巖溶壩基帷幕灌漿高注漿量控制措施與效果分析

張正雄

（中國電建集團(tuán)昆明勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，云南 昆明 650051）

0 引言

在巖溶區(qū)特別是巖溶強(qiáng)烈發(fā)育的地區(qū)進(jìn)行水工建設(shè)，大壩基巖、水庫周邊和庫區(qū)滲漏通道的處理極為重要，處理的施工技術(shù)也比較復(fù)雜，帷幕灌漿技術(shù)是水工建筑巖體處理中常用而重要的一種工程措施［1］。

但巖溶區(qū)帷幕灌漿面臨著諸多復(fù)雜的環(huán)境和因素，致使帷幕灌漿的施工難度加大，往往既要考慮工程質(zhì)量及效果，又要考慮減少灌漿材料的消耗，有效控制造價(jià)。因此，需要結(jié)合地質(zhì)條件及鉆孔、洗孔、壓水、灌漿等環(huán)節(jié)所表現(xiàn)出來的實(shí)際情況，采取具體處理和應(yīng)對措施。這是一項(xiàng)非常復(fù)雜而又十分重要的技術(shù)工作。

1 高注漿量情況帶來的常見問題

（1）帷幕灌漿實(shí)踐中，出于對灌漿施工材料成本的考慮，對于巖溶區(qū)域高注漿量的灌段往往采取限流、限量的措施，但同時(shí)也會給強(qiáng)巖溶部位帶來待凝復(fù)灌次數(shù)增多、輔助工作時(shí)間增長、輔助施工成本增大等問題。還會因?yàn)榭仔蚴┕ろ樞虻南拗?，制約了其它孔段帷幕灌漿施工的開展，從而導(dǎo)致帷幕灌漿施工效率降低，對工期控制尤其是較為緊張的工期控制極為不利。

（2）高注漿量灌段一般灌漿時(shí)間都會延長，漿液長時(shí)間在孔內(nèi)流動摩擦升溫，射漿管容易在孔內(nèi)被水泥漿凝住，“凝管”事故頻發(fā)，會加大事故發(fā)生的概率和處理難度。

2 高注漿量的主要原因分析

（1）巖溶區(qū)溶蝕裂隙或巖溶通道發(fā)育，且多呈區(qū)域型分布，整體巖層地質(zhì)條件較差，造成大耗漿的原因主要是遇到斷層、裂隙、溶洞、黃泥夾層［2］。加之受壩基爆破開挖所產(chǎn)生的裂隙和一些斷層破碎帶的影響，具備了高注漿量現(xiàn)象所需要的各項(xiàng)條件。

（2）帷幕線附近的溶蝕裂隙在高壓灌漿的作用下與下部附近的溶蝕裂隙溶洞有串通的跡象［3］，或是相關(guān)的溶蝕裂隙、溶洞在高壓作用下增大，也是促成高注漿量的重要因素。尤其在串漿、冒漿或漏漿等情況而又不能、不易及時(shí)發(fā)現(xiàn)的情況下，高注漿量的現(xiàn)象就會更為突出。

（3）地下水豐富的區(qū)域，受地下水的作用，灌注的漿液有可能隨著地下水的流動造成較大損失，這種情況造成的高注漿量現(xiàn)象在實(shí)踐中也較為普遍。

3 對高注漿量常用的控制措施

對于巖溶區(qū)高注漿量部位的帷幕灌漿，通常采用“先堵后灌”的處理思路，并根據(jù)鉆孔的具體情況采取相關(guān)控制措施。

（1）先確定“封堵”的灌漿材料（如水泥砂漿、細(xì)石混凝土、膏狀漿液等），并對巖溶通道進(jìn)行堵漏灌漿，重點(diǎn)是處理較大的溶洞和集中滲漏的通道［4］。

（2）堵漏灌漿后，再確定“灌漿”的材料（如水泥漿、化學(xué)漿液等），并進(jìn)行帷幕灌漿。

（3）在具體的帷幕灌漿過程中，還需要根據(jù)實(shí)際灌注情況，通常采用“低壓、濃漿、限流、限量、間歇”等手段進(jìn)行帷幕灌漿的綜合控制。

4 工程應(yīng)用實(shí)例

4.1 工程概況

某水電站雙曲拱壩壩基的基巖以灰?guī)r為主，局部為白云巖，巖溶較發(fā)育，發(fā)育強(qiáng)度與排泄基準(zhǔn)面有關(guān)，且發(fā)育極不均一。主要發(fā)育在地下水位變動帶及包氣帶內(nèi)，地下水位隨時(shí)間和深度具有速變性，巖體透水性總體由地表向地下深部和向分水嶺方向逐漸減弱，為典型的喀斯特地質(zhì)地貌區(qū)。壩址區(qū)喀斯特地貌主要表現(xiàn)為巖溶寬縫、溶洞、溶隙及溶槽，寬縫多無充填或有少量粘土充填，溶洞多有粘土充填或半充填，規(guī)模較大的巖溶裂隙發(fā)育帶寬度≮15 m，高度＞50 m。

為做好壩基防滲帷幕灌漿處理，劃分左、右岸EL.584 m 灌漿洞、EL.612 m 灌漿洞、EL.653 m 灌漿洞及河中EL.584 m 壩體灌漿廊道共計(jì)7 個(gè)工作面進(jìn)行帷幕灌漿。帷幕灌漿過程中，受地層巖溶發(fā)育及地下水等地質(zhì)條件的影響，壓水不返水、灌漿不回漿及串漿等現(xiàn)象較為突出，帷幕灌漿中高注漿量的現(xiàn)象十分明顯。

4.2 主要地質(zhì)特征及現(xiàn)象

從鉆孔及壓水試驗(yàn)等具體情況來看，高注漿量灌段主要為裂隙、寬縫或巖溶洞穴、溶槽等巖溶發(fā)育且相互連通的部位，主要有充填型、半充填型和非充填型3 種情況。主要地質(zhì)現(xiàn)象如下：

（1）鉆進(jìn)過程中，無返水或返水較小、返黃泥水或褐泥水、返泥沙、掉鉆、進(jìn)尺加快及孔口涌水等，部分巖體溶蝕為細(xì)砂、粉砂狀（參見圖1）。

圖1 鉆孔揭露的部分地質(zhì)特征及現(xiàn)象Fig.1 Some geological features and phenomena exposed by drilling

（2）鉆孔巖心有明顯的溶蝕、破碎、泥質(zhì)充填物，或巖心采取率明顯偏低。

（3）鉆孔沖洗或簡易壓水試驗(yàn)無回水或回水較小、壓力值較小，亦或壓力表根本打不起壓力，灌前透水率偏大（參見圖2）。

圖2 具有代表性的帷幕灌前透水率累計(jì)比例曲線Fig.2 Representative cumulative proportion curve of water permeability before curtain grouting

（4）灌漿過程中，串漿、冒漿及無壓無回、難以升壓至設(shè)計(jì)灌漿壓力值等現(xiàn)象突出。

4.3 高注漿量問題的突出體現(xiàn)

本項(xiàng)目高注漿量灌段與地質(zhì)條件有著直接的關(guān)聯(lián)，而按照原定方案和措施，雖單次注漿量得到了一定程度的控制，但也直接導(dǎo)致待凝復(fù)灌次數(shù)增多（局部孔段最大復(fù)灌次數(shù)高達(dá)17 次，見表1），灌漿時(shí)間及輔助時(shí)間大幅延長，人力、材料及設(shè)備資源浪費(fèi)極為嚴(yán)重，鉆灌效率極低，且灌漿總耗漿量控制仍難以達(dá)到預(yù)期，嚴(yán)重影響和制約著灌漿工作順利推進(jìn)。

表1 右岸584 灌漿洞R584-1-13(I)典型孔段復(fù)灌情況統(tǒng)計(jì)Table 1 Regrouting data for the typical section of R584-1-13(I)at the right river bank

4.4 主要控制措施

針對巖溶壩基高注漿量部位的實(shí)際問題，重點(diǎn)從措施、方法、材料及經(jīng)濟(jì)成本等方面進(jìn)行綜合探索研究并付諸實(shí)踐，最終確保帷幕灌漿質(zhì)量并達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，是壩基帷幕灌漿的重點(diǎn)和難點(diǎn)。經(jīng)過研究分析，對高注漿量部位總體采用“先堵后灌”的方法，并根據(jù)鉆孔揭露的實(shí)際地質(zhì)情況分別采取合適的具體方法和手段加以控制。

4.4.1一般巖溶條件的控制措施

本項(xiàng)目巖溶發(fā)育情況一般的部位，鉆孔總體正常（進(jìn)尺均勻、巖心完整、回水正常），但在灌漿過程中也有注漿量較大的情況，說明該部位可灌性較好。具體控制措施如下：

（1）當(dāng)灌入水泥漿單位耗量達(dá)150～200 kg/m，灌漿壓力無逐漸升高或注入率無逐漸減小的趨勢，說明其灌漿效果不明顯，則進(jìn)一步采取濃漿、低壓、限流或分級升壓（級數(shù)根據(jù)各灌段的灌漿壓力確定）的措施，將注入率控制在10.0～15.0 L/min。

（2）當(dāng)灌入水泥單位耗量達(dá)300 kg/m，其灌漿效果仍不明顯時(shí)，則采取間歇灌漿措施。每次間歇的灌入漿量控制在400～600 L，間歇停頓的時(shí)間控制在15～25 min。當(dāng)連續(xù)間歇灌注3 次灌漿效果仍不明顯時(shí)，則采取待凝，待凝時(shí)間一般在12 h 以上。

（3）在復(fù)灌過程中，對于灌前洗孔壓水壓力能達(dá)到超過設(shè)計(jì)壓力1 MPa 的孔段，直接采用純水泥漿灌注。為減少水泥浪費(fèi)，也可采用水泥砂漿灌注，但有結(jié)束趨勢后，及時(shí)換用純水泥漿繼續(xù)灌注至達(dá)到結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。

4.4.2強(qiáng)巖溶條件的控制措施

強(qiáng)巖溶區(qū)往往在鉆進(jìn)過程中會伴有明顯的異?，F(xiàn)象，一般立即停鉆，記錄好掉鉆位置及經(jīng)過，觀察孔內(nèi)及周圍是否有異常，保留好心樣，查明原因并判斷出具體的巖溶情況（溶洞、溶穴、溶蝕寬縫等）后，根據(jù)巖溶規(guī)模大小、充填物類型、地下水活動等情況，有針對性地采取措施進(jìn)行巖溶封堵處理，再結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況進(jìn)行水泥砂漿、水泥漿的正常灌注至達(dá)到帷幕灌漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。

4.4.2.1巖溶封堵

（1）無論是充填型、半充填型還是非充填型巖溶部位，均先采用回填碎石、砂子或灌注水泥砂漿等措施進(jìn)行巖溶封堵處理后，再進(jìn)行灌漿。

（2）采用水泥砂漿進(jìn)行灌注時(shí)，先灌注0.8∶1∶1或1∶1∶1 的水泥砂漿，并在灌注過程中無回漿時(shí)，適時(shí)采用限流、間歇灌注。待孔口有回漿時(shí)，根據(jù)回漿大小及穩(wěn)定情況選用限流措施，減少間歇時(shí)間或不間歇，避免出現(xiàn)管路堵塞及孔內(nèi)事故的發(fā)生。

4.4.2.2注漿量的控制

（1）若注入量較大，觀察下一層灌漿平洞或壩肩邊坡是否漏漿或冒漿，若漏冒漿，立即封堵漏、冒漿點(diǎn)［5］?？筛鶕?jù)具體情況采用嵌縫、表面封堵、低壓、濃漿（加大摻砂量）等方法進(jìn)行處理［6］。

（2）當(dāng)灌入水泥單位耗量達(dá)200～250 kg/m，灌漿壓力無逐漸升高或注入率無逐漸減小的趨勢時(shí)，則采取低壓、限流或分級升壓的控制措施。當(dāng)流動性降低后再按照相應(yīng)的情況升高灌漿的壓力，但應(yīng)注意在升高灌漿壓力時(shí)其注入的速度也要進(jìn)行控制，一般情況下應(yīng)控制注入量≯15 L/min 為最佳［7］。

（3）當(dāng)灌入水泥單位耗量達(dá)300～400 kg/m，灌漿效果仍不明顯時(shí)，則采取間歇灌漿的控制措施，每次間歇的灌入漿量控制在600 L 左右。間歇的停頓時(shí)間及連續(xù)間歇灌注3 次灌漿效果仍不明顯時(shí)的控制措施，與4.4.1 第（2）條一致，只是在漿液中摻加適量的水玻璃以適當(dāng)縮短待凝的時(shí)間。

（4）對于注漿量大、復(fù)灌次數(shù)超過3 次，灌漿時(shí)仍無壓力的情況，將水泥灌入限量提高到20 t，并視具體情況，也可以不受限量的限制，直至灌漿有壓力后再進(jìn)行待凝處理。但水泥灌入量每灌注5 t 應(yīng)間歇，間歇時(shí)間以不引起抱管為控制原則。

（5）在有水流作用的巖溶、裂隙等高注漿量的灌段，在水泥漿液中摻加砂、速凝劑等，同時(shí)，為避免出現(xiàn)孔內(nèi)抱管事故，減少灌漿間歇時(shí)間或同步采用其它措施進(jìn)行聯(lián)合控制。

4.4.2.3灌漿壓力的控制

（1）對于灌漿無壓力，或有壓力但壓力較小的情況，用低壓甚至自流式灌漿［8］，在水泥灌入量達(dá)到8 t后壓力仍無明顯提高的情況，先進(jìn)行第一次待凝，之后按照每遞增1 MPa 壓力為一個(gè)階段進(jìn)行待凝24 h后掃孔復(fù)灌。

（2）本項(xiàng)目最大設(shè)計(jì)灌漿壓力為3.0 MPa，但由于灌漿區(qū)內(nèi)混凝土蓋板厚度及地質(zhì)條件的差異，從而造成灌漿段長度及壓力有所差別。對基巖孔深大于15 m 的充填型溶洞及寬縫，根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)提高灌漿壓力至3.5 MPa，以保證水泥砂漿或水泥漿能較好地?cái)D壓、包裹及置換泥塊。

4.4.2.4其它控制手段

（1）針對鉆孔無回水、復(fù)灌2 次以上孔段，采取不下入尾管的措施，在孔口直接灌注濃漿，并按照相關(guān)比例添加速凝劑以降低水泥初、終凝時(shí)間，復(fù)灌未結(jié)束孔段待凝時(shí)間控制在6～8 h。

（2）針對灌漿串漿區(qū)域，不考慮孔序限制，將該區(qū)域Ⅱ序孔乃至Ⅲ序孔鉆至巖溶發(fā)育段次，進(jìn)行集中灌注處理。

4.5 關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用總結(jié)

（1）采用低壓、限流、限量、間歇等灌漿措施，每次灌至規(guī)定水泥注入量時(shí)，應(yīng)待凝24 h 后再重新掃孔灌漿，應(yīng)特別重視“凝管”事故的預(yù)防和處理。具體可在漿液中加入減水降粘劑，采用能旋轉(zhuǎn)的封閉止?jié){塞，在灌漿過程中時(shí)常轉(zhuǎn)動灌漿管等措施［9］。

（2）高注漿量帷幕灌漿通常會伴有串漿、冒漿等現(xiàn)象，經(jīng)常會因處理串漿、冒漿或?qū)嵭虚g歇灌漿而中斷。因中斷的意圖是為了盡快堵住裂隙，處理冒漿、漏漿情況，只要將鉆孔清掃至原深度以后進(jìn)行復(fù)灌即可，即使復(fù)灌后不再進(jìn)漿，也視為正常。

（3）為控制材料消耗，降低成本，采取限流、限量的技術(shù)固然可取，但應(yīng)根據(jù)實(shí)際地質(zhì)條件和施工條件，設(shè)置科學(xué)、合理的標(biāo)準(zhǔn)，才能真正實(shí)現(xiàn)既保證質(zhì)量、又節(jié)約成本的目的，否則，如限流、限量值不符合實(shí)際地質(zhì)條件，尤其偏低的情況下，雖能節(jié)約大量的水泥材料，但也會同時(shí)增加復(fù)灌的次數(shù)，造成復(fù)灌待凝間隔時(shí)間增長，從而浪費(fèi)大量的人力和物力，反而對施工成本控制不利。

（4）為確保強(qiáng)巖溶區(qū)帷幕灌漿質(zhì)量，應(yīng)增加灌前透水率大、灌漿注漿量大等特殊情況突出部位的質(zhì)量檢測，發(fā)現(xiàn)不合格的情況應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)灌漿，最終確保檢查孔合格。

（5）巖溶地區(qū)的灌漿施工工藝和各項(xiàng)控制措施不是一成不變的，需要根據(jù)不同的巖溶類型制定不同的處理方案，并在施工過程中不斷調(diào)整方案，方能達(dá)到預(yù)期的治理效果［10］。

（6）高注漿量段表現(xiàn)為大吸漿量、低壓力或高壓力，灌注5 min 后必須將壓力降低，使孔內(nèi)漿液充分循環(huán)1～2 min 后再灌注，同時(shí)上下活動鉆桿。如果將壓力降至最低后無回漿，應(yīng)將鉆桿自孔內(nèi)全部起出（正?？锥尾坏闷鸪觯M(jìn)行填壓式灌漿，這樣才能避免孔段以上部位停滯的漿液將鉆桿埋住。

5 效果分析

經(jīng)工程實(shí)踐驗(yàn)證和綜合對比分析，本文所述的高注漿量控制技術(shù)措施和手段切合工程實(shí)際，基本達(dá)到了預(yù)期的效果。

（1）巖溶壩基高注漿量部位的帷幕灌漿復(fù)灌次數(shù)降幅＞50%，在很大程度上節(jié)約了復(fù)灌待凝、掃孔、洗孔和重復(fù)灌漿的時(shí)間，施工效率得到了較大的改善，確保了施工工期。

（2）施工組織更趨合理，勞動強(qiáng)度有效降低，管路占漿、棄漿量損失明顯減少，合理降低了灌漿材料的消耗，有效控制了施工成本。

（3）壩基主帷幕灌漿單元工程質(zhì)量評定全部合格，右岸584 灌漿洞第一排帷幕巖體平均透水率由灌前的18.95 Lu 遞減到灌后的0.69 Lu，第二排由灌前的2.71 Lu 遞減到灌后的0.90 Lu。帷幕灌漿單元工程優(yōu)良率達(dá)到93.3%，分部工程質(zhì)量驗(yàn)收鑒定為“優(yōu)良”，達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求和壩基防滲的目的。

6 結(jié)語

在巖溶區(qū)特別是強(qiáng)巖溶區(qū)，因其地質(zhì)條件的復(fù)雜性和不均一性，地質(zhì)規(guī)律性較差，采用一種或少量幾種灌漿技術(shù)措施和手段，往往很難既達(dá)到控制成本、又達(dá)到保證質(zhì)量的目的。不同部位及地層的帷幕灌漿，只有根據(jù)鉆灌過程中揭露的實(shí)際情況，盡量把握巖溶發(fā)育的特點(diǎn)及規(guī)律，才能針對出現(xiàn)的具體情況采取具體的處理措施、確定合理的處理方法，從而做到有的放矢，切實(shí)解決施工中存在的問題和最大程度地達(dá)到經(jīng)濟(jì)而有效的防滲目的。