高水头条件下溶蚀砂化岩层帷幕灌浆技术研究

(中国水电基础局有限公司，天津 301700)

1 工程概况

观音岩水电站工程是金沙江中游河段规划八个梯级电站的最末一个梯级，工程以发电为主，兼顾供水和防洪。水库正常蓄水位1134.00m，电站装机容量3000MW。

坝基开挖揭示，出露的地层主要为侏罗系中统蛇店组，岩性主要为钙质细砂岩、砾岩夹粉砂岩和泥质粉砂岩，根据地质测绘，枢纽区蛇店组中砂岩(包括粉砂岩)厚度一般为0.40m，最厚可达20.90m，占坝址区坝基段地层的75.20%；泥质岩层一般为0.10～5.80m，占坝址区坝基段地层的16.60%。由于地下水淋漓作用，沿层理方向或陡倾角裂隙方向产生溶蚀现象，形成一定规模的溶腔或者溶蚀通道，这对坝基变形稳定和渗控工程构成不利因素。

大坝蓄水以后，通过坝基渗控监测系统监测，发现个别坝段的测压管和渗压计与库水相关性较好，且监测水位在水库蓄水时与库水位同步抬升，分析认为本区域存在绕帷幕底部溶蚀砂化岩层渗漏的通道。根据设计新增布置的水位探测孔数据得出：原帷幕线以内透水率均小于1Lu，证明帷幕完整连续，超过悬挂式帷幕线以下部位透水率均大于5Lu，最大达到92.30Lu，印证了帷幕底部存在绕帷幕底部渗漏的通道。为保证大坝蓄水安全和经济运行，进行了深部截水堵漏帷幕灌浆。

2 研究的意义

根据设计布置的截水堵漏帷幕方案，帷幕灌浆孔口高程为985.00m，与坝前蓄水位存在137m的水头差，水头净高产生的压力超过1MPa，且截水堵漏帷幕灌浆孔深为166m。在高水头、超深孔、复杂地层条件下进行灌浆成幕，施工难度在国内较为罕见。为了保证工程渗控安全和减少渗水排水量，解决高水头条件下溶蚀砂化岩层帷幕灌浆技术是非常必要的。因此，通过该项目研究，分析高水头条件下溶蚀砂化岩层帷幕灌浆的技术特点和施工难点，探求经济有效的灌浆方式和快速的施工工艺，为解决“高水头条件下溶蚀砂化岩层灌浆成幕”难题，提供新的途径和解决方案。

3 研究的步骤和难点

3.1 研究的步骤

3.1.1 收集整理探测孔资料

溶蚀砂化岩层的发育、发展离不开基本地层地质条件。首先，从开挖揭示的溶蚀条带的分布或发展规律入手，重点分析溶蚀砂化发育的部位和深度。其次收集水位探测孔探明的地下水深度、涌水流量和涌水压力等数据，并收集探测孔压水透水率数据，为后续施工提供依据。

3.1.2 综合整理大坝蓄水前帷幕灌浆有关资料

对大坝蓄水前两个阶段帷幕灌浆施工过程中出现的钻孔塌孔、掉钻、岩层变换、回浆返浓、无压无回、涌水涌砂、串浆等特殊情况进行详细统计，进一步详细了解地质情况，明确溶蚀砂化条带分布情况。

3.1.3 提出溶蚀砂化高水头条件下灌浆方案

综合运用各种理论技术和施工工艺，结合前期灌浆施工技术和取得的成果，在充分论证分析和指导下，提出溶蚀砂化高水头条件下灌浆方案，会同建设各方进行评审。

3.1.4 根据实际施工情况优化改进施工工艺

工程施工注重的是理论结合实际，根据工程实际确定的灌浆材料和灌浆工艺是否适用于工程实际，应通过实践来确定，找到最合适的工艺，确保满足工程需要。

3.2 研究的难点

3.2.1 动水条件下施工难度大

观音岩水电站截水堵漏帷幕是在大坝蓄水以后进行的，灌浆孔孔口高程为985.00m，与坝前水位1122.00m存在137m的水头差，在地下水位线以下灌浆，大部分的灌浆孔存在涌水涌砂现象，最大涌水压力0.70MPa，最大涌水流量约182L/min，受地下渗流及动水压力影响，灌浆过程中浆液不断被稀释、渗流冲刷带走及孔内涌水反向挤出等，多数孔段需要多次待凝复灌，既减弱了灌浆效果，又降低施工功效，大大增加了施工难度。

3.2.2 溶蚀砂化岩层灌浆可灌性差

溶蚀残留的砂土和砂糖状岩体，吸水不吸浆，普通水泥灌浆的方法难以有效处理，可灌性差，水泥浆液难以侵入并把砂岩胶结。在未与灌浆孔充分相连，未充分受压的情况下，砂岩仍以松散状态存在岩体中。在与灌浆孔连通时，其中的裂隙可以被充填，但是难以进入其中的孔隙形成不透水体。因此，对灌浆材料的选取及其细度指标都提出了极高的要求。

3.2.3 多裂隙砂岩体成幕困难

该工程岩体为侏罗系中统蛇店组，河湖相沉积碎屑岩，属“红层”岩体。岩性主要为钙质细砂岩、砾岩夹粉砂岩和泥质粉砂岩，岩体多裂隙、节理，裂隙发育部位岩体呈碎块状，在《红层与大坝》一书中提出：“根据小浪底和其他一些工程的实践，当坝基为以多裂隙的砂岩为主的坝基岩体时，帷幕形成的难度是很大的，这一点应该有充分的思想准备。”这充分说明了在高水头条件下在“红层”岩体灌浆成幕的困难很大。

3.2.4 涌水涌砂孔段快速造孔工艺

在溶蚀砂化岩层高水头作用下帷幕灌浆钻孔工程中出现涌水涌砂现象较为普遍，为此，通常采用待凝和复灌等措施，进行反复钻孔才能成孔，上述原因严重影响了钻孔效率，将严重制约工程进度，探索溶蚀砂化岩层快速凿孔技术成为一个重要课题。

4 主要的技术研究

4.1 帷幕灌浆设计

4.1.1 帷幕型式

截水帷幕灌浆孔深为166m，孔距2m，排距1.50m，分Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ孔布置，均为垂直孔。

4.1.2 钻孔方法

主要钻孔设备为XY-2型地质回转钻机，选用金刚石钻头钻具钻进。

4.1.3 灌浆方法

采用“自上而下孔口封闭循环灌浆法”，使用高压灌浆。

4.1.4 灌浆段长

第一段长为2m，第二段至原帷幕线每20m为一段，原帷幕线以下每5m为一段。

4.2 灌浆材料

4.2.1 灌浆浆液

正确选择灌浆浆液是保证溶蚀砂化岩层灌浆质量的重要因素，也影响着灌浆施工工效，应该详细研究。依据已有经验，截水堵漏帷幕灌浆施工针对岩层比较破碎、溶蚀砂化条带或零星分布的囊状溶洞比较发育孔段，选用普通硅酸盐水泥(P.O 42.5)浆液灌浆，浆液水灰比采用2∶1、1∶1、0.8∶1、0.6∶1 四级比级；针对裂隙发育较少、溶蚀较轻微的孔段，则宜选择超细水泥浆液灌浆，浆液水灰比使用3∶1。具体配比及性能指标见表1。

表1 水泥浆液配比及物理性能检测

遇涌水涌砂段为了防止浆液被稀释挤出，或遇到较大溶缝为限制浆液扩散过远，可直接使用水泥—水玻璃双液进行灌注，水泥浆液具有结石体强度高、不污染环境等优点，但是它渗透性差，加入水玻璃后形成混合浆液使其胶凝时间可调，提高了灌浆的可控性。

当灌浆孔达到100m以下时，受上下游高压水头作用以及地质条件的限制，灌浆难度普遍增大，为防止纯水泥浆液灌注时发生铸钻事故，提高施工效率，当压水透水率q≥5Lu时，采用单一水灰比的稳定浆液进行灌浆。与普通水泥浆液相比，以稳定浆液进行灌浆结构体密实、耐久、力学强度高，稳定性好，在宽大、有动水裂隙中有较好的可控性。其配合比性能检测见表2。

表2 稳定浆液配合比及性能检测

4.2.2 浆液变换原则

灌浆浆液由稀到浓逐级变换。当某一比级浆液注入量已达300L以上，或灌注时间已达30min，而灌浆压力和注入率均无显著改变时，应换浓一级水灰比浆液灌注。当注入率大于30L/min时，根据施工具体情况，可越级变浓。

4.3 灌浆压力和控制方式

4.3.1 灌浆压力

截水堵漏帷幕采用“自上而下孔口封闭循环灌浆法”，使用高压灌浆，最高压力为5MPa。在溶蚀砂化岩层使用高压灌浆，可使可灌性不好的软弱岩层产生新的劈裂，促使更多的浆液被灌入，岩层被压密挤实，有助于浆液的排水固结，提高岩层承载力，从而获得良好的灌浆效果。

截水帷幕灌浆I序孔采用连续分次升压方式，即开灌后分2～3个阶段连续升压到设计压力；Ⅱ、Ⅲ序孔均采用一次升压方式，即开灌后尽快达到设计压力。在强溶蚀砂化地带或串漏比较严重时，在低压下即大量耗浆，甚至不能起压，使用间断分次升压灌注，间断次数、间断时间视具体情况规定进行。

4.3.2 压力控制方式

溶蚀砂化岩层帷幕灌浆，尽量避免“低压力、小注入量”和“高压力、大注入量”这两种压力控制方式。“低压力、小注入量”的压力控制方式使溶岩裂隙在低压状态下过早地被堵塞，影响浆液的扩散半径，并会形成不密实的水泥结石，不但对灌浆质量不利，而且降低施工功效。“高压力、大注入量” 的压力控制方式是一种盲目追求灌浆量的灌浆方式，高压下浆液沿着裂隙扩散到帷幕体以外，造成灌浆材料的大量浪费，对工程造价造成负面作用。

结束条件：采用自上而下分段灌浆法，在规定压力下，当注入率不大于1L/min时，继续灌注30min后结束灌浆。

4.4 动水条件下“成幕”研究

4.4.1 渗漏通道的处理方法

对于渗漏量不大的渗漏通道，没有地下水强烈流动的灌浆孔处理，观音岩水电站排水孔涌水孔封堵试验表明，水泥—水玻璃双液纯压式灌浆工艺，可以在较短的时间内取得止水效果。

对于附近有跑漏浆通道的，使用水泥—水玻璃双液纯压式灌浆往往需要消耗大量的灌浆材料，灌入的材料都流失了，一般可采用低压、浓浆、限流、限量、间歇灌浆法灌注。这种处理方法，结束灌浆时不一定非要达到设计压力，按照灌入的浆量来控制间歇时间，待凝一段时间后应再将灌浆孔扫孔复灌，直到正常灌浆结束。

4.4.2 动水条件下灌浆方法

对于特大的漏水通道，有动水情况下，如果采用一般的灌浆方法，会造成大量灌浆材料的浪费，有时根本没有成效。以往的工程经验是将大量干黄豆、干海带等遇水膨胀物质倒入灌浆孔内封堵通道或孔隙，也会在水泥浆液中掺加锯末、棉籽壳、碎纸屑、云母片等纤维物质，利用其网状性能降低灌入浆液的流动范围使浆液能在孔隙内被挡住，从而凝固，达到封堵渗漏通道的效果。

使用抗冲膏浆灌浆方法，可提高浆液的抗水流冲击作用，从而保证水泥的连续堆积和凝固。最早于20世纪80年代在贵州红枫大坝的帷幕灌浆中成功应用了膏状浆液灌浆，对于大空隙通道的堵漏取得了良好的效果。灌浆试验结果表明：该种浆液可在1m/s流速的水中不被分散，是堵漏的首选材料，可用于大涌水部位的堵漏灌浆。

5 研究成果

观音岩水电站高水头条件下溶蚀砂化岩层的截水堵漏帷幕灌浆已取得成功，上游帷幕共完成钻灌41046m，灌后布置质量检查孔检验479段，其中小于1Lu的450段，占总压水段数的94% ，满足设计要求，说明截水帷幕具有一定的连续性和整体性。

根据渗控监测系统监测，截水堵漏帷幕灌浆施工完成后坝基渗水总量大幅减少，也说明截水堵漏帷幕起到了截水作用。

6 结 语

对于溶蚀砂化岩层的水电工程坝基防渗处理，灌浆成幕问题尤为重要，特别是在水库蓄水之后，在高水头条件下发现的大型溶蚀砂化岩层渗漏通道，处理的难度更大。该研究成果，可对此类工程问题的处理提供参考依据。