高關水庫大壩基巖帷幕灌漿試驗研究

王 可,張 曼

(1.湖北華傲水利水電工程咨詢有限責任公司,武漢 430070;2.湖北省水利水電科技推廣中心,武漢 430070;3.湖北騰升工程管理有限責任公司,武漢 430070)

0 引 言

巖溶發育地區大壩基巖處理是極為重要的,同時處理技術比較復雜。帷幕灌漿技術是水工建筑巖體處理中常用的一種重要的工程措施。巖溶地區帷幕灌漿具有灌注材料量大、防滲帷幕深和施工復雜的特點。施工前必須探明壩基的地質條件,明確滲漏情況和滲流規律,提出合理的防滲處理措施。在熟悉項目地質勘查報告和設計文件的基礎上,為進一步掌握地質條件的一般規律和特殊性,通常采用鉆孔和壓水試驗作為補充地質勘探的手段。在大壩帷幕灌漿前,為獲得可靠的灌漿參數,必須選擇具有代表性的區段,制定灌漿試驗方案,在現場進行生產性試驗[1]。

1 工程概況

高關水庫位于大洪山復背斜東南傾伏端與云應凹陷北端的交匯處,壩基巖石為白堊系上統公安寨組第三巖性段的礫巖。組成壩基礫巖的礫石成分中,80%～90%由碳酸鹽巖組成,充填物和膠結物中以碳酸鹽類為主,加之小斷層和構造裂隙發育,所以巖溶發育。大壩位于大富水河上游,為黏土心墻代料壩,最大壩高45m,是一座以供水和灌溉為主,兼有防洪、發電、旅游等綜合效益的大(2)型水庫。

由于主壩局部有明流滲水點和滲漏情況,主壩防滲處理采用心墻抽槽澆筑混凝土防滲墻,壩基進行帷幕灌漿的方式。根據地質資料,設計單位考慮混凝土防滲墻施工對壩基的擾動,主壩帷幕灌漿范圍確定為樁號0-030～0+340m和1+000～0+220m段,帷幕軸線同壩軸線,孔距1.5m,單排布置;在壩基F6斷層(樁號范圍0+000～0+050)和F1斷層(樁號范圍0+100～0+150)內增加一排帷幕灌漿,帷幕軸線在壩軸線上游1.5m,孔距1.5m,帷幕底線與壩軸線帷幕相同,并與壩軸線帷幕孔呈梅花形布置,灌漿過程中先灌下排孔,再灌上排孔。

2 試驗目的和試驗依據

2.1 試驗目的

1)分析巖溶地質條件下的灌漿材料及工藝控制要求。

2)得出各段巖層的透水狀況和吸漿狀況,決定最后灌漿深度。

3)查驗設計給定的灌漿壓力是否合理,是否會造成壩體的漏漿和抬動。

4)通過分析水泥用量、壓水試驗成果,優化灌漿工藝及相關技術參數,提出合理建議,確保灌漿的有效性和經濟性[2]。

2.2 試驗依據

《大壩基巖灌漿》、《水工建筑物水泥灌漿施工技術規范》(SL/T 62—2020)、《水利水電工程鉆孔壓水試驗規程》(SL 31—2003)、《湖北省高關水庫除險加固工程施工技術與安全要求》和施工圖紙等技術文件。

3 試驗設計

3.1 試驗孔布置

本次試驗選擇主壩樁號0+46.50～0+69.00(52號孔～67號孔)段實施,共計布置了16個試驗孔,其中Ⅰ序孔4個,Ⅱ序孔4個,Ⅲ序孔8個。并在61號孔和62號孔中間布置一個灌漿檢查孔,在62號孔和63號孔中間布置一個抬動觀測孔,對灌漿效果進行檢查。試驗孔孔深按設計的帷幕底線控制,先導孔比帷幕底線低5m,檢查孔孔深比帷幕底線低0.5m,孔位布置見圖1。

圖1 帷幕灌漿試驗段孔位布置圖

3.2 試驗要求

1)孔深應達到設計要求的底線高程,終孔段遇性狀較差斷層、夾層等地質缺陷時,應加深鉆孔至穿過該地質缺陷5m以上。

2)壓水試驗采用單點法。

3)灌漿孔采用“孔內阻塞灌漿法”進行灌漿,混凝土與基巖接觸段應先進行單獨灌注并待凝24h。

4)帷幕孔灌漿壓力第一段取1.2倍壩前靜水頭,以下各段可逐漸增加,孔底段≥2倍壩前靜水頭,灌漿壓力以回漿管壓力表讀數為準。

5)灌漿孔灌漿第一段(接觸段)為2m,其余灌漿段長為5m。

6)溶洞充填用砂采用質地堅硬、清潔、級配良好的天然細砂,粒徑最大≤1.5mm。

3.3 施工過程

鉆孔深度按設計的灌漿深度進行鉆進,先導孔孔深較帷幕設計孔深5m。鉆孔施工過程中如果遇到最后1段的滲透系數>5Lu時,在設計帷幕底線繼續向下鉆 5m,直到滲透系數<5Lu。當在孔底遇到溶洞、溶槽時,將溶洞、溶槽充填灌漿后,再進行該部位的帷幕灌漿,并自溶洞底向下繼續鉆進5m,且壓水試驗檢查的滲透系數須<5Lu。

灌漿時,先導孔采用循環式自上而下分段灌漿法,其他試驗孔采用循環式自下而上分段灌漿法,灌漿時其射漿管距孔底≤50cm。第一段(接觸段)灌漿采用“孔內阻塞灌漿法”進行灌漿,灌漿時阻漿塞宜跨越混凝土與基巖接觸面安放,以下各段灌漿塞應安放在灌漿段段頂以上50cm處。除第一段(接觸段)灌漿應先進行單獨灌注并待凝,待凝時間≥24h,其余灌漿段灌漿結束后可無特殊情況均不待凝,灌完后直接進行下一段次施工。

4 試驗成果分析

4.1 灌漿試驗成果

帷幕灌漿試驗記錄見表1。

表1 帷幕灌漿試驗記錄表

在58#孔發現了溶槽,補充了溶槽充填灌漿和填充后的帷幕灌漿試驗,進一步研究溶洞、溶槽充填灌漿后的帷幕灌漿效果。從先導孔的鉆孔取芯狀況看, 該地區巖石為鈣質膠結礫巖,膠結體較為密實,但強度不高,鉆取的巖芯比較破碎,有掉塊現象。

各序次孔灌前透水率分布情況見表2。

表2 各次序孔灌漿前透水率分布表

從表2分析得出: I序孔灌前平均透水率22.49Lu, Ⅱ序孔灌前透水率較I序孔小,平均透水率13.70Lu,遞減39.08%,Ⅲ序孔灌前透水率較小,平均透水率7.15Lu,遞減率為47.81%。在灌漿孔逐漸加密的過程中,基巖中的裂隙、漏水和滲水通道逐漸被水泥漿液充填,裂隙中的充填物獲得了擠密,這使得基巖的防滲能力逐漸的獲得提升,Ⅲ序孔平均透水遞減較大,防滲能力大幅提升,達到灌漿效果。

灌漿孔第1段的透水率都很大,結合先導孔的壓水試驗,部分孔段不能起壓,是大壩帷幕灌漿處理的主要部位,故需在開孔時先對第1段進行低壓初灌,并在全孔灌漿過程中對第1段進行復灌。

4.2 水泥注入量成果分析

1)通過表1對水泥注入量遞減關系分析得出各序次孔單位注入量,見表3。

表3 各序次孔單位注入量分析表

由表3可知,I序孔的單耗為427.00L/m;Ⅱ序孔單耗為273.18L/m,對比I序孔遞減36.02%; Ⅲ序孔單耗為209.71L/m,對比Ⅱ序孔遞減23.23%。反應出隨著孔序的增加,水泥注入量有漸漸降低的趨向,符合灌漿的遞減規律,在一定程度上反應了灌漿的效果較好。

2)通過對水泥漿注入量情況分析,得出各序次孔單位注入量分布情況,見表4。

表4 各次序孔單位注入量分布表

由表4可知,隨著孔序的增加,水泥單位注入量有漸漸降低的趨向,即低單位注入量區間頻次增加,大單位注入量區間頻次減小,符合灌漿的遞減規律,在一定程度上反應了灌漿的效果較好。

各灌漿孔第1段初灌的吸漿量很大,且隨著孔序的增加,單位注入量漸漸降低,復灌時,提高了灌漿壓力,吸漿量很小,但還有少量吸漿,吸漿量也隨著孔序的增加而逐漸降低,說明采取復灌的方式是有必要的。

4.3 較大耗灰孔段分析

本試區共灌漿139段,共灌入水泥量53319.05kg,平均單耗為93.76kg/m。較大耗灰量孔段段數及水泥量占比情況見表5,較大耗灰量孔段分布情況見表6。

表5 較大耗灰量孔段段數及水泥量占比統計表

表6 較大耗灰量孔段分布統計表

2)單耗在100～500k之間的,I序孔16段占I序孔的45.71%,II序孔6段占Ⅱ序孔的17.65%,Ⅲ序孔4段占III序孔的5.71%;

3)第1段(接觸帶)16個孔有5個孔注灰量>100kg～500kg,占第1段總數的31.25%;有5個孔注灰量>500kg/m,占第一段總數的31.25%。

由表5和表6可知:耗灰量較大孔段數占比22.3%,但水泥消耗量占比61.73%。單耗>500kg/m的孔段全部在I、Ⅱ序孔的第1段,其中I序孔4段,Ⅱ序孔1段。說明第1段(防滲墻接觸帶)下面存在滲漏通道,也是水泥消耗量的關鍵所在,該部位應先進行單獨初灌、待凝,待全孔鉆灌完成,再對該段進行復灌,并且在灌漿中主要采用低壓限量循環灌漿,可越級變濃。

4.4 抬動觀測剖析

本試驗段共布設1個抬動孔,施工過程中,抬動觀測裝置安排專人進行實時監測,并隨時進行記錄。根據抬動觀測記錄,全部孔段壓水和灌漿過程中產生的抬動均<200μm,符合設計的要求,說明本次試驗設計壓力是在合理范圍內的,且孔口管的埋設深度符合灌漿的要求。

5 質量檢查

5.1 檢查方法

質量檢查在灌漿結束14d后進行,采用自上而下分段阻塞單點法壓水試驗,壓水試驗合格標準為透水率<5Lu。檢查孔進行取芯,對采取的巖芯進行檢查,查看有無水泥結石。灌漿質量以檢查孔壓水試驗成果和芯樣為主,結合考慮抬動觀測情況以及其他資料進行分析。

5.2 檢查孔壓水試驗成果分析

檢查孔壓水試驗成果見表7。

表7 檢查孔壓水試驗成果表

由表7可知,檢查孔壓水8段,此中有4段透水率為1～3Lu, 4段透水率為3～5Lu,均滿足設計要求,且透水率適中,反映灌漿參數具有較好的有效性和經濟性。

5.3 檢查孔取芯分析

經檢查孔全孔取芯,取芯率均達91.2%,并發現有水泥結石,水泥結石和巖石膠結較好。從取芯的狀況能夠看出,采用灌漿試驗參數可以有效滿足防滲的要求。

6 試驗結論

本試驗段地質條件較為復雜,裂隙、溶槽及溶洞大量存在,且分布不規律,滲漏較大的部位主要是接觸帶處,建議按照以下試驗結論進行施工,可取得較好的灌漿有效性和經濟性。

1)當溶洞、溶槽或裂隙發育的孔段出現在設計帷幕底線處,可先進行充填灌漿,然后帷幕底線需從溶洞底線再向下鉆5m,當灌前壓水試驗的滲透系數>5Lu,需繼續向下鉆5m,直到灌前滲透系數<5Lu。

2)接觸帶基巖破碎或裂隙發育造成第1段(接觸帶)壓水試驗部分孔位不起壓,應采用低壓、濃漿灌漿,待凝24h后再復灌,然后再進行以下各段施工,且無需待凝。

3)先導孔和檢查孔應按自上而下的順序鉆孔、沖洗、壓水灌漿。其他灌漿孔按第1段2m、第2段及以下每段5m自上而下逐段鉆孔、逐段壓水試驗,直至設計孔深,然后全段沖洗,再自下而上逐段灌漿的順序進行施工。

4)鑒于溶洞、溶槽和裂隙分布不規律,先導孔不能完全真實地反映現狀水文地質條件,發現溶洞、溶槽時,須適量增加鉆孔,找出溶洞、溶槽范圍,并在溶洞范圍的上、下游適當增加1排灌漿孔。