宜春市四方井水利樞紐工程基礎帷幕灌漿處理技術及防滲效果分析

葛 亮

（江西省宜春市水利局,江西 宜春 336000）

1 工程概況

宜春市四方井水利樞紐工程位于袁河支流溫湯河下游,水庫壩址以上流域面積173 km2,多年平均流量5.35 m3/s,多年平均凈流量1.69×108m3,多年平均徑流深975.22 mm,壩址徑流的年內變化較大,6 月份最大,占全年徑流量的14.5%；12 月份最小,占全年徑流量的4.0%。四方井水庫正常蓄水位152.00 m,主壩設計洪水位153.93 m,壩頂高層155.80 m,壩頂寬8.0 m,壩頂長338 m,大壩為粘土心墻壩。由于該水利樞紐所在地區地質條件復雜,加上施工技術等原因在基礎部位出現局部滲漏,需要采取防滲措施。結合地質條件和滲漏情況,決定采取帷幕灌漿技術進行處理。

2 帷幕灌漿防滲處理技術的應用

帷幕灌漿是水工建筑物防滲處理中常用的技術,其原理是在確定裂隙位置后,從地面向下鉆孔,然后以高壓向鉆孔內注入漿液,漿液在壓力作用下向裂隙內滲透,使裂縫內充滿漿液進而起到封堵裂隙、防止滲水的效果。多個鉆孔以特定間距、行距排列,相鄰鉆孔之間漿液相互連接形成帷幕,進一步提高了水工建筑物基礎的防滲性能。帷幕底線深至巖石透水率小于5 Lu 的地帶,河床部位的帷幕底線高程為108.80 m,先導孔比普通孔深5 m,兩壩肩處的帷幕孔深由大壩中心向壩肩兩側逐漸遞減。

2.1 施工準備

為保證帷幕灌漿施工順利進行,需要做好前期準備工作。開展現場勘查工作,利用地質探測設備明確四方井水利樞紐工程基礎上裂縫的數量、分布位置,條件允許的情況下還要進一步探明裂縫的深度、長度、走向,根據上述信息合理布置鉆孔位置,對提高帷幕注漿防滲效果有積極幫助。同時,做好設備儀器的準備工作,本工程帷幕灌漿施工中所需的儀器有XY-20C 型地質鉆機、SGB6-10 型灌漿泵、ZJ400 型制漿機、D6-25 型高壓水泵以及KXP-IS 型測斜儀等。工作人員需要對各類儀器、設備進行逐一檢查,核對型號、規格、數量是否與清單備注一致,確定不存在問題后安排設備進場。對于帷幕灌漿施工所用的各類材料也要進行仔細檢查,本工程中所用水泥均為42.5 普通硅酸鹽水泥,應確保水泥無受潮、板結情況,使用前要用孔徑為100μm 的防控篩子過篩,并且保證篩余量不得超過5%。對于超過生產日期30 天、有受潮結塊的水泥,一律不得使用。摻入水泥中的砂子、粉煤灰、水玻璃等也要根據施工要求進行質量檢查,并按照配合比制作成不同濃度的漿液。本工程中帷幕灌漿所用漿液均為現配現用,保證灌漿效果,制備的漿液如果在6h 內沒有使用完畢應當廢棄。

2.2 鉆孔施工

本工程采用XY-2PC 型回轉地質鉆機進行壩面鉆孔,采用合金鉆頭。為保證鉆孔垂直于壩面,鉆孔前使用水準儀進行鉆機立軸的垂直度校正。現場施工人員清理壩面的雜物后,按照設計圖紙在壩面上進行測量放樣,標記出孔位,復核孔位坐標無誤后開始進行鉆孔。本工程中共設有3 序孔,Ⅰ序孔的孔徑為100 mm,孔深為2 m。鉆至設計孔深后開始壓水試驗,符合施工要求后再進行灌漿作業；Ⅱ序孔和Ⅲ序孔的孔徑均為80 mm,孔深為2 m。將鉆機移動至1 號孔位上,設定好鉆機參數,包括鉆孔壓力、鉆進速度等,然后啟動鉆機進行鉆孔[1]。期間施工人員密切關注壓力表,如果出現壓力突然增加或減小的情況,需要立即查明原因,必要時可暫停鉆進。實際鉆孔深度與設計鉆孔深度之間的誤差不得超過10 mm,鉆至設計深度后進行成孔質量檢查,檢查孔斜率是否達標,觀察有無孔壁坍塌問題。對于不符合要求的要及時填埋并在相鄰位置重新開孔,對于符合要求的進行鉆孔清洗。

2.3 鉆孔清洗

本工程中使用的鉆桿裝有巖芯管,在鉆孔檢查達標后可以利用地面的水泵向桿內注水,用高壓水沖洗孔內砂石,達到清孔效果。這樣既可以保證清孔徹底,同時還能簡化施工工序。沖洗時間水壓設定為灌漿壓力的80%即可,最大不得超過1MPa。現場施工人員注意觀察孔內返水,在返水澄清后需要繼續沖洗5 min 方可停止,要求單個鉆孔沖洗時間不得低于20 min,沖洗完畢后孔底沉積物厚度不得超過10 cm。清孔結束后進行壓水試驗,其目的是直觀地掌握該工程所在地區的地層透水性,以便于根據試驗結果配制灌漿漿液。本工程采用“單點法”壓水,透水率（T）計算公式如下：

式中：Q 為每分鐘注入裂隙中的水量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。

2.4 孔口封閉灌漿

本工程使用的孔口管是直徑為98 mm 的無縫鋼管,頂部設有法蘭盤,保證與孔口封閉器牢固連接。在鉆機鉆至第一段底部后,使用常規的灌漿設備進行灌漿,漿液達到標高后再換成0.5∶1 的水泥漿液置換孔內漿液。等到灌漿孔注滿后,將孔口管垂直放入孔內,讓孔口管的中心軸線與灌漿孔的中心軸線完全重合。孔口管放入后靜置約6 h,在漿液完成初凝后繼續開展下一步施工。由于孔口封閉灌漿屬于高壓灌漿（灌漿壓力在5 MPa 左右）,為保證壩體裂隙中能夠充滿漿液達到理想的防滲和加固效果,需要將孔口管鑲嵌到基巖中,保證高壓灌漿時不會出現孔口管偏移的情況。孔口管嵌入基巖的深度至少要達到1.5 m,同時為了保證漿液能夠在孔內循環,還要求射漿管的管口與孔底距離小于50 cm。封閉器作為連接灌漿管路和孔口管的中間設備,對封閉器的安裝也提出了嚴格要求。安裝封閉器前,施工人員應檢查封閉器的密封性能,保證孔口封閉灌漿時能夠做到不漏氣、不漏漿。完成準備工作后,設定灌漿設備的注漿壓力、注漿速度等參數,然后開始孔口封閉灌漿,為了防止灌漿過程中相鄰兩個鉆孔之間出現串漿情況進而影響防滲效果,本工程中對鉆孔進行了排序,將全部的276 個鉆孔分成了3 序,其中I 序孔70 個,Ⅱ序孔69 個,Ⅲ序孔137 個。采用間隔灌漿的方式,首先完成I 序孔的灌漿,然后依次是Ⅱ序空和Ⅲ序孔,這種施工方式有利于形成均勻、連續的帷幕體。

為了防止灌漿過程中相鄰兩個鉆孔之間出現串漿情況進而影響防滲效果,本工程中對鉆孔進行了排序,將全部的276個鉆孔分成了3 序,其中I 序孔140 個,Ⅱ序孔70 個,Ⅲ序孔66 個。采用間隔灌漿的方式,首先完成I 序孔的灌漿,然后依次是Ⅱ序空和Ⅲ序孔,這種施工方式有利于形成均勻、連續的帷幕體。

2.5 帷幕灌漿特殊情況處理

在帷幕灌漿施工中,由于各條裂隙的深度、長度存在差異,加上壩體結構、漿液濃度等諸多因素的影響,在灌漿時容易出現地面冒漿、孔內漏漿、壓力突增等多種特殊情況,要求現場施工人員能夠對發生的各類特殊情況作出妥善處理。在本次四方井水利樞紐工程基礎帷幕灌漿作業中,遇到了以下三類特殊情況：

1）是鉆孔至基巖處,出現了失水、落鉆情況,落鉆36 cm。在觀察到這一情況后,施工人員立即停止鉆孔,并使用0.5∶1的漿液進行分次灌注。第一次灌注量為2 t,灌完后靜置30 min,等到漿液初步凝固后再進行第二次灌注,灌注量為2.5 t,同樣靜置30 min,重復該方法共計灌注13.9 t,問題得到解決。

2）是壓水回水較小甚至是無回水情況。分別按照1∶1 和0.8∶1 的比例配制了漿液進行灌孔；同時,將關鍵壓力從原來的5 MPa 降低至3.5 MPa,將灌漿流量調整為原來的80%,并采取間歇灌漿措施,間歇時間為30 min。按照上述方法單孔灌漿量為4240 kg,問題得到解決。

3）是鉆機壓力增加但是鉆頭進深不變的情況,推測原因是遇到孤石。現場施工人員調整鉆孔方法,改為沖擊鉆進,并適當減小了鉆進壓力。經過反復、多次沖擊后,孤石被破碎,鉆機壓力恢復正常,鉆頭能夠正常鉆進。

3 帷幕灌漿防滲效果分析

3.1 帷幕透水率分析

統計各次序灌漿孔壓水試驗的透水率,結果見表1。

表1 帷幕透水率分析表

由表1 數據可知,各次序灌漿孔壓水試驗的透水率呈現出降低趨勢。Ⅰ序灌漿孔的壓水透水率平均值為19.58 Lu,說明經過帷幕灌漿后水利樞紐基礎的滲水情況得到改善,但是透水率仍然處于較高水平；經過Ⅱ序灌漿孔和Ⅲ灌漿孔的施工處理后,壓水透水率的平均值降低為8.35 Lu,此時基礎防滲效果得到顯著增強,達到了預期的效果。從整體上看,各孔序壓水透水率比較均勻,說明多數裂縫的連通性較好,漿液注入以后能夠均勻滲透,從而提高了整體防滲效果。

3.2 帷幕灌漿質量檢查

在施工結束后進行14 天的養護,養護完成后從施工區域內隨機選取若干鉆孔進行抽樣檢查,抽選鉆孔數為灌漿總孔數的10%。檢查方法選擇單點壓水試驗法。這里從抽樣孔中隨機選出5 個,結果見表2。

表2 壓水試驗結果統計表

由表2 數據可知,本工程采用“單點法”壓水,透水率在11.16 Lu～18.31 Lu 之間,相比于帷幕灌漿處理前,透水率最大降低了4.03 倍。從提取的巖芯來看,水泥結石脈充填膠結果良好,厚度在1.2 mm～2.0 mm 之間,說明經過灌漿處理后該水利樞紐的基礎防滲性能得到了提升。

4 結語

對于宜春市四方井水利樞紐工程的基礎滲漏問題,本文選用技術成熟的帷幕灌漿方法進行處理。在現場施工中,重點對鉆孔方法、成孔檢查、灌漿流程、壓水試驗等施工環節采取了質量控制措施,保證形成良好的防滲帷幕。在施工結束后開展了質量檢查,結果表明施工區域基礎透水率有明顯的降低,漿液在縫隙中的充填效果良好,形成了均勻、連續、低滲透的帷幕。本次帷幕灌漿治理基礎滲漏問題取得了理想效果,切實保障了四方井水利樞紐工程的運行安全。