基于復雜地質條件下的水庫壩基帷幕灌漿施工問題分析

徐力澤

(新疆水利水電勘測設計研究院有限責任公司，烏魯木齊 830091)

某水庫的主壩屬于均質土壩，壩頂寬約6m，壩體長度為441m，。高為40m。水庫總容量為2.96億m3，由于建設年代較為久遠，受限于當時的技術條件，填筑壩體之前未做好壩基清理工作，河床、壩肩等處出現了較為嚴重的滲漏問題，因而需要采取壩基帷幕灌漿施工技術針對此水庫的壩基實施加固。原有的帷幕灌漿設計是在壩頂中心線兩側分別設置一排灌漿孔，兩排之間留有1.5m的距離。河床段及巖坡段的孔距分別設置為3m與4m，共鉆進孔子洞為188個，鉆孔進尺總量為7487m，灌漿段的總長度為3164m。

1 水庫地質條件分析

1.1 地貌特征

本水庫的建設地為低山丘陵區，為構造剝蝕侵蝕地貌。山體結構為下古生界碎屑巖與泥質巖組合而成，在長年的剝蝕侵蝕影響下，形成了較厚的風化殼。河床鉆孔時遇到了厚度為3m的沖擊卵礫石層，河床段屬于二級侵蝕堆積階地。此水庫處于多個構造帶復合區域，新華夏系是其主要控制構造帶。水壩右肩上游存在三條小斷層，破碎區域最窄處為5cm，最寬處為30cm，斷層結構成分為糜棱巖與石英脈相摻雜。

1.2 基巖及透水層情況

本水庫壩址基巖為古老淺變質巖，是在長時間地質剝蝕與侵蝕下形成的，在高強度風化作用影響下形成了程度不一的風化帶。整個風化帶巖體均為散體結構，主要成分是土與巖塊。全區均有強風化帶分布，為碎裂結構型巖體。全區各處均有弱風化帶，為強度較低的層狀結構。壩基透水層主要是強弱風化帶及河床砂卵礫石，透水層分布具有連續性特征，最薄處為10m，最厚處不超過30m。滲透系數最低值為1×10-4，最高值為1×10-2。透水率介于10Lu與100Lu之間。

2 復雜地質條件下水庫壩基帷幕灌漿施工問題分析

由于本水庫壩基加固工程位于地質條件相對復雜的區域，需要重點解決的施工問題主要有2個方面：①灌漿參數選擇困難。由于壩基透水層的滲透系數較高，需要在應用適合灌漿材料的基礎上，選擇適合的灌漿參數，從而有效降低水庫壩基的滲透系數，消除河床與壩肩滲漏問題。但受到工程地質條件的影響，灌漿參數確定面臨較大難度[1]。②原有帷幕設計中布孔方式存在問題，河床段與巖坡段孔距過大，并且對漏水孔段或透水率較高孔洞鉆孔時較為困難。針對這些問題，本工程實施中進行了三次灌漿試驗，結合三次試驗的結果得出了最為適合的灌漿施工參數及最佳的施工工藝及布孔方式，以此保證復雜地質條件下水庫壩基帷幕灌漿施工的質量。

3 基于復雜地質條件的水庫壩基帷幕灌漿施工問題解決方法

3.1 優選灌漿參數選擇

本水庫壩基帷幕灌漿施工中所選用的灌漿材料為32.5型普通硅酸鹽水泥，以純水泥漿液灌注，并在其中添加適量偏硅酸鈉水溶液作為添加劑。為確定最佳的灌漿參數，本工程展開了三次帷幕灌漿試驗。

3.1.1 首次帷幕灌漿試驗

3.1.1.1 孔位布置

第一次帷幕灌漿試驗時，上排孔位設置于靠近壩頂上游邊線2.25m處，間隔1.5m布設下排孔，上下兩排各設置5個孔，交錯分布。

3.1.1.2 鉆孔施工

針對土層區域，選用直徑為11cm硬質合金鉆頭泥漿護壁鉆進法，將厚度低于8.9cm的鋼管埋設于巖面之上，按照水灰比為0.6∶1配置泥漿，灌注于鋼管背側及土體之間，預留2日凝固時間而后實施巖石鉆孔。利用5.9cm的金剛石鉆頭雙管單動鉆具作為基巖處鉆進工具，并取芯描述。

3.1.1.3 巖石裂隙沖洗及注水、壓水試驗

沖洗巖石裂隙時采用壓力水沖洗法，以灌漿壓力的80%作為沖洗壓力值，無需沖洗卵礫石層，直接實施注水試驗。巖層處采用單點法壓水試驗，試驗水壓應設定為0.3MPa。

3.1.1.4 灌漿試驗

灌漿時采用由上至下的孔口封閉法，采取循環注漿模式，射漿管與孔底之間應留有0.5m的距離。應分段注漿，卵礫石層段、巖層接觸段的注漿長度分別設定為1m與2m，其余注漿段均為5m長度。

3.1.1.5 施工問題分析

首次灌漿參數試驗中，土層鉆進時出現了多次黏土漿滲漏問題，巖層部分孔段鉆孔時未出現返水現象。采取巖芯時發生了破碎，采取率最低為14%，最高為80%。一些孔巖層中存在厚度0.2～4.36m不等的夾泥層，沖洗巖層裂隙時部分灌段不起壓或未出現返水現象。灌漿時最高耗灰量高達了10.1t/s。灌漿施工時綜合應用了低壓控制、限定流量或間歇灌漿等措施，但孔段均需復灌3～4次左右。

3.1.1.6 試驗成果分析

運用注水試驗法對孔卵石層進行注水試驗，巖層則采取五點法分段壓水試驗，得到的透水率結果介于2.23Lu與66.96Lu之間，與規定要求的低于5Lu要求不相符。

3.1.2 二次灌漿試驗

3.1.2.1 試驗方法

本次灌漿試驗時，分別提高了各個試驗施工段的灌漿壓力，與首次灌漿試驗相比，壓力值提高了0.1MPa。且采取孔口封閉分段灌注方法，在灌漿吸漿量較低時，增大稀漿灌注量，以使之在短時間內快速達到設計壓力值。灌漿后卵礫石層及接觸段的凝固時間分別設定為8h與24h以上。同時，各段均需檢測地下水位并實施注水試驗。利用五點法針對下栓塞展開壓水試驗，并計算其透水率[2]。

3.1.2.2 試驗結果

兩個試驗段分別設置2個檢查孔，經檢測，河床段檢查孔的透水率控制在5Lu之下，達到了設計透水率要求。卵石層低于2.59×10-4cm/s接觸段的孔段均達到了試驗要求。檢查共設置了20段檢查孔，具體檢查成果如表1所示。

表1 二次灌漿試驗檢查成果分析

3.1.3 第三次灌漿試驗

雖然二次試驗中河床段的透水率要求已達標，然而岸坡段灌漿效果并不夠理想，因而通過第三次試驗進一步調整參數，并強化過程控制力度。

3.1.3.1 參數調整

本次以水氣輪換方式替代壓力水進行巖石裂隙的沖洗，水壓仍然設定為灌漿壓力的80%，氣壓控制在0.3MPa以下(詳見表2)。對砂卵石層與接觸段的灌漿壓力進行分別調整。灌漿時在保持壩體不變形的基礎上盡可能增大灌漿壓力，以快速達到試驗壓力。

表2 三次試驗沖洗及灌漿壓力參數

3.1.3.2 灌漿工藝調整

按照灌漿壓水試驗確定灌漿水灰比，以循環式灌注方法實施灌漿，水灰比設定為按照5∶1或3∶1。吸漿量較高孔段采純壓灌注法復灌，且在其中加入適量的偏硅酸納水溶液。吸漿量較少區域增大稀漿灌注量，同一比級的漿液灌注量超過500L之后，如果壓力未發生變化，或吸漿率變化不明顯，以濃度高一等級的漿液灌注。若灌注漿液變濃后吸漿量減少或是不吸漿，應調回原有漿液等級。同時，應加強水泥用量控制，各灌漿段耗灰量應介于1～1.5t之間。除接觸段凝固時間設置為24h外，其余灌漿段均設定為8h。

3.1.4 試驗成果分析

本次試驗設置了10段檢查孔設置，各個檢孔段設2個檢查孔，全部利用五點法進行壓水試驗。經測定，僅有一段透水率為6.19Lu，未達到透水率要求，另外9段的透水率均<5Lu，合格率高達90%。第三次試驗的灌漿參數應作為最佳施工參數。

3.2 合理布孔、調整灌漿施工工藝

3.2.1 布孔調整

經試驗分析得知，原先設計的布孔方式并不合理，因而將設計中上游排孔取消，只保留下游一排孔，并將岸坡段與河床段的孔距分別調整為1.33m與1.5m。

3.2.2 施工工藝優化

本工程壩基帷幕灌漿施工時，采用水氣輪換方法對巖石裂隙做沖洗處理，氣壓值應設定為0.3MPa，各次灌漿水泥量設定為75～150kg/m之間，凝固后再逐一復灌。針對透水率較大或鉆孔時出現漏水現象的孔段，以孔口注漿法灌注，或減少注漿量，再利用孔口封閉循環法掃孔復灌。針對吸漿量較大、難以起壓的灌漿孔，應控制灌漿流量、降低灌漿壓力，或采取間歇式灌漿法，并需加入適量的偏硅酸鈉水溶液。終孔段透水率高于5Lu的孔段需提高灌段深度。

3.3 復雜地質水庫壩基帷幕灌漿施工問題解決成效檢查

通過檢查灌漿效果發現，本工程各序孔的平均耗灰量分別為452.4kg/m、406.04kg/m、253.62kg/m，本工程帷幕灌漿與水泥漿液灌注規律相符。同時，各個單元灌漿14日后，從灌漿孔中選取10%做效果檢查，分別對卵礫石層及巖石層展開注水試驗及五點法分段壓水試驗，得出礫卵石層的滲透系數未超過10-4cm/s，且巖層透水率也控制在5Lu以下。在本工程24單元中設置了26個檢查孔，所有檢查結果均與設計標準相符。

4 結 語

由于本工程地質條件較為復雜，為解決帷幕灌漿施工參數難確定的問題，展開了三次灌漿試驗，通過結果對比與參數調整得出了最優的帷幕灌漿施工參數。同時復雜地質條件下，應在保證施工規范性的基礎上采取可行性的施工措施，降低施工難度，保證施工質量。文章采用限量法控制灌漿量，并調整了凝固時間、添加了相應的加速凝劑，以此降低復灌次數，實現了施工速度的提升，且巖石裂隙方面以水氣輪換沖洗法替代水壓力沖洗法，為水庫壩基帷幕灌漿施工質量的提升提供了保障[3]。