漂卵礫石地層定向控制帷幕灌漿技術研究

韓 羽,楊 健，曹春頂

(中水珠江規劃勘測設計有限公司，廣東 廣州 510610)

漂卵礫石地層作為大壩、堤防、水閘等永久水工建筑物以及導流明渠、圍堰等臨時水工建筑物地基時通常需防滲處理。國內外對漂卵礫石地層物理、力學及滲透特性做了大量的研究，彭土標[1]通過大渡河流域雙江口水電站等大型水電工程總結了漂卵礫石地層的滲透特性，黃海均等[2]通過PFC3D數值仿真和室內模型試驗研究認為滲透破壞主要發生在上部砂礫石層中，隨著滲透破壞的持續發生，逐漸影響下部土層。田大浪等[3]通過室內模型試驗監測了滲流過程中的局部水力梯度空間分布以及豎向位移變化及對滲透性的影響因素，細顆粒流失量沿試樣高度的空間分布可以劃分為頂部流失區、中部均勻區及底部流失區。李金榮等[4]用區域化變量理論和半方差函數研究測試區含水介質的滲透系數,研究結果表明含水介質的滲透系數具有空間變異性,河流方向的變異程度主要由含水介質本身的空間結構引起,其變異性大于垂直河流方向。張明斌等[5]研究了漂石對砂礫石介質滲流特性的影響，認為球體、柱狀和板狀漂石對砂礫石介質的滲透性都有明顯的影響。邢日縣[6]研究指出滲透系數隨限制粒徑、有效粒徑增大而增大，呈二次相關，隨不均勻系數增大而減小，呈對數相關。侯建秀[7]以新疆烏魯瓦提水庫的砂礫石地基為主要研究對象，進行了水流方向從上到下、從下至上及為水平方向的3種相關滲透性能試驗，認為砂礫石地基在上下方向的滲透系數值要明顯小于水平方向的滲透系數值；主要成果為粒徑、不均勻系數、滲流方向等均為影響因素，一般沿滲流走向具有較強的滲透性。

對漂卵礫石地層的防滲處理方式多樣，如混凝土防滲墻、帷幕灌漿、水平鋪蓋、截水槽、高壓噴射灌漿或聯合處理等地基處理方法；帷幕灌漿因其技術成熟、設備簡單、對地層深度的適應性更強故被廣泛使用[8-10]，國內外諸多工程案例顯示灌漿前滲透系數為100～10-3cm/s的強透水漂卵礫石地層，灌漿后滲透系數通常能達到10-4～10-6cm/s，轉為弱透水性。漂石和砂卵礫石地基控制性灌漿[11-13]多以水泥、水玻璃漿液控制為主；邵羽等[14]在飽和砂卵石地層采用袖閥管注漿技術進行加固處理，提高了卵石層承載性能和摩擦性能；楊彪[15]對套閥管灌漿技術進行了改進，通過套閥管法聯合高觸變抗水膏漿在大孔隙地層成功應用。王國義[16]對成都地鐵砂卵礫石地層對傳統袖閥管注漿加固技術進行優化改進和總結，得出先用聚氨酯封口、再注水泥-水玻璃漿和AB化學漿液的粗細顆粒相結合注漿加固技術。

根據上述總結分析，認為漂卵礫石地層是一種較為特殊的砂卵石地層，其由山區河流形成，不僅具有一般砂卵石地層透水性強的特點，而且顆粒直徑懸殊：大的顆粒為漂卵礫石(直徑200～1 000 mm)，小的顆粒常見粉細砂甚至含泥(直徑小于0.25 mm)。在地下水滲流長期(往復升降)作用下，漂卵礫石之間充填的細顆粒順滲流方向更易流失，以致該方向滲透性明顯得到強化，造成漂卵礫石地層滲透性呈現出明顯的不均一性，順著滲流方向滲透性更強。

現有帷幕灌漿技術存在以下問題：漂卵礫石地層帷幕灌漿采用滲透法灌漿，其基礎理論基本為球形擴散理論、柱狀擴散理論和賓漢姆流體擴散理論等，并假設灌注地層為各向同性均質體，但實際情況并非如此；由于沒有控制漿液在地層中的滲透方向，理論上，漿液在注漿壓力下，在漂卵礫石地層中的擴散呈圓形，即可在某一平面，漿液可沿360°方向在漂卵礫石地層中擴散，而由于滲流的存在，漿液沿滲流方向擴散的阻力最小，大部分漿液實際是順著滲流方向擴散[17-18]。漿液按最小阻力方向擴散而集中消耗了某一灌注段的灌注能量，垂直滲流方向(阻力大的方向)因缺乏足夠能量推動而難有漿液注入，理論上的圓形漿液擴散范圍實際上成為順滲流方向的長條形，灌漿孔之間常常留下漿液沒有注入的區域，造成跑漿、串漿等現象，設計所需的垂直滲流方向的帷幕難以形成，同時施工機具使用效率降低、材料浪費等；樊勇等[19]在龍家山水電站庫區獅江防護區防滲帷幕和張貴金等[20]在托口水電站庫區河間地塊防滲工程均遇到類似問題。因此，針對漂卵礫石地層顆粒直徑懸殊、滲流大等防滲處理難點，對漿液擴散方向可控、灌漿效率高、帷幕搭接可靠性高的帷幕灌漿技術研究是十分必要的。

1 定向控制裝置和灌漿技術

1.1 定向控制裝置

灌漿管管壁沿其軸向方向設多個定向射漿孔，射漿孔軸線為帷幕灌漿搭接方向，射漿孔外設單向閥，見圖1。射漿孔開口要求：以帷幕搭接方向為軸線，射漿孔布置在軸線-30°～+30°范圍內。外管內徑為40～50 cm，射漿孔口徑為0.518～0.624 cm。相鄰兩個定向開口組在沿外管軸向方向的距離為30～40 cm，每對沿軸線對稱分布，見圖2。單向閥：外管密封裝置用橡皮套作為單向閥，在較小的管內壓力即可打開，可抵抗較大灌漿壓力而不破壞。

1—單向閥(外管密封裝置)；2—灌漿管(外管)；3—射漿孔；4—孔壁；5—內管；6—內管密封裝置；7—內管出漿口；8—套殼料；9—漂卵礫石地層；10—水泥漿；11—水玻璃溶液

1—單向閥(外管密封裝置)；2—灌漿管(外管)；3—射漿孔。

1.2 灌漿技術

根據所灌地層孔隙率估算滲透半徑、優化雙液漿膠凝時間、估算耗漿量，設置鉆孔間排距，通常設置一排，可根據需要加密。單排按三序施工，在耗漿量大難以起壓部位采用間歇灌漿、重復灌漿，見圖3。

1—單向閥(外管密封裝置)；2—灌漿管(外管)；12—帷幕搭接方向；13—Ⅰ序灌后復合體

a)控制灌漿壓力：根據漿液滲徑搭接需要，采用較小的灌漿壓力，一般采用凈水頭壓力的1.5～2.0倍控制，控制漿液滲徑、控制耗漿量。

b)采用雙液脈沖式灌漿泵灌漿，水泥漿與水玻璃漿通過灌漿泵在孔口混合，孔內發生反應后進入地層。

c)采用自下而上分段純壓式灌注，孔內栓塞間距(即灌段)0.5 m，當本段灌漿達到要求后提升栓塞進行下一段灌注。通過耗灰量與灌漿壓力控制灌入量，如純水泥漿灌漿達到設計壓力一定時間后進行下一段灌注，或水泥漿灌注一定量仍無壓力時加入一定水玻璃達到設計壓力后灌注至規定時間結束。

d)灌漿結束后立即用清水沖洗孔內水泥漿，針對薄弱部位或第一灌注后效果不理想部位重復灌注。

2 灌漿試驗

2.1 工程概況

貴州省望謨縣納壩水庫[21]工程位于望謨縣新屯鎮境內，水庫樞紐建于北盤江水系望謨河一級支流納壩河上，主要工程任務是防洪、供水、農田灌溉。水庫正常蓄水位790.0 m，死水位759 m，水庫總庫容1 034萬m3，興利庫容684萬m3，年城鎮供水量(P=95%)679萬m3，年灌溉供水量(P=80%)52.3萬m3(面積99.3 hm2)。壩型為混凝土面板砂礫石堆石壩，最大壩高74.5 m，工程規模為中型Ⅲ等，堆石料為壩址附近河床洪沖積漂卵礫石。

2.2 工程地質條件

地形地貌：測區地處貴州高原向廣西丘陵盆地的過渡地帶，屬侵蝕剝蝕及溶蝕的低—中山地貌區，地勢北高，南低(南面最低北盤江河水面275 m)。河流由北向南流經望謨河，最后匯入北盤江。區內兩岸高山聳立，相對高差500～600 m，地形坡度20°～60°。

地質構造：測區所處構造單元為揚子準地臺(Pt)—黔南(D-T32)臺陷—望謨北西向構造變形區(Ⅰ22)內，地處南嶺東西復雜構造西部，廣西“山”字型構造前弧西翼西側，構造形跡以北西向構造為主，區內褶皺、斷裂構造發育，構造帶主要有弧形構造、北西向構造，東西向構造、南北向構造。

圍堰所在河床高程731～736 m，河面寬90 m，河水深0.3 m。河床砂卵礫石層厚7～13 m，密實程度為稍密—中密，主要成分為鈣質砂巖、粉砂巖，結構松散，粒徑不均勻，分選性差，透水性強，滲透系數K=10-1～10-2cm/s。壩址及圍堰附近共取樣6組進行室內試驗，試驗時砂礫石料風干后，全部按大于100、100～80、80～60、60～40、40～20、20～10、10～5、小于5 mm過篩，并分別稱其質量，計算各粒徑組的百分含量。小于5 mm土樣取代表性樣，分別按5～2、2～1、1～0.5、0.50～0.25、0.250～0.074、小于0.074 mm過篩，并分別稱其質量，計算各粒徑組的百分含量。通過試驗分析：巨粒組(d>60 mm)占47.57%，粗粒組(60 mm≥d>0.075 mm)占50.71%，細粒組(d≤0.075 mm，含泥量)占1.72%。其中d<5 mm占18.50%，小于20%，d≤0.075 mm(含泥量)占1.72%，小于5%。4組樣級配較好，2組級配較差(分析認為2011年望謨縣特大洪水后河床表層堆積較多的巨大塊石所致)。

2.3 帷幕灌漿布置

根據上游圍堰所處地質、地形條件及樞紐布置的需要，采用土石圍堰，堰體防滲采用風化土料，風化土料滲透系數不大于1×10-4cm/s，土工布伸入上游風化料鋪蓋以下長度不少于2 m；通過對混凝土防滲墻、帷幕灌漿及控制性帷幕灌漿方案比選后，地基防滲采用控制性帷幕灌漿方案作為研究性試驗。河床布置兩排灌漿孔，兩側布置一排，孔、排間距均為2 m,呈梅花型布置，見圖4、5。

圖4 防滲帷幕剖面

圖5 防滲帷幕與大壩基坑剖面

2.4 試驗工藝控制

定位：試驗孔測量定位。

鉆孔：地質鉆機就位，本段為砂礫石地層易塌孔故采用跟管鉆進造孔，終孔孔徑不小于56 mm，孔底入巖1.0 m；試驗孔每5 m進行常水頭注水試驗。

安裝灌漿管：下定向灌漿裝置，保證每節袖閥管有效開孔方向與防滲帷幕線一致。

下套殼料：采用配合比(重量比)水泥∶黏土∶水為1.0∶1.5∶1.9的套殼料，下套殼料后拔出套管。

制漿：配備灌漿水泥漿，水泥∶水為1∶1；配備水-水玻璃漿液，水玻璃重量比5%。

灌漿：本試驗采用壓力作為結束控制標準，設計壓力為0.05～0.40 MPa，底部壓力最大，往上逐漸減小；采用雙液脈沖式灌漿泵，開始灌漿時孔口壓力表顯示的灌漿壓力將逐漸增大，達到設計壓力后持續灌注10～20 min后結束本段灌注，提升栓塞進行下一段灌注，每次提升0.5 m，直至帷幕灌漿頂高程結束。

沖洗內管：松開內管栓閥，自下而上對整個灌漿內孔進行無壓力沖洗，至回水清澈，必要時可復灌。

特殊情況處理：灌漿過程常見吸漿量大且不起壓情況，當灌漿段單耗達200 kg/m而仍不起壓時采用雙液漿灌注，水泥漿與水玻璃漿在孔口1∶1混合后進入灌漿段，灌注一定時間后灌漿壓力將逐漸升高，達到設計壓力并灌注一定時間后，結束本段灌注，提升栓塞進行下一段灌注；若仍不起壓，可采用濃漿、增加水玻璃濃度、加入細砂等措施降低漿液流動性，或采用待凝等措施；當采用待凝措施時，應先無壓沖洗內管，保持內管通暢，待凝后復灌至滿足設計要求。

注水試驗檢測：14 d后在灌漿異常或吸漿量大部位布置檢查孔進行注水試驗檢測，不滿足設計要求部位復灌至滿足要求。

3 灌漿效果分析

根據先導孔注水試驗成果，漂卵礫石地層滲透系數基本為K=10-1～10-2cm/s，與地勘資料吻合。本次試驗防滲面積4 155 m2，基坑開挖后經常性排水約66.5 m3/d，圍堰上游水頭差20.6 m，滲徑73.5 m，根據達西定律計算滲透系數為6.6×10-5cm/s。灌漿檢測單位進行了鉆孔注水試驗檢測5個孔共12段，灌漿后滲透系數為4.6×10-5cm/s，小于1×10-4cm/s，為弱透水性，達到設計要求。 滲透系數折算透水率為5 Lu，本案例灌漿后地基滲透性可滿足2級及以下中低壩壩基防滲要求。本次控制性灌漿試驗實際耗灰量為435 kg/m，較傳統帷幕灌漿技術有較大節約。

4 結論

a)漂卵礫石地層地層滲透性受沉積環境影響，與顆粒粒徑、不均勻系數等有關，一般具有強透水性；在地下水滲流長期(往復升降)作用下，漂卵礫石之間充填的細顆粒順滲流方向更易流失，以致該方向滲透性明顯得到強化，造成漂卵礫石地層滲透性呈現出明顯的不均一性：順著滲流方向滲透性更強。

b)現有帷幕灌漿技術，當漿液射出方向與滲流方向的夾角小于45°時漿液會順著滲流方向擴散，漿液按最小阻力方向擴散而集中消耗了某一灌注段的灌注能量，垂直滲流方向(阻力大的方向)因缺乏足夠能量推動而難有漿液注入，理論上的圓形漿液擴散范圍實際上成為順滲流方向的長條形，灌漿孔之間常常留下漿液沒有注入的區域；設計所需的垂直滲流方向的帷幕難以形成，同時施工機具使用效率降低、材料浪費。

c)對基于預埋花管技術的灌漿管進行定向機械改造利用脈沖灌漿泵漿液射出的能量，使漿液沿垂直滲流方形滲透，做到方向可控；并對灌漿材料及工藝流程進行了優化，解決了漂卵礫石等大粒徑地層傳統灌漿方法難以起壓、水泥耗費量大、漿液滲透路徑通常向河流上下游延伸的問題。

d)灌漿試驗表明，定向帷幕灌漿技術對大粒徑占比多的漂卵礫石地層具有較好的適用性，強透水性漂石卵礫石地層經定向控制性灌漿處理后可達到弱透水性，滿足中低壩地基防滲要求；雖本研究在永久工程防滲應用較少，需更多地研究驗證，但對類似工程具有參考意義。