水庫壩基承壓水區(qū)的灌漿條件與承壓水封孔技術(shù)探討

[摘要]壩基位于水河峪一花洋峪復(fù)式向、背斜核部，核部至少由5個順河的向、背斜和5條順河向的斷層組成了承壓水區(qū)。含水巖體為裂隙砂巖，相對隔水層為弱裂隙粉砂巖體。容漿空間主要有三類：砂巖層內(nèi)的構(gòu)造裂隙，粉砂巖層內(nèi)的張性斷裂，向、背斜頂、底部的滑脫帶，砂巖層內(nèi)的構(gòu)造裂隙和向、背斜頂?shù)撞康幕搸АＶ饕酀{對象是寬大裂縫，其次是細小裂隙。封堵寬大裂縫與細小裂隙灌漿兩者有不相容性，應(yīng)區(qū)別進行灌注。研制試驗成功了兩種封孔方法。水均衡封孔法，適用于承壓水頭低于鉆塔高度，缺點是在鉆塔上操作，略感不便；止水栓塞封孔法適用于高承壓水頭區(qū)，缺點是對穩(wěn)定栓塞的孔壁要求較嚴格。如果用普通漿液封孔，需要二次補封才可以完全封孔；如果用復(fù)合漿液封孔，一次封堵就可以完全封孔。

[關(guān)鍵詞]裂隙砂巖；水泥漿；水均衡法；止水栓塞

1、前言

某水庫為完全年調(diào)節(jié)性質(zhì)的樞紐工程，水庫總庫容為640.5萬m3，是一座以城區(qū)供水、防洪為主的IV等?。?）型工程，主要建筑物為4級，次要建筑物為5級。其主要建筑物包括大壩、右岸溢洪道和左岸輸水泄洪洞。大壩壩型為“壤土心墻砂礫石壩”。壩頂寬6.0m，長202.8m。壤土心墻頂寬3.0m，上下游邊坡1：0.35，最大底寬30m。河床砂礫石覆蓋層設(shè)壤土防滲齒槽，底寬8.0m，邊坡1：1.5，齒槽深入基巖面以下2.5m?；略O(shè)計有兩排防滲帷幕，帷幕上下游各設(shè)一排5m深固結(jié)灌漿孔。

水庫于2002年開工建設(shè)，經(jīng)過兩階段施工，因基礎(chǔ)防滲帷幕灌漿與固結(jié)無法達到設(shè)計要求而被迫停工。2012年3月，項目單位邀請相關(guān)專家會同多位工程技術(shù)人員，對灌漿區(qū)的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)與灌漿地質(zhì)的條件與問題進行了調(diào)查；建立了地表水與地下水動態(tài)觀測網(wǎng)：進行了灌漿漿液的室內(nèi)外的系列研究；開展了大量的現(xiàn)場灌漿實驗；對以前兩次灌漿失敗原因，在現(xiàn)場進行了試驗分析與論證，探索了解決水庫壩基承壓水區(qū)的灌漿條件下承壓水封孔技術(shù)的結(jié)論。

2、壩基承壓水區(qū)的防滲帷幕灌漿條件

水庫建筑區(qū)，位于水河峪一花洋峪復(fù)式向、背斜核部，因此靠近核部的左、右岸的壩肩巖層特別破碎，離河床漸遠的地方，巖體的塊度稍微大了一些。復(fù)式向、背斜核部，總體走向為NW280°-350°，其中的褶皺與斷層傾角，多陡于70°。復(fù)式向、背斜核部巖體的成層性很差。

地層巖性，壩址區(qū)出露的地層處于上泥盆統(tǒng)大草灘群的中上部，多為紫紅色粉砂巖、砂巖和粗砂巖，灰白色含礫石英砂巖、石英砂巖。其膠結(jié)物多為硅質(zhì)，部分為泥質(zhì)。

地質(zhì)構(gòu)造，壩基恰位于水河峪一花洋峪復(fù)式向、背斜核部，核部至少由5個順河的向、背斜和5條順河向的斷層組成?；鶐r內(nèi)發(fā)育有四組裂隙：①組出現(xiàn)頻率最高，走向NW320°-350°，傾向SW，傾角多陡于70°的走向裂隙組（平行向、背斜軸部）。②組為傾向（單斜地層傾向）裂隙組。③④組為剪切裂隙。在向、背斜構(gòu)造的主壓應(yīng)力作用下，在壩址區(qū)形成了傾向NE、Sw方向的層間錯動帶。在4組構(gòu)造裂隙的切割下，使層間褶皺帶巖體特別破碎。

水文地質(zhì)，河床壩基區(qū)，處于向、背斜核部，兩岸為波狀起伏地層，總體上為向河床傾斜的地層。向斜核部地層由起伏褶皺的透水砂巖和起伏褶皺的相對隔水的粉泥質(zhì)砂巖組成。地表水通過兩岸地層的樸給，形成了壩基承壓水含水層。由于相對隔水層遭受風化卸荷作用后，變成了承壓水含水層向上的越流層。

容漿條件，本區(qū)的灌漿容漿空間主要有三類：一類是砂巖層內(nèi)的構(gòu)造裂隙；第二類是粉砂巖中發(fā)育的張性斷裂，向、背斜頂、底部的滑脫帶；第三類是砂巖層內(nèi)的構(gòu)造裂隙和向、背斜頂?shù)撞康幕搸А?/p>

3、壩基防滲帷幕灌漿的基本原則

3.1主要灌漿對象是寬大裂縫，其次是細小裂隙

根據(jù)試驗，裂隙的過漿量與裂隙寬度的立方成正比。也就是說，一條1cm寬的縫隙過漿量，不等于10根1mm裂隙的過漿量，而是等于1000根裂隙的過漿量。封堵了一條1cm寬的縫隙，就等于封堵了1000根1mm的裂隙。當然，細小裂隙太多的話，其漏水量也是不可忽視的。因此，本區(qū)的主要灌漿對象是張性斷裂和向、背斜頂，底部的滑脫帶等寬大裂縫。同時也要對構(gòu)造裂隙進行認真地灌漿。

3.2封堵寬大裂縫與細小裂隙灌漿兩者有不相容性，應(yīng)區(qū)別進行灌注

封堵寬大裂縫時，注漿壓力自然會很低。這個低壓力對一般構(gòu)造裂隙來說，叉太低了，漿液擴散半徑太小，常常達不到灌漿要求。因此應(yīng)把寬大裂縫處理到可以承受較大壓力時，再對細小裂隙進行常規(guī)灌漿。

4、壩基承壓水區(qū)的鉆孔封孔技術(shù)研究

河堤兩岸的堤腳，洪水期常形成承壓水區(qū)，松散地層在承壓水頭的作用下，以管涌形式破壞堤基而導(dǎo)致河流泛濫；壩基下部的承壓水區(qū)，為了進行防滲帷幕灌漿，都要進行鉆孔灌漿，如若對承壓水封孔不好，壩體幾乎在水庫全水頭的作用下，輕則壩基發(fā)生嚴重漏水，重則潰壩而導(dǎo)致災(zāi)難性的事故發(fā)生。有鑒于此，我們對本工程的壩基承壓水封孔進行了大量的試驗研究，獲得了可喜的如下的突破。

承壓水鉆孔的封孔難點在于封孔漿液的含水量難于控制，由于承壓水的加入，使原來較稠的漿液變成了凝固時有很大體積收縮率的稀漿，自然也就起不到封孔作用。我們針對水庫壩基的承壓水文地質(zhì)條件，研制試驗成功了兩種封孔方法。

4.1水均衡封孔法，適用于承壓水頭低于鉆塔高度，缺點是在鉆塔上操作，略感不便

水均衡封孔法，主要原理是使動態(tài)流動得水變?yōu)殪o止狀態(tài)，從而改變灌漿環(huán)境。封孔前，在孔口沿孔軸安裝同孔徑的鋼管，鋼管高度一般高于承壓水頭0.5m，后將灌注管一次通至孔底，使用0.5：1的稠水泥漿液進行漿水置換，待濃漿從孔口溢出后注漿結(jié)束。待凝1小時后，孔內(nèi)漿液析水沉降，再使用同樣的漿水置換方法灌漿，如此反復(fù)直至完成封孔，3小時后卸掉水均衡管，完成封孔。

4.2止水栓塞封孔法適用于高承壓水頭區(qū)，缺點是對穩(wěn)定栓塞的孔壁要求較嚴格

在封孔位置固定止水栓塞，使用0.5：1的稠水泥漿液采用設(shè)計壓力封孔，待孔內(nèi)漿液全部置換后，關(guān)閉灌漿閥門，漿液初凝后卸掉止水栓塞，完成封孔。

上述兩種封孔方法，如果用普通漿液封孔，需要二次樸封才可以完全封孔；如果用復(fù)合漿液封孔，一次封堵就可以完全封孔。

結(jié)論：

（1）由于巖性及其裂隙發(fā)育和力學性質(zhì)的差異，形成了含水層與相對隔水層。由于地質(zhì)構(gòu)造的作用，形成了縱向與豎向張性斷裂帶甚至滑脫帶。

（2）張性裂隙與張性滑脫帶，對灌漿壓力有不同的反應(yīng)：滑脫帶吃漿量很大而升不起灌漿壓力；用較小灌漿壓力對張性裂隙灌漿則灌注量很小而灌漿效果不好。應(yīng)分別進行灌漿。

（3）在承壓水區(qū)灌漿鉆孔封孔的成敗與否與水庫成敗與否有著極為密切的關(guān)系，應(yīng)用止水栓塞和復(fù)合漿液進行完全封孔。