某水利樞紐工程基礎處理研究及灌漿試驗分析

張毅爽

(新疆建源工程有限公司，烏魯木齊 830000)

1 概 述

灌漿是通過鉆孔或者預埋管件，對某種濃度的膠凝性漿液施加壓力，將其壓送到地質缺陷部位的一種施工技術，該方法是通過封堵地層中的缺陷來提高防滲能力[1-2]。在大壩基礎處理中，帷幕灌漿是最常用的防滲措施。帷幕灌漿能有效減小滲流量，降低壩基揚壓力，能夠提高壩體的抗滑穩定能力[3]。對于土石壩來說，還能防止地層產生機械潛蝕，防止壩基內產生機械和化學管涌[4]，所以帷幕灌漿的整體性和防滲性能夠直接影響大壩的運行安全。由于施工成本較低、工藝操作簡單、防滲效果明顯等優點，灌漿技術在工程中被廣泛采用。但由于長期受到高壓滲流作用，帷幕體的耐久性會逐漸降低[5]。

灌漿效果檢測是灌漿過程中一個重要環節。目的是檢測灌漿前后巖土體滲透性的變化，是否能夠達到預期效果。目前，國內外對大壩防滲效果評價方法研究不多。雖然可以采用如壓水試驗法、聲波法、統計模型方法、地下水動力學方法、有限元數值模擬等方法來對比灌漿前后某些指標的變化規律，但并沒有建立一個完善的質量控制和評價體系，也不能全面地控制工程質量并客觀地反映整個工程防滲處理的效果。

2 工程概況及試驗資料分析

2.1 工程概況

該水利工程庫盆主要由泥盆系、奧陶系的粉～細砂巖、泥質砂巖及頁巖組成，屬于隔水巖層，未見可溶巖出露；庫區內沒有發現貫穿整個庫區及上下游的斷層帶；河流兩岸沖溝徑流較多，分水嶺附近的地下水位高程都在300.000 m以上，均高于水庫的正常蓄水位。庫區河谷為侵蝕谷，下切強烈，河床縱坡較陡，谷底狹窄，兩岸階地不發育，在正常蓄水位范圍內，兩岸谷坡外側無低洼平緩地帶，庫岸基本由基巖組成。庫區內巖層類型均為砂巖、頁巖等，巖層走向為北北東～北東向，傾向下游，河谷屬穩定性較好的斜向谷～橫向谷，岸坡大部分基巖裸露，第四系覆蓋層較薄，巖石抗沖刷能力較強，兩岸山體基本穩定。局部風化破碎巖體、第四系殘坡積松散堆積層岸坡，工程大壩壩址位于峽谷出口處，河谷為V形，河流平直，自西向東流，在沿壩線下游流向北東向。河流水位高程約190.000 m，最大水面寬30.0 m左右，最大水深1.5 m。左岸岸坡地形走勢較陡，坡度為40°～50°，高程310.000～360.000 m處地形較平緩；右岸岸坡地形走勢較緩，坡度為30°～40°。壩址巖層呈單斜構造，巖層走向與河流幾乎相垂直，并向下游傾斜，巖石產狀較穩定。

2.2 試驗區選擇與孔位布置

本文選擇第1壩段帷幕灌漿第K1-10單元作為灌漿試驗區，帷幕底線底部承受水壓力最大，以弱風化帶下部和微新鮮巖體中的裂隙為對象，帷幕體周圍巖層相對較均勻，灰～灰綠色厚層夾薄層砂巖、深灰色泥質粉砂巖。沿垂直方向有3種不同的巖層，此部位相對具有代表性。試驗區巖體透水性不大，均在5Lu左右，上部基巖已進行固結灌漿施工，整體性好，滲透性較小。此部位孔口高程為198.300 m，在地下水位以下，鉆孔時孔口有涌水現象。帷幕灌漿試驗灌漿孔為單排孔，按I、II、III孔序進行施工，試驗區共布設8個灌漿孔，見圖1。施工時，首先埋設抬動觀測裝置，再依次施工先導孔和I序孔、II序孔、III序孔、檢查孔。

圖1 灌漿試驗孔布置圖

3 灌漿成果分析

3.1 灌漿壓力分析

灌漿過程中灌漿壓力是一個至關重要的參數，它不僅影響灌漿擴散范圍，如果壓力過大還會對基礎巖石和混凝土蓋重造成破壞。試驗區為孔口封閉法灌漿，上部灌漿區會反復施加壓力，為了保證施工過程不發生抬動，應合理選擇灌漿壓力。見圖2-圖3。

圖2 試驗區先導孔灌漿過程曲線圖

圖2和圖3為先導孔壓水和灌漿施工的過程曲線。壓水采用的壓力為1 MPa，圖3中可以看出隨著壓力的變化，單位流量沒有明顯的變化，變化趨勢和壓力變化相同，表明壓水過程沒有產生水力劈裂現象。說明壩基基巖在1 MPa的壓力下，不會產生水力劈裂。灌漿成果資料顯示，注入量較大的孔段對應的灌漿壓力有大有小，單位注入量與灌漿壓力的大小不是成正比關系的，而是與地質條件有關。從灌漿過程曲線看，灌漿過程沒有出現灌漿壓力出現異常情況變化，單位注入量都是隨著時間逐漸變小，說明帷幕灌漿施工采用設計灌漿壓力，地層不會出現劈裂現象。試驗區布設了一套抬動觀測裝置，在裂隙沖洗、壓水試驗和灌漿過程中都較仔細地進行變形觀測，由于該部位混凝土蓋重厚度較大，加上固結灌漿對壩基的補強作用，在整個施工過程中，未出現過抬動現象。根據灌漿經驗，由于水為牛頓流體，能夠等值傳播水壓力，易對巖石造成水力劈裂。而水泥漿液為賓漢姆流體，其黏度大，不能等值傳遞壓力。相對壓水試驗，灌漿不易產生水力劈裂和抬動變形。

圖3 試驗區先導孔壓水過程曲線圖

綜合上述，在該部位灌漿質量檢查合格的情況下，未造成巖層發生水力劈裂現象，混凝土蓋重也沒有出現抬動，說明試驗區灌漿壓力選擇合適。

通過對該大壩灌漿試驗的研究，最終確定水利樞紐中大壩帷幕灌漿壓力為：當灌漿區域在地下水位以下實行試驗區灌漿壓力，其他部位按照在之前灌漿壓力基礎上每段降低0.25 MPa，終孔段不大于2.0 MPa的標準執行。

3.2 試驗區透水率及單位耗灰量

通過對試驗區灌漿前后壓水和灌漿成果(表1和表2)分析可知，試驗區壓水透水率較均勻，注入量遞減特征符合灌漿規律。說明大部分裂隙連通性較好，滲透性能較均勻，灌漿前平均透水率在13 Lu左右，滲透性相對較大。局部地層的透水率相對偏大，但數量較少。總體來看，該大壩壩基巖石屬于中等介質，可灌性好。

表1 各灌漿次序孔透水率分析表

表2 試驗區各次序孔單位注入量分析表

從表1中可以看出，各次序孔的壓水透水率在灌漿前后壓水透水率呈遞減趨勢，說明灌漿的效果十分良好，達到灌漿分序加密的效果，灌漿孔距的選擇合理。

由表3可以看出，I序孔單位耗灰量為167.37 kg/m，III序孔單位耗灰量為49.32 kg/m。可以看出，隨著灌漿孔的加密，單位耗灰量呈明顯的遞減趨勢。通過圖4可知，隨著試驗段灌漿孔孔距的變小，單位耗灰量逐漸降低，符合灌漿的一般規律。說明該地層可灌性良好，采用分序加密法灌漿效果明顯，該灌漿方法適合該大壩壩基地層。

表3 試驗區灌漿成果分析表

圖4 試驗區各次序孔透水率和單位耗灰量頻率累計曲線圖

3.3 試驗質量檢查

帷幕灌漿試驗區的壓水透水率均符合工程設計要求。先導孔和檢查孔壓水試驗成果統計表見表4。

表4 試驗區先導孔和檢查孔壓水成果表

由表4可知，本次灌漿區域內的各次序孔平均透水率及單位耗灰量關系為：I序孔>II序孔>III序孔>檢查孔，隨著灌漿孔孔距的減小，透水率和單位耗灰量基本呈遞減趨勢，符合灌漿的一般規律。

4 結 論

本文從灌漿試驗的目的、試驗區域的選擇、施工過程及資料整理等環節，介紹了灌漿試驗的全過程。試驗表明，壩基地層可灌性良好，工程帷幕灌漿設計及施工方案是合理的，包括灌漿孔孔距、灌漿壓力、分段長度、漿液濃度、抬動觀測、孔斜等參數的驗證。在施工中，采用低濃度漿液配合高壓力進行灌漿，能夠降低灌入巖石裂隙漿液的泌水性能，提高結石強度，從而保證灌漿施工質量。

通過對壓水試驗和灌漿過程曲線進行分析得到，地層沒有出現水力劈裂現象，混凝土蓋重也沒有發生抬動，灌漿效果檢查符合設計要求。說明采用試驗中所用的灌漿工藝和灌漿參數，可以提高大壩基礎的防滲能力，能夠達到工程所要求的防滲標準。通過對本次灌漿試驗的研究，為后期壩基帷幕灌漿施工提供了重要的技術資料和施工方法。