無蓋重覆蓋層下部砂巖地層帷幕灌漿施工技術(shù)應(yīng)用

(中國水利水電第五工程局有限公司，成都，610066)

目前我國正處在新一輪的城鎮(zhèn)化建設(shè)中，隨著城市的不斷擴張，人口的快速增長，帶來了日益突出的城市飲水問題。大力開發(fā)中小型水庫為解決城市供水問題提供了出路，因此中小型水利工程的建設(shè)必將作為未來一段時間內(nèi)國內(nèi)開發(fā)建設(shè)的重點方向。

1 工程概況

廣安鄰水向陽橋水庫工程是《全國中型水庫建設(shè)總體安排意見(2013-2017年)》、《西南五省重點水源工程近期建設(shè)規(guī)劃》和《四川省“十二五”水利發(fā)展規(guī)劃》中規(guī)劃建設(shè)的工程之一，是一座兼具防洪、農(nóng)業(yè)灌溉、城鎮(zhèn)及農(nóng)村飲水、區(qū)域水生態(tài)文明建設(shè)等綜合效益的中型水庫。水庫位于廣安市鄰水縣西南部的丹水灘河上游，壩址位于西天鄉(xiāng)政府下游1km，壩址控制流域面積19.1km2，水庫總庫容為1644萬m3。樞紐永久性主要建筑物包括擋水大壩、泄洪建筑物、放空(取水)建筑物、充水渠道等，此外工程還包括灌區(qū)輸水管道及縣城輸水管線等配套工程。

向陽橋水庫兩岸壩肩壩頂高程以上及庫區(qū)防滲軸線地表均為第四系殘坡積堆積物及強風(fēng)化巖層，且地表高程普遍在365m～368m之間，受地形地質(zhì)條件限制，如果設(shè)置灌漿平硐將會面對成洞條件差、軸線長的問題，不僅施工安全風(fēng)險大而且建設(shè)投資成本高，因此設(shè)計考慮直接從地表覆蓋層鉆孔進(jìn)行正常蓄水位(346m)以下防滲帷幕灌漿施工。

2 主要施工難點

在傳統(tǒng)的水利水電工程基巖帷幕灌漿施工中，防滲帷幕的鉆孔灌漿需先清除地表覆蓋層或者設(shè)置灌漿平硐，然后在裸露的基巖或平硐底板上設(shè)置混凝土蓋重，并在蓋重達(dá)到一定設(shè)計強度后方可實施鉆孔及帷幕灌漿施工。

然而，向陽橋水庫工程中防滲帷幕既不設(shè)置平硐、不清除覆蓋層，也不澆筑混凝土蓋重，而是直接從地表覆蓋層中鉆孔進(jìn)行正常蓄水位(346m)以下灌漿施工。施工現(xiàn)場在原始地面與帷幕灌漿頂線(高程346m)之間有將近20余米的孔段內(nèi)不進(jìn)行灌漿，經(jīng)前期地質(zhì)勘查，帷幕灌漿施工區(qū)域為砂巖與泥巖互層地質(zhì)，巖石節(jié)理裂隙極為發(fā)育、地質(zhì)條件較差，地層結(jié)構(gòu)如圖1所示。如果采取常規(guī)灌漿方法貿(mào)然進(jìn)行帷幕施工，極易在施灌過程中發(fā)生塌孔、繞塞返漿，甚至廢孔等一系列問題，不僅造成帷幕灌漿質(zhì)量無法保障，同時可能造成施工工期大大延長、成本大幅增加。

針對上述特點，如何在無蓋重條件下進(jìn)行覆蓋層下部帷幕灌漿成為擺在施工技術(shù)人員面前的一道難題。

3 施工方法

3.1 技術(shù)方案比較

由于灌漿頂高程346.00m以上為覆蓋層及強風(fēng)化～弱風(fēng)化砂/泥巖結(jié)構(gòu)，直接鉆孔至設(shè)計高程灌漿極易在上部覆蓋層發(fā)生塌孔或非灌段基巖繞塞返漿等現(xiàn)象，最終造成廢孔事故發(fā)生。針對這種特殊的帷幕灌漿結(jié)構(gòu)型式，通過查找資料，常規(guī)的施工解決方法有兩種：

方案一：采用跟管鉆孔灌漿的施工方法，即采用液壓跟管鉆機和擴孔鉆頭，套管護壁自上而下進(jìn)行鉆孔，并在鉆孔全部完成后在套管內(nèi)放入灌漿塞。灌漿過程中，將灌漿塞安放在套管底端，采用拔管機分段提升護壁套管和灌漿塞，自下而上分段進(jìn)行帷幕灌漿，直至全孔灌漿完成。

方案二：根據(jù)覆蓋層及非灌段基巖情況，采取預(yù)固結(jié)的方式，先對上部覆蓋層及強風(fēng)化基巖進(jìn)行固結(jié)灌漿，然后采用正常的帷幕灌漿程序，從灌漿頂346m開始自上而下分段對基巖進(jìn)行帷幕灌漿施工，直至全孔灌漿完成。

兩種技術(shù)方案均能夠解決灌漿施工中容易出現(xiàn)的塌孔和繞塞返漿等問題，但也存在諸多缺點和不足，具體分析如表1。

表1 帷幕灌漿施工技術(shù)方案比較

3.2 改進(jìn)后的具體施工方法

鑒于上述兩種技術(shù)方案存在的缺點和不足，通過分析比較，考慮結(jié)合兩種方案各自的優(yōu)點。經(jīng)過研究決定在地表覆蓋層段設(shè)置鋼套管，防止孔口及覆蓋層段塌孔；在基巖非灌漿段采用泥漿護壁，并在灌漿段頂部一定范圍內(nèi)進(jìn)行水泥預(yù)固結(jié)灌漿。確保在無蓋重條件下覆蓋層下部的砂巖地層帷幕灌漿施工質(zhì)量。

3.2.1 施工工藝流程

無蓋重條件下覆蓋層下部砂巖地層帷幕灌漿施工流程如圖2所示。

圖2 無蓋重覆蓋層下部砂巖地層帷幕灌漿施工流程

3.2.2 施工具體要求

(1)對于灌漿孔穿覆蓋層段，為確保成孔并防止后期施工鉆孔灌漿過程塌孔造成事故，采用薄壁鋼管進(jìn)行護壁。其中，覆蓋層段鉆孔孔徑φ91mm，采用φ89mm、δ=2.0mm的焊接鋼管進(jìn)行護壁，并保證鋼管護壁段深入強風(fēng)化線1.0m以下，同時采用水泥漿對鋼套管進(jìn)行嵌固，待凝24h。

(2)帷幕灌漿頂高程以上非灌段由于基巖裂隙的存在，為防止發(fā)生塌孔和繞塞返漿的問題，采取如下處理措施：

①對灌漿段頂高程以上4.0m范圍以外的部位進(jìn)行泥漿護壁，即在鉆進(jìn)過程中，采用泥漿泵向孔內(nèi)循環(huán)注入泥漿的方式，對鉆孔孔壁進(jìn)行防護。為確保護壁效果，可根據(jù)施工現(xiàn)場具體情況在泥漿中適當(dāng)添加膨潤土等外加劑，同時也可根據(jù)非灌段基巖裂隙大小和具體情況采用孔口封閉加壓等方式，確保護壁效果。

②對灌漿段頂高程以上4.0m范圍內(nèi)進(jìn)行水泥預(yù)固結(jié)，具體要求如下：

A.采用1∶1中等濃度水泥漿進(jìn)行施灌；

B.根據(jù)壓水試驗過程中的返水情況，預(yù)固結(jié)段可自上而下分兩次施灌(灌漿壓力分別為0.2MPa、0.4MPa)，也可一次性全段施灌(灌漿壓力0.2MPa)；

C.預(yù)固結(jié)段灌漿根據(jù)實際情況控制灌漿量，對于吃漿量較大的部位，為降低施工成本，單耗可按50kg/延米控制，灌漿總量達(dá)到200kg后灌漿結(jié)束；對于吃漿量較小的部位，該灌漿段在最大設(shè)計壓力下，當(dāng)注入率不大于1L/min后，繼續(xù)灌注30min，即可結(jié)束。預(yù)固結(jié)灌漿結(jié)束后，隨即進(jìn)行待凝，待凝不得小于24h；

D.預(yù)固結(jié)段完成待凝后重新掃孔至346.00m帷幕灌漿頂高程，至此非灌段預(yù)固結(jié)工作全部完成。

具體灌漿辦法及分段情況如圖3所示。

(3)庫區(qū)346.00m高程以下灌漿段在施灌過程中按照設(shè)計分段及灌漿壓力要求進(jìn)行：

①所有灌漿孔第一段段長均按3m(即346.00m～343.00m)控制，其中Ⅰ序孔及先導(dǎo)孔第一段灌漿壓力為0.6MPa，Ⅱ、Ⅲ序孔灌漿壓力為0.8MPa；

圖3 無蓋重覆蓋層下部帷幕灌漿結(jié)構(gòu)示意

②除第一段外，灌漿孔段長宜按5m控制，且終孔段段長不得超過8m。各段灌漿壓力：Ⅰ序孔及先導(dǎo)孔灌漿壓力為1.0MPa，Ⅱ、Ⅲ序孔灌漿壓力為1.2MPa；

(4)庫區(qū)346.00m高程以下造孔及灌漿過程中如遇較大裂隙(鉆孔期間不返水、壓水過程不起壓等)，則采用無壓濃漿反復(fù)施灌、待凝的方式進(jìn)行處理，必要時考慮在孔口適當(dāng)加砂處理，單次注漿量可由監(jiān)理根據(jù)現(xiàn)場實際情況及時調(diào)整以確保灌漿效果，每次待凝時間不得小于24h。

(5)帷幕灌漿完成后，對相應(yīng)的灌漿孔進(jìn)行封孔處理，封孔具體要求如下：

①封孔高程按灌漿頂高程以上2m控制，即348.00m高程；

②封孔壓力采用1.2MPa；

③348.00m高程以上封孔采用人工回填土料的形式進(jìn)行。

(6)對于終孔段壓水試驗呂榮值大于5的孔段，根據(jù)實際情況適當(dāng)加深處理。

(7)大壩左、右岸帷幕灌漿延伸線以及涉及覆蓋層造孔灌漿的部位，參考上述辦法進(jìn)行施工。

通過采用上述施工方案，向陽橋水庫庫區(qū)及壩肩帷幕灌漿施工取得了較好的效果。在灌漿施工過程中未發(fā)現(xiàn)塌孔及繞塞返漿等現(xiàn)象，后期檢查孔取芯過程中，可見水泥結(jié)石，壓水檢測結(jié)果(見表2)均滿足設(shè)計及規(guī)范相關(guān)要求。

表2 庫區(qū)帷幕灌漿壓水檢測對比

通過對比分析灌漿前后相關(guān)部位的透水率，基巖的透水性明顯降低，隨機抽取的檢查孔透水率全部低于設(shè)計規(guī)定的5Lu，無蓋重覆蓋層下部帷幕灌漿取得了較好的防滲效果。

3.3 施工注意事項

(1)合理規(guī)劃施工現(xiàn)場，做好場地排水系統(tǒng)、泥漿池、施工材料及設(shè)備堆放場地布置。

(2)覆蓋層造孔過程中要注意根據(jù)鉆孔情況判斷覆蓋層具體厚度，并安裝配套長度的護壁鋼套管，確保鋼套管深入基巖不少于1m。覆蓋層較淺時，鋼套管可采用薄壁焊管。

(3)覆蓋層造孔應(yīng)適當(dāng)增大孔徑，放入鋼套管后，采用水泥漿進(jìn)行填充，并待凝24h，確保鋼管與覆蓋層孔壁嵌固牢靠。

(4)非灌段鉆孔過程中應(yīng)確保泥漿池和配套泥漿泵運行良好，泥漿比重需根據(jù)具體情況配備，確保鉆孔過程中泥漿護壁效果。

(5)非灌段鉆孔完成后，采用孔內(nèi)下灌漿塞，循環(huán)式灌漿的方法對預(yù)固結(jié)段進(jìn)行施灌。

(6)水泥預(yù)固結(jié)段按耗灰量進(jìn)行控制，施灌過程中可根據(jù)吃漿量適當(dāng)調(diào)整灌漿壓力。

(7)水泥預(yù)固結(jié)灌漿施工結(jié)束后，必須按不小于24h進(jìn)行待凝，確保固結(jié)效果，同時起到帷幕灌漿蓋重和防止繞滲的作用。

(8)灌漿段內(nèi)采用水泥漿進(jìn)行封孔，上部基巖和覆蓋層等非灌段采用人工回填土料進(jìn)行封堵。

(9)及時清理水泥廢漿、盡可能拆除覆蓋層內(nèi)鋼套管，進(jìn)行場地恢復(fù)，方便后期復(fù)耕。

4 結(jié)語

水利水電工程中帷幕灌漿對減小水庫滲流、降低壩體揚壓力，確保工程安全運行方面具有十分重要的意義。無蓋重覆蓋層下部砂巖地層帷幕灌漿施工技術(shù)在廣安鄰水向陽橋水庫工程帷幕灌漿施工過程中的成功應(yīng)用，解決了無蓋重條件下覆蓋層下部帷幕灌漿易廢孔、成本高、進(jìn)度慢、帷幕質(zhì)量難以保障等一系列施工難題。不僅保證了大壩帷幕灌漿的施工質(zhì)量，同時加快了施工進(jìn)度，確保目標(biāo)工期的順利實現(xiàn)。在降低施工成本的同時，滿足了安全、進(jìn)度、質(zhì)量、技術(shù)等各方面的要求，該技術(shù)方案得到建設(shè)單位、設(shè)計及監(jiān)理單位的一致認(rèn)可，為工程度汛和按期蓄水奠定了堅實基礎(chǔ)，也為類似工程施工提供了參考經(jīng)驗，具有顯著的社會效益。