水利樞紐工程基礎處理技術及防滲效果分析

鄭 雪 王春明

（云南水利水電職業學院，云南 昆明 650499）

0 引言

位于巖石破碎帶上的水利樞紐工程，應提前開展地質勘查，根據巖層裂隙發育情況、裂縫分布與走向等相關信息，制定基礎防滲處理方案。通過選擇科學的技術措施，封堵裂縫，達到防滲與加固的有機統一。根據以往的工程實踐，帷幕灌漿、劈裂注漿、高壓噴射灌漿等都是常用的基礎防滲技術。但是從技術應用效果來看，帷幕灌漿具有裂縫封堵效果好、適應范圍廣、操作比較簡單等特點，具有推廣應用價值。

1 工程概況

某水利樞紐工程正常蓄水位258.1 m，防洪高水位260.0 m，總庫容1.58億m3。壩頂高程272.6 m，最大壩高90.2 m，壩頂寬8.3 m，壩頂總長度266.1 m。該水利樞紐工程兼有發電、灌溉等功能，屬于二等大（Ⅱ）型工程。根據氣象資料，該水利樞紐工程所在地區屬于中亞熱帶季風氣候區，全年平均降雨量2 546.2 mm，六七月份降雨集中，易發生暴雨、洪水。結合地質調查資料，該水利樞紐工程所在地區存在貫穿庫區的斷層帶，破碎帶呈全風化狀。綜合該區地質條件和水文特點，最終選擇帷幕灌漿技術進行基礎防滲處理。

2 工程基礎帷幕灌漿處理技術

2.1 孔位布置

該工程帷幕灌漿所用孔采用單排布置形式，每一排包含8個灌漿孔。其中Ⅰ序孔2個，間距為10 m；Ⅱ序孔4個，間距分別為4 m和8 m；Ⅲ序孔2個，間距為12 m；2個檢查孔，間距為12 m；另外還有1個抬動觀測孔。現場施工時，首先根據施工圖紙確定抬動觀測孔位置，然后依次進行Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ序孔和檢查孔的施工。

2.2 施工設備與材料

本次工程中使用到的設備主要有2臺最大深度為300 m的鉆孔機；1臺最大壓力為10 MPa、排量為120 L∕min的灌漿機；1臺容量為500 L的制漿機；1臺壓力為8 MPa、排量為120 L∕min的清水泵；1臺測斜儀。帷幕灌漿施工所用材料為42.5R水泥，制備泥漿前檢查水泥批次、標號以及質檢合格證，確定無質量問題后，使用80μm方孔篩子進行篩選，以篩余量≤總質量的5%為合格。將篩選過后的水泥倒入攪拌機中，然后再按照設計好的配合比依次加入砂子、黏性土、粉煤灰、水玻璃等摻合料，最后使用溫度在0～30℃的清水進行拌和［1］。

2.3 鉆孔施工

本次工程中使用2臺XY-2PC型鉆機進行鉆孔。復核孔位，確定孔位坐標正確后，按照布孔順序依次完成鉆孔。第一段孔徑的直徑為110 mm，鉆孔深度達到巖層2 m處后，確定孔口、孔壁無開裂問題，進行清孔作業。將孔內泥渣等清理干凈后，埋設直徑為98 mm的孔口管。第二段、第三段灌漿孔的孔徑均為80 mm。現場鉆孔作業時，使用測斜儀進行孔斜檢測，發現孔斜率接近最大偏差值時要及時調整鉆頭角度。全孔測斜發現孔斜率偏大時，應視作廢孔。

2.4 裂隙沖洗與壓水試驗

鉆孔結束后，破碎巖層的裂隙中可能會殘留一些碎石、泥土，為保證灌漿防滲效果，需要進行裂隙沖洗。操作方法：使用中空鉆桿完成鉆孔后，打開頂部法蘭，連接清水泵的注水管口，設定好注水壓力后，利用高壓水沖洗鉆孔側壁巖石裂隙中的砂子、石屑、泥土。在孔口觀察返水，直到返水清澈、無雜質后，說明裂隙內沖洗干凈，繼續沖洗5 min后停止沖洗［2］。如果是單孔沖洗，整個沖洗時間不少于20 min；如果是多孔聯合沖洗，時間不低于1 h。

本次工程中在正式灌漿前開展了壓水試驗，目的是掌握地層透水性，為漿液制備提供依據。壓水試驗采用單點法壓水，壓水壓力為灌漿壓力的80%，最大不超過1 MPa。壓水試驗中透水率的計算如式（1）所示。

式中：Q為每分鐘注入的水量，L∕min；H為總的壓水力，以水頭計，m；L為壓水試驗段的長度，m。

2.5 孔口封閉灌漿

完成清孔與壓水試驗后，抽干孔內積水，鑲鑄孔口管。選擇直徑為90 mm、長度為2 m的無縫鋼管插入已經完成的鉆孔中，鋼管深入基巖1.6～1.8 m，上端高出作業面20～40 cm。端部焊接法蘭盤，方便與孔口封閉器連接。鋼管采用分段插入的方式，到達第一段的底部后，從頂端連接常規灌漿器，開始注漿，直到漿液的液面達到孔口封閉器，第一段灌漿完成。然后使用0.5∶1的水泥漿液置換孔內漿液，繼續進行第二段的灌注，施工方法同上，直到無縫鋼管達到指定深度即可結束灌漿。整個施工流程如圖1所示。

圖1 孔口封閉法灌漿示意圖

在孔口封閉法灌漿中，要注意各道工序應做到有序銜接，不得隨意中斷施工。確實有特殊情況（如漿液準備不足），也應保證中斷時間控制在1 h以內，防止上部漿液終凝后難以繼續向下灌漿。同時，要求孔口管必須固定牢固，在灌漿壓力≥5 MPa時，孔口管深入基巖的深度≥2 m。為了實現漿液在孔內循環的灌漿效果，要求注漿管的管口與孔底之間的距離＜50 cm［3］。

2.6 灌漿特殊情況處理

由于該工程所在地區存在斷層破碎帶，因此在注漿時容易出現孔內漏漿現象，不僅浪費泥漿、增加成本，而且對防滲與加固效果也會產生負面影響。在現場施工時采用濃漿灌注和低壓力灌漿的方法，可以有效解決吸漿量偏大、孔內漏漿等問題。現場采取以下處理措施：中止注漿后，將注漿管內泥漿排空，然后替換成1∶1的高濃度泥漿進行灌注，同時將灌漿設備的壓力參數從4.0 MPa調節為2.5 MPa，灌漿方法從持續灌漿調整為間歇灌漿，間歇時間為30 min。第一次灌漿量為4 046 kg，等待30 min，在泥漿初凝后繼續進行第二次灌漿，灌漿量為6 885 kg，同時密切關注有無地面冒漿等情況。等待30 min，按照同樣的方法完成第三次灌漿，灌漿量為6 757 kg［4］。

3 工程基礎帷幕灌漿處理后的防滲效果評定

3.1 灌漿壓力分析

帷幕灌漿施工中，灌漿壓力是決定基礎防滲效果的關鍵因素之一。保持適度的壓力，可以使漿液的擴散范圍達到理想狀態，保證水利樞紐工程基礎防滲與加固效果達到最優。相反，壓力偏小會導致漿液擴散范圍偏小，壓力太大則會對基礎巖石造成破壞。另外，本次工程中使用的是孔口封閉法灌漿，由于上部灌漿區會反復施加壓力，要想避免破碎的巖層出現抬動現象，也會對灌漿壓力提出較為嚴格的要求。因此，在灌漿施工時需要對孔內壓力做好密切監測，從注漿10 min后收集第一組數據，之后每隔10 min采集一次數據，共收集11組數據，根據所得數據繪制灌漿壓力、流量隨時間的變化曲線，整個灌漿過程中壓力基本維持在2.5～3.0 MPa，相對穩定；漿液流量呈現出逐漸降低的趨勢。在初始注漿階段，灌漿壓力為2.5 MPa的情況下，漿液流量為34.5 L∕min；在注漿50 min后，同樣的壓力條件下，漿液流量僅有6.0 L∕min。從第70 min開始，灌漿流量穩定為0，說明破碎巖層的裂隙已經完全被漿液填滿，不再有新的漿液消耗，達到了理想的填充防滲效果。

3.2 透水率與耗灰量分析

帷幕灌漿施工中各次序孔的透水率和耗灰量（單位注入量）頻率累計曲線如圖2所示。

圖2 透水率與單位耗灰量頻率累計曲線圖

結合圖2可知，各次序孔的透水率呈現出下降趨勢。本次工程中，Ⅰ序孔壓水試驗316段，最大壓水透水率為1 207.5 Lu，平均透水率為40.1 Lu；Ⅱ序孔壓水試驗288段，最大壓水透水率48.6 Lu，平均透水率為10.4 Lu；Ⅲ序孔壓水試驗583段，最大壓水透水率為6.7 Lu，平均透水率為6.7 Lu。其中，各次序孔中透水率≤5 Lu的，Ⅰ序孔占31%，Ⅱ序孔占37%，Ⅲ序孔占80%。同時，各次序孔單位注入量也呈現下降趨勢。Ⅰ序孔總的水泥消耗量為522 571 kg，單位注入量402.5 kg∕m；Ⅱ序孔總的水泥消耗量為248 103 kg，單位注入量203.3 kg∕m；Ⅲ序孔總的水泥消耗量為21 6451 kg，單位注入量92.5 kg∕m。橫向對比上述數據可以發現，經過帷幕灌漿處理后，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ序灌漿孔的耗水量與單位耗灰量均呈現遞減趨勢，達到了預期的灌漿效果。

3.3 帷幕灌漿質量檢查

本次工程中設有25個單元，共有灌漿孔283個，故選擇檢查孔28個進行施工質量檢查。檢查方法采用單點法壓水試驗，以壓水透水率作為評價指標。試驗結果顯示，28個檢查孔中最大壓水透水率為2.01 Lu，最小壓水透水率為0.57 Lu，平均壓水透水率為1.27 Lu［5］。這一試驗數據表明本次帷幕灌漿施工中防滲效果良好，施工質量達到了預期。除此之外，通過鉆孔提取巖芯的方式，檢查破碎巖層處的注漿效果。發現多處水泥結石脈充填膠結，膠合較好，厚度為0.6～2.2 mm，說明破碎巖層的縫隙內被泥漿完全充填，起到了較好的阻水防滲與加固效果。

3.4 防滲效果評定

該水利樞紐工程的基礎防滲處理中，帷幕灌漿施工孔共計283個，帷幕長度366.4 m，水泥耗灰量946 t，平均單位注入量214.4 kg∕m。隨機抽取的28個檢查孔中，壓水試驗175段，帷幕灌漿長度703.5 m，平均壓水透水率1.27 Lu，防滲效果良好。25個單位經工程質量檢查全部合格，優良單位25個，優良率達到100%。

4 結語

帷幕灌漿是水利樞紐工程基礎防滲與加固處理中較為常用的技術手段之一。在技術應用中，一方面要結合地質勘查資料設計施工方案，并提前準備好帷幕灌漿施工所用的材料、設備；另一方面，還要結合施工流程采取精益化管理，重點做好成孔施工、孔口封閉灌漿等環節的質量管控。通過加強綜合管控，才能保證基礎防滲效果達到施工要求，進而保障水利紐工程的質量安全。