控制性灌浆在某土石围堰防渗中的应用

李连喜，石建成

控制性灌浆在某土石围堰防渗中的应用

李连喜，石建成

（新疆水利水电勘测设计研究院勘测总队，新疆昌吉 831100）

土石围堰因其构造简单、施工便捷、工程造价低等特点而应用于水利水电工程。围堰的基础一般为各种沉积地层，在砾卵石和土砂颗粒之间存在彼此连通的孔隙，加之土石围堰自身空隙较大，存在较大的渗流，因此，需要进行防渗处理。控制性灌浆是围堰堵漏防渗行之有效的方法之一，结合新疆伊喀什河水电站基础防渗工程，从方案设计、施工技术、灌浆材料、质量检测评价等方面全面阐述了土石围堰控制性灌浆的防渗处理技术，为类似工程提供参考。

控制性灌浆；土石围堰；防渗方案选择

1 工程概况

某工程位于新疆伊犁哈萨克自治州伊宁县境内喀什河中游的马扎尔峡谷，是喀什河规划中的第16个梯级电站，工程以发电为主，库容1．76亿m3，装机135 MW，属于大（Ⅱ）型二等工程，主要建筑物为一级。

该工程采用土石围堰，设计枯水期10年一遇拦洪标准，围堰长度165 m，围堰最大高度36 m。堰体采用黏土心墙防渗，黏土心墙与截流戗堤相结合。围堰基础为5～20 m厚的第四系砂卵砾石地层，围堰基础防渗处理对工程造价和主体工程的进展具有非常重大的意义。

2 工程地质及水文地质条件

工程区主要分布上石炭统东图精河组（C2d）的一套滨海相火山岩-火山碎屑岩构造，岩性为中酸性凝灰角砾岩、凝灰岩、凝灰质砂岩、熔结凝灰岩、英安质凝灰岩夹灰岩透镜体。出露的地层主要有古生界和新生界第三系地层以及第四系地层和侵入岩。第四系地层分布广泛，主要为上更新统－全新统冲积（Qal3－4）砂砾石层，上更新统冲积砂卵砾石层分布于河流两岸Ⅲ级阶地，厚5～15 m；全新统冲积砂卵砾石层分布于河流两岸Ⅰ，Ⅱ级阶地及现代河床和河漫滩上，厚度3～20 m。

工程区域属大陆性温带气候，气温变化大，雨量较充沛、蒸发强烈。工程区地下水分为松散层孔隙水和基岩裂隙水2类。孔隙潜水主要分布在河床卵石混合土及河岸边崩坡积碎石土内，含水层厚度10～15 m；河床卵石混合土内的潜水埋深0．5～1．0 m，与河水连通，受河水补给。基岩裂隙水补给来源主要是冰雪融水和大气降水，一般略高于河水位，以下降泉形式及潜流向河谷排泄。河水为重碳酸钠钙型水，硫酸根离子含量33．6 mg／L，对普通硅酸盐水泥无侵蚀；泉水为重碳酸钙镁型水，水质较好；基岩裂隙水为重碳酸钙钠型水，硫酸根离子含量＜87．4 mg／L，对普通硅酸盐水泥无侵蚀。

3 基础防渗方案选择

目前基础垂直防渗的手段较多，比较成熟的工艺有：置换法砼防渗墙、改性深层搅拌防渗墙、高喷灌浆防渗墙、控制性灌浆、桩柱式防渗墙等［1］。该工程围堰基础防渗处理具有地质条件复杂、防渗要求高、施工工期短等特点，基础防渗属隐蔽工程，一旦发生质量缺陷或事故，返工修补十分困难，施工过程中的质量控制非常关键。考虑到围堰防渗的重要性，经与建设单位、设计单位共同协商，选择了砼防渗墙、高喷灌浆防渗墙及控制性帷幕灌浆3套方案进行比选（详见表1），综合考虑质量、工期及造价等指标后，高喷灌浆防渗墙和控制性帷幕灌浆各项指标均比较接近，考虑到高喷灌浆防渗墙在地下高流速带成墙存在一定风险，同时施工过程中废浆较多不利环保，故最终确定围堰基础的防渗方案为控制性帷幕灌浆。

表1 围堰基础防渗方案综合比较评价Table 1 Com prehensive comparison and assessment of weir seepage control plans

4 控制性灌浆的机理

在砂卵砾石地层中较少采用灌浆方法防渗的原因是对灌浆的充填范围不能有效控制，以至要做成防渗标准较高（通常为K≤10－5cm／s）的防渗帷幕，一般要布置多排灌浆孔才能达到［2］。随着科学技术的进一步发展进步、工程的实际需要，出现了控制性灌浆的新兴工艺，它以水泥浆液为主剂，以特灌材料为辅助作用，根据不同的地层情况掺加砂、黏土、纤维等掺合料来改变其化学性能和物理性能的防渗措施，有效解决了浆液的扩散问题，近年来在堤防、围堰和病险水库的基础防渗中得到大量的应用，取得了很好的防渗效果。该技术是通过化灌材料而使水泥浆液在瞬间失去流动性而变成凝固体，或在高流速、大开度的地层时掺加黏土、砂、纤维等掺和物，增强其抗水流冲释性能和自堆积性能，从而使浆液在高流速、大空隙的条件下能有效地控制它的扩散。它有效且经济地解决了在大空隙、高流速的动水条件下的防渗处理工作。

5 控制性灌浆设计

控制性帷幕灌浆设计为双排孔，排距1 m，孔距2 m，灌浆孔深入基岩0．5 m。设计灌浆孔孔数168个，孔深5～20 m，设计灌浆进尺2 520 m。采用循环式自下而上分段灌浆方法施工，灌浆孔分两序施工，先Ⅰ序、后Ⅱ序。灌浆材料为42．5级普通硅酸盐水泥和水玻璃。灌浆压力分二级，0～10 m压力为0．3 MPa，10～20 m压力为0．6 MPa。

6 控制性帷幕灌浆施工

6．1 钻孔

帷幕灌浆钻孔采用静压套管法，从钻孔工艺出发，针对土石围堰及第四系地层的结构特点，采用跟管钻进，有效地解决了松散岩层和填筑地基中钻孔施工的护壁问题，不易发生塌孔埋钻等事故，提高钻孔成孔效率［3］。采用XY－50型风动式跟管钻机、ø110 mm偏心合金钻头、ø130 mm地质套管跟管钻进。钻孔定位依据设计文件现场确定，孔位用明显标记在现场标识，妥善保护，孔位误差严格控制在设计允许范围内。钻孔开钻前，用水平尺对钻具和推进梁进行垂度校核，符合要求方可开钻。钻孔过程中随时复核，保证成孔垂直度。在钻孔过程中，开孔时要慢速钻进，钻进中遇有换层，立即减压慢速钻进。钻孔结束后，对钻孔孔位、孔深进行验收，满足设计要求后，转入下一工序。

6．2 灌 浆

6．2．1 灌浆材料

灌浆所用水泥为伊犁南岗水泥厂生产的42．5级普通硅酸盐水泥，水泥细度通过80μm方孔筛的筛余量≯10%。化学灌浆材料选用水玻璃，水玻璃是由碱金属氧化物和二氧化硅结合而成的可溶性碱金属硅酸盐材料，具有如下特点：起始粘度低，可灌性好；造价低，经济效益巨大；毒副作用小，不会污染环境，使用安全；可以与水泥配合使用，兼具水泥浆材与水玻璃浆材的特性等，模数2．4～3．0，浓度25．3%～34．5%。

6．2．2 浆液配合比及供应

为了防止浆液的过多流失，主剂水泥浆选用0．5∶1一个比级，副液为水玻璃，因化学灌浆液随配比的变化其性能的变化较大，且没有一定规律。故在实施前在室内进行了大量的浆液试验，以下为拟采用的浆液配合比：①普通水泥：W／C（水灰比）＝0．5∶1（重量比）；②普通水泥＋水玻璃：W／C＝0．5∶1；水泥比水玻璃：C／S＝1∶0．1，1∶0．15，1∶0．20。

制浆设备为自制的450 L高速搅拌机（1 500 r／min），浆液搅拌完后通过过滤网，灌浆泵选用3SNS泵，输浆管路采用38 mm高压胶管，胶管最大承受压力10 MPa，灌浆泵和灌浆回浆管处均安装压力表，压力表定期检测，压力表与管路之间设有胶皮隔离装置。

6．2．3 灌浆段长及灌浆压力

灌浆段长可在1．5～2．5 m之间调整，全孔分3～10段。灌浆压力采用二级，0～10 m压力为0．3 MPa，10～20 m压力为0．6 MPa。灌浆过程中，压力的使用应从小到大逐级增加，防止压力突然升高，同时也要防止注入率突然增大。灌浆方法采用自下而上灌浆法，使用孔口封闭器及孔口栓塞止浆，灌浆时下入射浆管，保持孔底浆液循环。在每次上提试验器时应继续对孔内进行灌注，以减少动水对浆液的冲释和上提套管时应力释放对孔壁造成的塌落现象。

6．2．4 灌浆结束标准

在设计灌浆压力下，当注入量≯2 L／min；或停止吸浆，持续灌注30 min即可结束灌浆。

6．2．5 封 孔

每个灌浆孔全孔灌浆结束后，会同监理工程师及时进行验收，合格后在设计压力下屏浆30 min即可结束。人工封孔可在24 h后用水泥砂浆进行封填，孔口抹平压光。

6．2．6 问题及解决方案

施工过程中遇到的主要问题及解决方案如下：

（1）因砂卵砾石地层软硬分布不均，同时不能采用泥浆护壁手段，故钻孔是关键问题。在工程实施过程中曾采用QD－100B潜孔钻配合跟管钻具钻孔，由于扭矩小，钻孔效率低，很难满足高强度的施工要求；后尝试采用偏心跟管冲击钻具，配备V12／7活塞式空压机，因风量、风压不足，钻孔效果不理想。经多方咨询，最终选择无锡钻探机械厂生产的YG50大功率全液压跟管钻机，配备LG23．8／12螺杆式空压机，成功地解决了冲击功、转速、风量等关键性问题，克服了砂卵砾石地层的钻孔问题，台班工效达20～30 m／台。

（2）因砂卵砾石地层透水性较大、地下水埋深浅、潜流流速大（约150 L／min），灌浆水泥单耗非常大、水泥浆流失严重（最大曾达到4 500 kg／m），且不能满足灌浆结束标准（5～10 L／min）。针对这种情况，首先是对浆液配合比进行调整，适当增加水玻璃的掺量，最大掺量接近30%，同时对异常段采取惰性材料堵漏（绿豆沙、水洗砂、麻丝等）、间隔灌浆时间多次复灌等措施，取得了明显效果。

（3）水玻璃具有快凝性，配合比要根据不同地层灵活掌握。水玻璃水泥浆液随拌随用，一旦钻、灌设备出现故障，对已拌浆液作弃浆处理，同时冲洗灌浆泵、管路等。

7 灌浆质量检查评价

通过对灌浆资料进行统计、分析，Ⅱ序孔单位水泥注入量明显低于Ⅰ序孔，降低19．6%～42．4%；检查孔单位水泥注入量明显低于Ⅱ序孔，降低35．7%～73．1%，灌浆规律递减明显、变化较大，说明采用Ⅱ序灌浆是合适的，灌浆效果符合设计要求。同时灌浆完成后采用检查孔验证灌浆质量，监理工程师共布置检查孔12个，XY－2PC地质钻机清水回转钻进，全孔全断面取芯，芯样有明显结石，检查孔压水试验透水率符合设计要求。经现场实测，灌浆前堰后渗水量为3．2 m3／s，灌浆后堰后渗漏仅为0．08 m3／s，堰后集水坑1台100mm泵可基本满足基坑抽排水的要求。通过以上3个方面的资料数据表明，该项目控制性帷幕灌浆的质量符合设计要求，达到了预期的目的。

8 结 语

砂卵砾石地层因其透水性大，在作为围堰基础时通常要进行防渗处理，常规的防渗处理方式多为砼防渗墙。该项目采用控制性帷幕灌浆进行围堰基础防渗处理取得了成功，防渗帷幕工程效果非常理想。这说明灌浆设计方案是合理的、可行的，施工质量是符合设计和规范要求的，达到了预期的目的。

控制性灌浆具有场地适应性强，可以在山区狭窄场地组织实施，工期短、防渗性能好等优点，在堤防、围堰及病险水库基础防渗处理方面具有一定的应用前景，同时也可用于提高地基强度及防止地基沉陷等领域。

砂卵砾石地层结构复杂，确定其可灌性，选择浆液，是否需要设置盖重，合理确定施工方案和灌浆参数等都是值得研究和探讨的课题。随着工程技术的快速发展，砂卵砾石地层控制性灌浆技术也会越来越完善。

［1］ 夏可风，吴晓铭．水利水电工程施工手册——地基与基础工程［M］．北京：中国电力出版社，2004．（XIA Ke-feng，WU Xiao-ming．Water Resources and Hydropower Engineering Construction Manual——Ground and Foun-dation Engineering［M］．Beijing：China Electric Power Press，2004．（in Chinese））

［2］ 张景秀．坝基防渗与灌浆技术（第二版）［M］．北京：中国水利水电出版社，2002．（ZHANG Jing-xiu．Seepage Controlling and Grouting Technology of Dam Foundation（Second Edition）［M］．Beijing：China Water Power Press，2002．（in Chinese））［3］ 任海军，王桂珍，张可能，等．静压套管控制灌浆在渗漏围堰处理中的应用［J］．探矿工程（岩土钻掘工程），2008，（8）：47－50．（REN Hai-jun，WANG Gui-zhen，ZHANG Ke-neng，et al．Application of Groutingwith Stat-ic Pressure Casing in Treatment of Cofferdam Leakage［J］．Exploration Engineering（Rock＆Soil Drilling Engineer- ing），2008，（8）：47－50．（in Chinese） ）

（编辑：周晓雁）

App lication of Controlled Grouting in Seepage Control of Earth-Rock Cofferdam

LILian-xi，SHIJian-cheng
（Test Institute of Xinjiang Water Resources and Hydropower Investigation，Changji Xinjiang 831100，China）

Due to its simple structure，easy construction，and low construction cost，earth-rock cofferdam is exten-sively used in water resources and hydropower engineering．The basis of cofferdam is usually composed of various sedimentary strata．Pores existbetween gravel and sand particle togetherwith the larger interstice in cofferdam itself lead to severe seepage，which consequently requires seepage control treatment．Controlled grouting proves to be one of the effective ways of seepage control．Based on the foundation seepage control project of Xinjiang Yikashi river，this paper expounded the seepage control techniques of controlled grouting for earth-rock cofferdam from the per-spective of project design，construction technique，grouting material，and quality assessment，and thus can be taken as a reference for similar projects．

controlled grouting；earth-rock cofferdam；seepage control plan selection

TV543

B

1001－5485（2011）04－0059－03

2010-05-21；

2010-08-15

李连喜（1969-），男，湖南邵东人，高级工程师，主要从事水利水电工程勘察、岩土工程施工等研究，（电话）099-48326161（电子信箱）lilianxi8＠sohu．com。