水利樞紐工程基礎(chǔ)處理技術(shù)及防滲效果分析

鄭 雪 王春明

（云南水利水電職業(yè)學(xué)院，云南 昆明 650499）

0 引言

位于巖石破碎帶上的水利樞紐工程，應(yīng)提前開展地質(zhì)勘查，根據(jù)巖層裂隙發(fā)育情況、裂縫分布與走向等相關(guān)信息，制定基礎(chǔ)防滲處理方案。通過選擇科學(xué)的技術(shù)措施，封堵裂縫，達(dá)到防滲與加固的有機(jī)統(tǒng)一。根據(jù)以往的工程實踐，帷幕灌漿、劈裂注漿、高壓噴射灌漿等都是常用的基礎(chǔ)防滲技術(shù)。但是從技術(shù)應(yīng)用效果來看，帷幕灌漿具有裂縫封堵效果好、適應(yīng)范圍廣、操作比較簡單等特點，具有推廣應(yīng)用價值。

1 工程概況

某水利樞紐工程正常蓄水位258.1 m，防洪高水位260.0 m，總庫容1.58億m3。壩頂高程272.6 m，最大壩高90.2 m，壩頂寬8.3 m，壩頂總長度266.1 m。該水利樞紐工程兼有發(fā)電、灌溉等功能，屬于二等大（Ⅱ）型工程。根據(jù)氣象資料，該水利樞紐工程所在地區(qū)屬于中亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，全年平均降雨量2 546.2 mm，六七月份降雨集中，易發(fā)生暴雨、洪水。結(jié)合地質(zhì)調(diào)查資料，該水利樞紐工程所在地區(qū)存在貫穿庫區(qū)的斷層帶，破碎帶呈全風(fēng)化狀。綜合該區(qū)地質(zhì)條件和水文特點，最終選擇帷幕灌漿技術(shù)進(jìn)行基礎(chǔ)防滲處理。

2 工程基礎(chǔ)帷幕灌漿處理技術(shù)

2.1 孔位布置

該工程帷幕灌漿所用孔采用單排布置形式，每一排包含8個灌漿孔。其中Ⅰ序孔2個，間距為10 m；Ⅱ序孔4個，間距分別為4 m和8 m；Ⅲ序孔2個，間距為12 m；2個檢查孔，間距為12 m；另外還有1個抬動觀測孔?，F(xiàn)場施工時，首先根據(jù)施工圖紙確定抬動觀測孔位置，然后依次進(jìn)行Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ序孔和檢查孔的施工。

2.2 施工設(shè)備與材料

本次工程中使用到的設(shè)備主要有2臺最大深度為300 m的鉆孔機(jī)；1臺最大壓力為10 MPa、排量為120 L∕min的灌漿機(jī)；1臺容量為500 L的制漿機(jī)；1臺壓力為8 MPa、排量為120 L∕min的清水泵；1臺測斜儀。帷幕灌漿施工所用材料為42.5R水泥，制備泥漿前檢查水泥批次、標(biāo)號以及質(zhì)檢合格證，確定無質(zhì)量問題后，使用80μm方孔篩子進(jìn)行篩選，以篩余量≤總質(zhì)量的5%為合格。將篩選過后的水泥倒入攪拌機(jī)中，然后再按照設(shè)計好的配合比依次加入砂子、黏性土、粉煤灰、水玻璃等摻合料，最后使用溫度在0～30℃的清水進(jìn)行拌和［1］。

2.3 鉆孔施工

本次工程中使用2臺XY-2PC型鉆機(jī)進(jìn)行鉆孔。復(fù)核孔位，確定孔位坐標(biāo)正確后，按照布孔順序依次完成鉆孔。第一段孔徑的直徑為110 mm，鉆孔深度達(dá)到巖層2 m處后，確定孔口、孔壁無開裂問題，進(jìn)行清孔作業(yè)。將孔內(nèi)泥渣等清理干凈后，埋設(shè)直徑為98 mm的孔口管。第二段、第三段灌漿孔的孔徑均為80 mm?，F(xiàn)場鉆孔作業(yè)時，使用測斜儀進(jìn)行孔斜檢測，發(fā)現(xiàn)孔斜率接近最大偏差值時要及時調(diào)整鉆頭角度。全孔測斜發(fā)現(xiàn)孔斜率偏大時，應(yīng)視作廢孔。

2.4 裂隙沖洗與壓水試驗

鉆孔結(jié)束后，破碎巖層的裂隙中可能會殘留一些碎石、泥土，為保證灌漿防滲效果，需要進(jìn)行裂隙沖洗。操作方法：使用中空鉆桿完成鉆孔后，打開頂部法蘭，連接清水泵的注水管口，設(shè)定好注水壓力后，利用高壓水沖洗鉆孔側(cè)壁巖石裂隙中的砂子、石屑、泥土。在孔口觀察返水，直到返水清澈、無雜質(zhì)后，說明裂隙內(nèi)沖洗干凈，繼續(xù)沖洗5 min后停止沖洗［2］。如果是單孔沖洗，整個沖洗時間不少于20 min；如果是多孔聯(lián)合沖洗，時間不低于1 h。

本次工程中在正式灌漿前開展了壓水試驗，目的是掌握地層透水性，為漿液制備提供依據(jù)。壓水試驗采用單點法壓水，壓水壓力為灌漿壓力的80%，最大不超過1 MPa。壓水試驗中透水率的計算如式（1）所示。

式中：Q為每分鐘注入的水量，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。

2.5 孔口封閉灌漿

完成清孔與壓水試驗后，抽干孔內(nèi)積水，鑲鑄孔口管。選擇直徑為90 mm、長度為2 m的無縫鋼管插入已經(jīng)完成的鉆孔中，鋼管深入基巖1.6～1.8 m，上端高出作業(yè)面20～40 cm。端部焊接法蘭盤，方便與孔口封閉器連接。鋼管采用分段插入的方式，到達(dá)第一段的底部后，從頂端連接常規(guī)灌漿器，開始注漿，直到漿液的液面達(dá)到孔口封閉器，第一段灌漿完成。然后使用0.5∶1的水泥漿液置換孔內(nèi)漿液，繼續(xù)進(jìn)行第二段的灌注，施工方法同上，直到無縫鋼管達(dá)到指定深度即可結(jié)束灌漿。整個施工流程如圖1所示。

圖1 孔口封閉法灌漿示意圖

在孔口封閉法灌漿中，要注意各道工序應(yīng)做到有序銜接，不得隨意中斷施工。確實有特殊情況（如漿液準(zhǔn)備不足），也應(yīng)保證中斷時間控制在1 h以內(nèi)，防止上部漿液終凝后難以繼續(xù)向下灌漿。同時，要求孔口管必須固定牢固，在灌漿壓力≥5 MPa時，孔口管深入基巖的深度≥2 m。為了實現(xiàn)漿液在孔內(nèi)循環(huán)的灌漿效果，要求注漿管的管口與孔底之間的距離＜50 cm［3］。

2.6 灌漿特殊情況處理

由于該工程所在地區(qū)存在斷層破碎帶，因此在注漿時容易出現(xiàn)孔內(nèi)漏漿現(xiàn)象，不僅浪費泥漿、增加成本，而且對防滲與加固效果也會產(chǎn)生負(fù)面影響。在現(xiàn)場施工時采用濃漿灌注和低壓力灌漿的方法，可以有效解決吸漿量偏大、孔內(nèi)漏漿等問題?，F(xiàn)場采取以下處理措施：中止注漿后，將注漿管內(nèi)泥漿排空，然后替換成1∶1的高濃度泥漿進(jìn)行灌注，同時將灌漿設(shè)備的壓力參數(shù)從4.0 MPa調(diào)節(jié)為2.5 MPa，灌漿方法從持續(xù)灌漿調(diào)整為間歇灌漿，間歇時間為30 min。第一次灌漿量為4 046 kg，等待30 min，在泥漿初凝后繼續(xù)進(jìn)行第二次灌漿，灌漿量為6 885 kg，同時密切關(guān)注有無地面冒漿等情況。等待30 min，按照同樣的方法完成第三次灌漿，灌漿量為6 757 kg［4］。

3 工程基礎(chǔ)帷幕灌漿處理后的防滲效果評定

3.1 灌漿壓力分析

帷幕灌漿施工中，灌漿壓力是決定基礎(chǔ)防滲效果的關(guān)鍵因素之一。保持適度的壓力，可以使?jié){液的擴(kuò)散范圍達(dá)到理想狀態(tài)，保證水利樞紐工程基礎(chǔ)防滲與加固效果達(dá)到最優(yōu)。相反，壓力偏小會導(dǎo)致漿液擴(kuò)散范圍偏小，壓力太大則會對基礎(chǔ)巖石造成破壞。另外，本次工程中使用的是孔口封閉法灌漿，由于上部灌漿區(qū)會反復(fù)施加壓力，要想避免破碎的巖層出現(xiàn)抬動現(xiàn)象，也會對灌漿壓力提出較為嚴(yán)格的要求。因此，在灌漿施工時需要對孔內(nèi)壓力做好密切監(jiān)測，從注漿10 min后收集第一組數(shù)據(jù)，之后每隔10 min采集一次數(shù)據(jù)，共收集11組數(shù)據(jù)，根據(jù)所得數(shù)據(jù)繪制灌漿壓力、流量隨時間的變化曲線，整個灌漿過程中壓力基本維持在2.5～3.0 MPa，相對穩(wěn)定；漿液流量呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢。在初始注漿階段，灌漿壓力為2.5 MPa的情況下，漿液流量為34.5 L∕min；在注漿50 min后，同樣的壓力條件下，漿液流量僅有6.0 L∕min。從第70 min開始，灌漿流量穩(wěn)定為0，說明破碎巖層的裂隙已經(jīng)完全被漿液填滿，不再有新的漿液消耗，達(dá)到了理想的填充防滲效果。

3.2 透水率與耗灰量分析

帷幕灌漿施工中各次序孔的透水率和耗灰量（單位注入量）頻率累計曲線如圖2所示。

圖2 透水率與單位耗灰量頻率累計曲線圖

結(jié)合圖2可知，各次序孔的透水率呈現(xiàn)出下降趨勢。本次工程中，Ⅰ序孔壓水試驗316段，最大壓水透水率為1 207.5 Lu，平均透水率為40.1 Lu；Ⅱ序孔壓水試驗288段，最大壓水透水率48.6 Lu，平均透水率為10.4 Lu；Ⅲ序孔壓水試驗583段，最大壓水透水率為6.7 Lu，平均透水率為6.7 Lu。其中，各次序孔中透水率≤5 Lu的，Ⅰ序孔占31%，Ⅱ序孔占37%，Ⅲ序孔占80%。同時，各次序孔單位注入量也呈現(xiàn)下降趨勢。Ⅰ序孔總的水泥消耗量為522 571 kg，單位注入量402.5 kg∕m；Ⅱ序孔總的水泥消耗量為248 103 kg，單位注入量203.3 kg∕m；Ⅲ序孔總的水泥消耗量為21 6451 kg，單位注入量92.5 kg∕m。橫向?qū)Ρ壬鲜鰯?shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過帷幕灌漿處理后，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ序灌漿孔的耗水量與單位耗灰量均呈現(xiàn)遞減趨勢，達(dá)到了預(yù)期的灌漿效果。

3.3 帷幕灌漿質(zhì)量檢查

本次工程中設(shè)有25個單元，共有灌漿孔283個，故選擇檢查孔28個進(jìn)行施工質(zhì)量檢查。檢查方法采用單點法壓水試驗，以壓水透水率作為評價指標(biāo)。試驗結(jié)果顯示，28個檢查孔中最大壓水透水率為2.01 Lu，最小壓水透水率為0.57 Lu，平均壓水透水率為1.27 Lu［5］。這一試驗數(shù)據(jù)表明本次帷幕灌漿施工中防滲效果良好，施工質(zhì)量達(dá)到了預(yù)期。除此之外，通過鉆孔提取巖芯的方式，檢查破碎巖層處的注漿效果。發(fā)現(xiàn)多處水泥結(jié)石脈充填膠結(jié)，膠合較好，厚度為0.6～2.2 mm，說明破碎巖層的縫隙內(nèi)被泥漿完全充填，起到了較好的阻水防滲與加固效果。

3.4 防滲效果評定

該水利樞紐工程的基礎(chǔ)防滲處理中，帷幕灌漿施工孔共計283個，帷幕長度366.4 m，水泥耗灰量946 t，平均單位注入量214.4 kg∕m。隨機(jī)抽取的28個檢查孔中，壓水試驗175段，帷幕灌漿長度703.5 m，平均壓水透水率1.27 Lu，防滲效果良好。25個單位經(jīng)工程質(zhì)量檢查全部合格，優(yōu)良單位25個，優(yōu)良率達(dá)到100%。

4 結(jié)語

帷幕灌漿是水利樞紐工程基礎(chǔ)防滲與加固處理中較為常用的技術(shù)手段之一。在技術(shù)應(yīng)用中，一方面要結(jié)合地質(zhì)勘查資料設(shè)計施工方案，并提前準(zhǔn)備好帷幕灌漿施工所用的材料、設(shè)備；另一方面，還要結(jié)合施工流程采取精益化管理，重點做好成孔施工、孔口封閉灌漿等環(huán)節(jié)的質(zhì)量管控。通過加強(qiáng)綜合管控，才能保證基礎(chǔ)防滲效果達(dá)到施工要求，進(jìn)而保障水利紐工程的質(zhì)量安全。