某大壩壩基水下沖洪積卵石層注漿加固及評價研究

盧正雷

(山東水總有限公司，山東 濟寧 250013)

1 工程概況

某水庫建成于20世紀70年代，是一座以供水為主，兼具防洪、旅游、養殖等諸多功能為一體的中型水利樞紐工程。該工程主要由大壩、溢洪道、引水洞以及庫區防汛搶險路組成。水庫按照50年一遇標準設計，500年一遇洪水標準校核，設計洪水位256.43m，校核洪水位257.42m，設計水位下水庫的總庫容為2538m3。現狀水庫大壩為均質土壩，壩軸線長263.2m，最大壩高23m，壩頂高程為260.58m，寬5.0m。由于該水庫建成時間長，建設標準相對較低，目前水庫的水工建筑物均存在嚴重的安全隱患，亟待進行除險加固。鑒于水庫淤積情況比較嚴重，庫容量已經明顯縮小，已經影響到其供水功能的發揮[1]。因此，在水庫除險加固中擬對大壩進行加高培厚，將壩頂高程由原來的260.58m提高到271.58m，壩頂寬由5m增加至6m，以增加水庫庫容量，提高水庫的供水能力。

加固后的大壩下游壩腳需要向下游延伸61.5m。根據現場地質勘測資料，大壩加高加固施工區內河床內存在大量由水流沖刷、搬運后形成的卵石、砂石層，上覆第四系人工填土，卵石層下的基巖為二疊紀灰巖或凝灰巖。其中，卵石層主要由粒徑為5～20cm的圓棱狀卵石組成，卵石的縫隙中夾雜者大量的泥沙，結構十分松散。卵石的顏色以灰到灰褐色為主，巖性主要為灰巖和砂巖。卵石層的厚度分布不均，一般為2.5～13.5m，主要分布在河槽和河床部位。由于當前大壩施工過程中在該部位覆蓋了人工填土以保護壩基，因此全部開挖置換工程量較大，因此采用注漿加固的方式進行地基處理。

2 注漿加固設計

2.1 注漿材料和設備

注漿材料對注漿加固效果的影響不容小視，因此其研究和發展由來已久[2]。但是，至今為止并沒有研發出適合各種注漿施工的完美注漿材料。因此在注漿施工中需要結合現場的實際情況靈活選用注漿材料[1- 3]。針對本工程中砂卵石地層強度低、自穩性產的實際情況，漿液的選擇和配比必須要能夠確保固結體的強度，盡量縮短膠凝時間，以最大限度提升注漿后地層的強度和穩定性[4]。基于上述要求，多當前常用的注漿漿液類型進行對比分析，認為水泥一水玻璃雙液最為適合，同時結合注漿要求，在注漿材料中添加氯化鋁溶液以改善漿液性能，體改注漿后地基的承載力[5]。經過實驗室試驗，確定如下的漿液配比：水泥采用的是32.5R普通硅酸鹽水泥；水玻璃為38°Be′氯化鋁溶液為1.0mol/L；水泥漿和水玻璃的體積比為1∶0.6；氯化鋁溶液與水玻璃的體積比為1∶4。

注漿引孔采用的是ZJ100型鉆機，注漿設備為HFV5D雙液注漿泵，同時配備高壓注漿管路系統以及必要的制漿設備。注漿用的是直徑50mm的柔性塑膠袖閥管，分段長度為1m。注漿孔孔距為800mm，采用梅花形布置，其布置示意圖如圖1所示。

圖1 注漿孔位布置示意圖

2.2 注漿量與注漿壓力

砂卵石地層的注漿量計算可以依據如下公式計算[6]：

Q=π×R2×L×α×β×K

(1)

式中，Q—注漿量，m3；R—漿液擴散半徑，m，這里取0.8m；L—注漿管的長度，m；α—地層孔隙率，這里取0.43；β—孔隙填充系數；K—漿液消耗系數。

利用上述公式計算獲得本次注漿的注漿量為12.23m3。

注漿壓力的確定以保證漿液的順利注入為主要原則，如果壓力過小，則會影響到漿液的擴散，如果注漿的壓力過大，則造成漿液的擴散距離過遠，不利于提高注漿作業的經濟性[7]。結合相關研究成果和現場實際試驗數據，確定注漿壓力為0.8～1.0MPa。

2.3 注漿施工過程

灌漿工藝按照SL 62—2014《水工建筑物水泥灌漿施工技術規范》要求，并結合試驗現場的實際設計，具體的流程圖如圖2所示。首先，放線確定孔位，搭建固定鉆機進行鉆孔，在鉆機安裝時確保牢固平穩和主軸方向豎直，孔距誤差控制在10cm以內，孔底偏差值控制在25cm以內[8]。鉆孔的施工順序二孔序作業方式進行。灌漿試驗采用的是最大壓力1.0MPa。壓力表安裝在灌漿口進漿部位并在使用前標定，適應GK- 312型灌漿自動記錄儀對灌漿參數進行記錄，保證獲得真實的灌漿參數信息；灌漿塞采用的是直徑50mm的擠壓式灌漿塞。灌漿過程中當單孔注漿量大于等于30L/min時，考慮越級變換濃漿液；在灌漿壓力不變的情況下，漿液的注入率不斷減少或注入率不變的情況下注漿壓力不斷升高時，應保持漿液級別不變；當灌漿實踐達到30min或注漿量達到300L時，如果注漿壓力和注入量沒有明顯變化，應該將漿液的濃度提高一級繼續注漿。當灌漿孔的注入率低于0.4L/min或者在1.0MPa的注漿壓力下灌注30min后結束灌漿。達到灌漿結束標準后結束灌漿并封孔，在全部灌漿結束后要進行驗收，然后進行封堵[9- 12]。

圖2 灌漿工藝流程示意圖

3 注漿加固評價

3.1 注漿加固質量評價

在灌漿之前對5個試驗孔進行壓水試驗，結果顯示，大部分試驗孔的單位吸水量大于100L/(MPa·m·min)；說明卵石地層具有較強的滲透性；在注漿試驗結束之后，再次進行壓水試驗，結果顯示，僅有一個試驗孔的單位吸水量大于25L/(MPa·m·min)，其余試驗孔的單位吸水量都在10L/(MPa·m·min)以下。由此可見，注漿施工對減少卵石地層孔隙，提高地層的密實度具有重要作用。

注漿施工結束后，對10個不同部位的灌漿孔進行鉆芯檢驗，鉆孔的總進尺為92.5m，以便采集到的含有水泥膠狀物的芯樣，以便對注漿效果進行實際評價。結果顯示，各個鉆孔均采集到了水泥膠狀結構或膠凝物芯樣。從縱向分布特征來看，水泥膠狀物主要分布在基巖層以上，且3.0～10.0m范圍內的水泥膠結物含量最高，基本充滿了卵石層的孔隙，3.0m以上的表層由于受上覆壓力的影響，注漿效果一般，10.0m以下的區域，由于卵石較大，因此注漿加固效果逐步變差。但是，整體而言，注漿后卵石層的整體性明顯加強，可以保證大壩加固工程對地基承載力的要求[13- 15]。

3.2 經濟性分析

為了評價本文提出的注漿漿液的經濟性，以水灰比為1∶1，配制100L漿液為例，對3種常用于卵石地層的漿液費用進行計算，結果如表1所示。由表中的數據可以看出，漿液的額主要費用來自于水玻璃，因此水玻璃的含量越高，漿液的成本越大。在常用的3種漿液中，本文采用的添加氯化鋁的水泥-水玻璃漿液性價比較高，具有經濟可行性。

表1 不同漿液費用對比

3.3 工程效果評價

本次大壩加固工程設計工期為14個月，于2017年5月開工建設，2018年主汛期前到來前提前竣工并投入運行，經過2018年和2019年兩次主汛期高水位和泄洪檢驗，加高后的大壩安全穩定性良好。這說明本文提出的卵石地層注漿加固方法切實可行，可以獲得良好的加固效果，可以為類似工程施工提供有益的技術經驗借鑒。

4 結語

大壩加高加固工程的壩腳需要向下游延伸較大距離，而該部位河道和河床下存在厚度較大的卵石、砂石層，上覆第四系人工填土，結構十分松散，承載力明顯不足，且滲透性較強。結合工程實際和相關研究成果，提出了采用添加氯化鋁的水泥-水玻璃漿液進行注漿加固壩基處理方式，取得了良好的工程效果。鑒于卵石、砂石層是水工建設中經常存在的地質問題，因此本文研究結論具有類似工程條件下的借鑒意義和一定的推廣價值。當然，卵石砂石地層中往往存在夾泥現象，其對注漿效果的具體影響和相關機理，需要在后續研究中予以關注。