连江砂卵石岩溶地层防渗帷幕灌浆效果分析

2012-07-28李立仁

水利建设与管理 2012年7期

李立仁

(浙江东洲建设监理咨询有限公司杭州 310001)

1 概述

连江，又名小北江，古称湟水，是北江最大的支流，流域面积10061km2，干流总长181km，于连江口汇入北江。连江流域于1959～1975年间先后在连州至浛洸133km的连江航道上建成了11座航运枢纽。

黄牛枢纽为连江渠化工程第三梯级，位于阳山县石螺镇，枢纽布置从左到右为船闸、左岸水电站、26孔翻板门溢流坝、6孔提升门溢流坝、右岸水电站，溢流坝结构为金包银(坝内为堆石体，坝外表为0.5～1.0m厚的混凝土)，上闸首突出于坝轴线上游约19.50m，枢纽挡水前沿总长272.93m。船闸为100t级。

黄牛枢纽坝址处下伏基岩均为二迭系下统灰岩，特别是第一岩组，其质纯且单层厚度大，未见夹层，处于河谷地带，地表及地下水活动相对剧烈，其岩溶发育更为强烈。坝址区前期勘探21个钻孔，其中11钻孔中，发现17个溶洞，钻孔遇洞率52.4%，线岩溶率19.8%，17个溶洞中有7个洞高在0.6～0.9m之间;另有8个洞高在1.1～6.5m之间，最大的两个洞高达18.7m(ZKc1孔)和10.2m(ZKc14孔)。17个溶洞中有15个洞充填含泥砂卵砾石及灰岩碎块，两个洞中(ZKc3和ZKc17)无充填。经多次论证河床坝段桩号0+34.97～0+113.85段岩基下为较大溶洞区域;桩号0+117.85～0+203.38段坝基下分布最大厚度6m的卵石地层和砂卵石砾石地层。

河床坝段防渗帷幕灌浆自2007年1月开始，至2007年12月止已完成帷幕灌浆 186孔，钻孔3884.80m，其中混凝土钻进 352.40m、浆砌石钻进411.30m、基岩钻3121.10m;灌浆3366.10m;完成防渗灌浆检查孔17个，压水试83段。

2 帷幕灌浆设计

帷幕灌浆布置于坝轴线坝0+000，帷幕灌浆按单排设置，两序施工;孔距为1m左右，帷幕深度一般为13.5～29.5m;经2007年7月13日专家论证会要求，对孔距1.60m的闸墩增加15孔;帷幕孔共308孔，先导孔的深度超过帷幕设计孔深5m。帷幕防渗标准:透水率不大于5Lu，坝体混凝土与基岩接触段及其下一段的合格率应为100%，其余各段合格率应不小于90%，不合格试段的透水率不大于7.5Lu，且分布不集中，灌浆质量即认为合格。

3 帷幕灌浆施工

因黄牛枢纽工程帷幕防渗施工尚未完工，为了总结分析黄牛枢纽帷幕灌浆防渗效果，下面选两个已完成的典型河床(坝0+117.85～0+145.05段砂卵石地层和坝0+060.97～0+086.97段岩溶地层)段进行帷幕灌浆施工分析总结。

3.1 帷幕灌浆施工程序

帷幕灌浆施工工艺流程如图1所示:

图1 帷幕灌浆施工工艺流程

3.2 帷幕灌浆施工

3.2.1 钻孔

采用HT-150型回转地质钻机配金刚石钻头造孔，第一段孔径为91mm，第二段以下改为73mm直至终孔;钻孔孔深不小于设计孔深;钻孔达设计孔深后，用清水冲洗钻孔，使其孔内沉积物厚度不超过20cm。

3.2.2 裂隙冲洗

帷幕灌浆孔在灌浆前采用压力水进行裂隙冲洗，直至回水清净时止。冲洗压力为灌浆压力的80%，且不大于1MPa。

3.2.3 压水试验

帷幕灌浆孔灌浆前的压水试验在冲洗后进行，做压水试验的孔为Ⅰ序孔的50%，Ⅱ序孔的10%和全部检查孔，压水试验按《水工建筑物水泥灌浆浆施工技术规范》(DL/T 5418—2001)执行。

3.2.4 灌浆

灌浆材料为标号42.5MPa的普通硅酸盐水泥;采用自动记录仪记录灌浆全过程;灌浆均采用自上而下分段灌浆，其水灰比由稀至浓逐级变换，采用2∶1、1∶1、0.8∶1、0.5∶1等比级，各孔段灌浆压力选用见表1:

表1 灌浆压力(MPa)参数

3.2.5 浆液变换原则

当灌浆压力保持不变，注入率持续减少时，或注入率不变而压力持续升高时，不改变水灰比;当某级浆液注入量已达300L以上，或灌浆时间已达30min，而灌浆压力和注入率均无改变或改变不显著时，则改浓一级水灰比;当注入率大于30L/min时，在无串浆、漏浆情况下，压力没有升高、流量没有减小或灌浆单耗超过400kg/m时，可根据具体情况越级变浓。

3.2.6 灌浆结束标准

在自上而下分段灌浆时，灌浆段最大设计压力下，注入率不大于1L/min后，继续灌注60min，可结束灌浆。

3.3 特殊地层灌浆处理

3.3.1 岩溶灌浆

施工中对灌浆孔段有溶洞、溶槽，按照“先封闭再密实”的原则进行灌浆，即先对溶洞、溶槽进行充填和封堵，之后再扫孔按设计技术要求进行水泥灌浆。施工时根据溶洞的充填情况及充填物主要为砂卵石层的特点，主要采取了如下封堵措施:

a.对于溶洞内充填物为砂卵石(夹少量黄泥)的情况，采取3.3.2“砂卵砾石层灌浆”方法实施。灌浆尽量采用较低的灌浆压力。

b.对于特别大的溶洞，为避免浆液流失太多，采用拌制好的0.5∶1的水泥浆加入较多粗砂或砾石及水泥重量4%的水玻璃，从孔口直接灌(倒)入孔内，如78号、120号灌浆孔就是采用这种方法。

c.对于无充填物的溶洞，在钻孔完成后灌入水泥砂浆，砂浆配合比一般采用0.5∶1∶0.5～1.2(水:水泥:砂)，砂浆灌入施工工艺:将灌浆管下到孔底，孔口敞开，用较低的压力将砂浆慢慢灌入孔内直至填满溶洞。本工程溶洞段数约占溶洞区域的25%，每次灌入的水泥量控制在3～6t范围内。

3.3.2 砂卵砾石层灌浆

根据62号、63号、68号～71号、77号～78号、83号、85号～86号等钻孔资料，孔段浆砌石层以下溶洞充填物主要为砂卵砾石夹黄泥，卵石大小一般3～5cm;而118号～119号、124号～141号浆砌石层以下砂卵砾石厚2.7～7.3m，最大粒径达15cm。由于砂卵石层中的孔隙较大，砂卵石层压水试验的透水率较大，故灌浆吃浆量相应很大，砂卵石层灌浆主要目的是将钻孔周围的砂卵石进行固结并形成一定的半径，由于灌浆浆液的走向和扩散半径较难控制，施工中采取以下措施:

a.钻孔段完成后，下灌浆花管φ50，孔口封闭，以纯压式将水泥浆压入孔内，采用花管的目的是以利浆液均匀扩散。

b.对灌浆量大的孔段，及早采用0.5∶1的浓浆灌注，掺入水泥用量3%的水玻璃速凝剂，以减少浆液流失。

c.遇灌入量特别大的灌浆孔段，直接采用0.5∶1的水泥浆加入水泥重量50% ～80%的细砂，用限量、停停灌灌，每次限量水泥用量200kg/m左右，钻灌时适当缩小灌浆段长，以2～3m为一段。

3.3.3 浆砌石层灌浆

溢流坝底板混凝土下2.5～4.0m左右为浆砌石基础，先导孔及Ⅰ序孔钻孔时发现浆砌石层砂浆不饱满、空隙大，浆砌石与基岩(或砂卵石层)的接触面可能受长期渗流的作用，帷幕线范围内局部出现0.3～0.6m高的空洞，钻孔无回水。

根据钻孔情况，灌浆采用水灰比0.5∶1的浓浆开灌，漏浆、串浆情况严重，灌入量很大，效果不理想，后改灌砂浆(在0.5∶1的水泥浆中加入水泥重量0.5～1.0倍的砂)，复灌1～2次，每次灌入水泥量在1.0t左右，取得较好的效果。Ⅱ序孔钻灌时，漏浆、串浆情况明显改善，钻进有回水，基本上灌注一次砂浆后再复灌一次纯水泥浆就可以达到结束标准。

3.3.4 检查孔压水试验成果

两个帷幕灌浆区完成后，进行6个检查孔的压水试验，其试验成果统计详见表2:

表2 检查孔压水试验成果

a. 从表2 可以看出 J1、J2、J4、J5、J6 五个检查孔各孔段压水透水率均小于5Lu，满足设计提出的防渗标准。

b.J3检查孔有两个压水段大于5Lu，压水值分别为6.71Lu和8.50Lu，压水位置分别是第三段(8～11m)和第四段(11～14m)，按照设计防渗标准，该检查孔不合格，主要原因如下:

J3检查孔位于77号与78号灌浆孔之间，灌浆施工时在76号～86号孔段发现3.5～21.45m范围内分布有溶洞，主要充填物为砂卵石和碎岩块夹少量黄泥，部分钻孔发现溶洞无充填，灌浆时:ⓐ可能由于孔距较大，未能对Ⅰ、Ⅱ序孔中间接触段地层进行充分的充填和密实;ⓑ砂卵石中夹少量流塑状黄泥，在较高的水压力下，溶洞内的黄泥容易被击穿造成透水率较大。

3.3.5 现场施工质量监控

为确保黄牛船闸防渗帷幕灌浆施工质量满足设计要求，施工单位严格按设计施工图和技术要求及施工规范(DL/T 5148—2001)实施，要求施工中压水试验和灌浆记录资料必须采用自动记录仪实施;做到了施工中严格工艺作风和监控孔位、孔深、压力、浆液变换、结束标准和灌浆记录，前序工作未达设计要求，绝不进入下一道工序施工，施工中出现的各种技术问题能及时得到业主(工管部)、设计、现场监理工程师和施工技术员等进行的有效处理，要求承包商施工全过程有技术质检员跟班，现场监理工程师做到全过程旁站监控，使防渗帷幕灌浆施工全过程处于受控状态。

4 防渗帷幕灌浆效果综合分析

依据黄牛枢纽闸坝已完成的帷幕灌浆和检查孔压水试验成果资料，经认真统计和归纳，作出了如下分析:

4.1 单位注入量与孔序之间的关系分析

依据灌浆资料统计分析，其单位注入量与孔序关系分析详见表3及图2、图3。

表3 单位注入量与孔排序关系

图2 0+34.97～0+113.85段各孔序单位注入量直方图

图3 0+117.85～0+203.38段各孔序单位注入量直方图

由表3及图2、图3可以看出:两个防渗灌浆段随着孔序的不断加密，单位注入量呈现出逐序减小的变化趋势，符合一般灌浆统计规律，说明Ⅰ序孔的可灌性较强，通过Ⅰ序孔的灌浆Ⅱ序的可灌性明显减弱，灌浆效果明显。桩号0+34.97～0+113.85段Ⅱ序孔单位注入量为Ⅰ序孔的65.37%，变化趋势较为明显;桩号0+117.85～0+203.38段Ⅱ序孔单位注入量为Ⅰ序孔的83.14%，变化趋势相对桩号0+34.97～0+113.85段较小，其原因主要如下:

a.桩号0+117.85～0+203.38段Ⅱ序孔120号孔段出现了较大的无充填溶洞，水泥砂浆及水泥浆液灌入量较多。

b.帷幕为单排孔布置，在岩溶发育地质条件下孔距相对较大，浆液走向较难控制，导致Ⅱ序孔注入率较大。

4.2 灌前压水Lu值的分析

灌前压水透水率Lu值的分析见表4及图4、图5。

由表4及图4、图5可明显看出:

a.两个灌浆区段的透水率都比较大，桩号0+34.97～0+113.85段Ⅰ序孔平均透水率190.4Lu，Ⅱ序孔平均透水率87.4Lu;桩号0+117.85～0+203.38段Ⅰ序孔平均透水率281.7Lu，Ⅱ序孔平均透水率151.9Lu。透水率大的孔段大多出现在Ⅰ序孔，主要出现在第一段和溶洞、溶槽及砂卵石层部位。

表4 灌前压水透水率Lu值成果分析

b.从透水率累计频率曲线得知，两个灌浆区段的Ⅱ孔序曲线位于Ⅰ孔序曲线的右上方，可见各个区间内累计频率呈现出递增的趋势，说明通过Ⅰ序孔灌浆后，岩层的可灌性已有明显减弱，Ⅰ序、Ⅱ序孔的递减规律明显，表明灌浆效果显著，特别是桩号0+34.97～0+113.85段变化趋势明显。

4.3 各序孔单位注入量区间分析

各序孔单位注入量见表5及图6、图7。

图4 0+117.85～0+203.38段各孔序透水率累计频率曲线

图5 0+34.97～0+113.85段各孔序透水率累计频率曲线

由表5及图6、图7可以看出:

两个灌浆区段Ⅱ序孔单位注入量累计曲线位于Ⅰ序孔单位注入量累计曲线的右上方，说明随着灌浆孔序的不断加密，区间内的段数频率均呈现出逐序递增的变化趋势。这表明灌浆情况正常，符合灌浆规律，但递增幅度不大。经分析，主要有以下两个方面的原因:

a.基岩岩溶发育，溶洞、溶槽的走向和分布不规则，漏浆严重，这是影响单位注入量的主要原因。

b.帷幕线只有一排孔，孔距较大，导致Ⅱ序孔仍有较大的注入率。

表5 单位注入量区间分析

图6 0+34.97～0+113.85段各孔序单位注入量累计频率曲线

图7 0+34.97～0+113.85段各孔序单位注入量累计频率曲线

4.4 灌前灌后地层渗透性的比较

检查孔压水透水率与先导孔压水透水率的比较分析见表6。

表6 检查孔与先导孔压水透水率的比较分析

检查孔压水透水率与帷幕孔压水透水率比较见表7。

表7 检查孔与帷幕孔压水透水率比较分析

由表6、表7可以看出:

a.灌浆前代表原始地层的先导孔透水率小于5.0Lu的段数累计频率为0.00%，而灌后检查孔透水率小于5.0Lu区间内的段数累计频率为95%，经灌浆后地层的渗透性显著降低。代表原始地层的先导孔灌前透水率较大，岩石存在溶洞、溶槽等漏水通道，经过灌浆处理之后，检查孔压水试验已无大的耗水孔段，表明灌浆效果明显。

b.帷幕灌浆孔灌前压水透水率在小于5.0Lu区间内的段数累计频率为0.00%，而灌后检查孔透水率在小于5.0Lu区间内的段数累计频率为95%。

c.灌前地层透水性离散程度较大，经过灌浆处理之后，地层的透水性变得异常均质。

5 防渗帷幕灌浆评价

通过对帷幕灌浆成果资料进行统计、归纳和分析，以及6个检查孔的防渗检查结果表明，施灌区基岩灌后渗透性显著降低，6个检查孔中虽然有一个检查孔的两个压水段透水率大于5Lu，但不合格段的压水率为6.71Lu和8.50Lu，接近合格值，39个压水段中合格率为95%。因此，黄牛闸坝防渗帷幕灌浆施工综合评价如下:

黄牛船闸防渗帷幕灌浆施灌工艺及技术措施可以应用于砂卵石地层和岩溶地层帷幕灌浆，其可灌性强，灌浆效果显著，检查孔取芯水泥结石明显，防渗帷幕能力满足设计防渗标准。