倾倒变形发育地质条件下大坝帷幕灌浆施工质量控制技术

张继良，申 晨，王 颖

(长江河湖建设有限公司，湖北 武汉 430000)

作为水利工程中的一项关键技术，帷幕灌浆技术将浆液灌入土层或岩体的孔隙中，通过各孔中的注浆液体相互搭接，形成连续的阻水帷幕，达到阻断水流的目的。同时减少地基中地下水的渗透，提高大坝的稳定性和安全性，保障大坝的有效运行[1-2]。相较于其他灌浆施工技术，帷幕灌浆技术具有施工流程简单，投入成本低和安全性高等优势，在工程领域中有着较为广泛的应用[3]。在帷幕灌浆施工过程中，地质地形条件是影响工程质量的关键因素，倾倒变形发育地质条件作为一种复杂的地质条件，具有变形量极大、持续时间长和控制难度大等特点，其中钻孔涌水问题成为大坝帷幕灌浆工程的难点，严重影响着帷幕灌浆工程的质量[4-5]。为此，本研究提出了帷幕灌浆施工质量控制方法，以提高倾倒变形发育地质条件下帷幕灌浆效果，满足实际水利工程需要。

1 大坝帷幕灌浆施工质量控制技术

1.1 工程概况

湖北省某水电站大坝主要功能为发电，其组成部分主要包括砾质土心墙堆石坝、泄洪洞、开关站、发电系统和地面厂房。坝顶高程1030.4m，坝顶宽6.3m，坝顶长97m，最大坝高和最大坝底宽分别为30m和53.47m。大坝正常蓄水位1023.60m，相应库容2.77亿m3，电站装机容量1055MW，年均发电量13亿kW·h。该水电站大坝基础帷幕灌浆主要分布在河床水平廊道内、左右岸廊道内和左右岸灌浆平洞内，主要为0+266.00—0+387.00灌浆廊道的帷幕灌浆，主要包括主帷幕灌浆和副帷幕灌浆，其中主帷幕灌浆轴线为大坝心墙轴线，最大孔深为70m，排距为0.8m；副帷幕灌浆位于主帷幕灌浆轴线下游3m处，孔深60m，排距为1.2m。所有帷幕灌浆孔模式均设置为双排，帷幕孔孔间距为1.7m，灌浆工程量80000m左右。灌浆孔钻孔采用地质钻机进行，利用地质钻机易于控制和工艺成熟等优势，加快成孔速度，避免不必要的人力和物力浪费，提高施工效率。钻头采用金刚石钻头，开孔孔径和终孔孔径分别为120mm和96mm，其他钻孔孔径均超过60mm，钻孔岩芯采取率大于85%。在钻孔过程中，需要注意钻孔测斜角度，避免因过大的角度误差影响帷幕灌浆质量，同时应对岩性变化、钻孔速度、塌孔和掉孔等详细信息进行记录，方便后续帷幕灌浆方案的调整。浆采用孔口封闭、孔内循环、自上而下分段灌浆法，灌浆方式为循环式，灌浆管距离孔底小于55cm，设置待凝时间为10h，以减小下一段造孔难度。将压力表安装在孔口回浆管路上，灌浆过程中灌扩浆压力先低压后高压，提高浆液的分散范围，避免浆液在非灌浆区域渗灌，提高对灌浆量的有效控制水平。同时降低经济成本和时间成本，推动帷幕灌浆工程质量的提升。

库区地势总体呈东南西北走向，库身周边山体雄厚，西北部有少量垭口地形分布，坝址两岸坡地形总体较陡。倾倒变形体高约635m，其分布高程范围为1540～2198m，地形坡度范围一般为35°～54°，位于1890～1995m高程范围的地形坡度较大，其范围为38°～68°，局部地区为悬崖。受构造运动的影响，该地地质条件较差，岩石完整程度较低，岩体多呈破碎状，大坝地层岩石由新到老依次为第四系覆盖层、三叠系地层和二叠系地层组成，其中第四系覆盖层主要由全新统冲洪积粉质黏土和残积碎石土组成，残积碎石土的岩性表现为碎石夹土、碎块石夹土和砂卵石，其厚度分别为2～11、52～68、11～18m，主要分布在河床上；全新统冲洪积粉质黏土的岩性表现为碎石土，其厚度不超过2m，主要分布在两岸山坡以及坝址两岸坡脚处。三叠系地层的岩性表现为变质砂岩和板岩，其厚度范围为600～800m，其中变质砂岩呈灰白或灰黑色，构造呈粒状，具有较强的光泽感；板岩呈黄褐色，岩性致密，水平承受压力强。二叠系地层岩性主要表现为结晶灰岩、玄武岩和板岩，其中结晶灰岩厚度为55～80m，风化面颜色呈灰色，新鲜面颜色呈灰黑色，晶粒结构，层状构造；玄武岩厚度为150～200m，风化面颜色呈褐色，新鲜面呈灰黑色，斑状结构，块状构造；板岩厚度为80～120m。

该大坝区域的地下水类型包括松散堆积孔隙水和基岩裂隙潜水组成，其中松散堆积孔隙水主要分布在第四系覆盖层中，一般在沟谷地带呈泉水形式流动，补给来源主要为大气降水，其丰水期和枯水期分别为5—10月和11月—次年10月，形成季节性泉水；基岩裂隙潜水分别较为广泛，赋存于基岩裂隙中，岩体渗透性较强，形成良好的地下水通道，地下水较为丰富。地下水位埋深为2.54～13.25m，流量为340L/d，水位深度年均变化幅度为3.6～4.8m。该帷幕灌浆工程的地址和水文概况如图1所示。

图1 帷幕灌浆工程的地质和水文概况

由图1可知，该帷幕灌浆工程的地质条件较差，岩体完整性较差，倾倒变形程度较为严重；同时岩体渗透性较强，地下水资源丰富，地下水局部富集，形成地下径流。倾倒变形的地质条件和丰富的地下水，极易造成孔口涌水量大等问题，严重影响灌浆质量和施工进度，给帷幕灌浆工程的实施带来挑战。

1.2 涌水孔段质量控制

在帷幕灌浆施工过程中，由于钻孔揭露了裂隙含水带，导致地下水排泄释放，造成钻孔涌水问题。涌水压力最大可达到0.28MPa，涌水量范围在65～300L/min，涌水现象较为严重。较为普遍的涌水现象易造成非正常回浆返浓现象，无法满足不超过1L/min注入率要求的灌浆结束标准；同时大涌水量会导致稀浆灌注量大，造成灌注量减少和不吸浆等问题，严重影响帷幕灌浆施工质量和进程[6-7]。为此，研究采用帷幕注浆操作对进行堵水，通过对注浆参数进行设计，并将补充注浆与帷幕注浆相结合，以减少施工过程中的涌水量，降低安全事故发生的风险，并提高施工效率，保证施工进度，提升对帷幕灌浆施工质量的控制和管理水平。同时保护地下水环境，减少水利建设对生态环境的破坏，促进生态环境的可持续发展[8-9]。在发现涌水后，利用帷幕灌浆钻孔作为检查孔，对钻孔区域的地质和水文状况进行探测，为设计帷幕注浆方案提供可靠参考。在实施帷幕注浆前，需要设置止浆墙，以防止发生漏浆现象，保障浆液的有效扩散，同时为施工作业提供稳定的工作平台，保障相关人员的生命安全。通过设置引流孔将深部涌水进行引流排放，选取C450混凝土设置，止浆墙厚度为3.5m，采用钢管桩对止浆墙进行加固，增强其稳定性和安全性。同时在止浆墙下端埋设排水管，用以对涌水进行排放，确保止浆墙的稳固性。

帷幕注浆段加固长度为28m，每循环设计4个加固区间，其中0～7m为第一加固区间，7～15m为第二加固区间，15～21m和21～28m分别为第三加固区间和第四加固区间。注浆材料使用普通水泥水玻璃双液浆，其中水玻璃模数为2.0～2.9，普通水泥P.O52.5，水玻璃和普通水泥的配比是0.8∶1，注浆压力为3.5～4.8MPa。注浆方式包括前进式注浆和钻杆后退式注浆，其中前进式注浆适用于涌水和泥夹层严重的钻孔，同时考虑到岩体破碎程度较为严重，地质条件较差等因素，前进式注浆选择钻、注交替的注浆方法，即前进式分段注浆工艺，以避免一次注浆导致的钻孔堵塞等问题，从而提高浆体的分散效果，达到加固大坝的目的。钻杆后退式注浆适用于有较大空洞的钻孔。注浆孔数为40个，注浆孔间距为6m，注浆孔口管的长度为1.3m，壁厚为4.5mm。注浆量W的计算如式(1)所示。

W=πR2Lmαβ

(1)

式中，R、L、m—浆液扩散半径、注浆长度和岩体孔隙率；α、β—浆液填充系数和消耗率，其中浆液扩散半径的计算见式(2)。

(2)

式中，r、H、T—输浆管半径、岩体渗透率和注浆时间，单位分别为m、μm2和min；a1、a2—浆液与水的黏滞系数；O—注浆压力，MPa。

在确定注浆工艺的各项参数后开始帷幕注浆施工，在止浆墙上标定孔位，采用小口径金刚石钻孔，孔径大于48mm。同时在帷幕轴线两侧35m处钻设观测孔，用于对地下水位进行测量并观察，各钻孔具体位置应在地下水径流富水性较强的地段，并且地质条件具有稳定性，能够进行长期观测。地下水位测量周期为5min，将水位下降速度作为钻孔稳定性和可行性的判断标准。在止浆墙内埋设导水管进行注浆，注浆方法采用自上而下分段注浆法，注入率不超过2.5L/min，注浆结束标准为注浆压力达到设计终压，且注浆量达到设计注浆量的85%，即可停止注浆。帷幕注浆施工流程如图2所示。

图2 帷幕注浆施工流程

由图2可知，帷幕注浆施工的基础是对钻孔状况的探测，通过对钻孔区域地质条件和水文条件的探测，掌握钻孔相关信息，为后续设计帷幕注浆工艺提供可靠参考，提高帷幕注浆施工的可行性；通过前进式分段注浆与钻杆后退式注浆工艺的结合工艺，有利于阻断裂隙通道，提高局部和全局注浆效果，为大坝帷幕灌浆施工质量提供可靠保障。

2 帷幕灌浆施工质量分析

随机选择Q1、Q2、Q3、Q4、Q5和Q6检查孔用于施工质量检验，将岩石质量指标(Rock Quality Designation，RQD)、岩体透水率、声波检测和第三方验收分数作为评价帷幕灌浆施工质量的标准，根据GB50021—2001《岩土工程勘察规范》中RQD相关标准，RQD值位于90%～100%区间内表示岩体完整性很好，RQD值位于75%～90%区间内表示岩体完整性好，RQD值位于50%～75%区间内表示岩体完整性一般[10]。根据帷幕灌浆工程质量评定相关标准，岩体透水率不超过5Lu，表示帷幕灌浆工程透水性合格[11]。验收分数≥90分，表示工程质量合格[12]。在此过程中，加入传统大坝帷幕灌浆施工质量控制技术作为实验对比，并将研究方法与传统控制技术分别记作控制技术1和控制技术2。灌浆后岩石的RQD值对比如图3所示。

图3 灌浆后岩石的RQD值对比

图3(a)中，在技术1的控制下，Q1、Q2、Q3、Q4、Q5和Q6各检查孔岩石的RQD值在75%～94%范围内变化，其中Q6检查孔岩石的整体完整性最好，在段次1、2和3的岩石RQD值分别为85%、93%和89%；Q1检查孔岩石的整体完整性最差，其RQD值最低为75%，最高达到88%。图3(b)中，在技术2的控制下，岩石的RQD值最高达到84%，位于Q4检查孔的1段次，岩石的RQD值最低为63%，位于Q5检查孔的1段次。岩石RQD值集中在70%～80%区间，整体岩石RQD值水平较低。可以看出，控制技术1提高了岩石RQD值，保证了岩石的完整性。灌浆后的岩体透水率对比如图4所示。

图4 灌浆后的岩体透水率对比

图4(a)中，Q1、Q2、Q3、Q4、Q5和Q6各检查孔岩体的透水率保持在2.6～4Lu区间内，其中Q1检查孔段次3的岩体透水率最低，Q4检查孔段次2的岩体透水率最高。从整体透视率来看，Q6检查孔帷幕灌浆效果最好，其段次1、2、3的岩体透水率分别为2.7、3、3.5Lu。图4(b)中，各检查孔岩体的透水率保持在4.4～6Lu范围内，岩体透水率水平较高，其中Q1检查孔段次2的岩体透水率最高，Q2检查孔段次3的岩体透水率最低，但相较于技术1仍提高了1.8Lu。可以看出，在技术1的支持下，帷幕灌浆后岩体的透水率均不超过5Lu，符合帷幕灌浆工程质量标准。灌浆后岩体声波曲线对比如图5所示。

图5 灌浆后岩体声波曲线对比

由图5可知，控制技术1与控制技术2的帷幕灌浆工程质量存在显著差距，图5(a)中，坝基左侧的波速集中在5.5～6km/s范围内，坝基中侧的波速集中在4.5～5.8km/s区间内，相较于坝基右侧的波速整体提高约0.3km/s。从整体来看，虽然随着深度的增加，波速出现较大波动，但是波速处于较高水平。图5(b)中，岩体声波的波速保持在3.6～5.3km/s区间内，其中坝基左侧的波速较快，在深度为18～30m范围内，波速基本稳定在5.3km/s；坝基右侧的波速整体较慢，在深层岩体中的波速稳定在4～4.45km/s范围内。可以看出，控制技术1显著提高了声波在岩体中的传播速度，这表明岩体的完整性较好。第三方验收分数对比如图6所示。

图6 第三方验收分数对比

图6(a)中，各检查孔的验收分数保持在85～94分区间内，其中Q1的帷幕灌浆效果较差，其验收分数在所有验收分数中位于最低，Q4的帷幕灌浆质量最好。整体来看，在技术1的控制下，帷幕灌浆工程质量较好，其验收分数稳定在93分。图6(b)中，帷幕灌浆工程质量最好和最差的检查孔分别是Q4和Q1，其验收分数分别为87分和77分，Q2、Q3、Q5和Q6各检查孔帷幕灌浆的验收分数分别为86、82、83、80分，整体验收分数稳定在83分，相较于控制技术1降低了约10分。由此，控制技术1明显改善了帷幕灌浆质量，有利于提升倾倒变形发育地质条件下大坝的稳定性和安全性。

3 结语

帷幕灌浆在水利工程建设中承担着加固大坝等作用，为提高帷幕灌浆施工水平，研究提出了一种帷幕注浆技术。通过调整注浆参数，平衡补充注浆和帷幕注浆之间的使用比例，从而减少施工过程中的涌水量，并利用该方法对湖北省某大坝帷幕灌浆施工过程进行了应用分析。结果表明，岩石的RQD值和透水率分别保持在75%～94%和2.6～4Lu区间内，坝基波速最高和最低值分别为6km/s和4.5km/s，第三方验收分数相较于传统技术提高了约10分。该方法增强了坝基的整体性和稳定性，有利于推动复杂地形条件下帷幕灌浆技术的进步。但研究存在质量评价指标不丰富的缺陷，需要增加评价指标，进一步论证本研究结论。