連江砂卵石巖溶地層防滲帷幕灌漿效果分析

李立仁

(浙江東洲建設監理咨詢有限公司 杭州 310001)

1 概述

連江，又名小北江，古稱湟水，是北江最大的支流，流域面積10061km2，干流總長181km，于連江口匯入北江。連江流域于1959～1975年間先后在連州至浛洸133km的連江航道上建成了11座航運樞紐。

黃牛樞紐為連江渠化工程第三梯級，位于陽山縣石螺鎮，樞紐布置從左到右為船閘、左岸水電站、26孔翻板門溢流壩、6孔提升門溢流壩、右岸水電站，溢流壩結構為金包銀(壩內為堆石體，壩外表為0.5～1.0m厚的混凝土)，上閘首突出于壩軸線上游約19.50m，樞紐擋水前沿總長272.93m。船閘為100t級。

黃牛樞紐壩址處下伏基巖均為二迭系下統灰巖，特別是第一巖組，其質純且單層厚度大，未見夾層，處于河谷地帶，地表及地下水活動相對劇烈，其巖溶發育更為強烈。壩址區前期勘探21個鉆孔，其中11鉆孔中，發現17個溶洞，鉆孔遇洞率52.4%，線巖溶率19.8%，17個溶洞中有7個洞高在0.6～0.9m之間;另有8個洞高在1.1～6.5m之間，最大的兩個洞高達18.7m(ZKc1孔)和10.2m(ZKc14孔)。17個溶洞中有15個洞充填含泥砂卵礫石及灰巖碎塊，兩個洞中(ZKc3和ZKc17)無充填。經多次論證河床壩段樁號0+34.97～0+113.85段巖基下為較大溶洞區域;樁號0+117.85～0+203.38段壩基下分布最大厚度6m的卵石地層和砂卵石礫石地層。

河床壩段防滲帷幕灌漿自2007年1月開始，至2007年12月止已完成帷幕灌漿 186孔，鉆孔3884.80m，其中混凝土鉆進 352.40m、漿砌石鉆進411.30m、基巖鉆3121.10m;灌漿3366.10m;完成防滲灌漿檢查孔17個，壓水試83段。

2 帷幕灌漿設計

帷幕灌漿布置于壩軸線壩0+000，帷幕灌漿按單排設置，兩序施工;孔距為1m左右，帷幕深度一般為13.5～29.5m;經2007年7月13日專家論證會要求，對孔距1.60m的閘墩增加15孔;帷幕孔共308孔，先導孔的深度超過帷幕設計孔深5m。帷幕防滲標準:透水率不大于5Lu，壩體混凝土與基巖接觸段及其下一段的合格率應為100%，其余各段合格率應不小于90%，不合格試段的透水率不大于7.5Lu，且分布不集中，灌漿質量即認為合格。

3 帷幕灌漿施工

因黃牛樞紐工程帷幕防滲施工尚未完工，為了總結分析黃牛樞紐帷幕灌漿防滲效果，下面選兩個已完成的典型河床(壩0+117.85～0+145.05段砂卵石地層和壩0+060.97～0+086.97段巖溶地層)段進行帷幕灌漿施工分析總結。

3.1 帷幕灌漿施工程序

帷幕灌漿施工工藝流程如圖1所示:

圖1 帷幕灌漿施工工藝流程

3.2 帷幕灌漿施工

3.2.1 鉆孔

采用HT-150型回轉地質鉆機配金剛石鉆頭造孔，第一段孔徑為91mm，第二段以下改為73mm直至終孔;鉆孔孔深不小于設計孔深;鉆孔達設計孔深后，用清水沖洗鉆孔，使其孔內沉積物厚度不超過20cm。

3.2.2 裂隙沖洗

帷幕灌漿孔在灌漿前采用壓力水進行裂隙沖洗，直至回水清凈時止。沖洗壓力為灌漿壓力的80%，且不大于1MPa。

3.2.3 壓水試驗

帷幕灌漿孔灌漿前的壓水試驗在沖洗后進行，做壓水試驗的孔為Ⅰ序孔的50%，Ⅱ序孔的10%和全部檢查孔，壓水試驗按《水工建筑物水泥灌漿漿施工技術規范》(DL/T 5418—2001)執行。

3.2.4 灌漿

灌漿材料為標號42.5MPa的普通硅酸鹽水泥;采用自動記錄儀記錄灌漿全過程;灌漿均采用自上而下分段灌漿，其水灰比由稀至濃逐級變換，采用2∶1、1∶1、0.8∶1、0.5∶1等比級，各孔段灌漿壓力選用見表1:

表1 灌漿壓力(MPa)參數

3.2.5 漿液變換原則

當灌漿壓力保持不變，注入率持續減少時，或注入率不變而壓力持續升高時，不改變水灰比;當某級漿液注入量已達300L以上，或灌漿時間已達30min，而灌漿壓力和注入率均無改變或改變不顯著時，則改濃一級水灰比;當注入率大于30L/min時，在無串漿、漏漿情況下，壓力沒有升高、流量沒有減小或灌漿單耗超過400kg/m時，可根據具體情況越級變濃。

3.2.6 灌漿結束標準

在自上而下分段灌漿時，灌漿段最大設計壓力下，注入率不大于1L/min后，繼續灌注60min，可結束灌漿。

3.3 特殊地層灌漿處理

3.3.1 巖溶灌漿

施工中對灌漿孔段有溶洞、溶槽，按照“先封閉再密實”的原則進行灌漿，即先對溶洞、溶槽進行充填和封堵，之后再掃孔按設計技術要求進行水泥灌漿。施工時根據溶洞的充填情況及充填物主要為砂卵石層的特點，主要采取了如下封堵措施:

a.對于溶洞內充填物為砂卵石(夾少量黃泥)的情況，采取3.3.2“砂卵礫石層灌漿”方法實施。灌漿盡量采用較低的灌漿壓力。

b.對于特別大的溶洞，為避免漿液流失太多，采用拌制好的0.5∶1的水泥漿加入較多粗砂或礫石及水泥重量4%的水玻璃，從孔口直接灌(倒)入孔內，如78號、120號灌漿孔就是采用這種方法。

c.對于無充填物的溶洞，在鉆孔完成后灌入水泥砂漿，砂漿配合比一般采用0.5∶1∶0.5～1.2(水:水泥:砂)，砂漿灌入施工工藝:將灌漿管下到孔底，孔口敞開，用較低的壓力將砂漿慢慢灌入孔內直至填滿溶洞。本工程溶洞段數約占溶洞區域的25%，每次灌入的水泥量控制在3～6t范圍內。

3.3.2 砂卵礫石層灌漿

根據62號、63號、68號 ～71號、77號 ～78號、83號、85號～86號等鉆孔資料，孔段漿砌石層以下溶洞充填物主要為砂卵礫石夾黃泥，卵石大小一般3～5cm;而118號～119號、124號～141號漿砌石層以下砂卵礫石厚2.7～7.3m，最大粒徑達15cm。由于砂卵石層中的孔隙較大，砂卵石層壓水試驗的透水率較大，故灌漿吃漿量相應很大，砂卵石層灌漿主要目的是將鉆孔周圍的砂卵石進行固結并形成一定的半徑，由于灌漿漿液的走向和擴散半徑較難控制，施工中采取以下措施:

a.鉆孔段完成后，下灌漿花管φ50，孔口封閉，以純壓式將水泥漿壓入孔內，采用花管的目的是以利漿液均勻擴散。

b.對灌漿量大的孔段，及早采用0.5∶1的濃漿灌注，摻入水泥用量3%的水玻璃速凝劑，以減少漿液流失。

c.遇灌入量特別大的灌漿孔段，直接采用0.5∶1的水泥漿加入水泥重量50% ～80%的細砂，用限量、停停灌灌，每次限量水泥用量200kg/m左右，鉆灌時適當縮小灌漿段長，以2～3m為一段。

3.3.3 漿砌石層灌漿

溢流壩底板混凝土下2.5～4.0m左右為漿砌石基礎，先導孔及Ⅰ序孔鉆孔時發現漿砌石層砂漿不飽滿、空隙大，漿砌石與基巖(或砂卵石層)的接觸面可能受長期滲流的作用，帷幕線范圍內局部出現0.3～0.6m高的空洞，鉆孔無回水。

根據鉆孔情況，灌漿采用水灰比0.5∶1的濃漿開灌，漏漿、串漿情況嚴重，灌入量很大，效果不理想，后改灌砂漿(在0.5∶1的水泥漿中加入水泥重量0.5～1.0倍的砂)，復灌1～2次，每次灌入水泥量在1.0t左右，取得較好的效果。Ⅱ序孔鉆灌時，漏漿、串漿情況明顯改善，鉆進有回水，基本上灌注一次砂漿后再復灌一次純水泥漿就可以達到結束標準。

3.3.4 檢查孔壓水試驗成果

兩個帷幕灌漿區完成后，進行6個檢查孔的壓水試驗，其試驗成果統計詳見表2:

表2 檢查孔壓水試驗成果

a. 從表2 可以看出 J1、J2、J4、J5、J6 五個檢查孔各孔段壓水透水率均小于5Lu，滿足設計提出的防滲標準。

b.J3檢查孔有兩個壓水段大于5Lu，壓水值分別為6.71Lu和8.50Lu，壓水位置分別是第三段(8～11m)和第四段(11～14m)，按照設計防滲標準，該檢查孔不合格，主要原因如下:

J3檢查孔位于77號與78號灌漿孔之間，灌漿施工時在76號～86號孔段發現3.5～21.45m范圍內分布有溶洞，主要充填物為砂卵石和碎巖塊夾少量黃泥，部分鉆孔發現溶洞無充填，灌漿時:?可能由于孔距較大，未能對Ⅰ、Ⅱ序孔中間接觸段地層進行充分的充填和密實;?砂卵石中夾少量流塑狀黃泥，在較高的水壓力下，溶洞內的黃泥容易被擊穿造成透水率較大。

3.3.5 現場施工質量監控

為確保黃牛船閘防滲帷幕灌漿施工質量滿足設計要求，施工單位嚴格按設計施工圖和技術要求及施工規范(DL/T 5148—2001)實施，要求施工中壓水試驗和灌漿記錄資料必須采用自動記錄儀實施;做到了施工中嚴格工藝作風和監控孔位、孔深、壓力、漿液變換、結束標準和灌漿記錄，前序工作未達設計要求，絕不進入下一道工序施工，施工中出現的各種技術問題能及時得到業主(工管部)、設計、現場監理工程師和施工技術員等進行的有效處理，要求承包商施工全過程有技術質檢員跟班，現場監理工程師做到全過程旁站監控，使防滲帷幕灌漿施工全過程處于受控狀態。

4 防滲帷幕灌漿效果綜合分析

依據黃牛樞紐閘壩已完成的帷幕灌漿和檢查孔壓水試驗成果資料，經認真統計和歸納，作出了如下分析:

4.1 單位注入量與孔序之間的關系分析

依據灌漿資料統計分析，其單位注入量與孔序關系分析詳見表3及圖2、圖3。

表3 單位注入量與孔排序關系

圖2 0+34.97～0+113.85段各孔序單位注入量直方圖

圖3 0+117.85～0+203.38段各孔序單位注入量直方圖

由表3及圖2、圖3可以看出:兩個防滲灌漿段隨著孔序的不斷加密，單位注入量呈現出逐序減小的變化趨勢，符合一般灌漿統計規律，說明Ⅰ序孔的可灌性較強，通過Ⅰ序孔的灌漿Ⅱ序的可灌性明顯減弱，灌漿效果明顯。樁號0+34.97～0+113.85段Ⅱ序孔單位注入量為Ⅰ序孔的65.37%，變化趨勢較為明顯;樁號0+117.85～0+203.38段Ⅱ序孔單位注入量為Ⅰ序孔的83.14%，變化趨勢相對樁號0+34.97～0+113.85段較小，其原因主要如下:

a.樁號0+117.85～0+203.38段Ⅱ序孔120號孔段出現了較大的無充填溶洞，水泥砂漿及水泥漿液灌入量較多。

b.帷幕為單排孔布置，在巖溶發育地質條件下孔距相對較大，漿液走向較難控制，導致Ⅱ序孔注入率較大。

4.2 灌前壓水Lu值的分析

灌前壓水透水率Lu值的分析見表4及圖4、圖5。

由表4及圖4、圖5可明顯看出:

a.兩個灌漿區段的透水率都比較大，樁號0+34.97～0+113.85段Ⅰ序孔平均透水率190.4Lu，Ⅱ序孔平均透水率87.4Lu;樁號0+117.85～0+203.38段Ⅰ序孔平均透水率281.7Lu，Ⅱ序孔平均透水率151.9Lu。透水率大的孔段大多出現在Ⅰ序孔，主要出現在第一段和溶洞、溶槽及砂卵石層部位。

表4 灌前壓水透水率Lu值成果分析

b.從透水率累計頻率曲線得知，兩個灌漿區段的Ⅱ孔序曲線位于Ⅰ孔序曲線的右上方，可見各個區間內累計頻率呈現出遞增的趨勢，說明通過Ⅰ序孔灌漿后，巖層的可灌性已有明顯減弱，Ⅰ序、Ⅱ序孔的遞減規律明顯，表明灌漿效果顯著，特別是樁號0+34.97～0+113.85段變化趨勢明顯。

4.3 各序孔單位注入量區間分析

各序孔單位注入量見表5及圖6、圖7。

圖4 0+117.85～0+203.38段各孔序透水率累計頻率曲線

圖5 0+34.97～0+113.85段各孔序透水率累計頻率曲線

由表5及圖6、圖7可以看出:

兩個灌漿區段Ⅱ序孔單位注入量累計曲線位于Ⅰ序孔單位注入量累計曲線的右上方，說明隨著灌漿孔序的不斷加密，區間內的段數頻率均呈現出逐序遞增的變化趨勢。這表明灌漿情況正常，符合灌漿規律，但遞增幅度不大。經分析，主要有以下兩個方面的原因:

a.基巖巖溶發育，溶洞、溶槽的走向和分布不規則，漏漿嚴重，這是影響單位注入量的主要原因。

b.帷幕線只有一排孔，孔距較大，導致Ⅱ序孔仍有較大的注入率。

表5 單 位 注 入 量 區 間 分 析

圖6 0+34.97～0+113.85段各孔序單位注入量累計頻率曲線

圖7 0+34.97～0+113.85段各孔序單位注入量累計頻率曲線

4.4 灌前灌后地層滲透性的比較

檢查孔壓水透水率與先導孔壓水透水率的比較分析見表6。

表6 檢查孔與先導孔壓水透水率的比較分析

檢查孔壓水透水率與帷幕孔壓水透水率比較見表7。

表7 檢查孔與帷幕孔壓水透水率比較分析

由表6、表7可以看出:

a.灌漿前代表原始地層的先導孔透水率小于5.0Lu的段數累計頻率為0.00%，而灌后檢查孔透水率小于5.0Lu區間內的段數累計頻率為95%，經灌漿后地層的滲透性顯著降低。代表原始地層的先導孔灌前透水率較大，巖石存在溶洞、溶槽等漏水通道，經過灌漿處理之后，檢查孔壓水試驗已無大的耗水孔段，表明灌漿效果明顯。

b.帷幕灌漿孔灌前壓水透水率在小于5.0Lu區間內的段數累計頻率為0.00%，而灌后檢查孔透水率在小于5.0Lu區間內的段數累計頻率為95%。

c.灌前地層透水性離散程度較大，經過灌漿處理之后，地層的透水性變得異常均質。

5 防滲帷幕灌漿評價

通過對帷幕灌漿成果資料進行統計、歸納和分析，以及6個檢查孔的防滲檢查結果表明，施灌區基巖灌后滲透性顯著降低，6個檢查孔中雖然有一個檢查孔的兩個壓水段透水率大于5Lu，但不合格段的壓水率為6.71Lu和8.50Lu，接近合格值，39個壓水段中合格率為95%。因此，黃牛閘壩防滲帷幕灌漿施工綜合評價如下:

黃牛船閘防滲帷幕灌漿施灌工藝及技術措施可以應用于砂卵石地層和巖溶地層帷幕灌漿，其可灌性強，灌漿效果顯著，檢查孔取芯水泥結石明顯，防滲帷幕能力滿足設計防滲標準。

6 幾點建議

a.由于在溶洞分布范圍較大的地段檢查孔壓水試驗出現了個別透水率較大的孔段，建議在今后防滲灌漿施工中根據具體情況將施灌參數進行適當調整。

b.壩體內堆石層及壩體以下漿砌石基礎漏漿嚴重，建議對其進行充填灌漿后，再行帷幕灌漿。

c.灌漿孔若遇溶洞，在設計帷幕底線尚未鉆穿溶洞時，建議繼續往下鉆灌直至穿過溶洞進入基巖1m以上。

d.在巖溶發育較強和砂卵(礫)石層較厚的地層進行防滲帷幕灌漿，(如黃牛船閘閘壩帷幕河床段樁號0+035.0～0+270.0)，建議帷幕灌漿單排孔距控制在0.8m左右范圍內，其防滲效果更為顯著。

7 結語

a.黃牛閘壩防滲帷幕灌漿施工無論是單位灌入量，還是灌前壓水透水率，都呈現出隨孔序的增加而明顯遞減的變化趨勢，符合一般灌漿規律，說明帷幕灌漿效果明顯。

b.灌后取芯壓水檢查孔的透水率值、單位灌入量值、取出芯樣的直觀效果均表明:灌后基礎巖石可灌性較弱，帷幕灌漿效果滿足設計要求。

c.灌漿效果表明:灌漿壓力、水灰比、孔距等灌漿參數及施工工藝基本合適。

d.綜上所述，黃牛閘壩地質條件復雜，砂卵(礫石)石層較厚和巖溶發育較強，其帷幕灌漿效果明顯，證明本工程基礎處理帷幕灌漿設計較合理，施工工藝先進，工序質量嚴格有效，防滲結果滿足設計要求。