關門巖水庫大壩軟巖基礎滲漏處理技術研究

王琦凱 王知曉 陳崇德

(湖北省漳河工程管理局，湖北 荊門 448156)

1 概 述

關門巖水庫大壩基礎為軟巖基礎，存在弱—微透水層，在長期水流的作用下，可能造成大壩基礎沉陷或壩體垮塌的危害，因而處理好水庫大壩軟巖基礎滲漏，是水庫建設與發揮效益的關鍵所在。大壩基礎滲漏處理的方法較多，主要有劈裂灌漿、高壓噴射灌漿、深層水泥土攪拌樁防滲墻、帷幕灌漿、低壓速凝式灌漿等，但在選擇具體處理方法時，必須認真分析水庫滲漏的原因，不但要求在技術上切實可行，而且還要求節省投資,并能在較短時間內解決水庫的滲漏問題。根據關門巖水庫大壩基礎存在的滲漏問題，考慮施工環境、條件及技術、功能、經濟、安全、環保等因素，經多方案比較論證，采取帷幕灌漿的方法處理壩基軟巖基礎滲漏問題。

關門巖水庫位于長江一級支流清江水系漁洋河上游河段，地處五峰土家族自治縣漁洋關鎮柴埠溪風景區內，距五峰縣城25km。水庫集水面積63.70km2，最大壩高85.6m，壩長295m，壩頂寬7m，總庫容1440萬m3，其中有效庫容1184萬m3，死庫容63萬m3，大壩按50年一遇洪水標準設計，1000年一遇洪水標準校核，工程為Ⅲ等中型工程。水庫是以城鎮供水為主，結合農業灌溉、防洪、旅游開發等綜合利用的中型水庫，城鎮供水設計保證率95%，灌溉設計保證率75%。

壩址區呈“V”字形河谷，河谷深切。壩基河床為沖、洪積堆積物，厚度17～21m，以卵石為主，成分主要為白云質灰巖、白云巖夾薄層灰巖等，平均直徑2.5cm。表層夾少量孤石，直徑0.3～0.5m，下部夾大量碎石塊，少量粗細砂、黏土不均勻分布其中。卵石含量65%以上，碎石塊約占25%，細顆粒含量在5%～10%，總體較為均勻。壩址區基礎穩定性較好，地表巖溶泉少見，但溶蝕裂隙發育，壩基巖體以弱透水性為主，為了提高壩基抗滲性能，采用帷幕灌漿處理。

2 關門巖水庫大壩軟巖基礎滲漏處理技術研究與應用

2.1 軟巖基礎滲漏處理重點和難點

a.軟巖基礎滲漏處理重點：?嚴格控制孔位；?嚴格控制鉆孔深度；?嚴格控制洗孔與壓水試驗的壓力；?嚴格控制灌漿壓力和漿液配比；?灌漿過程中應注意檢查孔口封閉情況，及時變漿，回漿返濃時按要求處理等；?質量控制以檢查孔壓水試驗成果為主。

b.軟巖基礎滲漏處理難點：?灌漿中斷；?串漿；?漏漿；?固管；?成槽過程中大石塊的處理；?塌孔；?操作方法不當等。

2.2 關門巖水庫大壩軟巖基礎滲漏處理技術研究

2.2.1 帷幕灌漿試驗孔布設

a.試驗區。試驗區選在大壩河床防滲墻軸線上(樁號0+192.85～0+200.85)，單排進行生產性帷幕灌漿試驗。

b.試驗孔布設。孔距1m，每排分三序施工。

c.共布設9個灌漿孔(含先導孔)。

d.試驗孔深度見表1。

表1 試驗孔深度統計

2.2.2 帷幕灌漿施工試驗技術要求

a.工藝流程：?帷幕灌漿按分序加密法分段施工；?鉆孔的施工順序為：先導孔→Ⅰ序孔→Ⅱ序孔→Ⅲ序孔→質量檢查孔；?灌漿采用“孔口封閉，孔內循環，自上而下分段灌漿”。

b.孔位。?按照防滲墻預埋管布置孔位，在孔位處設置明顯的標記；?灌漿孔分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ序。孔位布置見圖1。

圖1 孔位布置

c.鉆孔：?采用金剛石液壓回旋鉆進；?灌漿孔開孔直徑90mm，終孔直徑58mm；?孔深按表1要求，孔底偏差值不得大于0.7m；?清孔采用壓力水沖洗；?鉆孔記錄主要包括：鉆孔編號，位置、樁號，角度，孔口高程，開孔、終孔時間，分段鉆進返渣、返水、返風以及巖石特性情況，鉆孔變徑，鉆機異常，終孔孔深與孔徑等情況。段長劃分見表2。

表2 鉆孔段長劃分

2.2.3 灌漿施工

a.制漿：?采用P·O425普通硅酸鹽水泥，出廠時間不得超過3個月；?嚴格按設計水灰比配料，攪拌時間大于3min；?漿液自制備至使用結束時間不得超過4h。

b.漿液水灰比采用5∶1、3∶1、2∶1、1∶ 1、0.8∶1、0.5∶1 等6個重量比級，開始灌漿水灰比采用5∶1。

c.灌漿壓力值見表3。

表3 灌漿壓力值

d.漿液變換標準：?當灌漿壓力保持不變，注入率持續減小時，或注入率不變而壓力持續升高時，不改變水灰比；?當某一比級漿液注入量達300L以上，或灌注時間超過30min，而漿液壓力和注入率均無變化或變化不顯著時，可改濃一級水灰比；?當注入率大于30L/min時，根據具體情況可越級變濃[1]。

e.灌漿結束標準：?在最大設計壓力下，當注入率不大于1L/min后，延續灌注90min，灌漿即可結束；?當終孔段透水率或單位注漿量大于設計值(q>3Lu)時，應加深鉆孔，繼續灌漿；?當加深超過兩段后仍不能滿足設計要求時，將情況報有關單位處理；?在最大設計壓力下，總灌漿時間不少于120min。

f.封孔：?采用“全孔灌漿封孔法”封孔，即灌漿結束后，灌漿管注入水灰比0.5∶1的濃漿，將孔內余漿置換出來，然后用塞子塞在孔口，使用最大灌漿壓力繼續灌漿封口，灌漿持續時間不小于60min；?封孔后產生的上部脫空段，采用人工回填砂漿封實。

g.注意事項。針對灌漿施工中常出現的一些問題，制定方案，采取措施，做好出現冒漿、漏漿、串漿、灌漿中斷、回漿變濃等問題的處理，同時對灌漿較多和孔口涌水的孔段，根據具體情況采取有效的控制措施[2]。

2.3 試驗成果分析

2.3.1 統計數據

a.灌漿量統計見表4。

表4 灌漿量統計

從表4可以看出，試驗區9個灌漿試驗孔共注入灰量92801.69kg，單位注入量233.49kg/m，壓水試驗平均透水率19.82Lu。

b.透水率頻率分析見圖2，單位注灰量頻率分析見圖3。

圖2 透水率頻率曲線

圖3 單位注灰量頻率曲線

從圖2和圖3可以看出：頻率曲線符合理論上的相應遞減以及現場施工的實際情況。

2.3.2 鉆孔取芯檢測

a.檢查孔布置與施工。灌漿試驗凝結14天后布置檢查孔，檢查孔布置在HW-45與HW-46之間(由參建各方根據資料與現場實際情況協商，監理單位確認)，編號HW-J1，孔深深入巖基43m，采用φ76鉆具鉆進。

b.檢查孔壓水成果。全孔分10段次采用單點法進行壓水試驗，壓力為灌漿壓力的80%并不大于1MPa，壓水資料由灌漿自動記錄儀檢查并記錄。計算公式如下：

q=Q/PL

(1)

式中q——試驗段透水率，Lu；

Q——壓水流量，L/min；

P——作用于試驗段的全部壓力，MPa；

L——試驗段長度，m。

按式(1)計算，HW-J1檢查孔10段壓水試驗透水率平均值為2.07Lu。結合表4中的數據，可以看出帷幕灌漿防滲效果相當明顯。

c.鉆孔取芯。共計取芯8箱，均發現了水泥結石，其中第5箱第13回次發現了一塊6cm的水泥結石，第1箱第4回次、第2箱第6回次、第3箱第9回次、第4箱第11回次均發現了4cm的水泥結石。說明所灌注的水泥漿液進入了裂隙，帷幕灌漿達到了應有的效果。

2.4 試驗成果應用

2.4.1 大壩河床帷幕灌漿

a.依據上述試驗成果，經有關部門審查批準后，編制關門巖水庫大壩基礎帷幕灌漿工藝流程以及各項控制指標，用于指導工程的施工。帷幕灌漿工藝流程見圖4。

圖4 帷幕灌漿工藝流程

b.灌漿孔布置在混凝土趾板、趾墻基礎區域內，深度按設計要求深入相對不透水層(q<5Lu)以下5m，防滲帷幕最大深度65m。

c.河床砂卵礫石覆蓋層厚17～21m，砂卵礫石覆蓋層采用混凝土防滲墻截斷壩基強透水層滲漏通道，并與下部巖基相接，組成壩體封閉式防滲體系[3]。下部巖基以弱—微透水層為主，采用防滲帷幕灌漿，主要工程量見表5，河床帷幕灌漿孔分布見圖5。

圖5 河床帷幕灌漿孔分布

表5 大壩河床段帷幕灌漿主要工程量

d.灌漿質量及安全控制措施。?在灌漿施工前，根據設計文件或相應的資料(如施工圖、灌漿施工技術要求、流域工程地質和水文地質資料等)，編制灌漿施工組織設計，進行技術交底[4]；?灌漿機具的選擇：攪拌機的轉速、拌和能力應保持均勻、連續；灌漿泵的技術性能與所灌注的漿液類型、濃度相適應，最大工作壓力與波動范圍以及排漿量應滿足現場灌漿的實際需要；灌漿管路漿液流動暢通，并能承受1.5倍的最大灌漿壓力；灌漿塞具有良好的膨脹和耐壓性能，易于安裝和卸除；鉆孔與灌漿的計量器具須定期進行校驗或檢定，確保量值準確；?灌漿過程控制：嚴格按照工藝流程及各項控制指標施工，堅持現場質量檢測和旁站，避免用儀器代替人的監管；灌漿用的水泥、外加劑、摻和料等按規定要求進行檢測；灌漿孔各灌漿段不論透水率大小均按技術要求進行灌漿；冬、夏季施工做好防寒與降溫工作；?各項施工記錄有專人在現場逐項填寫，定期檢查和隨時抽查，做到及時、準確、完整、清晰、可靠[5]；?安全生產措施：建立安全生產管理機構；制定與落實安全控制的各項措施；每周進行一次安全生產大檢查，對檢查出的安全隱患制定整改和預防措施；?工程驗收：單元和分部工程灌漿結束后，及時報送工程驗收要求提供的灌漿資料與申請驗收報告[6]。

2.4.2 河床帷幕灌漿效果

a.壓水成果。共布置12個檢查孔，壓水120段，合格120段，合格率100%，其中優良率 95%。

b.河床帷幕灌漿分為7個單元，121孔(包括試驗孔)，合格率100%，其中優良率95%。

c.河床段溶蝕裂隙發育，切割較深，傾角80°～90°，鉆孔遇溶蝕裂隙時，單位吸漿量變化較大，灌漿效果明顯。

d.從灌漿資料分析，隨孔序的遞增，透水率呈遞減的趨勢，小于3Lu的孔段從11%上升到96%，大于20Lu的孔段從6%減少到0.4%，平均透水率2.32Lu，符合設計要求。

e.鉆孔121個，孔位偏差均小于10cm，孔底偏差均控制在設計值范圍內(僅個別孔底偏差0.52m)。

f.鉆孔取芯均發現水泥結石塊，直徑一般在4～8cm之間。

2.5 方案比較

a.經濟比較。關門巖水庫大壩軟巖基礎滲漏處理有劈裂灌漿、高壓噴射灌漿、深層水泥土攪拌樁防滲墻、帷幕灌漿等方案，其他主要方案工程造價高于帷幕灌漿施工方案的2.4%以上。

b.技術比較。有的方案不適應于工程區的地質條件，且技術條件、施工可操作性不符合工程區的實際情況。

c.效果比較。從關門巖水庫大壩軟巖基礎滲漏處理情況來看，達到了設計效果，可在類似工程中推廣應用。

3 結 語

實踐證明，帷幕灌漿具有施工實用性強、安全可靠性強、經濟性強以及技術成熟性強等優勢，目前在水庫大壩、河道堤防等水利工程基礎滲漏處理中得到廣泛的應用，并取得了良好的成效。但帷幕灌漿工程屬于隱蔽工程，施工中對質量控制非常嚴格，稍有不慎，造成的不利影響較大，因此，在今后的推廣應用中，一定要按照規范與設計要求，編制切實可行的施工方案，嚴格控制每一道施工工序，不斷研究解決帷幕灌漿技術中的難題，促進水利工程建設與管理事業的可持續發展與進步。