浅谈砂岩、砂砾岩夹泥岩互层基础帷幕灌浆施工

王宁远

（中国水电建设集团十五局有限公司第二工程公司，陕西 西安 710016）

0 引言

卡拉贝利水利枢纽工程位于新疆维吾尔自治区克孜勒苏柯尔克孜自治州乌恰县境内，是克孜勒苏河梯级规划中游河段近期开发的控制性枢纽，工程以防洪、灌溉为主，兼顾发电等综合效益，水库库容2.62亿m3，电站装机70 MW。

枢纽工程挡水建筑物为混凝土面板砂砾石坝，最大坝高92.5 m，坝顶长度760 m。坝基采用单排帷幕灌浆防渗，设计孔距2.0 m，孔深15.0 m，合格标准为检查孔压水透水率小于3 Lu，深度要求达到3 Lu以下不少于5 m。该基础防渗帷幕与其上部趾板、面板混凝土共同构成大坝主要防渗屏障，确保大坝运行安全。

大坝坝址区为砂岩、砂砾岩及泥岩护层状软岩基础，该类型基础具有强度低、遇水软化和互层状基础易形成层间渗漏的特点，在灌浆过程中易出现吸浆量少、回浆失水返浓和层间劈裂等灌浆难题，针对这些问题进行多种不同灌浆材料、施工参数的现场实践验证，有的放矢、灵活运用，探索互层状软岩基础的帷幕灌浆施工技术。

1 基础地质条件

根据趾板基础开挖揭示的地质构造并结合地勘资料显示，大坝坝址区域属于现代河床，基岩为N2砂岩、砂砾岩夹薄层泥岩互层，岩层产状325°SW∠50°，基岩面高程1690 m左右。强风化层厚3 m～5 m，纵波波速1500 m/s，岩体破碎，强度低；弱风化层厚8 m～12 m，纵波波速1500 m/s～2300 m/s。岩体透水率小于3 Lu的界限在基岩面以下15 m～18 m，不同岩性层间裂隙发育，河水、地下水对混凝土具有硫酸盐中等腐蚀性，工程地质情况见图1。

图1 河床段趾板互层基础地质构造示意图

2 帷幕灌浆

为了验证砂岩、砂砾岩夹泥岩互层基础的可灌性和灌浆胶凝材料适应性，先后进行了五次帷幕灌浆试验，最终确定帷幕灌浆采用单排帷幕水泥浆液灌注，孔距2.0 m，孔深以终孔透水率小于3 Lu线以下5 m控制，最大孔深不超过30 m，最大灌浆压力0.8 MPa；对于检查孔压水透水率大于3 Lu的单元，采用丙烯酸浆液在水泥浆液孔位之间加密补强，孔深同水泥浆液孔深。五次帷幕灌浆对比试验及最终施工方案简述如下。

2.1 帷幕灌浆试验

（1）第一次帷幕灌浆试验采用中抗硫硅酸盐水泥浆液灌注，单排孔距2 m，共布置5个试验孔，浆液水灰比采用3∶1、2 ∶1、1 ∶1、0.8 ∶1、0.5 ∶1五个比级；灌浆段长分别为2 m、3 m、5 m、5 m，各段灌浆压力分别为 0.5 MPa、0.8 MPa、1.0 MPa、1.0 MPa；灌浆采用孔口封闭、自上而下分段灌浆法。

第一次帷幕灌浆试验单位注入量最小2.30 kg/m，最大138.40 kg/m，平均41.7 kg/m；灌前透水率最小1.38 Lu，最大20.70 Lu，平均8.26 Lu；灌后检查孔压水透水率最小1.51 Lu，最大17.20 Lu，平均9.32 Lu。检查孔压水透水率不满足设计要求。

（2）第二次帷幕灌浆试验采用超细水泥浆液灌注，单排孔距2 m，共布置9个试验孔，浆液水灰比采用3∶1、2∶1、1∶1、0.8 ∶1、0.5∶1五个比级；灌浆段长分别为 2 m、3 m、5 m、5 m，各段灌浆压力分别为 0.5 MPa、0.8 MPa、1.0 MPa、1.0 MPa；灌浆采用自上而下分段阻塞孔内循环灌浆法。

第二次帷幕灌浆试验单位注入量最小1.80 kg/m，最大462.10 kg/m，平均91.37 kg/m；灌前透水率最小0.40 Lu，最大52.41 Lu，平均12.81 Lu；灌后检查孔压水透水率最小1.93 Lu，最大3.81 Lu，平均2.76 Lu。由于第二次灌浆试验区检查孔各段岩性均为泥岩，不能代表整个基础的多岩性互层状构造，第二次灌浆试验不具有普遍代表性。

（3）第三次帷幕灌浆试验采用中抗硫稳定浆液（膨润土掺量为水泥用量的2%）灌注；共布置9个试验孔，单排孔距2 m，灌浆段长分别为0.3 m、1.9 m、2.8 m、5 m、5 m，各段灌浆压力分别为 0.4 MPa、0.4 MPa、0.6 MPa、0.8 MPa、1.0 MPa；灌浆采用自上而下分段阻塞孔内循环灌浆法。

第三次帷幕灌浆试验单位注入量最小5.2 kg/m，最大109.10 kg/m，平均24.67 kg/m；灌前压水透水率最小0.02Lu，最大232.28 Lu，平均18.61 Lu；灌后检查孔压水透水率最小2.03 Lu，最大45.52 Lu，平均12.51 Lu。检查孔压水透水率不满足设计要求。

（4）第四次帷幕灌浆试验采用中抗硫水泥浆液灌注，把帷幕灌浆孔距由单排孔距2 m调整到了单排孔距1 m，共布置9个试验孔，浆液水灰比采用 5 ∶1、3 ∶1、1 ∶1、0.8 ∶1、0.5 ∶1五个比级；灌浆段长分别为2 m、3 m、5 m、5 m，各段灌浆压力分别为 0.2 MPa、0.3 MPa、0.6 MPa、0.8 MPa；灌浆采用自上而下分段阻塞孔内循环灌浆法。

第四次帷幕灌浆试验单位注入量最小2.88 kg/m，最大24.06 kg/m，平均12.17 kg/m。灌前压水透水率最小1.74 Lu，最大11.82 Lu，平均6.03 Lu；灌后检查孔压水透水率最小1.07 Lu，最大9.75 Lu，平均4.47 Lu。检查孔压水透水率不满足设计要求。

（5）第五次帷幕灌浆试验采用中抗硫水泥浆液和丙烯酸浆液的复合灌浆方法，并对帷幕孔距进行了调整，采用中抗硫水泥浆液灌注，单排孔距2 m，浆液水灰比采用5∶1、3∶1、1∶1、0.8 ∶1、0.5∶1五个比级，灌浆段长分别为 2 m、3 m、5 m、5 m，各段灌浆压力分别为 0.2 MPa、0.3 MPa、0.6 MPa、0.8 MPa，灌浆采用自上而下分段阻塞孔内循环灌浆法；对于检查孔压水透水率大于3 Lu的单元，灌浆孔中间用丙烯酸浆液加密补强，灌浆段长均为3 m，各段灌浆压力分别为0.2 MPa、0.3 MPa、0.6 MPa、0.8 MPa、0.8 MPa，灌浆采用自上而下分段纯压式灌浆法。

第五次帷幕灌浆试验水泥浆液单位注入量最小4.46 kg/m，最大42.77 kg/m，平均20.53 kg/m；丙烯酸浆液灌浆孔单位注入量最小72.07 kg/m，最大88.1 kg/m，平均80.8 kg/m。灌前压水透水率最小1.56 Lu，最大17.74 Lu，平均6.58 Lu；灌后检查孔压水透水率最小0.84 Lu，最大2.33 Lu，平均1.76 Lu。检查孔压水透水率满足设计要求。

2.2 施工方法

（1）钻孔方法，帷幕灌浆试验先导孔及检查孔采用回转式地质钻机造孔，金刚石或合金钻头钻进，双管钻具取芯；其余帷幕灌浆孔采用回转式地质钻机造孔。帷幕灌浆孔开孔孔径91 mm，其余孔段孔径均为76 mm。开孔孔位与设计孔位的偏差不得大于10 cm，帷幕灌浆孔采用铅垂孔，钻孔钻进过程中采取可靠的防斜措施，保证孔向准确，钻孔偏斜值严格控制在设计允许的25 cm范围内。

（2）压水试验，帷幕灌浆先导孔及检查孔采用单点压水试验，其它灌浆孔不做压水，压水压力为灌浆压力的80%，且逐级升压，以不抬动为原则。在稳定压力下，每2 min测读一次压入流量。连续四次读数中最大值与最小值之差小于最终值的10%，或最大值与最小值之差小于1 L/min时，压水试验结束，取最终值为计算值。压水试验止水栓塞采用水压式，栓塞长75 cm。下栓塞前对压水试验工作管进行检查，不能有破裂、弯曲、堵塞等现象，接头处采取有效的止水措施。最终充水压力达到1.5 MPa～2.5 MPa，不能超过止水栓塞的额定压力，在试验过程中充水压力保持不变。

（3）灌浆方法，帷幕灌浆采用单排帷幕，水泥浆液灌注，对于检查孔压水透水率大于3 Lu的单元，采用丙烯酸浆液在水泥浆液孔位之间加密补强，孔深同水泥浆液孔深。水泥浆液采用自上而下分段孔内阻塞循环式灌浆，射浆管距孔底不大于0.5 m。丙烯酸浆液采用自上而下分段孔口阻塞纯压式灌浆。检查孔待全孔压水试验结束后全孔一次灌浆、封孔。

水泥浆液采用自上而下分段孔内阻塞循环式灌浆，5∶1开灌，段长按2.0 m，3.0 m，5.0 m，5.0 m控制，加深段按每段5.0 m段长加深，灌浆压力分别为 0.2 MPa、0.3 MPa、0.6 MPa、0.8 MPa，以抬动变形不超过200 μm控制。丙烯酸溶液采用自上而下分段孔口阻塞纯压式灌浆，各段段长均为3.0 m，灌浆压力自上而下初拟为 0.2 MPa、0.3 MPa、0.6 MPa、0.8 MPa、0.8 MPa，以抬动变形不超过200 μm控制。

（4）灌浆结束标准，水泥浆液结束标准：各灌浆段在最大设计压力下，注入率不大于1 L/min后，延续灌注30 min即可结束。丙烯酸浆液结束标准：各灌浆段在最大设计压力下，注入率不大于0.02 L/（min·m）后，继续灌注30 min即可结束。

（5）封孔方法，帷幕灌浆孔采用“置换压力灌浆封孔法”封孔，封孔水灰比为0.5∶1的水泥浆液，封孔压力为全孔段平均灌浆压力，封孔灌浆时间不少于60 min。待凝固后对孔口空余段人工采用干硬性水泥沙浆封孔，保证孔内密实。

2.3 灌浆质量检查

帷幕灌浆结束后14天采用单点法压水试验的方法进行工程质量检查，帷幕检查孔各孔段的透水率合格标准为q≤3 Lu。卡拉贝利大坝趾板基础帷幕灌浆共完成46个单元，457个灌浆孔，累计8174.08延米。检查孔压水试验结果显示：46个单元中有31个单元透水率小于3 Lu，满足设计要求；15个单元透水率大于3 Lu，不满足设计要求。结合岩芯、灌浆记录、压水情况等综合分析：不合格单元主要集中在河床及右岸二级阶地岩体复杂段，主要岩性为砂岩、砂砾岩夹薄层泥岩互层基础，岩体变化不规则，不合格的15个单元用丙烯酸溶液进行加密补强，灌浆结束14 d后，检查孔压水透水率均小于3 Lu，满足设计要求。检查孔压水试验结果详见表1。

表1 帷幕灌浆检查孔压水结果

3 结语

卡拉贝利大坝趾板基础帷幕灌浆根据基础岩性特点采用有针对性的施工方法，严格控制工艺流程和施工参数，解决了砂岩、砂砾岩夹薄层泥岩互层基础条件下浆液失水返浓，可灌性差的难题，取得了较好的防渗效果。水库蓄水至设计水位后，坝后量水堰观测渗流量为13 L/s，数值稳定。实践表明，卡拉贝利大坝趾板基础采用水泥浆液和丙烯酸浆液进行复合灌浆的方法合理有效，防渗效果明显。