充填灌漿技術在強透水性復雜地層防滲墻施工中的應用

張 前，周尚玉

（中國水電基礎有限公司，天津 301700）

1 應用背景

始建于20世紀60～70年代的一些大型水庫，當時為節(jié)約投資，大壩主體大部分為代料（砂礫石土）粘土心墻結構的碾壓式粘土心墻代料組合壩，而采用該類回填料的土石壩，在運行幾十年后，大都逐漸出現滲漏，導致水庫無法滿負荷蓄水影響庫容，同時不同程度地出現險情。究其原因，主要是因為在修建時受限于當時的技術水平、施工機械化程度和經濟條件，在回填料的使用上沒有進行嚴格控制，壩體的壓實度未達到技術要求。在對該類病險水庫進行除險加固時，通常會在大壩心墻部位設置混凝土防滲墻進行防滲處理以阻斷壩體內的滲漏通道，保證大壩主體結構安全。由于當年建庫時的技術資料保存不完整、地勘資料不準確，在防滲墻施工時，遇到該類松散透水地層時，槽孔內大概率發(fā)生嚴重漏漿、大面積塌孔情況。如果采用常規(guī)性的方法如擠密夯實土體、控制造孔速度、調整造孔泥漿性能等措施,效果并不理想。還會造成固壁泥漿嚴重浪費、擴孔系數嚴重偏大、工期成本嚴重失控，極易引發(fā)安全生產事故。

如果在防滲墻施工前根據先導孔所探明的地質狀況，提前對防滲墻軸線上、下游兩側進行充填灌漿，對松散、透水土體內的孔隙進行有效填充，提高土體本身的整體性和支撐性，就可以在防滲墻施工過程中有效減小槽孔塌孔率、提高成墻質量，保證防滲墻施工安全、質量、進度可控。

2 處理效果

為了保證防滲墻施工過程可控，在施工前通過先導孔探明地質情況后開展生產性試驗后，驗證初步擬定的施工方案、選擇的施工機具及采取的施工工藝的適用性，通過試驗成果來確定有針性的施工方案。本文通過對某病險水庫碾壓式粘土心墻（心墻頂寬4.6m）代料組合壩塑性混凝土防滲墻（墻體厚度0.8m）施工前，在試驗段對充填灌漿處理前后效果進行對比，來檢驗充填灌漿技術在該地層的有效性。

為了確定充填灌漿處理深度，保證生產性試驗結果的準確性和客觀性，設置的試驗區(qū)內槽孔的地質情況應相對一致，且無明顯變化。選擇終孔深度相對較大的槽孔，以保證地層的相對完整、連續(xù)、有代表性。

按照以上原則，生產性試驗段主要布置在防滲墻軸線范圍內槽孔距離在30m（地質情況無明顯變化）范圍之內，且終孔深度不小于50m 的F-11 和F-15 兩個槽孔。試驗區(qū)內的F-11 槽孔在施工前不進行充填灌漿處理，如遇漏漿、塌孔等特殊情況采用擠密夯實土體、控制造孔速度、調整造孔泥漿性能等常規(guī)措施進行處理。F-15 槽孔則在開抓前，在槽孔上、下游兩側位置，距槽孔上、下游邊線外側1.6m 距離各設置一排充填灌漿孔進行充填灌漿處理，孔間距2.0m。通過對試驗區(qū)內兩個槽孔處理效果的成果對比來為施工方案的確定提供依據。

2.1 地質情況

為了保證地質勘測資料的準確性，在布置先導孔時采取加密原則，在F-10槽孔、F-15槽孔的軸線位置分別布置FXD-08和FXD-09兩個先導孔進行鉆孔取芯并進行簡易壓水試驗。

根據先導孔的施工成果（表1）可以發(fā)現，兩個先導孔所探明的地質情況都存在相似情況，即該碾壓式粘土心墻代料組合壩體在其粘土心墻填筑過程中，對填筑料的控制不夠嚴格，有大量砂礫土夾雜其中；部分位置出現了液化粘土，說明該部位碾壓時壓實度不足，導致上游庫內水滲入壩體心墻內導致其液化失穩(wěn)。以上情況多出現在距壩頂高程約15m 范圍內，該范圍內的土體松散，且多處失穩(wěn)、液化。按照壓水試驗結果來看，該深度范圍內透水率異常偏大，具有強透水性。

表1 先導孔成果統(tǒng)計表

2.2 常規(guī)措施的處理效果

按照試驗方案，首先按照防滲墻施工常規(guī)做法對F-11槽孔進行施工，派專業(yè)技術人員對其開挖過程進行嚴密監(jiān)測。施工方法為：

（1）“抓取法”成槽，即采用金泰SG46 抓斗分“三抓”挖掘地層，形成槽孔；

（2）進行固壁的泥漿采用Ca基膨潤土泥漿確保開挖過程中槽孔穩(wěn)定；

（3）清孔采用“氣舉法”清孔換漿，JHD-200型泥漿凈化器凈化泥漿；

（4）澆筑方法采用泥漿下“直升導管法”；

（5）墻段連接采用“接頭管法”，保證接頭連接質量。

在F-11 槽孔開抓后，由于頂部導墻的保護作用，孔深0～5m 范圍內未出現明顯塌孔，但是泥漿滲漏情況非常明顯，通過降低抓取速度、泥漿內加入鋸末減緩滲漏速度、利用抓斗斗體夯實槽孔內土體后再繼續(xù)抓取等措施處理后，可以繼續(xù)造孔；但是在孔深8～15m范圍內，由于槽孔孔壁兩側粘土內砂礫石土含量極大，滲漏通道明顯，槽孔內泥漿流失速度瞬間加快，多次出現孔內泥漿瞬間排空的極端情況，泥漿滲漏速度遠大于泥漿液補充速度，在此過程中，上述的處理措施已完全失效，且導墻底部大范圍出現孔壁坍塌、脫空情況，對施工現場的人員和設備安全產生重大威脅，只能迅速采用粘土回填已開挖部分，防止出現嚴重后果?；靥钔瓿珊螅ㄟ^至少8h自然沉降，采取了將膨潤土調整為Na基膨潤土并在泥漿內增加鋸末等堵漏材料、降低抓取速度同時通過抓斗斗體先夯實后開抓等措施后艱難成槽完成澆筑。雖然通過各種處理措施完成該槽孔的施工，由于大范圍的塌孔，對后續(xù)相鄰槽孔施工時的安全、進度造成很大影響，不僅降低了施工效率、還增加了施工難度和成本投入。

F-11槽孔造孔施工過程情況見表2。

表2 F-11槽孔施工情況統(tǒng)計表

F-11槽孔澆筑過程中，按照不同深度的混凝土耗用量繪制澆筑指示圖（見圖1）。

圖1 F-11澆筑指示圖

按照F-11槽孔的造孔和澆筑情況分析，該槽孔澆筑時的擴孔系數與造孔時槽孔內的情況相應位置的情況一致，即塌孔、漏漿的嚴重性與擴孔系數（K）成正比。F-11槽孔擴孔系數K=1.29，該槽孔擴孔系數相對于正常粘土層防滲墻的擴孔系數（約K＜1.1）是要明顯偏大的。

由此可以看出，在地質情況異常復雜情況下，采用常規(guī)措施處理造孔過程的特殊情況，并不能起到理想的效果。若僅靠施工單位本身過硬的技術能力、極為豐富的施工經驗和合理的處理措施來彌補地質條件先天缺陷，從而保證施工質量、安全和進度是不現實的。而頻繁出現異常漏漿和大范圍塌孔，使得施工效率低下，經常性地進行回填、復抓等重復性施工。同樣，在澆筑過程中擴孔系數遠大于正常值范圍，會使泥漿回收率大大降低、混凝土的耗用量大大增加，不止付出數倍的人工、材料和設備成本，而且會導致孔型失控，影響成墻質量。

因此，先對松散、強透水性復雜地層進行有效處理后，再開始防滲墻施工，才能提高成槽效率、降低施工成本、保證施工安全和質量。

2.3 充填灌漿處理效果

結合前期先導孔成果與F-11 槽孔的施工情況進行分析，在該地層中造孔，從開孔即出現漏漿情況，尤其在孔深8～15m 范圍內出現異常嚴重的漏漿甚至泥漿液瞬間排空現象。與先導孔巖芯對比發(fā)現，該深度范圍內的巖樣中砂礫石含量大于65%，其漏漿情況也與壓水試驗結果相吻合。大壩粘土心墻的粘土內砂礫石含量很大，且土體松散，說明在建壩時距壩頂15m深度范圍內材料控制和碾壓質量均不達標。該地層屬大孔隙、強透水的易滲漏地層。在這類地層中進行防滲墻施工，若不先對透水孔隙進行填充、加固，封閉滲漏通道，無法保證防滲墻施工質量，會對生產安全和施工效率產生很大負面作用。如果要從根本上解決嚴重漏漿問題，需先對該類地層大滲漏孔隙進行充填處理，隔絕滲漏通道，而充填灌漿技術是應對此類問題快捷、經濟、有效的處理方法[2]

2.3.1 孔位布置

F-15槽孔開抓前，在槽孔上、下游兩側位置，距槽孔上、下游邊線外側1.6m距離各設置一排充填灌漿孔進行充填灌漿處理，鉆孔孔徑?110mm，間距2.0m。按照F-11 和先導孔情況來看，嚴重塌孔、漏漿情況主要出現在深度小于15m 范圍內，為保證充填范圍的有效性，試驗段鉆孔深度暫定為16m。灌漿孔分2 序施工，施工順序為：先Ⅰ序孔后Ⅱ序孔，先上游排后下游排。灌漿壓力則利用漿液自重和灌漿泵自帶泵壓進行無壓力灌漿，對松散地層進行處理，灌漿材料采用水泥膨潤土漿液，孔位布置見圖2。

圖2 充填灌漿孔位布置圖

2.3.2 漿液配比及制備

充填灌漿的漿液采用水泥粘土漿（水固比為0.5∶1），采用大密度漿液使?jié){液保持較大稠度，有利于漿液在可控制的擴散范圍內縮短漿液凝結時間，提高充填灌漿的可控性和有效性，如遇特殊情況，出現吃漿量異常時可在漿液中加入細砂進行灌注。

充填灌漿液采用ZJ-1000 高速攪拌機進行拌制，制漿程序如下：

（1）制漿材料使用順序：按照配合比，先在攪拌桶內加入水，然后加入水泥攪拌均勻，最后加入粘土粉充分攪拌；

（2）制出穩(wěn)定漿液后應過篩除去漿液中混雜的大顆粒雜質后存入儲漿池，通過事先布置好的管路，使用S-300灌漿泵輸至孔口。

2.3.3 充填灌漿施工工藝

施工時使用HK-360 型深孔鉆機無水干鉆成孔，然后由MDL-150型錨固鉆機下設套管固壁，采用自下而上分段提升套管無壓灌漿的施工工藝，工藝流程見圖3。

（1）鉆孔。本次充填灌漿的處理范圍按照方案，主要針對位于孔深小于15m 范圍內的松散地層，根據施工現場實際地質情況，由于地層松散且透水性強，需干鉆成孔后套管護壁，本次試驗采用HK-360 型深孔鉆機無水干鉆成孔，MDL-150 型錨固鉆機下設套管，一鉆成孔至計劃孔深后下設套管，保證鉆孔的有效孔徑，這樣漿液在自重壓力作用下能有效滲入壩體滲漏通道[1]。鉆孔采用直徑不小于108mm 的合金鉆頭進行。灌漿前，由MDL-150 型錨固鉆機上提套管至距孔底不大于5m，準備灌漿。

（2）灌漿。灌漿段長自上而下分別按照6m、5m、5m的長度來進行設置，施工過程中的可以根據實際情況適當調整段長，地質情況差，可以縮短段長；地質條件好，可增加段長。從而保證灌漿質量、提高灌漿效率。灌漿時采用自下而上分段灌漿，下部一段灌漿結束后，套管上提達到上部下一段灌漿長度后繼續(xù)灌漿，直至提出孔口完成最后一段灌漿。灌漿壓力為漿柱自重壓力與灌漿泵輸漿泵壓之和，即無壓力灌漿。灌漿時漿液由儲漿池通過管路泵送入孔，當灌注段不吃漿或者孔內漿液冒出孔口時，即可結束本段灌漿，總體灌漿情況見表3。

表3 F-15灌漿情況統(tǒng)計表

2.3.4 效果檢驗

充填灌漿施工完畢24h后，即開始F-15槽孔的施工。為了形成對比，造孔時采用的泥漿、施工工藝與F-11槽孔保持一致。F-15槽孔整個施工過程非常順利，不但在造孔時未出現大規(guī)模塌孔和嚴重漏漿情況（造孔情況見表4），而且在澆筑過程中，F-15槽孔的終澆擴孔系數（K值）僅為1.06（見圖4），擴孔系數明顯減小，混凝土消耗量大幅度降低。

圖4 F-15澆筑指示圖

表4 F-15槽孔施工情況統(tǒng)計表

3 結論

通過F-11 和F-15 兩個槽孔施工情況對比來看，在強透水性復雜地層防滲墻施工前通過充填灌漿技術對松散、強透水性滲漏地層先進行處理，可以使土體的密實度得到有效增強，通過漿液對松散土體顆粒之間進行有效、充分填充，提高土體本身的閉水、阻水性能。最終從根本上使槽孔兩側的孔壁的直立性、防滲漏性得到顯著提高，極大地改善地質條件，從而確保灌后防滲墻施工過程控制的可靠性。

所以，依據可靠的地質復核成果，在強透水性復雜地質條件防滲墻施工前采用充填灌漿技術對地層進行有效處理，可以極大地節(jié)約成本、縮短工期，同時對槽孔的安全性和可靠性產生質的提升。