巖溶地帶溶槽、泥夾石裂隙的灌漿試驗(yàn)

張 旭，賈梅艷

(四川二灘國(guó)際工程咨詢有限責(zé)任公司，四川 成都 610072)

1 前 言

格里橋水電站位于貴州省中部、烏江中游右岸支流清水河干流下游，工程樞紐由碾壓混凝土重力壩、左岸引水發(fā)電系統(tǒng)組成。電站一期帷幕防滲工程由分布在大壩左、右岸山體灌漿隧洞內(nèi)的防滲帷幕及排水孔幕組成。左岸為安順組、大冶組第二、三段可溶巖地層，F(xiàn)4、F6斷層巖溶發(fā)育，地下水活動(dòng)強(qiáng)烈，有可能成為左壩肩繞壩滲漏的通道。左岸不但存在分散滲漏，還有可能存在沿?cái)鄬拥膸顫B漏。

左岸650m高程帷幕灌漿第一試區(qū)位于F4斷層的強(qiáng)滲漏地段，F(xiàn)4斷層附近分布有：T1d3-3(即角礫狀白云質(zhì)灰?guī)r、角礫狀灰?guī)r及灰?guī)r)、T1d3-2(灰色、深灰色厚層灰?guī)r，少量中厚層灰?guī)r頂部為薄層、極薄層灰?guī)r夾頁(yè)巖)。防滲帷幕線穿F4斷層附近強(qiáng)滲漏地帶，在左岸650m高程灌漿隧洞K中0+155.50～K中0+168.50m樁號(hào)位置，延伸長(zhǎng)度約為13.0m。從該試區(qū)的物探孔鉆孔、取芯及物探測(cè)試結(jié)果來看,試區(qū)內(nèi)物探鉆孔取出的巖芯較破碎，失水嚴(yán)重(見表1)，泥夾石巖芯較多，裂隙中夾雜的黃泥含量較高，且有一定的粘稠度。

表1 物探鉆孔壓水結(jié)果 Lu

注：1)采用單點(diǎn)法壓水；2)平均透水率為每孔壓水總段數(shù)平均值。

2 施工參數(shù)確定

2.1 灌漿目的和工藝

依據(jù)《格里橋水電站大壩防滲帷幕試驗(yàn)灌漿施工技術(shù)要求》對(duì)該地段采用“孔口封閉，自上而下，小口徑鉆孔，孔內(nèi)循環(huán)灌漿”方法進(jìn)行處理，以驗(yàn)證此工藝在該地層中的可行性、效果上的可靠性和經(jīng)濟(jì)上的合理性。

2.2 孔距、排距

根據(jù)不同地質(zhì)條件和建筑物不同部位分別布置雙排孔與單排孔，孔距1.8m、1.9m、2.5m，排距1.2m，鉆孔角度均為垂直孔(見圖1)。施工按分序加密的原則進(jìn)行,先下游排,后上游排,同排分Ⅲ序進(jìn)行施工。對(duì)孔內(nèi)的裂隙夾泥不進(jìn)行特殊清洗，鉆孔結(jié)束后做簡(jiǎn)易壓水；其參數(shù)最終應(yīng)以現(xiàn)場(chǎng)灌漿試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行調(diào)整和確定。

2.3 灌漿材料及漿液配比

灌漿采用水泥粉煤灰混合漿液。此混和漿液具有較好的和易性、較強(qiáng)的擴(kuò)散性能，而且對(duì)于原材料來說，粉煤灰較水泥便宜，用粉煤灰代替部分水泥可以大大降低成本等。貴州烏江思林水電站上、下游圍堰以及大壩防滲灌漿均采用了此混和漿液而且取得了較好的效果。

在本工程中，漿液配比采用0.8∶1、0.6∶1、0.5∶1三個(gè)比級(jí)，粉煤灰摻量為水泥重量的20%，外加劑選用木鈣，木鈣摻量為水泥重量的0.15%。其他參照規(guī)范執(zhí)行。

2.4 鉆孔施工控制

(1)帷幕灌漿孔采用回轉(zhuǎn)式鉆機(jī)和金剛石鉆頭或硬質(zhì)合金鉆頭鉆進(jìn)，開孔孔徑為φ91mm,終孔孔徑應(yīng)不小于φ76mm。因該地段地質(zhì)條件復(fù)雜，巖石強(qiáng)度較低、整體性較差等特點(diǎn)，采用了新型的全斷面鉆頭進(jìn)行鉆進(jìn)，即在φ76mm金剛石鉆頭內(nèi)側(cè)嵌入了兩個(gè)同軸且鑲有硬質(zhì)合金的球齒滾刀，使鉆進(jìn)過程中的巖芯在進(jìn)入鉆頭時(shí)被裝有合金的滾刀旋轉(zhuǎn)擠壓成巖粉狀，以減少鉆進(jìn)時(shí)起下鉆的次數(shù)。采用此項(xiàng)改進(jìn)后的技術(shù)大大提高了鉆孔功效。

圖1 左岸650m高程灌漿隧洞帷幕灌漿第一試區(qū)灌漿孔平面布置

鉆孔其它參數(shù)：鉆機(jī)鉆進(jìn)給油壓宜為0.5～1.0MPa,供水量宜為60～70L/min,鉆機(jī)鉆速一般控制在150～200r/min。帷幕灌漿施工主要設(shè)備配置見表2。

表2 機(jī)械設(shè)備配置

(2)對(duì)于鉆孔的孔斜和方位角應(yīng)每鉆一段進(jìn)行一次測(cè)量，孔斜最大偏差按表3執(zhí)行，方位角偏差不得大于5°。

表3 鉆孔孔斜控制 m

2.5 灌漿過程控制

2.5.1 灌漿施工次序

場(chǎng)地平整→鉆機(jī)就位→孔位校正→鉆孔→孔口管埋設(shè)→繼續(xù)鉆進(jìn)→灌前孔內(nèi)裂隙沖洗→簡(jiǎn)易壓水→灌漿→封孔→質(zhì)量檢查。

2.5.2 灌漿段長(zhǎng)、壓力控制

灌漿段長(zhǎng)和壓力按照表4控制。鉆孔段長(zhǎng)誤差不得大于20cm,遇巖溶管道不良地段,段長(zhǎng)不宜超過3.0m。鉆孔穿過軟弱破碎巖體發(fā)現(xiàn)塌孔、失水和掉鉆等情況時(shí),應(yīng)單獨(dú)作為一段先進(jìn)行灌漿,灌后并待凝24h后再繼續(xù)掃孔鉆進(jìn)。

表4 灌漿段長(zhǎng)、壓力控制

注：表中灌漿壓力系孔口回漿管路上的壓力。

2.5.3 灌漿材料的實(shí)驗(yàn)室選定

根據(jù)《格里橋電站灌漿配合比試驗(yàn)報(bào)告》及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)成果提出對(duì)灌漿材料的要求：采用水泥粉煤灰混合漿液灌注，水泥為貴州烏江水泥廠生產(chǎn)的“烏江”牌P.O42.5普通硅酸鹽水泥，粉煤灰為貴州安順火電廠生產(chǎn)的Ⅱ級(jí)粉煤灰。

2.6 灌漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)及封孔方法

根據(jù)設(shè)計(jì)及施工技術(shù)規(guī)范要求，當(dāng)灌漿壓力達(dá)到該灌漿孔段的最大設(shè)計(jì)壓力且注入率不大于0.4L/min時(shí)，繼續(xù)灌注60min；或不大于1L/min時(shí)，繼續(xù)灌注90min，即可結(jié)束該段灌漿。

灌漿孔和檢查孔結(jié)束后，采用“全孔壓力灌漿封孔法”進(jìn)行封孔，封孔漿液水膠比為0.5∶1，壓力為該孔灌漿的最大壓力。封孔結(jié)束后將孔口部分用0.5∶1的水泥沙漿填滿、搗實(shí)、抹平。

3 帷幕灌漿試驗(yàn)施工

由于試驗(yàn)區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，F(xiàn)4斷層和不規(guī)則狀泥夾石裂隙較發(fā)育，且裂隙中黃泥含量較高，在鉆進(jìn)過程中，很多孔段孔口均不返水或者返水較小，灌漿耗灰量較大。LMW028、LMW036兩個(gè)孔最為典型，其灌前壓水和灌漿耗灰量分別見表5、6。

表5 灌前壓水結(jié)果 Lu

表6 灌漿耗灰量統(tǒng)計(jì)

4 特殊情況處理

為了確保該部位的灌漿質(zhì)量，根據(jù)灌漿過程中遇到的不同情況以及實(shí)際地質(zhì)條件，對(duì)該部位從兩方面進(jìn)行了具有針對(duì)性的措施處理：

(1)對(duì)于較典型的LMW028、LMW036兩孔，在施工過程中采取了以下方法：

在鉆孔灌漿施工中，全程跟蹤鉆孔及灌漿過程中發(fā)生的情況并做詳細(xì)記錄和對(duì)具體情況進(jìn)行分析：

①在鉆孔遇到塌孔、卡鉆時(shí)，應(yīng)減慢鉆進(jìn)速度，做重復(fù)起、下鉆，或配用水灰比為2∶1的水泥漿液進(jìn)行慢速循環(huán)鉆進(jìn)，這樣可起到泥漿護(hù)壁之效果，從而降低了孔故的發(fā)生，也保證了施工的進(jìn)度。

②在灌漿過程中，若在灌前裂隙沖洗中無返水或壓水透水率較大，則開罐水灰比直接采用0.5∶1的濃漿液起灌。在灌漿過程中安排專人關(guān)注孔內(nèi)注漿或漿桶下降量、壓力表數(shù)據(jù)變化等情況，一旦發(fā)現(xiàn)灌漿注入量為60L/min、壓力為0.5MPa且始終沒有變化時(shí)，隨之采取低壓、限流、間歇灌注等措施進(jìn)行控制，待該段次灌漿消耗量首次累計(jì)達(dá)到LMW028孔5t、LMW036孔3t后按設(shè)計(jì)要求待凝后復(fù)灌。復(fù)灌待凝時(shí)間第一次為8h,以后每次灌漿量累計(jì)達(dá)到20t可按照18、24h升序待凝時(shí)間間隔計(jì)，直至達(dá)到灌漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。

③由于本灌區(qū)位于F4斷層區(qū)域內(nèi)，在對(duì)LMW028、LMW036兩孔個(gè)別孔段進(jìn)行灌漿時(shí)，隨著灌漿壓力逐步加大，漿液順著斷層裂隙、溶縫通道流竄至灌漿隧洞底板高程以上，在灌漿間歇或停灌時(shí)，漿液瞬時(shí)便從孔內(nèi)順著灌漿管路回流至攪拌桶且回流量較大，并將孔內(nèi)的黃泥沖出至攪拌桶導(dǎo)致大量的漿液浪費(fèi)。孔內(nèi)如此大的壓力極易造成施工事故的發(fā)生，而且也影響灌漿質(zhì)量。針對(duì)此種情況，經(jīng)業(yè)主、監(jiān)理及設(shè)計(jì)現(xiàn)場(chǎng)協(xié)商決定對(duì)施工方法做了些改變，即先按照設(shè)計(jì)技術(shù)要求、規(guī)范進(jìn)行孔口封閉、孔內(nèi)循環(huán)式進(jìn)行灌注，若出現(xiàn)泄壓回流漿量較大時(shí)，在確保安全的情況下立即起出孔內(nèi)射漿管，換用預(yù)先加工好帶閥門的簡(jiǎn)易孔口封閉器(見圖2)進(jìn)行深孔純壓式加壓灌注，當(dāng)注入漿量累計(jì)達(dá)到20t或壓力可升至3MPa時(shí)關(guān)閉進(jìn)漿、回漿閥門進(jìn)行閉漿處理，待凝24h(或設(shè)計(jì)要求時(shí)間)后重新對(duì)原孔進(jìn)行掃孔復(fù)灌直至達(dá)到結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 簡(jiǎn)易純壓式孔口封閉器

(2)對(duì)于常規(guī)情況下的鉆灌施工可按以下措施、方法進(jìn)行處理：

①當(dāng)巖石裂隙較小、灌前壓水透水率不大時(shí)，先采用0.8∶1的水泥粉煤灰混合漿液起灌，當(dāng)灌漿注入率較小時(shí)，則應(yīng)盡快升壓至設(shè)計(jì)壓力，以保證灌漿質(zhì)量和提高施工時(shí)效。

②當(dāng)某一孔段單位注入灰量達(dá)到1t/m時(shí)，若出現(xiàn)注入率逐漸減小或者壓力逐漸升高的情況，則在同一比級(jí)的漿液條件下采用緩慢升壓的辦法以達(dá)到正常結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。

5 施工質(zhì)量檢查

在灌漿施工結(jié)束14d后，按設(shè)計(jì)及規(guī)范要求在該部位選取了兩個(gè)具有代表性的孔位進(jìn)行灌后質(zhì)量檢查。檢查孔鉆孔采用φ76mm金剛石取芯鉆頭鉆進(jìn)，自上而下逐段卡塞進(jìn)行“單點(diǎn)法”壓水，各灌漿孔孔段的壓水壓力值為該段次灌漿壓力的80%,且不大于1MPa，壓水呂容值均小于設(shè)計(jì)要求的1Lu。最后按設(shè)計(jì)要求又對(duì)該部位進(jìn)行了72h連續(xù)不斷的疲勞壓水試驗(yàn)后流量穩(wěn)定，再次驗(yàn)證了灌后的質(zhì)量良好，灌漿聲波測(cè)試波速符合設(shè)計(jì)要求，帷幕灌漿生產(chǎn)性試驗(yàn)順利完成。灌后質(zhì)量檢查結(jié)果見表7。

表7 灌后質(zhì)量檢查結(jié)果 Lu

各檢查孔巖芯采取率較高，平均達(dá)到85%以上，且取出的巖芯中多處存在充填密實(shí)、膠結(jié)良好的水泥結(jié)石,使得破碎、斷裂的巖石膠結(jié)成一個(gè)整體，起到防滲、巖石固結(jié)等效果。在后序的Ⅱ、Ⅲ序孔鉆孔施工過程中也可以遇見水泥結(jié)石現(xiàn)象，但充填的密實(shí)度不是很飽滿且夾有黃泥。這種狀況充分說明了在F4斷層和條件復(fù)雜的地層中采用上述的深孔純壓式灌漿施工方法和施工工藝是成功的。

6 結(jié) 語

對(duì)F4斷層帶復(fù)雜的巖石地層進(jìn)行灌漿堵漏施工順利完工后，并對(duì)該部位所采取的施工方法以及施工成果做了認(rèn)真的分析，針對(duì)灌漿填充溶洞、溶槽以及泥夾石寬裂縫和細(xì)微裂隙的作用機(jī)理進(jìn)行了總結(jié)。水泥粉煤灰混合漿液在高壓灌注的作用下，和孔內(nèi)破碎巖石、黃泥夾石等填充物產(chǎn)生了一系列的作用，漿液順著破碎的巖石縫隙向著更深處填充，在膠凝材料水泥的作用下，使得破碎巖石中的空間被填充密實(shí)，并且和周圍的完整巖石很好地結(jié)合成整體；當(dāng)遇到有粘度的黃泥夾石時(shí)則不斷地沖蝕(刷)、擠兌和置換，使黃泥夾石中的水分和部分黃泥被置換出孔內(nèi)，從而起到排水固結(jié)的效果并增加了黃泥夾石的密實(shí)度。

在各種力、化學(xué)反應(yīng)的綜合作用下，溶洞泥和溶縫夾泥被許多縱橫交錯(cuò)的硬化的水泥網(wǎng)格切割成大小不等的塊體，被網(wǎng)格封閉的泥土本身也變得質(zhì)密和堅(jiān)硬，從而形成了一道具有足夠力學(xué)強(qiáng)度和抗?jié)B能力的防滲幕體，大大降低了大壩上、下游之間的滲漏現(xiàn)象。