某水利樞紐工程基礎(chǔ)處理研究及灌漿試驗(yàn)分析

張毅爽

(新疆建源工程有限公司，烏魯木齊 830000)

1 概 述

灌漿是通過(guò)鉆孔或者預(yù)埋管件，對(duì)某種濃度的膠凝性漿液施加壓力，將其壓送到地質(zhì)缺陷部位的一種施工技術(shù)，該方法是通過(guò)封堵地層中的缺陷來(lái)提高防滲能力[1-2]。在大壩基礎(chǔ)處理中，帷幕灌漿是最常用的防滲措施。帷幕灌漿能有效減小滲流量，降低壩基揚(yáng)壓力，能夠提高壩體的抗滑穩(wěn)定能力[3]。對(duì)于土石壩來(lái)說(shuō)，還能防止地層產(chǎn)生機(jī)械潛蝕，防止壩基內(nèi)產(chǎn)生機(jī)械和化學(xué)管涌[4]，所以帷幕灌漿的整體性和防滲性能夠直接影響大壩的運(yùn)行安全。由于施工成本較低、工藝操作簡(jiǎn)單、防滲效果明顯等優(yōu)點(diǎn)，灌漿技術(shù)在工程中被廣泛采用。但由于長(zhǎng)期受到高壓滲流作用，帷幕體的耐久性會(huì)逐漸降低[5]。

灌漿效果檢測(cè)是灌漿過(guò)程中一個(gè)重要環(huán)節(jié)。目的是檢測(cè)灌漿前后巖土體滲透性的變化，是否能夠達(dá)到預(yù)期效果。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)大壩防滲效果評(píng)價(jià)方法研究不多。雖然可以采用如壓水試驗(yàn)法、聲波法、統(tǒng)計(jì)模型方法、地下水動(dòng)力學(xué)方法、有限元數(shù)值模擬等方法來(lái)對(duì)比灌漿前后某些指標(biāo)的變化規(guī)律，但并沒(méi)有建立一個(gè)完善的質(zhì)量控制和評(píng)價(jià)體系，也不能全面地控制工程質(zhì)量并客觀(guān)地反映整個(gè)工程防滲處理的效果。

2 工程概況及試驗(yàn)資料分析

2.1 工程概況

該水利工程庫(kù)盆主要由泥盆系、奧陶系的粉～細(xì)砂巖、泥質(zhì)砂巖及頁(yè)巖組成，屬于隔水巖層，未見(jiàn)可溶巖出露；庫(kù)區(qū)內(nèi)沒(méi)有發(fā)現(xiàn)貫穿整個(gè)庫(kù)區(qū)及上下游的斷層帶；河流兩岸沖溝徑流較多，分水嶺附近的地下水位高程都在300.000 m以上，均高于水庫(kù)的正常蓄水位。庫(kù)區(qū)河谷為侵蝕谷，下切強(qiáng)烈，河床縱坡較陡，谷底狹窄，兩岸階地不發(fā)育，在正常蓄水位范圍內(nèi)，兩岸谷坡外側(cè)無(wú)低洼平緩地帶，庫(kù)岸基本由基巖組成。庫(kù)區(qū)內(nèi)巖層類(lèi)型均為砂巖、頁(yè)巖等，巖層走向?yàn)楸北睎|～北東向，傾向下游，河谷屬穩(wěn)定性較好的斜向谷～橫向谷，岸坡大部分基巖裸露，第四系覆蓋層較薄，巖石抗沖刷能力較強(qiáng)，兩岸山體基本穩(wěn)定。局部風(fēng)化破碎巖體、第四系殘坡積松散堆積層岸坡，工程大壩壩址位于峽谷出口處，河谷為V形，河流平直，自西向東流，在沿壩線(xiàn)下游流向北東向。河流水位高程約190.000 m，最大水面寬30.0 m左右，最大水深1.5 m。左岸岸坡地形走勢(shì)較陡，坡度為40°～50°，高程310.000～360.000 m處地形較平緩；右岸岸坡地形走勢(shì)較緩，坡度為30°～40°。壩址巖層呈單斜構(gòu)造，巖層走向與河流幾乎相垂直，并向下游傾斜，巖石產(chǎn)狀較穩(wěn)定。

2.2 試驗(yàn)區(qū)選擇與孔位布置

本文選擇第1壩段帷幕灌漿第K1-10單元作為灌漿試驗(yàn)區(qū)，帷幕底線(xiàn)底部承受水壓力最大，以弱風(fēng)化帶下部和微新鮮巖體中的裂隙為對(duì)象，帷幕體周?chē)鷰r層相對(duì)較均勻，灰～灰綠色厚層夾薄層砂巖、深灰色泥質(zhì)粉砂巖。沿垂直方向有3種不同的巖層，此部位相對(duì)具有代表性。試驗(yàn)區(qū)巖體透水性不大，均在5Lu左右，上部基巖已進(jìn)行固結(jié)灌漿施工，整體性好，滲透性較小。此部位孔口高程為198.300 m，在地下水位以下，鉆孔時(shí)孔口有涌水現(xiàn)象。帷幕灌漿試驗(yàn)灌漿孔為單排孔，按I、II、III孔序進(jìn)行施工，試驗(yàn)區(qū)共布設(shè)8個(gè)灌漿孔，見(jiàn)圖1。施工時(shí)，首先埋設(shè)抬動(dòng)觀(guān)測(cè)裝置，再依次施工先導(dǎo)孔和I序孔、II序孔、III序孔、檢查孔。

圖1 灌漿試驗(yàn)孔布置圖

3 灌漿成果分析

3.1 灌漿壓力分析

灌漿過(guò)程中灌漿壓力是一個(gè)至關(guān)重要的參數(shù)，它不僅影響灌漿擴(kuò)散范圍，如果壓力過(guò)大還會(huì)對(duì)基礎(chǔ)巖石和混凝土蓋重造成破壞。試驗(yàn)區(qū)為孔口封閉法灌漿，上部灌漿區(qū)會(huì)反復(fù)施加壓力，為了保證施工過(guò)程不發(fā)生抬動(dòng)，應(yīng)合理選擇灌漿壓力。見(jiàn)圖2-圖3。

圖2 試驗(yàn)區(qū)先導(dǎo)孔灌漿過(guò)程曲線(xiàn)圖

圖2和圖3為先導(dǎo)孔壓水和灌漿施工的過(guò)程曲線(xiàn)。壓水采用的壓力為1 MPa，圖3中可以看出隨著壓力的變化，單位流量沒(méi)有明顯的變化，變化趨勢(shì)和壓力變化相同，表明壓水過(guò)程沒(méi)有產(chǎn)生水力劈裂現(xiàn)象。說(shuō)明壩基基巖在1 MPa的壓力下，不會(huì)產(chǎn)生水力劈裂。灌漿成果資料顯示，注入量較大的孔段對(duì)應(yīng)的灌漿壓力有大有小，單位注入量與灌漿壓力的大小不是成正比關(guān)系的，而是與地質(zhì)條件有關(guān)。從灌漿過(guò)程曲線(xiàn)看，灌漿過(guò)程沒(méi)有出現(xiàn)灌漿壓力出現(xiàn)異常情況變化，單位注入量都是隨著時(shí)間逐漸變小，說(shuō)明帷幕灌漿施工采用設(shè)計(jì)灌漿壓力，地層不會(huì)出現(xiàn)劈裂現(xiàn)象。試驗(yàn)區(qū)布設(shè)了一套抬動(dòng)觀(guān)測(cè)裝置，在裂隙沖洗、壓水試驗(yàn)和灌漿過(guò)程中都較仔細(xì)地進(jìn)行變形觀(guān)測(cè)，由于該部位混凝土蓋重厚度較大，加上固結(jié)灌漿對(duì)壩基的補(bǔ)強(qiáng)作用，在整個(gè)施工過(guò)程中，未出現(xiàn)過(guò)抬動(dòng)現(xiàn)象。根據(jù)灌漿經(jīng)驗(yàn)，由于水為牛頓流體，能夠等值傳播水壓力，易對(duì)巖石造成水力劈裂。而水泥漿液為賓漢姆流體，其黏度大，不能等值傳遞壓力。相對(duì)壓水試驗(yàn)，灌漿不易產(chǎn)生水力劈裂和抬動(dòng)變形。

圖3 試驗(yàn)區(qū)先導(dǎo)孔壓水過(guò)程曲線(xiàn)圖

綜合上述，在該部位灌漿質(zhì)量檢查合格的情況下，未造成巖層發(fā)生水力劈裂現(xiàn)象，混凝土蓋重也沒(méi)有出現(xiàn)抬動(dòng)，說(shuō)明試驗(yàn)區(qū)灌漿壓力選擇合適。

通過(guò)對(duì)該大壩灌漿試驗(yàn)的研究，最終確定水利樞紐中大壩帷幕灌漿壓力為：當(dāng)灌漿區(qū)域在地下水位以下實(shí)行試驗(yàn)區(qū)灌漿壓力，其他部位按照在之前灌漿壓力基礎(chǔ)上每段降低0.25 MPa，終孔段不大于2.0 MPa的標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

3.2 試驗(yàn)區(qū)透水率及單位耗灰量

通過(guò)對(duì)試驗(yàn)區(qū)灌漿前后壓水和灌漿成果(表1和表2)分析可知，試驗(yàn)區(qū)壓水透水率較均勻，注入量遞減特征符合灌漿規(guī)律。說(shuō)明大部分裂隙連通性較好，滲透性能較均勻，灌漿前平均透水率在13 Lu左右，滲透性相對(duì)較大。局部地層的透水率相對(duì)偏大，但數(shù)量較少。總體來(lái)看，該大壩壩基巖石屬于中等介質(zhì)，可灌性好。

表1 各灌漿次序孔透水率分析表

表2 試驗(yàn)區(qū)各次序孔單位注入量分析表

從表1中可以看出，各次序孔的壓水透水率在灌漿前后壓水透水率呈遞減趨勢(shì)，說(shuō)明灌漿的效果十分良好，達(dá)到灌漿分序加密的效果，灌漿孔距的選擇合理。

由表3可以看出，I序孔單位耗灰量為167.37 kg/m，III序孔單位耗灰量為49.32 kg/m。可以看出，隨著灌漿孔的加密，單位耗灰量呈明顯的遞減趨勢(shì)。通過(guò)圖4可知，隨著試驗(yàn)段灌漿孔孔距的變小，單位耗灰量逐漸降低，符合灌漿的一般規(guī)律。說(shuō)明該地層可灌性良好，采用分序加密法灌漿效果明顯，該灌漿方法適合該大壩壩基地層。

表3 試驗(yàn)區(qū)灌漿成果分析表

圖4 試驗(yàn)區(qū)各次序孔透水率和單位耗灰量頻率累計(jì)曲線(xiàn)圖

3.3 試驗(yàn)質(zhì)量檢查

帷幕灌漿試驗(yàn)區(qū)的壓水透水率均符合工程設(shè)計(jì)要求。先導(dǎo)孔和檢查孔壓水試驗(yàn)成果統(tǒng)計(jì)表見(jiàn)表4。

表4 試驗(yàn)區(qū)先導(dǎo)孔和檢查孔壓水成果表

由表4可知，本次灌漿區(qū)域內(nèi)的各次序孔平均透水率及單位耗灰量關(guān)系為：I序孔>II序孔>III序孔>檢查孔，隨著灌漿孔孔距的減小，透水率和單位耗灰量基本呈遞減趨勢(shì)，符合灌漿的一般規(guī)律。

4 結(jié) 論

本文從灌漿試驗(yàn)的目的、試驗(yàn)區(qū)域的選擇、施工過(guò)程及資料整理等環(huán)節(jié)，介紹了灌漿試驗(yàn)的全過(guò)程。試驗(yàn)表明，壩基地層可灌性良好，工程帷幕灌漿設(shè)計(jì)及施工方案是合理的，包括灌漿孔孔距、灌漿壓力、分段長(zhǎng)度、漿液濃度、抬動(dòng)觀(guān)測(cè)、孔斜等參數(shù)的驗(yàn)證。在施工中，采用低濃度漿液配合高壓力進(jìn)行灌漿，能夠降低灌入巖石裂隙漿液的泌水性能，提高結(jié)石強(qiáng)度，從而保證灌漿施工質(zhì)量。

通過(guò)對(duì)壓水試驗(yàn)和灌漿過(guò)程曲線(xiàn)進(jìn)行分析得到，地層沒(méi)有出現(xiàn)水力劈裂現(xiàn)象，混凝土蓋重也沒(méi)有發(fā)生抬動(dòng)，灌漿效果檢查符合設(shè)計(jì)要求。說(shuō)明采用試驗(yàn)中所用的灌漿工藝和灌漿參數(shù)，可以提高大壩基礎(chǔ)的防滲能力，能夠達(dá)到工程所要求的防滲標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)對(duì)本次灌漿試驗(yàn)的研究，為后期壩基帷幕灌漿施工提供了重要的技術(shù)資料和施工方法。