岩溶地带溶槽、泥夹石裂隙的灌浆试验

张 旭，贾梅艳

(四川二滩国际工程咨询有限责任公司，四川 成都 610072)

1 前 言

格里桥水电站位于贵州省中部、乌江中游右岸支流清水河干流下游，工程枢纽由碾压混凝土重力坝、左岸引水发电系统组成。电站一期帷幕防渗工程由分布在大坝左、右岸山体灌浆隧洞内的防渗帷幕及排水孔幕组成。左岸为安顺组、大冶组第二、三段可溶岩地层，F4、F6断层岩溶发育，地下水活动强烈，有可能成为左坝肩绕坝渗漏的通道。左岸不但存在分散渗漏，还有可能存在沿断层的带状渗漏。

左岸650m高程帷幕灌浆第一试区位于F4断层的强渗漏地段，F4断层附近分布有：T1d3-3(即角砾状白云质灰岩、角砾状灰岩及灰岩)、T1d3-2(灰色、深灰色厚层灰岩，少量中厚层灰岩顶部为薄层、极薄层灰岩夹页岩)。防渗帷幕线穿F4断层附近强渗漏地带，在左岸650m高程灌浆隧洞K中0+155.50～K中0+168.50m桩号位置，延伸长度约为13.0m。从该试区的物探孔钻孔、取芯及物探测试结果来看,试区内物探钻孔取出的岩芯较破碎，失水严重(见表1)，泥夹石岩芯较多，裂隙中夹杂的黄泥含量较高，且有一定的粘稠度。

表1 物探钻孔压水结果 Lu

注：1)采用单点法压水；2)平均透水率为每孔压水总段数平均值。

2 施工参数确定

2.1 灌浆目的和工艺

依据《格里桥水电站大坝防渗帷幕试验灌浆施工技术要求》对该地段采用“孔口封闭，自上而下，小口径钻孔，孔内循环灌浆”方法进行处理，以验证此工艺在该地层中的可行性、效果上的可靠性和经济上的合理性。

2.2 孔距、排距

根据不同地质条件和建筑物不同部位分别布置双排孔与单排孔，孔距1.8m、1.9m、2.5m，排距1.2m，钻孔角度均为垂直孔(见图1)。施工按分序加密的原则进行,先下游排,后上游排,同排分Ⅲ序进行施工。对孔内的裂隙夹泥不进行特殊清洗，钻孔结束后做简易压水；其参数最终应以现场灌浆试验结果进行调整和确定。

2.3 灌浆材料及浆液配比

灌浆采用水泥粉煤灰混合浆液。此混和浆液具有较好的和易性、较强的扩散性能，而且对于原材料来说，粉煤灰较水泥便宜，用粉煤灰代替部分水泥可以大大降低成本等。贵州乌江思林水电站上、下游围堰以及大坝防渗灌浆均采用了此混和浆液而且取得了较好的效果。

在本工程中，浆液配比采用0.8∶1、0.6∶1、0.5∶1三个比级，粉煤灰掺量为水泥重量的20%，外加剂选用木钙，木钙掺量为水泥重量的0.15%。其他参照规范执行。

2.4 钻孔施工控制

(1)帷幕灌浆孔采用回转式钻机和金刚石钻头或硬质合金钻头钻进，开孔孔径为φ91mm,终孔孔径应不小于φ76mm。因该地段地质条件复杂，岩石强度较低、整体性较差等特点，采用了新型的全断面钻头进行钻进，即在φ76mm金刚石钻头内侧嵌入了两个同轴且镶有硬质合金的球齿滚刀，使钻进过程中的岩芯在进入钻头时被装有合金的滚刀旋转挤压成岩粉状，以减少钻进时起下钻的次数。采用此项改进后的技术大大提高了钻孔功效。

图1 左岸650m高程灌浆隧洞帷幕灌浆第一试区灌浆孔平面布置

钻孔其它参数：钻机钻进给油压宜为0.5～1.0MPa,供水量宜为60～70L/min,钻机钻速一般控制在150～200r/min。帷幕灌浆施工主要设备配置见表2。

表2 机械设备配置

(2)对于钻孔的孔斜和方位角应每钻一段进行一次测量，孔斜最大偏差按表3执行，方位角偏差不得大于5°。

表3 钻孔孔斜控制 m

2.5 灌浆过程控制

2.5.1 灌浆施工次序

场地平整→钻机就位→孔位校正→钻孔→孔口管埋设→继续钻进→灌前孔内裂隙冲洗→简易压水→灌浆→封孔→质量检查。

2.5.2 灌浆段长、压力控制

灌浆段长和压力按照表4控制。钻孔段长误差不得大于20cm,遇岩溶管道不良地段,段长不宜超过3.0m。钻孔穿过软弱破碎岩体发现塌孔、失水和掉钻等情况时,应单独作为一段先进行灌浆,灌后并待凝24h后再继续扫孔钻进。

表4 灌浆段长、压力控制

注：表中灌浆压力系孔口回浆管路上的压力。

2.5.3 灌浆材料的实验室选定

根据《格里桥电站灌浆配合比试验报告》及现场试验成果提出对灌浆材料的要求：采用水泥粉煤灰混合浆液灌注，水泥为贵州乌江水泥厂生产的“乌江”牌P.O42.5普通硅酸盐水泥，粉煤灰为贵州安顺火电厂生产的Ⅱ级粉煤灰。

2.6 灌浆结束标准及封孔方法

根据设计及施工技术规范要求，当灌浆压力达到该灌浆孔段的最大设计压力且注入率不大于0.4L/min时，继续灌注60min；或不大于1L/min时，继续灌注90min，即可结束该段灌浆。

灌浆孔和检查孔结束后，采用“全孔压力灌浆封孔法”进行封孔，封孔浆液水胶比为0.5∶1，压力为该孔灌浆的最大压力。封孔结束后将孔口部分用0.5∶1的水泥沙浆填满、捣实、抹平。

3 帷幕灌浆试验施工

由于试验区地质条件复杂，F4断层和不规则状泥夹石裂隙较发育，且裂隙中黄泥含量较高，在钻进过程中，很多孔段孔口均不返水或者返水较小，灌浆耗灰量较大。LMW028、LMW036两个孔最为典型，其灌前压水和灌浆耗灰量分别见表5、6。

表5 灌前压水结果 Lu

表6 灌浆耗灰量统计

4 特殊情况处理

为了确保该部位的灌浆质量，根据灌浆过程中遇到的不同情况以及实际地质条件，对该部位从两方面进行了具有针对性的措施处理：

(1)对于较典型的LMW028、LMW036两孔，在施工过程中采取了以下方法：

在钻孔灌浆施工中，全程跟踪钻孔及灌浆过程中发生的情况并做详细记录和对具体情况进行分析：

①在钻孔遇到塌孔、卡钻时，应减慢钻进速度，做重复起、下钻，或配用水灰比为2∶1的水泥浆液进行慢速循环钻进，这样可起到泥浆护壁之效果，从而降低了孔故的发生，也保证了施工的进度。

②在灌浆过程中，若在灌前裂隙冲洗中无返水或压水透水率较大，则开罐水灰比直接采用0.5∶1的浓浆液起灌。在灌浆过程中安排专人关注孔内注浆或浆桶下降量、压力表数据变化等情况，一旦发现灌浆注入量为60L/min、压力为0.5MPa且始终没有变化时，随之采取低压、限流、间歇灌注等措施进行控制，待该段次灌浆消耗量首次累计达到LMW028孔5t、LMW036孔3t后按设计要求待凝后复灌。复灌待凝时间第一次为8h,以后每次灌浆量累计达到20t可按照18、24h升序待凝时间间隔计，直至达到灌浆结束标准。

③由于本灌区位于F4断层区域内，在对LMW028、LMW036两孔个别孔段进行灌浆时，随着灌浆压力逐步加大，浆液顺着断层裂隙、溶缝通道流窜至灌浆隧洞底板高程以上，在灌浆间歇或停灌时，浆液瞬时便从孔内顺着灌浆管路回流至搅拌桶且回流量较大，并将孔内的黄泥冲出至搅拌桶导致大量的浆液浪费。孔内如此大的压力极易造成施工事故的发生，而且也影响灌浆质量。针对此种情况，经业主、监理及设计现场协商决定对施工方法做了些改变，即先按照设计技术要求、规范进行孔口封闭、孔内循环式进行灌注，若出现泄压回流浆量较大时，在确保安全的情况下立即起出孔内射浆管，换用预先加工好带阀门的简易孔口封闭器(见图2)进行深孔纯压式加压灌注，当注入浆量累计达到20t或压力可升至3MPa时关闭进浆、回浆阀门进行闭浆处理，待凝24h(或设计要求时间)后重新对原孔进行扫孔复灌直至达到结束标准。

图2 简易纯压式孔口封闭器

(2)对于常规情况下的钻灌施工可按以下措施、方法进行处理：

①当岩石裂隙较小、灌前压水透水率不大时，先采用0.8∶1的水泥粉煤灰混合浆液起灌，当灌浆注入率较小时，则应尽快升压至设计压力，以保证灌浆质量和提高施工时效。

②当某一孔段单位注入灰量达到1t/m时，若出现注入率逐渐减小或者压力逐渐升高的情况，则在同一比级的浆液条件下采用缓慢升压的办法以达到正常结束标准。

5 施工质量检查

在灌浆施工结束14d后，按设计及规范要求在该部位选取了两个具有代表性的孔位进行灌后质量检查。检查孔钻孔采用φ76mm金刚石取芯钻头钻进，自上而下逐段卡塞进行“单点法”压水，各灌浆孔孔段的压水压力值为该段次灌浆压力的80%,且不大于1MPa，压水吕容值均小于设计要求的1Lu。最后按设计要求又对该部位进行了72h连续不断的疲劳压水试验后流量稳定，再次验证了灌后的质量良好，灌浆声波测试波速符合设计要求，帷幕灌浆生产性试验顺利完成。灌后质量检查结果见表7。

表7 灌后质量检查结果 Lu

各检查孔岩芯采取率较高，平均达到85%以上，且取出的岩芯中多处存在充填密实、胶结良好的水泥结石,使得破碎、断裂的岩石胶结成一个整体，起到防渗、岩石固结等效果。在后序的Ⅱ、Ⅲ序孔钻孔施工过程中也可以遇见水泥结石现象，但充填的密实度不是很饱满且夹有黄泥。这种状况充分说明了在F4断层和条件复杂的地层中采用上述的深孔纯压式灌浆施工方法和施工工艺是成功的。

6 结 语

对F4断层带复杂的岩石地层进行灌浆堵漏施工顺利完工后，并对该部位所采取的施工方法以及施工成果做了认真的分析，针对灌浆填充溶洞、溶槽以及泥夹石宽裂缝和细微裂隙的作用机理进行了总结。水泥粉煤灰混合浆液在高压灌注的作用下，和孔内破碎岩石、黄泥夹石等填充物产生了一系列的作用，浆液顺着破碎的岩石缝隙向着更深处填充，在胶凝材料水泥的作用下，使得破碎岩石中的空间被填充密实，并且和周围的完整岩石很好地结合成整体；当遇到有粘度的黄泥夹石时则不断地冲蚀(刷)、挤兑和置换，使黄泥夹石中的水分和部分黄泥被置换出孔内，从而起到排水固结的效果并增加了黄泥夹石的密实度。

在各种力、化学反应的综合作用下，溶洞泥和溶缝夹泥被许多纵横交错的硬化的水泥网格切割成大小不等的块体，被网格封闭的泥土本身也变得质密和坚硬，从而形成了一道具有足够力学强度和抗渗能力的防渗幕体，大大降低了大坝上、下游之间的渗漏现象。