孔聲波測試法，即在一孔中發射聲波，在另一孔中接收通過巖體介質傳播而來的聲波信號。

在帷幕灌漿中心線上及帷幕線外各鉆2 孔，孔深40 m，進行鉆孔聲波試驗、取土樣進行常規物理力學性能試驗。工作時，發射源與接收換能器以同一高程沿孔壁，由下往上每次間隔0.5 m 向上提升，逐點進行測試。在野外實測過程中，儀器讀數穩定，按規范要求，進行了重復觀測和檢查觀測，相對誤差小于4.8%，符合規范要求。

巖體Vp 值大小與巖體的地質特性有關，當巖體完整致密，新鮮堅硬時具有高波速特征；當巖體風化強烈，斷層裂隙發育巖體破碎時具有低波速特征。壩基進行灌漿處理能提高基礎巖石力學性能，改善壩基巖體完整程度，提高巖體Vp 值，這就為使用跨孔聲波測試法檢測巖體灌漿質量效果提供了地球物理前提條件。

3.2 室內土工試驗

本試驗的目的是測定粗顆粒土在滲流水通過時，試樣的滲透系數和細顆粒隨滲流逐漸流失的臨界坡降（管涌）及土體整體浮動時的破壞坡降（流土），嚴格按照《土工試驗規程》（SL 237-1999）執行。

試樣裝好后，測量試樣的實際厚度，然后采用熱水飽和法進行飽和，即在供水箱內貯存熱水（水溫不低于室溫，減少試驗過程中由于試驗用水分離出的氣泡堵塞試樣孔隙），使水位略高于試樣底面位置，再緩慢地提升水箱，每次提升1 cm，待水箱水位與試樣中水位相平，并等10 min 后，再提升水箱。隨著供水箱上升，讓水由儀器底部向上滲入，使試樣緩慢飽和，以完全排除試樣中的空氣。與此同時，隨著水位上升，應接通相應的測壓管。

提升供水箱，使供水箱的水面高出滲透容器的溢水口，保持常水頭差，形成初始滲透坡降。對管涌土，加第一級水頭時，初始滲透坡降可為0.02～0.03，然后一般可按0.05、01、0.15、0.2、0.3、0.4、0.5、0.7、1.0、1.5、2.0、3.0、…等坡降遞增。在接近臨界坡降時，滲透坡降遞增值應酌量減小。對于非管涌土，初始滲透坡降可適當提高，滲透坡降遞增值應適當放大。

每次升高水頭0.5～1 h 后，測記測壓管水位，并用量筒測讀滲水量3 次。每次測讀間隔時間一般為10～20 min，同時測讀水溫。對非管涌土，測讀間隔時間可適當延長。仔細觀察試驗過程中出現的各種現象，如水的渾濁程度、冒氣泡、細顆粒的跳動、移動或被水流帶出、土體懸浮、滲流量及測壓管水位的變化等。如果連續4 次測得的水位及滲水量基本穩定，又無異常現象，可提升至下一級水頭，直至試樣破壞。

在雙對數紙上，以滲透坡降i 為縱坐標，滲透速度v 為橫坐標，繪制滲透坡降與滲流速度關系曲線（lgi～lgv 曲線），在圖中確定其臨界坡降和破壞坡降。當lgi～lgv 關系曲線的斜率開始變化，并觀察到細顆粒開始跳動或被水流帶出時，認為該試樣達到了臨界坡降；隨著水頭增大，細粒不斷被帶走，滲流量變大，當水頭增加到試樣失去抗滲強度，該坡降稱為試樣的破壞坡降。

4 檢測結果

4.1 鉆孔聲波試驗

1）灌漿前

灌前跨孔聲波測試在K2-1 和K2-2 兩個鉆孔之間進行，從聲波測試成果圖來看，孔深12 m 以上波速曲線起伏不大，平均波速為883 m/s，波速范圍為791～995 m/s；12.5～19 m 平均波速為1 246 m/s，波速范圍為1 053～1 521 m/s；從19.5 m 以下可能是風化層中夾雜有塊石的緣故造成波速起伏較大，平均波速為1 739 m/s，波速范圍為999～2 852 m/s。

2）灌漿后

后跨孔聲波測試在J2-1 和J2-2 兩個鉆孔之間進行，從聲波測試成果圖來看，孔深31 m 以上波速曲線起伏不大，平均波速為1 154 m/s，波速范圍為994～1 696 m/s；從31.5 m 以下可能是風化層中夾雜有塊石的緣故造成波速起伏較大；平均波速為1 981 m/s，波速范圍為1 414～2 684 m/s。

綜合灌前灌后聲波測試剖面Vp 曲線特點，灌前測試曲線表現為Vp 值較低，變化頻繁，低值尖值點出現較多。當巖體經過灌漿處理后Vp 值提高，波動幅度變小。由表1 可知，灌后Vp 值有所提高并且較為平穩，說明灌漿后起到一定的效果。

4.2 室內土工試驗

1）顆分、密度、孔隙率

表1 灌漿前后聲波測試縱波波速度Vp 值（m/s）區間分段統計表

2）滲透變形

根據《水利水電工程地質勘察規范》（GB-50487-2008）中附錄G“土的滲透變形判別”。由多種粒徑組成的天然不均勻土層，可視為由粗、細兩部分組成，粗粒為骨架，細粒為填料，混合料的滲流特性決定于細粒的滲透性質。大量試驗和計算結果均證明，可以認為細粒顆粒含量等于30%是細料開始參與骨架作用的界限值。原土樣顆粒分析級配見表2，天然狀態土樣物理性質指標見表3，滲透及滲透變形試驗結果見表4。

表2 室內土工試驗顆粒分析及土樣分類成果表

表3 室內土工試驗天然狀態土樣物理性質指標

表4 土樣滲透及滲透變形試驗結果

1#、2#試樣為帷幕灌漿中心線以外鉆取的土樣，采用擾動樣按照原狀樣的干密度進行滲透及滲透變形試驗。3#、4#試樣為帷幕灌漿中心線上鉆取的土樣，采用原狀樣進行滲透及滲透變形試驗，試樣膠結情況較好，3#試樣當試驗水力坡降達到11 時、4#試樣當試驗水力坡降達到10 時，均未觀察到滲透變形破壞現象，此時整個試樣被抬起，無法進行后續試驗。

5 結 語

1）灌漿前聲波測試剖面波速范圍為791～2 852 m/s，平均波速12 m 以上為883 m/s；12.5～19 m 為1 246 m/s；19.5 m 以下為1 739 m/s。灌漿后聲波測試剖面波速范圍為994～2 684 m/s，平均波速31 m 以上為1 154 m/s；31.5 m 以下為1 981 m/s。灌后Vp 值提高，波動幅度變小。說明高壓脈動灌漿施工后有一定的效果。

2）原土樣為礫質中壤土，土樣干密度平均值為1.77g/cm3，孔隙率平均值為32.2%；灌漿后土樣干密度平均值為1.88 g/cm3，孔隙率平均值為28.2%。說明高壓脈動灌漿施工后土體密實度有所提高。

3）原土樣臨界坡降值為0.75 和0.70，破壞坡降平均值為2.25 和2.50，滲透系數為3.4×10-4cm/s 和4.9×10-4cm/s，為中等透水等級。灌漿后土樣，試樣膠結情況較好，3#試樣當試驗水力坡降達到11 時、4#試樣當試驗水力坡降達到10 時，均未觀察到滲透變形破壞現象；滲透系數為8.3×10-5cm/s 和7.3×10-5cm/s，為弱透水等級。

綜上所述，通過對莽山水庫副壩全風化花崗巖地層高壓脈動灌漿防滲處理施工前后巖土體的聲波測試、密度和孔隙率測試、滲透性試驗、滲透變形破壞試驗等多種方法的檢測，最終結果表明其防滲帷幕施工效果達到設計的防滲要求。