无盖重覆盖层下部砂岩地层帷幕灌浆施工技术应用

(中国水利水电第五工程局有限公司，成都，610066)

目前我国正处在新一轮的城镇化建设中，随着城市的不断扩张，人口的快速增长，带来了日益突出的城市饮水问题。大力开发中小型水库为解决城市供水问题提供了出路，因此中小型水利工程的建设必将作为未来一段时间内国内开发建设的重点方向。

1 工程概况

广安邻水向阳桥水库工程是《全国中型水库建设总体安排意见(2013-2017年)》、《西南五省重点水源工程近期建设规划》和《四川省“十二五”水利发展规划》中规划建设的工程之一，是一座兼具防洪、农业灌溉、城镇及农村饮水、区域水生态文明建设等综合效益的中型水库。水库位于广安市邻水县西南部的丹水滩河上游，坝址位于西天乡政府下游1km，坝址控制流域面积19.1km2，水库总库容为1644万m3。枢纽永久性主要建筑物包括挡水大坝、泄洪建筑物、放空(取水)建筑物、充水渠道等，此外工程还包括灌区输水管道及县城输水管线等配套工程。

向阳桥水库两岸坝肩坝顶高程以上及库区防渗轴线地表均为第四系残坡积堆积物及强风化岩层，且地表高程普遍在365m～368m之间，受地形地质条件限制，如果设置灌浆平硐将会面对成洞条件差、轴线长的问题，不仅施工安全风险大而且建设投资成本高，因此设计考虑直接从地表覆盖层钻孔进行正常蓄水位(346m)以下防渗帷幕灌浆施工。

2 主要施工难点

在传统的水利水电工程基岩帷幕灌浆施工中，防渗帷幕的钻孔灌浆需先清除地表覆盖层或者设置灌浆平硐，然后在裸露的基岩或平硐底板上设置混凝土盖重，并在盖重达到一定设计强度后方可实施钻孔及帷幕灌浆施工。

然而，向阳桥水库工程中防渗帷幕既不设置平硐、不清除覆盖层，也不浇筑混凝土盖重，而是直接从地表覆盖层中钻孔进行正常蓄水位(346m)以下灌浆施工。施工现场在原始地面与帷幕灌浆顶线(高程346m)之间有将近20余米的孔段内不进行灌浆，经前期地质勘查，帷幕灌浆施工区域为砂岩与泥岩互层地质，岩石节理裂隙极为发育、地质条件较差，地层结构如图1所示。如果采取常规灌浆方法贸然进行帷幕施工，极易在施灌过程中发生塌孔、绕塞返浆，甚至废孔等一系列问题，不仅造成帷幕灌浆质量无法保障，同时可能造成施工工期大大延长、成本大幅增加。

针对上述特点，如何在无盖重条件下进行覆盖层下部帷幕灌浆成为摆在施工技术人员面前的一道难题。

3 施工方法

3.1 技术方案比较

由于灌浆顶高程346.00m以上为覆盖层及强风化～弱风化砂/泥岩结构，直接钻孔至设计高程灌浆极易在上部覆盖层发生塌孔或非灌段基岩绕塞返浆等现象，最终造成废孔事故发生。针对这种特殊的帷幕灌浆结构型式，通过查找资料，常规的施工解决方法有两种：

方案一：采用跟管钻孔灌浆的施工方法，即采用液压跟管钻机和扩孔钻头，套管护壁自上而下进行钻孔，并在钻孔全部完成后在套管内放入灌浆塞。灌浆过程中，将灌浆塞安放在套管底端，采用拔管机分段提升护壁套管和灌浆塞，自下而上分段进行帷幕灌浆，直至全孔灌浆完成。

方案二：根据覆盖层及非灌段基岩情况，采取预固结的方式，先对上部覆盖层及强风化基岩进行固结灌浆，然后采用正常的帷幕灌浆程序，从灌浆顶346m开始自上而下分段对基岩进行帷幕灌浆施工，直至全孔灌浆完成。

两种技术方案均能够解决灌浆施工中容易出现的塌孔和绕塞返浆等问题，但也存在诸多缺点和不足，具体分析如表1。

表1 帷幕灌浆施工技术方案比较

3.2 改进后的具体施工方法

鉴于上述两种技术方案存在的缺点和不足，通过分析比较，考虑结合两种方案各自的优点。经过研究决定在地表覆盖层段设置钢套管，防止孔口及覆盖层段塌孔；在基岩非灌浆段采用泥浆护壁，并在灌浆段顶部一定范围内进行水泥预固结灌浆。确保在无盖重条件下覆盖层下部的砂岩地层帷幕灌浆施工质量。

3.2.1 施工工艺流程

无盖重条件下覆盖层下部砂岩地层帷幕灌浆施工流程如图2所示。

图2 无盖重覆盖层下部砂岩地层帷幕灌浆施工流程

3.2.2 施工具体要求

(1)对于灌浆孔穿覆盖层段，为确保成孔并防止后期施工钻孔灌浆过程塌孔造成事故，采用薄壁钢管进行护壁。其中，覆盖层段钻孔孔径φ91mm，采用φ89mm、δ=2.0mm的焊接钢管进行护壁，并保证钢管护壁段深入强风化线1.0m以下，同时采用水泥浆对钢套管进行嵌固，待凝24h。

(2)帷幕灌浆顶高程以上非灌段由于基岩裂隙的存在，为防止发生塌孔和绕塞返浆的问题，采取如下处理措施：

①对灌浆段顶高程以上4.0m范围以外的部位进行泥浆护壁，即在钻进过程中，采用泥浆泵向孔内循环注入泥浆的方式，对钻孔孔壁进行防护。为确保护壁效果，可根据施工现场具体情况在泥浆中适当添加膨润土等外加剂，同时也可根据非灌段基岩裂隙大小和具体情况采用孔口封闭加压等方式，确保护壁效果。

②对灌浆段顶高程以上4.0m范围内进行水泥预固结，具体要求如下：

A.采用1∶1中等浓度水泥浆进行施灌；

B.根据压水试验过程中的返水情况，预固结段可自上而下分两次施灌(灌浆压力分别为0.2MPa、0.4MPa)，也可一次性全段施灌(灌浆压力0.2MPa)；

C.预固结段灌浆根据实际情况控制灌浆量，对于吃浆量较大的部位，为降低施工成本，单耗可按50kg/延米控制，灌浆总量达到200kg后灌浆结束；对于吃浆量较小的部位，该灌浆段在最大设计压力下，当注入率不大于1L/min后，继续灌注30min，即可结束。预固结灌浆结束后，随即进行待凝，待凝不得小于24h；

D.预固结段完成待凝后重新扫孔至346.00m帷幕灌浆顶高程，至此非灌段预固结工作全部完成。

具体灌浆办法及分段情况如图3所示。

(3)库区346.00m高程以下灌浆段在施灌过程中按照设计分段及灌浆压力要求进行：

①所有灌浆孔第一段段长均按3m(即346.00m～343.00m)控制，其中Ⅰ序孔及先导孔第一段灌浆压力为0.6MPa，Ⅱ、Ⅲ序孔灌浆压力为0.8MPa；

图3 无盖重覆盖层下部帷幕灌浆结构示意

②除第一段外，灌浆孔段长宜按5m控制，且终孔段段长不得超过8m。各段灌浆压力：Ⅰ序孔及先导孔灌浆压力为1.0MPa，Ⅱ、Ⅲ序孔灌浆压力为1.2MPa；

(4)库区346.00m高程以下造孔及灌浆过程中如遇较大裂隙(钻孔期间不返水、压水过程不起压等)，则采用无压浓浆反复施灌、待凝的方式进行处理，必要时考虑在孔口适当加砂处理，单次注浆量可由监理根据现场实际情况及时调整以确保灌浆效果，每次待凝时间不得小于24h。

(5)帷幕灌浆完成后，对相应的灌浆孔进行封孔处理，封孔具体要求如下：

①封孔高程按灌浆顶高程以上2m控制，即348.00m高程；

②封孔压力采用1.2MPa；

③348.00m高程以上封孔采用人工回填土料的形式进行。

(6)对于终孔段压水试验吕荣值大于5的孔段，根据实际情况适当加深处理。

(7)大坝左、右岸帷幕灌浆延伸线以及涉及覆盖层造孔灌浆的部位，参考上述办法进行施工。

通过采用上述施工方案，向阳桥水库库区及坝肩帷幕灌浆施工取得了较好的效果。在灌浆施工过程中未发现塌孔及绕塞返浆等现象，后期检查孔取芯过程中，可见水泥结石，压水检测结果(见表2)均满足设计及规范相关要求。

表2 库区帷幕灌浆压水检测对比

通过对比分析灌浆前后相关部位的透水率，基岩的透水性明显降低，随机抽取的检查孔透水率全部低于设计规定的5Lu，无盖重覆盖层下部帷幕灌浆取得了较好的防渗效果。

3.3 施工注意事项

(1)合理规划施工现场，做好场地排水系统、泥浆池、施工材料及设备堆放场地布置。

(2)覆盖层造孔过程中要注意根据钻孔情况判断覆盖层具体厚度，并安装配套长度的护壁钢套管，确保钢套管深入基岩不少于1m。覆盖层较浅时，钢套管可采用薄壁焊管。

(3)覆盖层造孔应适当增大孔径，放入钢套管后，采用水泥浆进行填充，并待凝24h，确保钢管与覆盖层孔壁嵌固牢靠。

(4)非灌段钻孔过程中应确保泥浆池和配套泥浆泵运行良好，泥浆比重需根据具体情况配备，确保钻孔过程中泥浆护壁效果。

(5)非灌段钻孔完成后，采用孔内下灌浆塞，循环式灌浆的方法对预固结段进行施灌。

(6)水泥预固结段按耗灰量进行控制，施灌过程中可根据吃浆量适当调整灌浆压力。

(7)水泥预固结灌浆施工结束后，必须按不小于24h进行待凝，确保固结效果，同时起到帷幕灌浆盖重和防止绕渗的作用。

(8)灌浆段内采用水泥浆进行封孔，上部基岩和覆盖层等非灌段采用人工回填土料进行封堵。

(9)及时清理水泥废浆、尽可能拆除覆盖层内钢套管，进行场地恢复，方便后期复耕。

4 结语

水利水电工程中帷幕灌浆对减小水库渗流、降低坝体扬压力，确保工程安全运行方面具有十分重要的意义。无盖重覆盖层下部砂岩地层帷幕灌浆施工技术在广安邻水向阳桥水库工程帷幕灌浆施工过程中的成功应用，解决了无盖重条件下覆盖层下部帷幕灌浆易废孔、成本高、进度慢、帷幕质量难以保障等一系列施工难题。不仅保证了大坝帷幕灌浆的施工质量，同时加快了施工进度，确保目标工期的顺利实现。在降低施工成本的同时，满足了安全、进度、质量、技术等各方面的要求，该技术方案得到建设单位、设计及监理单位的一致认可，为工程度汛和按期蓄水奠定了坚实基础，也为类似工程施工提供了参考经验，具有显著的社会效益。