新疆希尼爾水庫極軟巖壩基可灌性研究

李新廣，韓 偉，夏衛華 ，孫宏昌

(1.新疆維吾爾自治區塔里木河流域管理局，新疆 庫爾勒 841000； 2.新疆昌吉方匯水電設計有限公司，新疆 昌吉 831100； 3.新疆巴州水利水電勘測設計院，新疆 庫爾勒 841000)

0 引 言

根據全國水利普查公報(第一次)數據統計，中國已建成的水庫90%以上為土石壩[1]，而該類水庫大壩多建在河谷覆蓋層上。深厚覆蓋層上土石壩壩基防滲控制措施主要有水平防滲和垂直防滲，垂直防滲技術中的帷幕灌漿是基礎防滲的主要手段，也是深覆蓋層地基滲流控制的重要措施之一。灌漿按灌漿材料可分為有機(化學)和無機(水泥)灌漿材料，灌漿材料尺寸和被灌材料孔隙尺寸是灌漿研究的重點之一。灌漿材料研究成果較多，而被灌材料自然成因復雜，其顆粒間形成的構架千差萬別，目前多以其組成的顆粒粒徑推算其孔隙尺寸，徐拴海等[2]通過掃描電子顯微鏡獲得放大的成像圖片和組成成分，測得砂巖內部孔隙精確尺寸及組成結構，對灌漿研究意義重大。

新疆希尼爾水庫除險加固工程壩基防滲處理初期選擇帷幕灌漿方案。為驗證該方案在砂巖、砂礫巖及泥巖等軟巖互層狀基礎的可灌性及處理效果，在庫區內同類基礎地層中實施了帷幕灌漿試驗。試驗證明，常規水泥灌漿在希尼爾水庫壩址區地層內存在可灌性差、灌后防滲效果不理想等問題。本文就希尼爾水庫壩基地質性狀、水泥灌漿機理進行了深入分析研究，得出的結論可為類似基礎處理工程有效判定地層可灌性、灌漿材料適應性及防滲方案的比選確定提供借鑒。

1 工程概況

希尼爾水庫位于新疆巴州尉犁縣境內，水庫總庫容9 800萬m3，為Ⅲ等中型水庫，是西北平原水庫的典型代表。水庫于2003年3月蓄水，由于項目區地層復雜，且受當時施工技術條件限制，壩基防滲采用垂直鋪塑、攪拌樁及塑性混凝土防滲墻多種防滲形式，防滲深度在10～15 m之間，防滲底線透水率在10～30 Lu之間，防滲深度偏淺，未達到現行規范5 Lu線的要求，水庫運行后存在滲漏問題，經復核，正常蓄水位工況下壩后滲透壓力大，下游壩坡出溢點高，下游壩坡及壩腳附近滲透穩定性不滿足規范要求，需采取除險加固措施。

1.1 工程地質情況

水庫位于庫魯克塔格山前剝蝕平原區，水庫壩區出露地層主要為第四系沖洪積物和新近系沉積物，新近系地層為一套河湖相沉積的泥巖與砂巖類，并夾砂礫巖，該套地層呈互層狀分布，巖層呈水平狀。巖性變化及分布較復雜，根據巖體試驗得到的壩基巖體物理力學參數(表1)表明：壩基均屬極軟巖，在工程力學方面其性能更接近土的特性。但是，個別外露及鉆孔取樣砂巖抗壓強度可達20 MPa，屬軟質巖?；鶐r透水率變化較大，基巖面以上地層透水率在5.4～46.6 Lu之間，個別為96.88 Lu，其他透水率均小于5 Lu，總體呈上大下小趨勢。

表1 壩基巖體物理力學參數

1.2 帷幕灌漿試驗段地質情況

帷幕灌漿試驗段在主壩軸線樁號2+430～2+466段上游側，距壩坡腳40 m處，試驗區地層巖性表層為第四系砂土、粉土及砂礫石層，層厚在1.3～4.2 m，結構松散，工程地質條件差；其下為新近系泥巖、砂巖互層，強風化層厚5～8 m，試驗區地質條件具代表性，見圖1。

圖1 帷幕灌漿試驗段地質剖面Fig.1 Geological profile of curtain grouting test section

1.3 帷幕灌漿試驗實施情況

帷幕灌漿的試驗內容主要包括：先導孔鉆孔取芯、壓水、灌漿；灌漿孔壓水、灌漿以及試驗區檢查孔鉆孔取芯、壓水等工作。

試驗段軸線長36 m，分上下游兩排，主帷幕(下游排)孔距1.5 m，副帷幕(上游排)孔距1.5 m，主、副帷幕孔間距1.5 m。副帷幕共布置帷幕灌漿孔25個，其中Ⅰ序孔7個(含先導孔3個)、Ⅱ序孔6個、Ⅲ序孔12個。主帷幕共布置帷幕灌漿孔24個，其中Ⅰ序孔6個、Ⅱ序孔6個、Ⅲ序孔12個，孔位布置詳見圖2。相應布置檢查孔4個，其中植物膠取芯孔2個、壓水試驗孔2個。

按照先主帷幕(下游排)后副帷幕(上游排)的順序施工，在同一排內，先施工Ⅰ序孔，后施工Ⅱ序孔，再施工Ⅲ序孔。帷幕灌漿采用“自上而下，孔口封閉，孔內循環灌漿法”。 漿液材料為純水泥漿，水泥采用PO.42.5普通硅酸鹽水泥，灌漿段長一般為5 m，按照水灰比從大到小(5，2，1，0.8，0.5)，注漿壓力從低到高(0.5，0.7，1.0，1.5 MPa)的順序進行注漿試驗。

在灌漿過程中，試驗區呈現“吃水不吃漿”現象，即壓水試驗巖層透水率很大，但灌漿量小，灌漿過程中變漿困難，多以稀漿灌注結束。主帷幕單位注灰量為43.11～385.43 kg，副帷幕單位注灰量為22.69～769.54 kg。

1.4 灌漿質量檢查及成果分析

灌漿后對帷幕灌漿試驗段鉆孔采取巖芯分析，巖芯內水泥漿液量分布較少，大部分巖芯無水泥漿液擴散痕跡，灌漿影響范圍較小。

圖2 帷幕灌漿試驗段灌漿孔布置Fig.2 Layout of grouting holes in curtain grouting test section

試驗段鉆孔壓水采取自上而下分段鉆進，分段阻塞，分段壓水試驗，檢測灌后試區地層透水率，3號檢查孔總計壓水4段，透水率最小21.23 Lu，最大94.81 Lu，平均約44 Lu；4號檢查孔總計壓水4段，透水率最小25.51 Lu，最大58.98 Lu，平均為35.85 Lu，試驗段巖層透水率灌漿前后變化不大。檢查孔的透水率遠大于設計5 Lu的防滲標準，帷幕灌漿在該試驗區防滲效果不明顯。

后經開挖檢查(圖3)，發現灌漿注入的水泥全部充填在灌漿孔中，未能注入下部地層砂巖及砂礫石層的孔隙、微裂隙中。根據帷幕灌漿試驗段巖芯分析、鉆孔壓水試驗及開挖檢查判定，普通硅酸鹽水泥在項目區采用常規灌漿工藝無法形成有效的防滲帷幕。

圖3 帷幕灌漿試驗段開挖檢查Fig.3 Excavation inspection of curtain grouting test section

2 灌漿失敗原因分析

2.1 灌漿機理

灌漿是利用灌漿泵或漿液自重，通過鉆孔、埋管或其他方法把有機、無機灌漿材料的漿液注入到巖體裂隙、土體孔隙、混凝土裂縫、接縫或空洞內的工程措施[3]，有機灌漿材料屬于化學灌漿，能灌注到細微裂隙中；無機材料主要包括水泥、黏土等膠凝材料，其本質上還是屬于顆粒型材料，灌入能力有限。

根據DL/T 5267—2012《水電水利工程覆蓋層灌漿技術規范》：按照灌漿壓力大小，灌漿機理可分為滲透灌漿(壓力小)和劈裂灌漿(壓力大)本文重點研究滲透灌漿，滲透灌漿是指在壓力作用下使漿液排擠出孔(裂)隙中存在的自由水和氣體，并充填巖土體孔(裂)隙，在孔(裂)隙中形成具有一定強度和低透水性的結石體，起到加固和防滲作用，滲透灌漿所用的灌漿壓力相對較小，不會改變原狀土體的構造。

2.2 砂礫石地基可灌性確定

目前在砂礫石地基中可灌性主要從受灌地基顆粒尺寸方面考慮，常采用可灌比值、地基滲透系數(K)、地層中粒徑小于0.1 mm的顆粒含量及地層的顆粒級配指標判定，本文就希尼爾水庫地基砂巖、砂礫巖層情況對應上述判別標準分別進行研究。

2.2.1 可灌比值

在覆蓋層砂礫石土中灌漿時，采用可灌比值來判定可灌性。張作瑂[4]在《論砂礫石土的可灌性》一文中提出“凈空比”的概念，即：灌漿材料為粒狀時，材料的顆粒尺寸d小于地層的天然孔隙或裂隙Dp時，漿液才有可能進入巖層或土體，即凈空比R=Dp/d>1；在灌漿過程中，顆粒材料往往以多粒的形式同時進入孔隙或裂隙，導致滲漿通道堵塞，當地層的天然孔隙或裂隙尺寸大于3倍的灌漿顆粒尺寸時，多粒形式的結構易被灌漿壓力擊潰，而不會堵塞灌漿通道，因此提出以凈空比R=Dp/d≥3作為確定灌漿材料的基礎。

大多數地層的組成材料和結構存在大小不均的裂隙或孔隙，同時灌漿材料的尺寸也不相同，對于砂礫石地層，由于內部孔隙尺寸大小不一且難以預測，因此其可灌性一般采用砂礫石地層的顆粒尺寸與灌漿材料顆粒尺寸的相互關系來表示，如式(1)所示：

M=D15/d85

(1)

式中：M為可灌比值；D15為覆蓋層粒徑指標，小于該粒徑的土體重占覆蓋層總重的15%，mm；d85為漿液材料粒徑指標，小于該粒徑的材料重占材料總重的85%，mm。 當M>15時可灌注水泥漿；M>10時可灌注水泥黏土漿。

假定d85為灌漿材料中能灌入的最大顆粒，D15為砂礫石土中組成可灌孔隙的最小顆粒，只要M值大于一定數值，就可將85%的灌漿材料充填至大部分砂礫石孔隙中。

灌漿試驗中，漿液材料粒徑按GB 175-2007《通用硅酸鹽水泥》確定d85=0.06 mm，根據實測試驗段地層顆粒級配曲線D15= 0.27 mm(由表2和圖4估算得出)。將d85=0.06 mm和D15=0.27 mm代入式(1)得

M=D15/d85=0.27/0.06=4.5

M=4.5<10，地層顆粒級配不適用顆粒型灌漿。圖5為試驗段地基取樣。

表2 帷幕灌漿試驗段地基顆粒級配

圖4 試驗段地基顆粒大小級配曲線Fig.4 Foundation particle size distribution curve

圖5 試驗段地基取樣Fig.5 Foundation sampling diagram of test section

2.2.2 地基滲透系數(K)

砂礫石地基中孔隙的大小可通過地層滲透系數來反映，根據滲透系數的大小，可選擇不同的灌漿材料，詳見表3。

表3 地基滲透系數與可灌漿材料對應情況

由圖1分析可知，試驗段先導孔壓水試驗實測地基透水率在2.34～131.00 Lu之間，根據GB 50487-2008《水利水電地質勘察規范》中巖土體滲透分級表可查得，試驗段地基滲透系數最小為1.97×10-5cm/s(0.017 m/d)，最大為在>1 cm/s(864 m/d)以上。試驗段地基平均透水率為35 Lu，換算滲透系數為8.28×10-4cm/s=0.72 m/d，不適用于顆粒型灌漿材料。

從數據分析來看，試驗段地基存在滲透系數K>150 m/d的情況，從理論上來說可灌純水泥漿，對試驗段開挖詳查發現，該地段為砂礫巖段，水泥漿液可滲透至砂礫巖內形成結石體，但滲透半徑有限，最大約20 cm(圖6)。試驗段地層砂巖及砂礫巖層呈水平互層狀分布，相鄰灌漿孔同高程部位及下部地層情況與圖6相似，確定沒有漿液滲透形成結石體的現象，說明雖然砂礫巖地層滲透系數較大，但其可灌性存在較大的不確定性。

圖6 砂礫巖層灌漿結石體Fig.6 Gravel rock grouting stone body

2.2.3 地層的顆粒級配指標

根據中國類似工程實際經驗，總結出4條顆粒分配特征曲線來判斷地基對不同灌漿材料可灌性的界限，其對應的粒徑級配曲線與灌漿材料粒徑可灌性對比見圖7和表4。

圖7 試驗段地層粒徑級配曲線綜合分析Fig.7 Comprehensive analysis of formation particle size curve in test section

表4 地基粒徑級配曲線與灌漿材料可灌性對比

圖4可代入圖7進行分析判定(Ⅰ曲線)，同時將試驗段不同地層(圖8)分別取樣測定得到砂礫巖(Ⅱ曲線)、砂巖(Ⅲ曲線)的顆粒級配曲線代入圖7進行分析。

由圖7可知，試驗段地層顆粒級配曲線均位于D線右側，顆粒型灌漿材料在該地層中可灌性極差。同時可以看出，因顆粒級配存在差異，Ⅱ曲線(砂礫巖)比Ⅲ曲線(砂巖)更靠近D曲線，灌漿試驗證明砂礫巖比砂巖具有更好的可灌性，符合一般規律，說明用顆粒級配曲線來判定可灌性較為可靠。

圖8 砂礫巖、砂巖取樣Fig.8 Sampling of gluteniteand sandstone

2.2.4 地層中粒徑小于0.1 mm的顆粒含量

施工中常用小于0.1 mm粒徑的顆粒百分含量來判定可灌性，砂礫石地基中小于0.1 mm的顆粒含量小于5%時，一般可接受水泥黏土漿液。這主要是從砂礫石地基中砂礫粒徑、砂礫間孔隙尺寸及灌漿材料最小顆粒粒徑相互關系及占比推導得出，若砂礫粒徑D已知且等徑，則可算出砂礫間孔隙直徑d=0.032D[5]。盧文運等[6]用沉降天平法測得普通硅酸鹽水泥中小于0.01 mm的顆粒約占40%，現假定水泥顆粒中最小粒徑為0.01 mm，砂礫石層顆粒粒徑應大于0.4 mm才具有可灌性，根據圖7可知試驗段地基中3條曲線小于0.1 mm的顆粒含量為5.2%～7.7%，均大于5%，因此常規水泥灌漿在該地層不具有可灌性。

3 超磨細水泥帷幕灌漿適用性分析

常規水泥灌漿在希尼爾水庫壩基砂巖地層中不可灌，下面分析超磨細水泥在該地層的可灌性。根據《歐盟標準EN12715》，水泥顆粒中95%的粒徑小于20 μm的水泥為超磨細水泥[7]，目前中國生產的超磨細水泥可達到該標準，理論上該水泥漿液可注入開度δ≥0.02 mm的微裂隙。

因自然沉積作用，地層內部材料和結構通常都會存在大小不一的裂隙或孔隙，由圖7中Ⅲ曲線可知試驗段砂巖中占比90%～15%的砂礫粒徑為1.00～0.25 mm，現假設砂巖以最大1.00 mm、最小0.25 mm兩種粒徑分別組成兩種狀態，則可通過d=0.032D推算出該砂巖的最大、最小孔隙直徑：

當Dmax=1.00 mm時dmax=0.032 mm，當Dmin=0.25 mm時dmin=0.008 mm，再將dmax，dmin分別代入凈空比R=Dp/d得：

凈空比Rmax，Rmin均小于3，不滿足可灌性要求，因此說明超磨細水泥在希尼爾水庫壩基砂巖中不具有可灌性。

4 結 論

(1) 試驗證明，在希尼爾水庫壩基砂巖、砂礫巖中常規水泥灌漿不具有可灌性，超磨細水泥理論上也不具有可灌性。

(2) 通過可灌比值、地基滲透系數(K)、地層中粒徑小于0.1 mm的顆粒含量及地層顆粒級配指標來對比分析，地層顆粒級配指標與可灌比值及地層微粒含量更能真實判定中細砂地層可灌性。

(3) 類似工程在前期地勘階段通過室內試驗分析地層顆粒級配，即可初步判定地層可灌性，為基礎處理方案的選定提供依據。