钦寸水库玄武岩下伏砂砾石地基灌浆设计方案探讨
2014-09-14，
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(新昌县钦寸水库工程建设指挥部， 浙江 新昌 312500)
钦寸水库玄武岩下伏砂砾石地基灌浆设计方案探讨
喻石，梁红斌
(新昌县钦寸水库工程建设指挥部， 浙江 新昌 312500)
钦寸水库大坝左侧库岸正常蓄水位高程以下存在砂砾石层，是绕坝渗漏的隐患所在。本文通过帷幕灌浆生产性试验，比较分析了3阶段不同方案灌浆效果，从而进一步确定合理技术参数，选定最优灌浆方案，对指导后续施工和保证灌浆质量起到了重要作用。
钦寸水库；砂砾石层；帷幕灌浆
1 前 言
钦寸水库位于浙江省新昌县境内，坝型为混凝土面板堆石坝，坝高64m，坝顶长290m，总库容2.44亿m3,是一座以供水、防洪为主，兼顾下游灌溉和发电综合利用的大(Ⅱ)型水库。大坝左侧布置岸坡式溢洪道。
水库坝址河谷呈“U”形，左岸为较平缓的台地，是典型的玄武岩台地地貌，平台地下游方向有一冲沟分布。左岸平台地上部为厚度约20m的玄武岩，玄武岩下伏第三系含泥砂砾石层，由于砂砾石层顶板高程100.7～105.3m，底板高程85.75～86.45m，大部分砂砾石层在正常蓄水位高程(98.0m)以下，水库蓄水后存在向临谷渗漏的问题，为减小绕坝渗漏产生的渗透变形危害，保证库周与溢洪道、拦河坝基础帷幕相接，形成枢纽防渗体系，必须进行防渗处理。因此，在设计防渗处理范围(长约400m)内选取一段(长约65m)进行灌浆试验，力求通过试验确定技术上可行、经济上合理的帷幕灌浆方案。
本次帷幕灌浆试验于2009年2月28日开始施工，至2010年5月4日最终检查结束。共计完成钻灌孔93只，其中灌浆孔77只，检查孔16只。累计进尺3735.05m，其中含砾粉质黏土197.95m，玄武岩1838.70m，含泥砂砾石1481.69m，角砾凝灰岩216.71m，灌浆664段次；灌浆总段长2003.52m，其中含砾粉质黏土3.80m，玄武岩301.32m，含泥砂砾石1481.69m，角砾凝灰岩216.71m。纯灌入水泥114.25t，其中普通水泥70.29t,磨细水泥43.96t。
2 技术难点
目前，国内虽然对砂砾石层灌浆处理已开展了大量的试验研究工作，并有许多的工程实例，但本项目的最大特点是砂砾石层上部有玄武岩层压覆，且厚度较大，国内对此类地层结构的灌浆处理研究较少，无经验可以借鉴，因此灌浆施工工艺及技术参数必须通过现场试验确定。
3 工程地质概况
大坝左坝头至铁定山一带存在玄武岩下伏砂砾石层，该夹层下部为角砾凝灰岩，溢洪道往左砂砾石层逐步减少至尖灭。通过试验孔和勘探孔，进一步查明试验段地层自上而下依次为：含砾粉质黏土，厚度1.00～1.70m；玄武岩层埋深高程103.05～104.50m，厚度18.50～19.90m；砂砾石层埋深高程85.75～86.45m，厚度16.80～17.60m，自上而下由中密至密实，含泥量8.3%左右，渗透系数K=1.4×10-4～3.4×10-5cm/s，属中等～弱透水性；含泥砂砾石层下伏角砾凝灰岩。
4 灌浆试验设计
根据现场地质条件和灌浆效果，前后共设计3套灌浆方案，分3个阶段实施。通过调整排数、孔距、压力、段长以及灌浆材料等参数，比较分析不同方案灌浆孔的单位注入量和透水率，进而确定灌浆设计参数，选定适合本工程的灌浆体系布设方案。
4.1 第1阶段(单排帷幕灌浆)
单排帷幕在轴线上布置灌浆孔9只(A77～A85)，孔距2.5m，检查孔2只(AJ1和AJ2)。灌浆段长分别为2.0m、3.0m、3.0m、3.0m、3.0m、3.0m、5.0m(终孔段深入基岩)。首段灌浆压力取0.3MPa，以下每段增加0.05MPa。灌浆材料使用42.5普通硅酸盐水泥。
4.2 第2阶段(双排帷幕灌浆)
双排帷幕灌浆孔布置是在第1阶段基础上沿轴线排向左侧延伸10.0m，即A77号孔左侧增设5只孔(A72～A76)，A排上游2.0m处增设B排14只孔(B72～B85)，孔距2.0m，呈梅花形布置。轴线排与上游排之间设检查孔4只(J中1～J中4)。上游排灌浆孔终孔段深入基岩0.5m，当终孔段透水率大于5.0Lu时，需加深，加深段长4.0m，其余各灌浆段长不变。在第1阶段灌浆过程中发现，由于地层比较密实，设计压力条件下灌注，吸浆量明显偏小，经分析讨论后决定调整灌浆压力，即玄武岩层灌浆压力取0.6MPa，砂砾石层首段灌浆压力取0.8MPa，以下每段增加0.03～0.04MPa。
4.3 第3阶段(三排帷幕灌浆)
在第2阶段基础上向左侧延伸方向布置三排灌浆孔，单排孔数为16只，孔距、排距均为2.0m。轴线排(A56～A71)采用磨细水泥，上、下游排的56～63号灌浆孔采用普通水泥，64～71号灌浆孔采用磨细水泥。检查孔8只，其中轴线排4只(JA3、JA4、JA5、JA6)，普通水泥灌浆区2只(J中5和J中6)，磨细水泥灌浆区2只(J中7和J中8)。通过对第1、2阶段灌浆数据分析发现，第2、3灌浆段砂砾石层较松散，透水率相对较大，为进一步提高此范围内的灌浆质量，决定将灌浆段长调整为2.5m、2.0m、2.0m、3.0m、3.5m、3.5m、3.5m。
试验段帷幕灌浆孔平面布置见下图。
试验段帷幕灌浆孔平面布置图
5 灌浆效果分析
灌浆效果检查还没有统一适用的标准，目前一般常采用分析单位注入量和压水试验的方法。本次试验设计防渗标准取q≤5Lu。
5.1 第1、2阶段灌浆试验效果分析
5.1.1 单位注入量(C)分析
第1阶段：A排帷幕单位注入量介于9.0～434.7kg/m,平均59.76kg/m，各序孔单位注入量变化呈现CⅠ
第2阶段：A排帷幕单位注入量介于13.3～213.7kg/m,平均69.62kg/m；B排帷幕单位注入量介于23.6～228.7kg/m,平均52.53kg/m。A排帷幕各序孔单位注入量变化呈现CⅠ
效果分析：ⓐB排孔的平均单位注入量相比较A排明显减少，表明灌浆效果明显；ⓑB排孔平均单位注入量均呈现出随着灌浆孔序的不断加密而逐序递减的趋势，符合灌浆规律。而A排Ⅱ、Ⅲ序孔的平均单位注入量明显大于Ⅰ序孔，违背一般规律，主要原因是由于先序孔采用的灌浆压力较大，破坏了原有的地层结构，并且原有砂砾石层孔隙不均、连通性差，先序孔未钻遇到，而被后序孔钻遇并得到了有效处理。
5.1.2 灌前及检查孔压水试验Lu值分析
第1阶段：灌前A排孔透水率介于1.7～51.7Lu,平均透水率9.17 Lu，共压水72段，其中小于设计防渗标准27段，占37.5%。各序孔平均透水率变化呈现Ⅰ<Ⅱ>Ⅲ。检查孔压水试验采用单点法，压力取0.4MPa,共压水16段，其中小于设计防渗标准11段，占68.7%。
第2阶段：灌前A排孔透水率介于2.6～41.2Lu,平均透水率11.4 Lu；B排帷幕透水率介于1.3～24.8Lu,平均透水率7.14 Lu。共压水138段，其中小于设计防渗标准49段，占35.5%。A排各序孔平均透水率变化呈现Ⅰ<Ⅱ>Ⅲ，B排各序孔平均透水率变化呈现Ⅰ>Ⅱ>Ⅲ。检查孔压水试验采用两点法，压力取0.4MPa和0.6MPa,共压水28段，其中压力取0.4MPa(0.6MPa)时，小于设计防渗标准25段(19段)，占89%(68%)。
效果分析：ⓐ检查孔压水压力取0.4 MPa时，双排帷幕检查孔设计防渗合格率明显高于单排帷幕，表明双排帷幕灌浆效果明显；ⓑ双排帷幕中B排灌浆孔呈现出随着孔序加密，透水率逐渐递减的趋势，符合灌浆规律；ⓒA排各次序孔透水率呈现出先增大后减小的现象，Ⅱ序孔透水率最大，分析原因是由于原始地层未经地下水作用比较密实。Ⅰ序孔透水率相对较小，但经过Ⅰ序孔造孔、压水、灌浆等施工后将一定量的水压入地层，使地层含水量增加，并形成一定的扩散半径，而水泥颗粒粗，其扩散半径未及水的扩散半径，Ⅱ序孔未受Ⅰ序孔灌浆影响，因此造成Ⅱ序孔透水率较大。
5.2 第3阶段灌浆试验效果分析
5.2.1 灌前压水试验Lu值的分析
共进行354段简易压水试验，其中普通水泥灌浆区(以下简称普灌区)和磨细水泥灌浆区(以下简称磨灌区)各177段。对试验数据进行整理分析后得出以下几点：
a.两灌浆区各灌排的平均透水率均随着帷幕线的加密，呈递减趋势，且各灌排内排序孔平均透水率变化规律与前两个阶段试验情况基本一致。
b.对比整理各排序孔内各段次的透水率数据，磨灌区各排序孔透水率小于5Lu的段数累计频率略高于普灌区，其中普灌区的C排与B排相差不大，A排则明显增加，而磨灌区随着灌排加密呈现出逐步递增趋势，综上表明：磨灌区更符合一般灌浆规律，灌浆效果好于普灌区。
5.2.2 单位注入量与孔序之间的关系分析
各排序孔灌段总长1027.25m，共计灌入灰量61316.47kg,其中普灌区灌段长515.82m，灌入灰量31578.46kg，平均单耗61.22kg/m；磨灌区灌段长511.43m，灌入灰量29738.01kg，平均单耗58.15kg/m。对试验数据进行整理分析后得出以下几点：
a.随着帷幕线的加密，各灌排平均单位注入量变化呈递减趋势，其中磨灌区递减规律明显，更符合一般灌浆规律，而普灌区B排略微大于C排，分析原因主要是由于普通水泥的扩散性不如磨细水泥而造成的。
b.各灌排排序孔的单位注入量均呈现出不同的变化趋势，其中普灌区和磨灌区的C排各排序孔呈现Ⅱ序孔最大，Ⅲ序孔逐渐减小的趋势，这与第2阶段A排灌浆情况相一致；磨灌区B排各排序孔呈现出逐渐递减趋势，符合一般灌浆规律；普灌区、磨灌区的A排和普灌区的B排后序孔的单位注入量明显大于先序孔，且Ⅲ序孔最大，这一现象违背灌浆规律。通过分析发现，灌浆孔第2、3灌浆段Ⅲ序孔的平均单耗明显大于Ⅰ、Ⅱ序孔，进一步分析后认为主要原因是由于第2、3段处于玄武岩与砂砾石层的接触部位，地层结构受上下游灌排和本灌排先序孔灌浆施工影响，地层结构扰动较大，且先序孔未能进行有效处理，正是基于以上原因，造成了Ⅲ序孔单位注入量较大。
c.通过提高灌浆压力和减小灌浆段长，玄武岩层与砂砾石层接触部位的单位注入量大幅增加，表明获得了较好的可灌性，提高了灌浆质量。
5.2.3 检查孔压水试验Lu值分析
检查孔压水总段数104段，设计压力取0.6MPa(设计灌浆压力的80%)。通过把检查孔透水率与灌前压水透水率比较分析后得出以下几点：
a.在设计压力0.6MPa下，所有检查孔透水率均满足设计防渗标准。通过分别与灌前压水透水率和双排帷幕检查孔透水率比较，三排帷幕灌浆孔透水率区间累计频率和检查孔透水合格率均明显提高，表明三排帷幕灌浆方案优于双排帷幕，且效果显著。
b.经统计对比，磨灌区检查孔透水率在分别小于1Lu和3Lu区间的段数累计频率均高于普灌区，表明磨细水泥灌浆防渗效果好于普通水泥。
6 结 论
本文对钦寸水库大坝左侧库岸防渗帷幕灌浆生产性试验进行了总结，主要技术经验如下：
a.单排孔距2.5m和双排孔距、排距各2.0m的普通水泥灌浆不满足设计防渗标准要求，而三排普通水泥或磨细水泥灌浆均能满足设计防渗标准，且随着排数的增加，平均透水率递减，检查孔合格率明显提高，表明采用孔距、排距各2.0m的三排帷幕灌浆方案是合理的。
b.玄武岩层灌浆压力提高至0.6MPa，砂砾石层首段灌浆压力提高至0.8 MPa，以下每段增加0.03～0.04 MPa，水泥灌入量明显增加，灌浆效果显著。
c.鉴于第2、3灌浆段范围内的砂砾石层较松散，透水率相对较大，为保证灌浆质量，在第3阶段对灌浆段长进行了调整，第1～7段分别调整为2.5m、2.0m、2.0m、3.0m、3.5m、3.5m、3.5m。
d.在第3阶段试验中，轴线排采用磨细水泥，上、下游排采用普通水泥，经检查孔压水试验，透水率均能满足设计防渗标准，且较为经济。★
[1] 金水源.钦寸水库左侧库岸防渗帷幕灌浆试验段试验报告[R] .杭州:浙江省水利水电勘测设计院,2010.
[2] 王昂峰,任洁.钦寸水库含泥砂砾石层帷幕灌浆方案选择 [J].浙江水利科技，2010，172(6)：53-55.
[3] 李国良,唐存军.大朝山水电站大坝基础防渗帷幕灌浆设计与施工[J].云南水力发电，2001，17(4)：45-51.
DiscussionofBasaltUnderlyingSandGravelFoundationGroutingDesignPlaninQincunReservoir
YU Shi, LIANG Hong-bin
(Xinchang Qincun Reservoir Project Construction Headquarters, Xinchang 312500, China)
Gravel layer is available under normal water accumulation level elevation on left bank of Qincun Reservoir. It is a hidden danger of seepage around the dam. In the paper, grouting effects of different plans at three stages are compared and analyzed through curtain grouting production test, thereby further determining rational technology parameter, selecting the best grouting plan, which plays an important role for guiding subsequent construction and guaranteeing grouting quality.
Qincun Reservoir; gravel layer; curtain grouting
TV543
B
1005-4774(2014)09-0033-04
