全风化花岗岩地层控制性高压脉动灌浆应用

刘 坪，宾 斌，林 飞，王旭斌

（1. 湖南宏禹工程集团有限公司，湖南 长沙 410007；2. 湖南省水利水电勘测设计研究总院，湖南 长沙 410007）

引 言

我国花岗岩类岩石分布广泛，出露面积约占全国陆地面积9%[1]。全风化花岗岩地层具有砂土的特性，但高于一般砂土的强度指标，同一地区同一剖面上，上下部位因风化程度不同，强度也可能相差很大。全风化花岗岩遇水有崩解性，崩解速度很快，水中几分钟即可崩解70%以上，一般不具膨胀性，地层抗冲刷能力很差，当含水量较高失水时，微收缩，不具可塑性[2]。由于风化差异性，全风化花岗岩地层中往往存在球状孤石，使其又具有岩体强度较高的特点。因此，对该类地层的防渗处理施工往往存在较大的难度。目前水库大坝常用的防渗处理方法有：塑性混凝土连续墙、高压喷射灌浆、静压灌浆等。塑性混凝土连续墙在此类地层中遇到球状风化孤石时很难继续施工，在施工槽中处理岩块非常困难；静压灌浆只能对裂隙及薄弱地方进行灌浆充填挤密，很难形成完整防渗体；高压喷射灌浆则存在地层较密实、水力切割困难、灌浆半径小、工程量大以及遇岩块时无法喷开等问题，影响施工质量[3]。

本文论述了在实际工程中应用一种控制性的高压脉动灌浆方法，成功地对某水库坝体的全风化花岗岩地层进行了防渗处理，最终检测结果满足设计要求。相关施工方法及材料、工艺可供类似工程借鉴或参考。

1 工程概况

本文依托的工程背景为湖南省郴州市某个以防洪、灌溉为主，兼顾城镇供水与发电等综合效益的大（II）型水利枢纽工程，该水库正常蓄水位395 m，总库容1.33亿m3，灌溉面积31.2 万亩，多年平均城镇供水量2 227万m3，水电站装机容量为18 MW，多年平均发电量4 480 万kW·h。该工程坝址区地表为第四系残坡积含碎石砂土或粘土质砂，系花岗岩风化产物；下伏基岩为燕山早期（γ52(1)）浅肉红色中、粗粒斑状黑云母花岗岩，局部绿泥石化。地层中的砾石和砂砾成分比例较大，一般φ 值较大，c 值较小，在没有水的影响下，天然强度较高；有水的影响时，强度衰减程度较大[4]。为保证水库蓄水后整个坝体的稳定性和抗渗性能，需对副坝坝基及左坝肩单薄山脊进行帷幕灌浆处理。

副坝区域地表花岗岩残坡积砂土层厚1.0～5.0 m，下伏全风化花岗岩埋深21.5～44.7 m。地下水类型为基岩裂隙水，主要贮存于强风化裂隙岩体中，右侧山坡地下水埋深高于水库正常蓄水位，靠左坝肩附近山脊地下水位低于水库正常蓄水位26.43 m。

2 高压脉动灌浆施工

2.1 施工布置

1）场地布置。副坝帷幕灌浆轴线起点桩号0+556.67，至桩号0+727.67 结束，总长度171 m。副坝左岸连接段山脊进行了平整，布置两套制浆灌浆设备可满足山脊和副坝左岸边坡的灌浆需求。垭口两岸边坡处灌浆施工时分级削坡开挖平台施工，右岸制浆灌浆站布置在下游侧坡脚平台。

2）钻孔布置。防渗帷幕设计钻孔间距1.5 m，先导孔间距24 m。所有孔分三序施工，先施工Ⅰ序孔（其中优先先导孔），再施工Ⅱ序孔，最后施工Ⅲ序孔，每13个孔设置为一个单元，每单元至少设置一个检查孔。

2.2 施工流程及参数

1）工艺流程

全风化花岗岩地层采用高压脉动灌浆工艺分段灌浆[5]，强～弱风化地层则采用常规纯水泥浆灌浆。高压脉动灌浆工艺流程如图1。

图1 高压脉动灌浆工艺流程

2）施工参数

①设计终孔深度为进入强风化花岗岩地层5 m 以上，且终孔压水试验透水率＜5 Lu。

②先导孔施工时，进行全孔取芯，且分段进行注水/压水试验。首段2 m 进行一次注水试验，第二段3 m进行一次注水试验，第三段及后续段次每5 m 进行一次注水试验，进入强风化地层后每5 m 一段进行压水试验。

③高压脉动灌浆水泥粘土砂石膏浆配合比为水泥：全风化花岗岩砂土∶水∶外加剂=1∶1～2∶2～3∶0.03～0.06（单位kg）。

④高压脉动灌浆分段段长为0.5 m，灌浆深度与最大灌浆压力参数见表1。

表1 灌浆深度与最大灌浆压力参数表

⑤高压脉动灌浆结束标准：采用灌浆压力与灌浆量双控指标，进行控制灌浆结束方式。结束标准如下：

a、当灌浆段注入量达到150 L/段，达到设定最小灌浆压力1.2 MPa 时，可结束该段灌浆，上提一段进行灌浆。

b、当灌浆段灌浆压力达到各段深设定的最大压力，且注入量达到75 L/段时，可结束该段灌浆，上提一段进行灌浆。

c、当灌浆段注入量达到400 L/段以上，仍未达到最小设定压力1.2 MPa 时，可结束该段灌浆，上提一段进行灌浆。

2.3 施工方法

1）钻孔放样定位。直接通过RTK 设备将副坝帷幕线先导孔点位根据桩号放样并打桩标记，再用皮尺根据1.5 m 孔间距放样出Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ序孔孔位。

2）移机钻进终孔。移机至孔位钻孔，孔位偏差不超过5 cm；开孔直径110 mm，根据设计终孔要求钻进至终孔，终孔直径75 mm。

3）浇筑套壳料。孔内灌注水泥粘土浆套壳料（套壳料是由水泥、粘土和水混合制备而成；其中，水泥和粘土的质量比为1∶3，水泥和粘土的总质量与水的质量比为1∶1.5）。

4）下注浆管连接管路。下入直径大于55 mm 的大口径注浆管至孔底，孔口高出1 m 左右，安装拔管机，拔出套管，接好管路、压力表等装置。

5）配置离析型浆液[6]。根据设计的配合比参数配置浆液，砂土材料直接取用通过10 mm 方孔筛的全风化花岗岩，选用的特殊外加剂HY-1 能够保证浆液快速离析、沉淀。

6）分段提升高压脉动灌浆。以0.5 m/段自下而上对全风化地层进行高压脉动灌浆，严格按照设计灌浆参数控制。

3 施工效果检查

采用控制性的高压脉动灌浆方法对该水库副坝及连接段山体进行了防渗处理，施工过程前后通过专业的检测单位进行了第三方检测。检测方法及结果如下：

1）对灌浆前后地层钻孔进行声波测试，灌后Vp值提高，波动幅度变小，说明灌浆处理效果较好。

2）对灌浆前后地层取样进行土工试验检测，原土样平均干密度1.77 g/cm3，平均孔隙率32.2%；灌浆后土样平均干密度1.88 g/cm3，平均孔隙率28.2%，说明灌浆后土体密实度有所提高。

3）对灌浆前后地层进行了透水性检测，原土样渗透系数3.4×10-4cm/s 和4.9×10-4cm/s，为中透水等级；灌浆后土体渗透系数8.3×10-5cm/s 和7.3×10-5cm/s，为弱透水等级。检验说明防渗处理后地层形成一种密实性高、抗渗性能好的均质体复合地基，达到了小于5 Lu的工程设计防渗要求。

4 结 语

本工程应用的离析型浆液是一种在高压脉动灌浆压力下，能够快速离析的水泥粘土砂石膏浆。其粗颗粒浆体能够对地层产生挤密作用，细颗粒浆体对松散结构进行劈裂填充与固结，同时作用使得全风化花岗岩地层达到一种整体性密实的效果。即使在地层中存在风化孤石时，也能够使孤石与其周围地层形成一个紧密的整体。通过本工程对控制性高压脉动灌浆方法在全风化花岗岩地层防渗处理施工中的成功应用，为今后类似工程提供了更多的方法选择。由于施工效果好，能节约材料成本等方面的特点，在类似工程中通过相关工艺参数的适当调整，本方法应更具有应用优势。