深厚砂卵礫石類堤防滲漏探測與治理新技術

樊 勇，楊松林，袁會林，李永豐

(1.湖南五凌電力科技有限公司，湖南長沙410004；2.湖南中南水電水利工程建設有限公司，湖南長沙410014)

0 引 言

深厚砂卵礫石地層在我國分布廣泛[1]，在此類地層建設水利、鐵路、橋梁、地鐵、礦山和水土流失綜合治理等工程項目涉及大量灌漿防滲工程。目前我國多采用靜壓注漿、擠密注漿、攪拌注漿、旋噴注漿或防滲墻等施工技術進行防滲處理。但所有這些技術對深厚砂卵礫石地層灌漿防滲或加固處理，均存在著難以克服的局限性。靜壓注漿可控性差，易串漿跑漿；攪拌注漿在含卵礫石地層中受到限制；而高壓噴射注漿雖然可解決小礫徑細顆粒結構地層，但對粗顆粒卵礫石地層不適用[2]。故多采用密孔高壓噴射注漿輔以靜壓注漿的方式，但是該方法造價高、效果差且易污染環境。本文結合湖南省龍家山水電站獅江堤防滲漏問題，開展滲漏治理研究，以解決深厚砂卵礫石地層滲漏問題。

1 工程概況

龍家山水電站庫區獅江防護區為圍堤抬填防護，但筑堤時未進行系統防滲處理，建成后出現庫水直接滲流進入防護區的現象。堤防背水側堤腳及其防護區內出現多處涌水點和砂沸，存在潰堤的安全隱患。庫水外滲導致抬填區土壤含水量過大，造成大面積土地不能滿足作物生長需求。經地質勘測，獅江防護堤地基為古河床沖積層，自上而下主要分布細砂～中砂層、砂卵礫石層，層厚11～27 m(卵石粒徑一般為3.0～10.0 cm，最大粒徑12.0 cm以上)，屬深厚強透水復雜地層。類比類似堤防基礎防滲工程，目前多采用地下連續墻輔以墻底接觸灌漿進行防滲。由于獅江防護堤地基為古河床沖積層，地層結構復雜，防滲墻防滲不僅施工難度大，且工程造價相對較高，初步估算造價為2 270萬元，故探索一種技術可行、經濟環保的灌漿防滲技術以解決獅江堤防基礎防滲問題，也可為類似地基條件防滲工程提供技術借鑒。

圖1 獅江防護堤物探測線布設示意

2 研究思路

獅江防護堤治理長約2 000 m，治理范圍較大，為節約工程造價，首先，應開展鉆探物探等勘察工作，確定重點治理范圍；其次，綜合國內外現有多種灌漿技術工法優點，結合松軟地層防滲的高壓脈動灌漿機理[3- 4]，研究提出適用于深厚砂卵礫石地層防滲的“高壓脈動鉆灌一體”施工新工藝；第三，對新工藝進行處理效果的數值仿真模擬和分析評價。

3 物探勘察

3.1 勘探布置

依據滲漏通道在聯合剖面曲線上會出現正交點，通過正交點推斷防護堤的滲流通道水平位置；針對聯合剖面法所確定的滲漏通道，布置偽隨機流場法測線，探測河床與排澇區涌水點滲流通道，全方位探明涌水點與河床、堤壩之間的聯系[5]。因此，需要沿堤壩兩側斜坡分別布置聯合剖面測線，探明重點滲漏區水平位置；針對重點滲漏區，沿堤壩布置3條偽隨機流場法測線，查明江中與排澇區之間滲漏通道的水平位置與垂直深度。獅江防護堤物探測線布設如圖1所示。

探測采用由何繼善院士首創的雙頻道激電儀[6]。激電儀采用選頻法接收，對工作區其他頻率的工業游散電流信號有很強的壓制作用，同時采用交流測量，能避免庫區自然電場的干擾，可實現對滲漏點的準確探測[7]，獅江防護堤聯剖法有效記錄點數有237個，流場法有效記錄點數有292個，滿足探測分析要求。

3.2 綜合探測小結

通過綜合探測查明獅江防滲堤存在3段強滲區域和3段分散滲漏區域，分別是①碼頭至板栗林段，370～430 m段為強滲區域，500～600 m段為分散滲漏區域；②排水站段，1 860～1 880 m段與1 990～2 010 m段為強滲區域；③碼頭至村口段，由于場地限制，只具備進行聯合剖面法的條件。推斷1 290～1 340 m段與770～1 180 m段為分散滲漏區域。

4 “高壓脈動鉆灌一體”施工技術研究

4.1 “高壓脈動鉆灌一體”技術

“高壓脈動鉆灌一體”新技術在綜合現有注漿技術特點與注漿機理的基礎上，創新提供一種新的適用于深厚砂卵礫石層的高壓噴擠復合灌漿機理。該技術集“鉆灌一體灌漿”“高壓旋噴灌漿”“膏漿擠密灌漿”等工法于一體，且完全突破傳統單管高壓噴射灌漿對漿液濃度的限制，創新采一種觸變膏漿作為高壓噴射漿液，充分利用觸變膏漿所具有的高壓觸變粘度降低與高壓泌水固結特性，并配合采用一種鉆灌一體高壓沖擠灌漿新技術對深厚砂卵礫石地層全孔鉆灌固孔，以及高壓鉆噴機具與鉆灌固孔形成的致密孔壁貼合封阻作用，確保了整個高壓噴擠復合灌漿施工過程中孔內全封閉無返漿灌注，使得觸變膏漿經高壓噴嘴射流噴出后，一方面按照常規的高壓噴射灌漿機理對深厚砂卵礫石層進行高壓噴射沖攪灌注，另一方面沿著高壓噴射流方向對深厚砂卵礫石層進行強壓擠擴與劈楔灌注，形成一種深厚砂卵礫石層高壓噴擠復合灌漿機理，以及由此高壓噴擠灌漿機理所形成的觸變膏漿高壓噴攪體、強壓擠擴體、強壓擠劈體等復合灌漿體。為便于對比分析，分3組按照灌漿新工藝、傳統工藝及不同孔距進行對比布孔(見圖2)。

圖2 灌漿布孔示意(單位：mm)

表1 脈沖鉆灌一體灌漿成果統計

4.2 注入量分析

(1)脈沖鉆灌一體階段(自上而下)，根據灌漿成果統計分析，脈沖鉆灌一體灌漿(脈沖量≥1 L/沖次、脈沖壓力≥2 MPa)，新技術單孔最大單位注入量達107.98 kg/m，整個試驗孔平均單位注入量約50 kg/m，明顯優于傳統工藝30 kg/m。故新技術可有效的對孔壁進行抹壓與沖擠固壁，并對嚴重架空、漏失地層進行高壓沖擠充填與滲透性灌注，能先行消除地層中較大的空洞和裂隙。脈沖鉆灌一體灌漿成果見表1。

(2)噴射灌漿階段(自下而上)，現場分別進行了觸變膏漿自封式噴擠灌注和純水泥漿敞開式灌注新老工藝對比試驗，根據灌漿成果統計分析，2種工藝按照相同的單位噴射量控制，觸變膏漿自封式噴擠灌注試驗孔平均單位注入量約325 kg/m，而純水泥漿敞開式灌注扣除孔口30%回漿后，孔平均單位注入量約207 kg/m。相應灌漿數據見表2。

4.3 質量檢查

(1)檢查孔鉆孔取芯成果，結果表明：治理前芯樣整體松散(見圖3)，經傳統工藝治理的J-2檢查孔，砂層芯樣基本呈短柱狀，但砂卵石層芯樣大部分呈松散狀(見圖4)。分析表明，常規的純水泥漿“高壓旋噴灌漿”可對細小顆粒地層進行有效的噴攪灌注；而對于粗顆粒砂卵礫石地層，由于局部大卵石阻噴效應而產生旋噴灌漿盲區，不能形成連續有效的高壓旋噴灌漿樁體。采用新工藝的J-1檢查孔，芯樣連續完整，砂層經基本成了水泥砂漿固結體(見圖5、6)，砂卵石層經噴攪擠劈復合灌注后基本成了素混凝土狀(見圖6)，力學與抗滲性能顯著提高。

表2 高壓噴擠復合灌漿成果統計

圖3 治理前芯樣 圖4 J-2號檢查孔芯樣 圖5 J-1號檢查孔芯樣 圖6 新技術細節

(2)采用“單點法”進行孔壓水試驗，試驗壓力0.15 MPa，每個檢查孔對砂層和砂卵石層分段壓水，檢查孔各試驗段壓水試驗成果見表3。可見，龍家山獅江堤防經鉆灌新技術處理后形成的復合灌漿體，已接近或達到素性混凝土防滲墻防滲標準，為一種結構性防滲幕墻，其抗滲性、耐久性完全滿足堤防防滲工程要求。

表3 檢查孔各試驗段壓水試驗成果

(3)聲波測試。測試成果顯示，灌前波速在1 080～1 580 m/s，平均值為1 316 m/s，灌后波速在1 500～2 340 m/s，平均值為1 769 m/s，灌后波速比灌前波速均有較大提高，平均提高率為34.41%。灌前灌后波速分段統計見圖7。

(4)芯樣無側限抗壓強度試驗：為檢測鉆灌新技術形成的復合灌漿體抗壓強度，在檢查孔鉆孔芯樣中選取了12組代表性試件，進行無側限抗壓強度試驗，抗壓強度均在1.7 MPa。

綜上可知，鉆灌新技術可有效解決深厚砂卵礫石層防滲問題，新技術處理后可形成一種類似于水泥土防滲幕墻，墻體厚度≥0.5 m，墻體抗壓強度≥1.0 MPa，墻體允許滲透比降≥60，墻體滲透系數

圖7 灌前灌后波速分段統計

圖8 三維有限元模型示意

5 滲流分析

采用ANSYS軟件進行建模，將整個堤防以物探報告中鉆孔數為標準分段，三維有限元模型如圖8所示，模型以每個鉆孔為中心向兩側延伸建模，結合前期鉆孔柱狀圖建立反映堤防地形地貌、地層土體和地質構造特征以及堤防防滲帷幕結構的分段子模型。模型以南北向作為三維模型的x軸向，東西向作為y軸，高程作為z軸。

為消除計算結果對網格的依賴性，避免出現滲流自由面難以準確定位的問題[8]，采用理論上嚴密的Signorini型變分不等式方法求解，所建立的方法稱為SVA法(子結構、變分不等式和自適應罰Heaviside函數相結合的方法)[9]，選擇近年來河道內最高水位94.2 m作為計算水位。由堤防典型剖面等水頭線(圖9)可知，自由面在防護堤內部的分布特征完全滿足光滑連續和單調下降這2個基本幾何性質，因而滲流計算成果在理論上是正確的。

解算得出板栗林至碼頭段370～430 m區域為強滲區，500～600 m區域為分散滲漏區域，與物探結果一致，村莊至碼頭段第2、6、7、12樁號為分散滲區，根據三維模型分段位置，發現計算結果與物探報告有所出入，但是隨著防護區地下水位抬升，其余各小段相繼出現表面滲漏。排水站至村莊段第2、3、6、8、9為強滲區，與物探報告稍有差距，初步分析，此段物探僅開展了相應水位的聯剖法與高水頭作用下的滲流計算存在一定偏差。結合歷史水情資料計算同樣條件下龍家山防護堤整體滲漏量(見表4)，可見，灌漿前，堤防存在較大滲漏，滲漏區域較多，且滲漏區域單寬滲漏量較大，灌漿后，滲漏急劇減少，僅有極少數區域還存在較少滲漏，可以確定若采用新技術對堤防進行灌漿防滲是十分有效的。

表4 龍家山獅江防護堤典型部位灌漿前后滲漏量統計結果

注：此表僅列出滲漏量較大區段，滲漏量較小區段未予列出。

圖9 排水站至村莊段堤防剖面治理前后等水頭線

6 結 語

通過物探勘察、“高壓脈動鉆灌一體”技術研究及滲流分析能較好地解決龍家山獅江防護堤滲漏問題。聯合剖面法與偽隨機流場法的綜合運用精簡了治理范圍，滲流分析對物探成果進行印證，且進一步對滲漏通道進行定位，有效降低了治理區域，實現了節約工程造價的目的。鉆灌新技術由“鉆灌一體灌漿”“高壓旋噴灌漿”“膏漿擠密灌漿”等工法復合技術提升后形成，在自上而下快速鉆灌與自下而上噴射灌漿的基礎上，對深厚砂卵礫石層進行高壓噴射沖攪灌注；進而實現強壓擠擴與劈楔灌注，形成一種深厚砂卵礫石層高壓噴擠復合灌漿機理，以及由此高壓噴擠灌漿機理所形成的觸變膏漿高壓噴攪體、強壓擠擴體、強壓擠劈體等復合灌漿體。通過滲流分析與質量檢查可見，新技術能經濟、高效地解決深厚砂卵礫石層防滲問題。