云南曲靖沾益德澤大壩帷幕防滲灌漿試驗分析與運用

朱 才，馬志瑋

(1.云南省地質礦產勘查開發局第一地質大隊，云南曲靖，6550002.云南省地質工程勘察有限公司，云南 昆明，650051)

牛攔江-滇池補水工程是滇中調水資源綜合利用重點工程，從牛欄江調水補充滇池生態水量、改善滇池水環境，并在昆明發生供水危機時，提供城市生活和工業用水，為昆明后備水源提供水安全保障，同時在2030年為曲靖市生產生活供水。曲靖沾益區德澤鄉牛欄江上德澤水庫大壩即為本工程的樞紐性工程，其壩基的防滲處理顯然是大壩建設的關鍵環節之一。

帷幕灌漿作為地基與基礎防滲處理的一種成熟有效的重要手段，目前已在多種水利水電工程建設項目中得到廣泛使用[1]。由于地質和工程條件的差異，不同工程的灌漿技術要求不盡相同，為確保帷幕防滲灌漿方法、材料配比等合理性與科學性，保證帷幕灌漿地基與基礎防滲作用充分發揮，在進行帷幕灌漿操作時就應當結合工程所在區域地形地貌、水文工程地質特征以及帷幕灌漿技術特點開展帷幕灌漿試驗[2]。帷幕灌漿試驗的目的在于取得大壩帷幕灌漿必要的設計參數以指導施工，確定水泥品種的適應性、外加劑品種及摻量、灌漿孔孔距、灌漿壓力、漿液濃度、漿液變換及結束標準等技術參數，以及灌漿質量檢查標準和方法[3、4]。

本文在充分調查研究大壩區域水文工程地質特征基礎之上、根據設計要求[4]選取代表性地段現場防滲帷幕灌漿試驗成果及運用闡述分析研究，以期類似工程參考借鑒。

1 試驗區地形地貌及地質環境特征

1.1 地形地貌及地層

德澤水庫大壩位于北-北北東牛欄江河流之上，兩岸階地零星發育，河谷總體呈相對對稱的“V”字形，左右兩岸近河床自然山坡坡度一般40°～50°，局部懸崖峭壁，坡面起伏較大，山坡植被較少，為巖溶-高原亞區之構造侵蝕溶蝕中山河谷地貌。

工程區大地構造分區屬揚子準地臺，滇東臺褶帶，曲靖臺褶束，小江斷裂東支與尋甸-會澤斷裂所挾持區域內，工程區北側約1.9km及南側約2.0km各發育一條北西向斷層。工程區未見斷層構造發育，其構造主要為背斜，背斜軸近南北走向，該段牛欄江河谷發育于背斜軸部，與背斜走向一致，軸部為寒武系下統滄浪鋪組(∈1c)，與上伏地層呈平行不整合接觸，兩冀為泥盆系中統海口組(D2h)、泥盆系上統宰格組(D3zg)、石炭系下統大塘組(C1d)[4]。詳見圖1。

圖1 試驗區灌漿試驗段平面布置圖

1.2 試驗區水文工程地質特征

試驗區受牛欄江水流侵蝕切割、大部地段基巖裸露，背斜構造影響巖體相對破碎、裂隙密集且寬度較大、透水率不一致，部分區段結構松散、孔隙率高、微裂隙發育、耐壓性差，灌漿劈裂點低。

(1)左岸試驗區：第四系殘坡積層(Q4)主要由殘坡積碎石土、紅色粉質粘土、含礫粘土等組成，強度不均，表面較松散，中等-強透水層，不適宜剛性壩及中壩以上柔性壩體地基基礎；泥盆系中統海口組(D2h)石英砂巖夾粉砂巖、泥巖，中等透水層，淺表層強風化巖體裂隙發育，巖體完整性差，總體力學強度低，抗滑及變形能力差，可作堆石壩地基基礎；深部弱風化巖體裂隙較發育，次塊狀結構-層狀鑲嵌結構，中硬巖類型，與軟巖相間互層狀，存在不利壩基的層間泥化軟弱結構面，抗滑及抗變形能力受巖石強度及結構面的雙重控制，總體可以滿足高壩柔性壩體的抗滑及變形穩定要求。

(2)河床試驗區：第四系河床沖洪積層(Q4)主要由紫色、灰色砂卵礫石組成，次圓狀，磨圓度好，松散，孔隙發育，強透水層，架空現象嚴重，總體力學強度低，抗滑動及變形能力極差，為不良地基土層，不適宜剛性壩及中壩以上柔性壩體地基基礎；寒武系下統滄浪鋪組(∈1c)主要由長石石英砂巖與頁巖、粉砂巖、泥巖互層組成，為壩基主要的基礎巖體，弱-中等透水層。中層狀夾薄層狀結構，存在不利壩基的軟弱結構面，總體力學強度低，抗滑及抗變形能力差，但可以滿足堆石壩等柔性壩體的基礎強度要求。壩基河床及兩岸下伏強風化巖體完整性較差，強度相對較低，透水性中等-強，存在壩基滲漏及繞壩滲漏問題。

(3)壩基滲漏[4]：據建設單位提供的鉆孔壓水試驗資料，壩址樞紐區相對隔水層分布在河流及兩岸地表以下60m～80m地帶，由弱風化-新鮮石英砂巖、砂巖與頁巖、泥巖互層狀巖體構成連續、整體的隔水底板基底，其透水率(q)一般小于5Lu，視為相對隔水層。左壩肩基礎巖體為強-弱風化，透水率q=5Lu～100Lu，中等透水帶，高程1650m～1730m以下為相對隔水層，庫水位與地下水位相交，位于壩肩西側，滲漏帶寬130.17m，左壩肩存在繞壩滲漏問題；右岸壩肩基礎巖體強-弱風化，強-中等透水層，透水率(q)5Lu～178Lu，高程1630m～1720m以下為相對隔水層，據勘探地下水位與庫水位交點處于右壩肩東側，滲漏帶寬184.28m，該段存在右壩肩繞壩滲漏問題。趾板基礎強-弱風化基巖為強-中等透水層，其中趾板基礎河床段高程1620m以下透水率平均小于5Lu，為微透水帶，視作相對隔水層，該段會產生向下游滲漏問題。按均質透水層模型計算壩肩繞壩及壩基滲漏量，年滲漏量2063.64×104m3/y(未防滲處理)。為減小壩基滲漏和滿足滲透穩定要求，需對大壩趾板基礎及左、右兩岸壩肩進行防滲處理。

2 灌漿試驗設計及試驗成果

2.1 試驗目的及任務

選擇代表性灌漿試驗區段，復核帷幕灌漿設計和為灌漿施工提供可靠依據；確定各區段施工方法，推薦合理的施工程序、良好的施工工藝、適宜的灌漿材料及最優的漿液配合比；確定各區段帷幕厚度、灌漿孔距、灌漿壓力、灌漿材料及耗漿量等設計參數；漿液摻入外加劑時，對灌漿水泥結石的強度、膠結面抗剪強度及其抗滲性能進行測試；確定帷幕灌漿防滲效果，評價經防滲處理后壩基滲漏情況；為大壩壩基帷幕灌漿施工做好技術準備。

2.2 灌漿試驗區范圍

根據河床、左右岸及兩壩肩水文地質及工程地質條件、灌漿試驗代表性地段選擇原則，本次帷幕灌漿試驗共選擇三個地段。其中，左岸0+000～0+050作為左岸帷幕灌漿試驗代表性地段。右岸0+480～0+550段作為右岸帷幕灌漿試驗代表性地段(注：后續發現右岸試驗段受右岸高線公路施工干擾，因而取消)。河床帷幕灌漿選擇0+269～0+329為灌漿試驗代表性地段。為取得河床試驗段更詳細、準確的數據，在原河床試驗段上游10m左岸偏8m處新增一個試驗段，孔口高程1665.25m～1666.58m。

本次灌漿試驗完成三個灌漿試驗段(圖2)，23個灌漿孔，15個檢查孔施工，累計完成灌漿鉆孔長1607.39m，檢查孔鉆孔長1000.53m，檢查孔壓水168段。

圖2 試驗區灌漿試驗段鉆孔布置大樣圖

2.3 灌漿鉆孔及灌漿段長選擇

灌漿段長度第一段2.0m，第二、三段3m～4m，第三段以下5m，終孔段長不超過6m。

2.4 灌漿材料選定

灌漿水泥采用宣威宇恒水泥有限公司生產的P.042.5R普通硅酸鹽水泥。其優點為使用中無短時間凝固、抱管現象，也不存在長時間未凝固情況。按規定漿液配比計量制漿，漿液制備完成后4h內用完。

2.5 漿液配合比試驗

按漿液濃度遵循由稀變濃，逐級變換原則，開展漿液配合比試驗，結合試驗區地質情況選擇7個級別漿液，水灰比(水：水泥)分別為5：1、3：1、2：1、1：1、0.8：1、0.6：1、0.5：1。

試驗過程中，發現漿液變換至0.6：1時，出現阻力明顯變大、設備運轉吃力、吃漿量突變也較明顯的情況，特別是漿液濃度較高，灌漿管路較長的情況下，現象更明顯。對此，本次試驗選擇以0.8：1漿液作為主灌漿液。此外，考慮到該地層存在局部段裂隙較寬大、吃漿量較大的情況，選擇0.6：1～0.5：1漿液作為主灌漿液。具體漿液變換原則如下[4]：

當灌漿壓力保持不變，注入率持續減少時，或當注入率不變而壓力持續升高時，不改變水灰比；當某級漿液注入量已達300L以上，或灌漿時間已達30min，而灌漿壓力和注入率均無改變或改變不顯著時，改濃一級水灰比；當注入率大于30L/min時，根據具體情況越級變濃。大耗漿量時采用灌停結合，或待凝后再灌等方法，減少耗漿量。

2.6 灌漿方法及灌漿試驗工藝

(1)灌漿方法：按三序施工，逐序加密。采用孔口封閉自上而下灌漿法，孔內循環。

(2)灌漿試驗工藝：各試驗段按三個次序、兩次加密原則施工。先施灌Ⅰ序孔，再施灌Ⅱ序孔，最后Ⅲ序孔施工。各孔按孔口封閉，孔內循環施工方式。單孔施工程序為鉆進非灌段→觀測水位→埋入套管→鉆進→洗孔、撈渣→壓水→灌漿→待凝→復灌與否→灌后壓水→鉆進下一段→重復上述工序，如此反復，最后校正孔深、測斜及灌漿封孔。

(3)灌漿孔孔距：試驗孔為單排孔布置，原河床試驗段和左岸試驗段分1.5m、2.0m兩種孔距，新增河床試驗段采用1.5m孔距。

(4)鉆孔：鉆孔按設計圖紙統一分序，根據給定的控制點，全站儀放孔定位，并實測孔口高程，孔位偏差均小于10cm。采用硬質合金及金剛石鉆頭鉆進，經對比，硬質合金鉆頭適宜在松散層及強風化基巖中鉆進，在弱風化基巖中鉆進其效率極低；金剛石鉆頭在弱風化基巖中鉆進效率較高，不適宜在松散層及強風化基巖中鉆進。

設計為鉛直鉆孔，孔底最大允許偏差值如表1。實際施工中在近孔底處測斜，鉆孔最大孔底偏差0.4m，最小0.09m。采用設備均是150型及其以上型號鉆機，自重大，穩定性好，鉆進前對鉆機嚴格校正，鉆進中采用適中的壓力及較長的巖心管鉆進，保證了孔斜度。

表1 孔底最大允許偏差值

鉆進中，對孔深、孔徑、純鉆和輔助時間、鉆孔沖洗、巖芯長度、特殊現象(漏水、破碎帶、垮孔、卡鉆、掉塊等)及下入套管規格、長度等詳細記錄。取芯檢查孔巖芯裝箱保存，詳細編錄分層孔深、巖性、裂隙發育及充填情況。通過控制回次進尺，鉆進參數等措施，保證巖芯采取率80%以上。

(5)洗孔：壩基各灌漿段在灌漿前均洗孔和撈渣，保證孔內干凈，孔底沉渣小于20cm。鉆孔沖洗壓力采用80%灌漿壓力，壓力超過1MPa時，洗孔至回水澄清為止，最短時間不少于30min。

(6)壓水試驗：各次序孔各灌漿段灌前均進行壓水試驗。采用單點法，壓水壓力為該段灌漿壓力80%，灌漿壓力80%大于1MPa時，取1MPa。當地層透水率較大，壓水無壓、注入孔內的水返不到孔口時，采用注水法計算透水率：以最大泵量Q向孔內注水，直至水頭穩定，測定水面至孔口距離，計算水柱壓力p，該段透水率可按q=Q/p計算；當注水仍測量不到水位時，記錄流量，不再進行透水率計算。采用五點法檢查孔壓水試驗，壓水壓力分別為0.6、1.2、2.0、1.2、0.6MPa。

(7)灌漿：采用孔口封閉、孔內循環灌漿工藝，鉆孔伸到弱風化基巖下10m時起灌。各段灌漿時灌漿管深入灌漿段底部，管口距段底不大于50cm。灌漿中，保持設計壓力下經常轉動灌漿管，防止孔內發生“固管”(灌漿管被孔內水泥漿凝固住)。

各灌漿段結束條件：灌漿段在設計壓力下，注入率不大于1.0L/min，繼續灌注60min，結束灌漿，封孔采用“全孔灌漿封孔法”。灌漿后，各孔段均進行待凝。根據灌后取芯檢查，純水泥漿液1：1比級漿液待凝10h，已能取出柱狀水泥芯。

(8)灌漿壓力試驗：各灌漿試驗段按公式計算確定壓力值：P=p0+mD式中：P-允許灌漿壓力值(MPa)；p0-表面地段允許灌漿壓力值(MPa)；灌漿頂界至地面之間巖石為非灌段，岸坡及河床基巖灌漿頂界第一段允許灌漿壓力值P。取0.3Mpa；m-灌漿段頂在巖石中每增加1m，允許增加的壓力值(MPa)，取0.035(MPa)；D-灌漿段頂至頂界的巖石厚度(m)。

為找出灌漿臨界壓力，河床試驗段第一段孔口壓力采用2.1MPa，以下灌段深度每增加1m，灌漿壓力增加0.035MPa。經反復試驗，大多數孔段孔口壓力在2.5MPa左右時，灌漿壓力突然下降，流量上升，灌漿很難正常結束，須經多次復灌方能正常結束。極個別孔段經多次復灌，灌漿孔口壓力能達到3.9MPa。經施工方、設計方、監理方共同研究后，確定灌漿臨界壓力為孔口壓力2.5MPa。新增河床試驗段及左岸試驗段灌漿壓力按上述公式確定，終孔最大壓力2.1MPa。

(9)灌漿結束標準和封孔：灌漿段在最大壓力下注入率不小于1L/min，持續灌注60min后結束；采用全孔灌漿封孔法封孔，即終孔段灌漿結束后，將塞卡在309m高程以下0.5m全孔置換0.5：1水泥漿，用1.0MPa壓力灌注封孔，延續灌注60min。309m高程以上直接灌注0.5：1水泥漿封孔。

(10)特殊情況的處理：試驗中出現的特殊情況主要為局部大裂隙，灌漿耗漿量大。處理方法：加濃水泥漿液，同時間歇灌漿，灌注一定時間，如無效果則停灌，待凝固后再掃孔復灌。一次復灌無效則多次復灌，直至達設計要求。

3 灌漿試驗成果分析

3.1 工序質量

灌漿工程系隱蔽性工程，工序質量控制是保灌漿質量的關鍵。本次灌漿施工，首先建立健全質量保證體系，明確工序質量責任制，堅持上道工序不合格，禁止下道工序施工。

壓水、灌漿等工序均在現場技術人員監督指導下施工，前一道工序達不到要求時，不進行下一道工序施工。各孔終孔后，及時檢查整理、歸檔原始資料，進行質量評定。

3.2 透水率及單位注灰量

結合表2數據，除河床段1.5m孔距處由于Ⅲ序孔個別孔段透水率與相鄰Ⅰ、Ⅱ序孔相當，甚至大于相鄰Ⅰ、Ⅱ序孔，以ZK13(Ⅲ序孔，孔距1.5m)第5段(27m～32m)最為突出，透水率高達293.68Lu，而相鄰Ⅰ序孔ZK14第5段透水率為60.02Lu，Ⅱ序孔ZK12第5段透水率為21.70Lu。導致Ⅲ序孔平均透水率大于Ⅱ序孔外，無論單位注入量C值還是透水率q值，通過灌漿處理均呈現cⅠ>cⅡ>cⅢ和qⅠ>qⅡ>qⅢ的正常遞減規律，且遞減明顯。說明基巖可灌性好，且通過灌漿施工質量良好，能保證灌漿帷幕的形成。

表2 透水率及單位注灰量表

各河段Ⅱ序孔、Ⅲ序孔均較Ⅰ序孔單位注灰量明顯減少，主要因為注漿工程帷幕墻體逐漸形成。同時，Ⅰ序孔注漿地層為原始地層，砂巖為主要被注對象，裂隙及巖溶結構發育，漿液具有較大的擴散范圍，吃漿量大，Ⅱ、Ⅲ序孔由于前序孔水泥漿液的封堵作用，后續孔漿液擴散范圍明顯減小，進而漿液注入量也明顯減少，注漿效果具有明顯的疊加效應。

3.3 抬動觀測及變形

灌漿施工中，為進行壓力、流量與巖體變形監測，需在灌漿孔周圍設置抬動變形觀測裝置。本次帷幕灌漿試驗區共布置4個深度20m、孔徑76mm的抬動觀測孔。內管為25mm鋼管，外管的護管采用50mm鋼管，采用絲扣連接。為便于抬動觀測，并避免水泥漿液被沖進抬動觀測孔，抬動觀測裝置內外管需離地面30cm以上。在灌漿作業前完成抬動觀測裝置安裝、調試工作。所有孔段在壓水、洗孔、灌漿全過程中均嚴格按照設計技術要求變形觀測。試驗結果顯示，各孔段在試驗全過程均未有抬動現象。

3.4 質量檢查孔

為檢查帷幕灌漿試驗的灌漿效果，在全面分析灌漿原始資料的基礎上，結合現場施灌情況由設計、監理及施工方共同布置檢查孔。三個試驗段共布施檢查孔15個，設計防滲標準q≤3Lu。通過取芯和壓水綜合檢查，共檢查孔壓水試驗168段(河床段72段，新增河床段36段，左岸60段。15個檢查孔取芯平均采取率均達90%以上，取出40多塊水泥結石，堅硬密實，與巖石裂隙膠結良好。

壓水試驗，80%以上檢查孔各段壓水透水率多小于3.0Lu，滿足帷幕灌漿試驗設計標準。其中，1.5m孔距和2.0m孔距按設計施工方法施工，均滿足透水率小于5Lu的要求，但2.0m孔距不能滿足透水率小于3Lu的要求，1.5m孔距基本能滿足透水率小于3Lu的要求。原河床試驗段1.5m孔距處檢查孔仍有孔段透水率大于3Lu(J2孔第5段透水率3.61Lu；J5第4段透水率為3.17Lu)，與地層裂隙性質有關。在該試驗段灌漿施工時，Ⅲ序孔個別孔段透水率與相鄰Ⅰ、Ⅱ序孔相當，甚至大于相鄰Ⅰ、Ⅱ序孔，以ZK13(Ⅲ序孔，孔距1.5m)第5段(27m～32m)最為突出，透水率高達293.68Lu，而相鄰Ⅰ序孔ZK14第5段透水率60.02Lu，Ⅱ序孔ZK12第5段透水率21.70Lu。出現該情況，應為巖層裂隙為順河流向裂隙或垂直裂隙，裂隙未順帷幕方向延伸，導致灌注Ⅰ、Ⅱ序孔時，水泥漿液未竄至Ⅲ序孔。

4 結論、建議及運用

通過對左岸及河床段灌漿試驗數據分析，大壩壩基防滲帷幕灌漿參數結論、建議及運用如下：

(1)鉆孔及壓水試驗：①灌漿孔孔距、排距建議采用單排孔、孔距1.5m建立防滲帷幕。該孔距基本能滿足防滲標準小于等于3Lu，材料耗量相對較小；②測量放線采用全站儀對鉆孔測量放線能更好地保證孔位精度；③鉆探設備應使用不低于150型(最大鉆孔深度150m)的鉆機，建議使用150型、200型或300型鉆機，此機型穩定性好，動力足，一是能保證鉆孔的垂直度，二是能保證鉆進速度；鉆頭在松散層或強風化基巖中宜采用合金鉆頭鉆進，在基巖中宜采用金剛石鉆頭鉆進；鉆孔沖洗時間30min～40min為宜，此沖洗時間可基本保證孔內干凈，回水中無顆粒物，鉆孔沖洗壓力采用灌漿壓力的80%，但最大不要超過1MPa；在生產性灌漿孔可采用簡易壓水試驗，局部灌段可能存在不起壓的情況，此時改用注水試驗，若注水試驗測量不到穩定的水頭，可不計算透水率，但須記錄單位流量。

(2)灌漿：①灌漿材料可使用宣威宇恒水泥有限公司生產的P.042.5R普通硅酸鹽水泥(距離項目近，運距短)；②制漿必須采用雙層攪拌桶，單桶容積不小于200L，推薦采用400L桶。漿液須均勻、連續攪拌；漿液攪拌時間以不少于3min為宜，漿液自制備至用完時間不大于4h；灌漿泵必須為三缸泵，其泵量不低于80L/min，泵壓不低于50MPa，且能運轉正常；③采用孔口封閉、孔內循環的灌漿方式，自上而下灌漿能建立有效的防滲帷幕；④分三個次序、進行兩次加密，即先鉆灌Ⅰ序孔，其次鉆灌Ⅱ序孔，最后鉆灌Ⅲ序孔；⑤灌漿段建議采用第一段2m，第二、三段3m～4m，以下各段均為5m；⑥漿液濃度采用水灰比(水：水泥)5：1、3：1、2：1、1：1、0.8：1、0.6：1、0.5：1七個比級漿液。以0.8：1水泥漿液為主灌漿液。對于存在局部段裂隙較寬大、吃漿量較大的情況，以0.6：1～0.5：1漿液作為主灌漿液；⑦終孔段灌漿壓力不小于2.1MPa，最大壓力以不超過2.5MPa為宜；⑧采用全孔灌漿封孔，在最后一段灌漿結束，閉漿90min后，以0.5：1水泥漿液置換孔內清漿進行封孔。

(3)質量檢查方法：灌漿質量檢查采用打檢查孔進行壓水試驗的方法。檢查孔壓水采用五點法進行壓水，壓水壓力分別為0.6、1.2、2.0、1.2、0.6MPa。

(4)帷幕厚度：經檢查孔壓水檢查，1.5m孔距段上游0.5m處檢查孔壓水透水率能滿足q小于3Lu的要求，2.0m孔距段上游0.7m處檢查孔壓水透水率個別段不能滿足透水率小于3Lu的要求，但這兩種孔距均滿足q小于5Lu的要求。