紅層壩基泥化夾層高壓射流沖洗置換試驗(yàn)研究

李清波 王貴軍 劉慶亮 王俊智

摘?要：紅色陸相碎屑巖地層層間剪切帶泥化夾層抗剪強(qiáng)度低，對重力壩壩基深層抗滑穩(wěn)定具有控制性作用，需采取工程措施予以處理。以擬建黃河古賢水利樞紐工程壩基JQD06剪切帶泥化夾層為研究對象，開展了高壓射流沖洗置換灌漿試驗(yàn)。試驗(yàn)采用孔內(nèi)高壓射流定向切削破壞剪切帶泥化夾層原巖結(jié)構(gòu)，沖出軟弱碎屑和泥質(zhì)，通過調(diào)整沖洗工藝與沖洗參數(shù)優(yōu)化沖洗效率，并采用水泥漿液對高壓射流沖洗后形成的空腔進(jìn)行灌漿充填置換，從而達(dá)到明顯提升剪切帶泥化夾層抗剪強(qiáng)度的目的。試驗(yàn)結(jié)果表明：對近水平發(fā)育的紅層泥化夾層采用高壓射流沖洗置換灌漿處理技術(shù)可行，效果良好。

關(guān)鍵詞：紅層;深層抗滑穩(wěn)定;剪切帶泥化夾層;高壓射流沖洗置換;古賢水利樞紐

中圖分類號：TV543;TV642.3?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.05.026

Abstract： Shear-zone muddy interlayers in red clastic strata are characterized by low shear strength， which play a controlling role in the anti-sliding stability of the gravity dam foundation and engineering measures should be taken to deal with it. In this paper， taking the JQD06 shear-zone muddy interlayer of Guxian Dam as an example， the high-pressure jet flushing & grouting experiment was carried out. The high-pressure water vapor jet flushing was used for directional cutting to destroy the original structure of the shear-zone muddy interlayer and washing out the weak debris and mud. The flushing efficiency was optimized by adjusting the flushing process and parameters. The flushed cavities were filled and replaced by grouting， so as to achieve the purpose of significantly improving the shear strength of the shear-zone muddy interlayer. The experiment results show that it is feasible and effective to use the high-pressure jet flushing & grouting technique for the treatment of the horizontally-developed red-bed muddy interlayers.

Key words： red-bed; anti-sliding stability; shear-zone muddy interlayer; high-pressure jet flushing & grouting; Guxian Dam of Yellow River

紅層一般指中生代以來的紅色陸相碎屑巖地層。紅層巖性主要為砂巖、粉砂巖、黏土巖、礫巖、泥質(zhì)頁巖等，具有褶皺不劇烈、產(chǎn)狀平緩、軟硬巖互層、巖性巖相多變、層間剪切帶泥化夾層發(fā)育等特點(diǎn)[1]。紅層層間剪切帶泥化夾層抗剪強(qiáng)度小，作為混凝土重力壩壩基時(shí)，通常對其深層抗滑穩(wěn)定具有控制性作用，需要采取工程措施提高其綜合抗剪能力[2]。常見的泥化夾層處理措施包括混凝土置換、混凝土深齒墻、混凝土洞塞等[3]。工程實(shí)踐中，埋深較小的泥化夾層多采用混凝土置換方法處理，埋深較大的泥化夾層則多采用混凝土深齒墻或混凝土洞塞處理。如黃河萬家寨水利樞紐采用混凝土洞塞對壩基下近水平發(fā)育的層間剪切帶進(jìn)行處理[4]，山西省垣曲后河水庫采用縱橫交錯(cuò)的框架式洞塞處理大壩壩基間歇面[5]，印度斯里曬拉姆壩采用水平抗剪洞和豎井組合方式處理近水平的剪切帶[6]，均取得了較好效果。但上述處理措施具有一定局限性，尤其是泥化夾層深埋且連續(xù)性良好時(shí)，采用混凝土置換或混凝土深齒墻處理工程量大，且規(guī)模較大的混凝土洞塞需采取溫控及接觸灌漿施工措施，對工程進(jìn)度及投資影響較大。

20世紀(jì)80年代以來，高壓沖洗切割置換技術(shù)應(yīng)用于軟弱夾層和斷層帶在國內(nèi)已有成功案例。銅街子水電站針對控制重力壩壩基抗滑穩(wěn)定的C5層間錯(cuò)動(dòng)帶進(jìn)行了高壓噴射沖洗灌漿處理[7]，錦屏一級水電站采用高壓射流沖洗及混凝土回灌對大壩左岸抗力體、建基面出露的壩肩f2斷層及其層間擠壓帶進(jìn)行了處理[8]，效果均較理想。但上述工程的高壓射流沖洗置換均是在垂直鉆孔中實(shí)施的，存在沖洗位置確定及沖洗角度控制難度較大、沖洗切割范圍偏小、軟弱夾層經(jīng)沖洗灌漿置換后抗剪強(qiáng)度提高效果檢驗(yàn)困難等問題，對大面積連續(xù)分布的泥化夾層不適用。

擬建黃河古賢水利樞紐壩基發(fā)育有多層剪切帶泥化夾層，具有產(chǎn)狀近水平、厚度較小、抗剪強(qiáng)度低等特點(diǎn)，其中JQD06剪切帶泥化夾層在壩基范圍內(nèi)分布連續(xù)性好，對壩基深層抗滑穩(wěn)定具有控制性作用[9]。因此，以JQD06剪切帶泥化夾層為研究對象，在壩基河底勘探平洞內(nèi)對其開展水平孔高壓射流沖洗置換試驗(yàn)，以檢驗(yàn)采用該方法處理緩傾角剪切帶泥化夾層的可行性，并為壩基泥化夾層工程處理方案的選擇提供依據(jù)。

1?JQD06剪切帶泥化夾層工程地質(zhì)特征

擬建古賢水利樞紐作為黃河干流的七大控制性骨干工程之一，在黃河治理開發(fā)和水沙調(diào)控體系建設(shè)中具有極為重要的戰(zhàn)略地位，工程以防洪減淤為主，兼顧供水、灌溉和發(fā)電等綜合利用。樞紐壩址位于黃河北干流磧口—禹門口河段，壺口瀑布上游約10 km處。壩址河段河道順直，河谷呈寬闊的U形，河谷底寬約460 m。設(shè)計(jì)推薦壩型為碾壓混凝土重力壩，最大壩高215 m，為目前國內(nèi)外在紅層壩基上擬建的最高碾壓混凝土重力壩。壩址河床壩基基巖面高程約461 m，壩基地層產(chǎn)狀近水平，褶皺和斷層不發(fā)育，巖性為三疊系暗紫紅色鈣泥質(zhì)、泥質(zhì)粉砂巖夾巨厚層-中薄層長石砂巖及少量粉砂質(zhì)黏土巖，軟硬巖相間分布，在水平構(gòu)造應(yīng)力作用下易發(fā)生層間錯(cuò)動(dòng)，形成了多層近水平狀剪切帶泥化夾層，壩基深層抗滑穩(wěn)定問題十分突出。

JQD06剪切帶泥化夾層是控制壩基深層抗滑穩(wěn)定的關(guān)鍵層位剪切帶泥化夾層之一，在河床壩基范圍內(nèi)高程為417～423 m，厚度為0.60～1.20 m，平均厚度為1.1 m。河底勘探平洞揭露的JQD06剪切帶表現(xiàn)為具有明顯構(gòu)造特征的擠壓帶，巖性為灰綠色和紫紅色粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖相互穿插，內(nèi)部發(fā)育斜交的破裂面，在兩側(cè)或內(nèi)部發(fā)育中等傾角錯(cuò)動(dòng)面，錯(cuò)動(dòng)面上擦痕明顯。剪切帶底部分布有連通率近90%的泥化夾層，其厚度一般為1～3 cm，局部達(dá)10 cm。泥化夾層以巖屑夾泥型為主（約占35.6%），其次為泥夾巖屑型（約占28.9%）和巖塊巖屑型（約占23.7%），全泥型較少（約占11.8%）。泥化夾層礦物成分以伊利石和蒙脫石為主，含量分別為39.8%、36.6%，其次為長石、石英和方解石。為合理確定JQD06剪切帶泥化夾層的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，在古賢壩址河底勘探平洞典型位置進(jìn)行了多組大型原位抗剪和中型剪試驗(yàn)，JQD06剪切帶不同類型泥化夾層抗剪斷強(qiáng)度見表1。

2?高壓射流沖洗置換灌漿試驗(yàn)

2.1?技術(shù)路線

利用古賢壩址河底勘探平洞，在JQD06剪切帶泥化夾層發(fā)育典型地段布置水平鉆孔，通過孔內(nèi)高壓水流和壓縮空氣聯(lián)合沖洗切割破壞強(qiáng)度較低的層間剪切帶，沖出剪切帶軟弱碎屑和泥化夾層。試驗(yàn)過程中選擇不同的沖洗工藝和沖洗參數(shù)，根據(jù)沖洗效果選擇相對較優(yōu)的工藝和參數(shù)組合，并對沖洗后的空腔進(jìn)行封堵、置換灌漿，使之形成類混凝土結(jié)構(gòu)，以達(dá)到顯著提高剪切帶泥化夾層抗剪強(qiáng)度的目的。

2.2?試驗(yàn)方案

為滿足試驗(yàn)要求，結(jié)合前期開挖的河底勘探平洞布置了與探洞平行的試驗(yàn)支洞，河底探洞和試驗(yàn)支洞的凈間距為16 m。試驗(yàn)支洞為L形，主洞長12 m、寬5 m、高3 m，滿足施工設(shè)備場地要求，形成水平鉆孔兩洞對穿的施工條件。

本次試驗(yàn)共布置試驗(yàn)孔7個(gè)，分兩組進(jìn)行。第一組為雙孔試驗(yàn)，布置了2個(gè)鉆孔（GDS1-1、GDS1-2），兩孔間距為60 cm，試驗(yàn)的主要目是確定單孔高壓射流沖洗有效切割范圍及切割形態(tài)，對比分析不同工藝的沖洗效果及效率;第二組為多孔試驗(yàn)，布置了5個(gè)鉆孔（GDS1-3～GDS1-7），鉆孔間距依據(jù)雙孔試驗(yàn)結(jié)果確定，試驗(yàn)的主要目的是確定多孔連通高壓射流沖洗切割范圍及切割形態(tài)，對比分析處理效果。試驗(yàn)總體布置方案見圖1。各試驗(yàn)鉆孔均順泥化夾層布置，具體孔位布置見圖2。

2.3?試驗(yàn)設(shè)備

（1）鉆孔設(shè)備。鉆孔選用YXZ-70A型液壓錨固鉆機(jī)。

（2）高壓沖洗設(shè)備。高壓沖洗設(shè)備選用XL-50型旋噴鉆機(jī)，采用雙管鉆桿，雙管鉆桿破壞壓力不低于138 MPa。高壓沖洗泵選用聚能泵，最大工作壓力達(dá)50 MPa。高壓噴頭采用硬質(zhì)合金噴頭，噴孔對稱布置，噴頭厚度為10 mm左右，噴孔直徑為1.7～2.5 mm。高壓膠管采用60 MPa鋼絲纏繞膠管，鋼絲纏繞層數(shù)為6層。與雙管鉆桿相配套的專用水彎頭破壞壓力不低于138 MPa，專用連接件要求能承受高壓力。為控制高壓沖洗安全壓力設(shè)置了安全閥，主要作用為高壓沖洗水壓力達(dá)到預(yù)先設(shè)定值后自動(dòng)卸荷，降低壓力，防止發(fā)生安全事故。

（3）灌漿設(shè)備。灌漿泵采用3SNS灌漿泵，最大壓力為20 MPa，最大流量為100 L/min。數(shù)據(jù)記錄采用HT-Ⅱ型灌漿自動(dòng)記錄儀。

（4）為解決近水平鉆孔中高壓射流沖洗經(jīng)常遇到的清渣難題，試驗(yàn)中對高壓水沖洗噴頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，研制了正反清孔噴頭，見圖3。單個(gè)清孔噴頭設(shè)置4個(gè)水嘴，90°間隔均勻布置，噴嘴與噴具軸線夾角為45°。在鉆孔高壓水沖洗完成后，對鉆孔空腔下半段及上半段分別采用正、反噴頭進(jìn)行往復(fù)式?jīng)_洗，必要時(shí)平行移動(dòng)鉆具進(jìn)行多次沖洗。

2.4?試驗(yàn)過程

（1）地質(zhì)編錄。針對河底勘探平洞及試驗(yàn)支洞揭露的JQD06剪切帶泥化夾層開展地質(zhì)編錄工作，主要編錄內(nèi)容包括泥化夾層在兩洞洞壁的分布高程、厚度、類型、連續(xù)情況、工程地質(zhì)性狀等。據(jù)此確定先導(dǎo)試驗(yàn)孔開孔孔位、孔徑、傾向、孔距等。

（2）鉆孔施工。采用YXZ-70A液壓錨固鉆機(jī)進(jìn)行鉆孔施工，孔徑130 mm，單孔孔深約16 m。JQD06剪切帶總體呈水平狀，局部略有起伏。因鉆孔質(zhì)量直接影響高壓水切割沖洗效果，為保證鉆孔盡量順剪切帶走向，需嚴(yán)格控制鉆孔方位。試驗(yàn)中采用推平行線吊重錘線方式控制方位角。

（3）高壓水切割沖洗。高壓水切割沖洗采用“雙管法”，噴射管為雙壁鉆桿，噴射介質(zhì)為水和壓縮空氣。高壓水及壓縮空氣從雙壁鉆桿進(jìn)入孔內(nèi)，利用高壓水流和壓縮空氣聯(lián)合切割沖洗剪切帶內(nèi)的不良填充物、裂隙面，使裂隙或結(jié)構(gòu)面上松散物及軟弱物質(zhì)等脫離母巖排出孔外，從而使沖洗帶形成擴(kuò)大的脫空區(qū)，通過采用不同噴射壓力、流量、轉(zhuǎn)速、提升速度、噴射工藝及排渣工藝比較沖洗效果。沖洗風(fēng)壓為0.5～0.7 MPa，沖洗水壓從5 MPa開始按每級5 MPa逐級升壓，最大射流水壓為45 MPa。

（4）雙孔沖洗試驗(yàn)。GDS1-1和GDS1-2試驗(yàn)孔布置在河底勘探平洞與試驗(yàn)支洞之間，順剪切帶泥化夾層展布。試驗(yàn)時(shí)先沖洗GDS1-2孔。對比自孔底至孔口沖洗及自孔口至孔底沖洗兩種方法的沖洗效果，發(fā)現(xiàn)前者排渣效果較好，后續(xù)試驗(yàn)均采用這種沖洗方法。沖洗方式采用定點(diǎn)旋噴間隔移動(dòng)與定點(diǎn)旋噴勻速移動(dòng)兩種工藝。定點(diǎn)旋噴間隔移動(dòng)工藝指在同一孔位旋轉(zhuǎn)噴頭，當(dāng)該部位不良巖體被沖洗干凈后，將噴頭移動(dòng)5～10 cm，重復(fù)上述沖洗過程，直至該孔段全部沖洗完畢。試驗(yàn)中分別采用了定點(diǎn)旋噴10 min移動(dòng)5 cm、定點(diǎn)旋噴10 min移動(dòng)10 cm、定點(diǎn)旋噴5 min移動(dòng)7 cm、定點(diǎn)旋噴7 min移動(dòng)7 cm等不同的定點(diǎn)旋噴及移動(dòng)參數(shù)。定點(diǎn)旋噴勻速移動(dòng)工藝則是邊旋轉(zhuǎn)噴頭邊勻速提升噴具，提升速度為2 cm/min。兩種工藝噴頭旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速均根據(jù)現(xiàn)場沖洗效果確定，結(jié)束以回水清凈為標(biāo)準(zhǔn)。

完成GDS1-2孔沖洗后，采用相同工藝進(jìn)行GDS1-1孔沖洗至兩孔連通。

（5）多孔沖洗試驗(yàn)。多孔試驗(yàn)共布置5個(gè)鉆孔，包括3個(gè)1序孔和2個(gè)2序孔，見圖4。施工時(shí)先沖洗1序孔，再?zèng)_洗2序孔，根據(jù)雙孔沖洗試驗(yàn)結(jié)果，鉆孔間距按60、80 cm控制，各孔均采用自孔底至孔口的定點(diǎn)旋噴間隔移動(dòng)沖洗工藝，提升速度按定點(diǎn)旋噴7 min間隔移動(dòng)7 cm控制。

（6）置換灌漿。高壓射流沖洗完成后，對沖洗后的試驗(yàn)孔進(jìn)行置換灌漿。回填灌漿前安裝2根直徑為25 mm的進(jìn)漿鐵管，一根下至空腔底部、一根下至空腔孔口部位，鉆孔孔口和孔底的空腔頂部均預(yù)埋排氣管，并將排氣管上引2 m。空腔兩端采用20 cm厚漿砌石封堵，漿砌石表面抹2 cm砂漿。采用0.45∶1水泥漿液對空腔進(jìn)行充填灌漿。待漿液干縮后，通過預(yù)埋管路重新對空腔頂部進(jìn)行接觸灌漿。

（7）灌漿置換體與圍巖接觸面抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)。待多孔試驗(yàn)孔置換灌漿漿液達(dá)到28 d齡期后，對灌漿置換體與剪切帶的上下接觸面各取1組試樣進(jìn)行中型剪切試驗(yàn)，以獲取灌漿置換體和相對完整巖體接觸面的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。

3?試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1?單孔試驗(yàn)

（1）沖洗效果。GDS1-2單孔沖洗完成后，孔底2 m范圍最大沖洗切割半徑約50 cm，平均半徑約40 cm，孔口形成高30～40 cm、寬60～70 cm的空腔，孔內(nèi)剪切帶軟弱巖體全部被清除。GDS1-1孔沖洗至兩孔連通后，兩孔從孔口到孔底形成了扁平狀貫通空洞，孔口空腔寬度約1.2 m，高0.35～0.40 m，孔內(nèi)剪切泥化帶全部被清除，上下兩壁保留正常巖體或相對堅(jiān)硬的剪切擠壓帶巖體。

（2）沖洗效率。試驗(yàn)結(jié)果表明，不同沖洗方式的沖洗效果及沖洗效率存在差異，見表2。經(jīng)綜合比較，定點(diǎn)旋噴間隔移動(dòng)方式較定點(diǎn)旋噴勻速移動(dòng)方式?jīng)_洗效果更佳，沖洗參數(shù)宜采用定點(diǎn)旋噴7 min間隔移動(dòng)7 cm。

3.2?多孔高壓射流沖洗試驗(yàn)

（1）沖洗效果。沖洗完成后，各孔空腔內(nèi)軟弱泥化夾層均被清除干凈，但局部留存有少量較大塊度的干凈巖塊，5個(gè)孔的沖洗平均直徑為65 cm。GDS1-3～GDS1-5孔口部位沖洗空腔寬度約160 cm，高度20～25 cm;孔底部位沖洗空腔寬度約190 cm，高度約40 cm。GDS1-6、GDS1-7孔口部位亦形成連通空腔，空腔寬度約140 cm，高度約25 cm。由于孔向偏差，因此GDS1-6、GDS1-7在孔底部位間距增大為120 cm，沖洗后兩孔間殘留巖體厚度約40 cm，單孔空腔半徑約40 cm。

（2）沖洗效率。試驗(yàn)結(jié)果（見表3）表明，采用自孔底至孔口的定點(diǎn)旋噴間隔提升沖洗工藝，提升速度按定點(diǎn)旋噴7 min間隔提升7 cm控制，單孔平均沖洗效率為0.22 m2/h。GDS1-3～GDS1-7沖洗累計(jì)作業(yè)時(shí)間248.82 h，其中高壓水沖洗時(shí)間150.10 h，占比60.3%;清孔時(shí)間50.41 h，占比20.3%;輔助時(shí)間48.31 h，占比19.4%。多孔試驗(yàn)清孔時(shí)間較長主要原因是受水平孔排渣影響，輔助時(shí)間較長主要原因是受擴(kuò)挖洞室斷面尺寸、鉆機(jī)結(jié)構(gòu)等影響。

3.3?置換灌漿效果

對比高壓射流沖洗試驗(yàn)相鄰部位JQD06剪切帶泥化夾層和沖洗空腔灌漿置換體抗剪強(qiáng)度（見表4），后者較前者抗剪斷強(qiáng)度大幅提高，表明采取高壓射流沖洗置換灌漿措施可以顯著改善剪切帶泥化夾層的工程力學(xué)性質(zhì)。

4?結(jié)?論

（1）采用對穿鉆孔高壓射流沖洗置換方法處理近水平發(fā)育的紅層壩基剪切帶泥化夾層，技術(shù)可行，效果良好，處理后可顯著改善剪切帶泥化夾層工程力學(xué)性質(zhì)，有效消除其對壩基抗滑穩(wěn)定的不利影響。

（2）采用自孔底至孔口的沖洗順序及定點(diǎn)旋噴7 min間隔提升7 cm的工藝，紅層壩基剪切帶泥化夾層沖洗綜合效率相對較高，其單孔沖洗平均直徑為65 cm。采用正、反清孔噴頭進(jìn)行往復(fù)清洗，鉆孔空腔內(nèi)巖渣清除效果顯著。

（3）基于試驗(yàn)結(jié)果，對穿鉆孔布孔間距以60 cm為宜，并宜分序進(jìn)行高壓射流沖洗。鉆孔施工中應(yīng)嚴(yán)格控制孔向偏差。

參考文獻(xiàn)：

[1]?徐瑞春，周建軍.紅層與大壩[M].武漢：中國地質(zhì)大學(xué)出版社，2010：3-13.

[2]?彭土標(biāo)，袁建新，王惠明.水力發(fā)電工程地質(zhì)手冊[M].北京：中國水利水電出版社，2013：325-330.

[3]?王小毛，楊啟貴，王俊紅，等.混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范：SL 319—2018[S].北京：中國水利水電出版社，2018：32-33.

[4]?劉志明.水工程基礎(chǔ)和邊坡軟弱結(jié)構(gòu)面抗滑穩(wěn)定研究及案例分析[M].北京：中國水利水電出版社，2013：161.

[5]?鄭會(huì)春.后河水庫工程的特點(diǎn)和設(shè)計(jì)中的幾個(gè)難點(diǎn)[J].人民黃河，2003，25（10）：38-39.

[6]?王宏碩.水工建筑物：專題部分[M].北京：水利電力出版社，1991：171-172.

[7]?鄒品福.銅街子水電站C5層間錯(cuò)動(dòng)帶和斷層破碎帶的高壓噴射沖洗[J].四川水力發(fā)電，1992，11（4）：29-34.

[8]?楊富平，唐應(yīng)鵬，李正兵.錦屏一級水電站斷層高壓水沖洗灌漿試驗(yàn)研究[C]//中國水利學(xué)會(huì)地基與基礎(chǔ)工程專業(yè)委員會(huì)第十一次全國學(xué)術(shù)技術(shù)研討會(huì)論文集.北京：中國水利水電出版社，2011：187-192.

[9]?王貴軍，張一，陳艷國，等.黃河古賢水利樞紐工程可行性研究工程地質(zhì)勘察報(bào)告[R].鄭州：黃河勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，2017：65-66.

【責(zé)任編輯?呂艷梅】