水库坝基帷幕灌浆生产性试验

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1、前言

　　**水库工程处于山西省吕梁地区中部，坝址位于山西省吕梁地区三川河支流北川河干流上，方山县班庄与**两村之间。枢纽主要建筑物包括大坝、泄洪洞、供水发电洞、电站。

　　坝址河谷地形平坦开阔，河谷宽度650m，河床高程1100～1109m，左岸为黄土台地，右岸为基岩山区。在河流两岸发育有二级阶地。Ⅰ级阶地高出河床2～5m，阶面宽150～300m.Ⅱ级阶地高出河床5～10m，阶面宽100～200m.Ⅰ、Ⅱ级堆积阶地均呈条带状分布于两岸。坝址左岸黄土台地底部为一古河道，属掩埋古河道。根据坝基地质条件，大坝坝基防渗采用塑性混凝土防渗墙与帷幕灌浆相结合的方案，其中砂砾石层以下基岩全强风化层25～30m为中透水带；右岸坝肩全强风化基岩层为右岸绕坝渗漏的主要通道。本次设计拟对坝基及右岸坝肩沿坝轴线0-070～0+992范围内基岩10Lu线以上范围设灌浆帷幕，坝基段灌浆帷幕顶部与防渗墙的搭接长度为4m，帷幕设计标准为灌浆后基岩透水率为5Lu.

　　本次灌浆试验计划进行单排孔试验孔5个（检查孔2个）和双排灌浆试验孔10个，本次试验的主要目的是研究有地下水条件下的强风化岩层中的灌浆处理措施，验证坝基帷幕灌浆设计排数以及孔、排距和灌浆段长、压力等参数的合同性，以达到指导整个**水库坝基帷幕灌浆施工的目的。

　　2、坝址区的地质概况

　　2.1 工程地质条件

　　坝址区出露的基岩地层有：

　　a.上太古界赤坚岭组的混合花岗岩，分布于坝基及右岸，为坝基主要涉及的基岩地层；地下水类型有第四第松散松散岩类孔隙水和基岩裂隙水两种类型。

　　b.下原古界野鸡山群杨树岭组变质砾岩、石英片岩分布于右岸。

　　节理裂隙发育三组：第一组走相N30～50E、倾向SE或NW，倾角60～80；第二组走相N70～80W、倾向NE，倾角65～80；第三组走相N20N～44W，倾向NE，倾角45～65.裂隙面比较垂直，裂隙宽度多在2～10mm，裂隙内多数无充填，少数有泥质填充。基岩片麻岩节理面多向北西倾斜，总体为单斜构造，片麻理产状N40～N50E，NW<50～70.

　　坝址区出露的新生界地层有：

　　a上第三系上新统N2：棕红色黏土；

　　b上更新统风积层（Q3eol）：淡黄色低液限黏土，低液限粉土；

　　c上更新统洪冲积层（Q3pal）：上部为淡黄色低液限黏土，低液限粉土，下部卵石混合土，级配不良砾；

　　d全新统早期洪冲积层（Q4lpal）：上部淡黄色低液限黏土，低液限粉土，结构稍密，下部卵石混合土，混合土卵石，级配不良砾及砂层。

　　e全新统早期洪冲积层（Q42pal）：为卵石混合土，混合土卵石，级配不良砾；

　　f全新统坡洪积层（Q4dpl）：低液限黏土夹碎石；

　　g人工堆积（Q3）：主要为旧坝体人工填土。

　　2.2 坝基渗漏带地质分布

　　柱号0-687～0+263段为坝基段，段内覆盖层Q4eol低液限粘土、Q42pl低液限粘土、Q42pal卵石混合土、混合土卵石、级配不良砾层、Ar3c混合片麻岩。地下水位埋深20-100m.渗透层主要为Q42pl，渗透系数8.2m/d，渗透带宽约950m，属强透水带。基岩强风化层也存在透水性，渗透系数0.8m/d，强风化层厚度约为25m.

　　柱号0+263～0+923段，段内覆盖层为Q41pal、Q42pal卵石混合土、混合土卵石、级配不良砾。地下水位埋藏较浅。覆盖层根据透水性可分为两段：

　　1）0+263～0+502，渗透层平均厚度19m，渗漏带宽240m，平均渗透系数5.9m/d，属中等透水带；

　　2）0+502.5～0+923，坝基段，渗透层平均厚度13m，渗漏带宽420m，约2.5m/d，局部透水率达到7813Lu及11420Lu.

　　3、灌浆试验布置

　　本次帷幕灌浆试验共布置单排孔试验孔5个（检查孔2个）和双排灌浆孔10个（检查孔2个）。单排孔孔距2m.

　　4、帷幕试验技术要求要求

　　4.1施工顺序

　　帷幕灌浆试验分三序施工，先工一序孔，再施工二序孔，然后施工三序孔，最后进行检查孔的施工。相邻的两个次序孔之间，在岩石中钻孔灌浆的间隔高差不小于15m.

　　4.2钻孔、冲冼

　　采用XY-2PC型回转式地质钻机钻进。土层和砂砾石层钻孔直径为110mm.岩基帷幕灌浆孔孔径为73，覆盖层和砂卵石地层采用硬质合金钻头钻进，基岩采用金钢石钻头钻进。

　　为保证岩基帷幕灌浆的质量采用孔口封闭法进行灌浆，钻孔钻至风化岩顶部时，安设护口管及护壁管。

　　土层和砂卵石层安设完护壁管后，待凝50~72h，改用76mm的金钢石钻头钻进。基岩层为强风化地层和全风化层，改用清水冲冼液进行钻进。并采取如下措施措施：

　　a清水冲冼液排量适当，防止冲冼液过大冲坏井壁、过小而发生烧钻事故。

　　b提升和降下钻机要平稳。

　　钻孔过程中，按质检员或监理工程师要求进行抽查测斜。全孔钻完后，做终孔测斜。

　　每段钻进结束后，用大量清水进行钻孔冲冼，孔底沉积厚度不得超过20cm.

　　4.3裂隙冲冼及压水

　　每个灌浆段在压水前要进行裂隙冲冼，冲冼压力为灌浆压力的80%，如该值大于1Mpa时，采用1Mpa.压水稳定标准：在稳定压力下，每5min测读一次压入水量，连续4次读 数中最大值与最小值之差小于最终值的10%，或最大值与最小值之差小于1L/min时，本阶段压水试验即可结束，取最终值作为计算值。

　　5、灌浆

　　5.1 灌浆材料

　　强度等级为32.5R普通硅酸盐水泥，细度为通过80m方孔筛其筛余量不大于5%.

　　5.2灌浆方法及段长

　　灌浆方法为孔口封闭、孔内循环法。灌浆段长：第一段为2m，第二段以下为5m，最后一段最长不超过7m.

　　5.3灌浆方式及灌浆方法

　　试验采用自上而下分段钻孔、孔口封闭式灌浆法。自上而下分段灌浆时，灌浆塞阻塞在该灌浆段段顶0.5m处，防止地层外漏。各段灌浆结束后一般不需待凝，即可进行下一段的钻灌。

　　5.4浆液变换

　　浆液浓度由稀到浓，逐级变换。浆液水灰比采用5：1、3：1、2：1、1：1、0.8：1、0.6：1、0.5：1等7个比级，开灌水灰比为5：1 .实际施工时若透水率大，开灌水灰比可采用3：1或2：1，但必须经监理工程师批准。

　　浆液变换原则：灌浆时，当灌浆压力保持不变，注入量持续减少或注入率不变，压力持续升高时，不得改变水灰比。当某一级浆液注入量达到300L以上或灌浆时间已达30min，而灌浆压力和注入率均无改变或改变不显著时，应改变一级水灰比。当注入率大于30L/min，可根据情况越级变浓。

　　灌浆过程中灌浆压力或注入率突然改变较大时，应立即查明原因，采取相应的措施措施处理。

　　5.5灌浆结束条件

　　在该灌浆段最大设计压力下，注入率不大于0.4L/min时，继续灌注60min，或注入率不大于1L/min时继续灌注90min即可结束灌浆。

　　5.6终孔标准

　　钻孔到达设计灌浆底线后，如灌前压水透水率q>10Lu时，加深一段（5m）。当灌前压水透水率q<3Lu时，可灌浆终孔。

　　5.7封孔

　　采用“自上而下”分段压力封孔法，即将该孔分成2~3段，每段段长不大于15m进行复灌封孔。

　　6、灌浆试验成果统计分析

　　灌浆前各孔段压水透水率及灌浆水泥耗量统计表见表-1、表-2.

　　从表-1、表-2可见，灌浆前压水透水率出现882.5Lu及488.5Lu，可能为孔口封闭灌浆过程中由于追求高压，致使顶板劈裂形成。单位注入量单段最高达1390.9kg/m，最小为41.4kg/m.T2、T4孔由于追求高压，致使顶板劈裂，使浆液压入砂砾石层，14m用水泥10637.2kg，平均760kg，是Ⅰ、Ⅱ序孔平均535kg的1.42倍，是Ⅱ序孔平均值172.14kg的4.42倍。试验主要根据**水库岩基情况和水库设计的等级、库容为依据参数，该大坝岩基帷幕灌浆阶段设计原则采用常规中压灌浆（0.5～3MPa）进行施工。试验阶段在了解地层分层界限钻探和第一段压水试验（当下入14m护壁套管，并在帷幕灌浆顶线上的1.3～1.5m风化岩用压力水泥浆将12.5～14m段全部固结，水泥凝固50小时后再次复钻，第一段2m段压力为0.52Mpa，也就证明，帷幕灌浆顶高程以上下班1.3～1.5m水泥固结后去灌浆盖重顶板最大承受压力是0.52Mpa）。

　　所以在帷幕灌浆试验中提出第一段压力1Mpa，最低压力为0.7Mpa，以下各段视具体情况采取措施达到3Mpa压力或根据地层构造的最大承受压力决定灌浆压力。

　　依据试验孔的同类曲线频繁产生，所以**水库岩基帷幕灌浆必须依据大坝岩基的地质构造，由其对全、强风化地层采取常规的中值压力灌浆。该地区不能使用国内目前倾向的高压灌浆，若采取取一些施工手段进行较高灌浆压力是不必要的。

　　灌浆压力是提高和灌浆质量的重要因素之一，一般地层结构良好的情况下，使用较高压力是有利的，但是灌浆压力的选择必须结合地层实际情况，使用压力过大会产生如下问题：

　　1）使岩石裂隙扩宽、甚至产生新的裂隙。

　　2）使原来的地质条件恶化或使岩石抬动变形。

　　3）扩大灌浆范围，使浆液在高压作用下延伸到扩散区域以外，形成浪费。

　　因此，依据**水库大坝岩基地质构造及试验孔的实践论证，提出不同深度的岩层在灌浆时采用与此相匹配的压力值。

　　7、帷幕灌浆试验检查

　　帷幕灌浆试验结束后，待凝22天后对灌浆效果进行了钻孔取芯和压水试验检查。按试验方案检查孔布置两个。

　　7.1取芯

　　帷幕灌浆检查孔钻孔时，对全风化片麻岩进行了干钻取芯，取芯部位在试灌第一段，岩样长度200mm，由于机械和金钢石钻头的研磨压缩，全风化岩体以挤压成砂状。但被灌入裂隙中水泥浆结石成碎片同时取出其最大长度30mm，厚度3mm，可推断全风化岩层裂隙发育，洗孔良好，裂隙灌浆效果好。

　　7.2压水试验

　　压水试验采用五点法进行，透水率值灌浆前三序孔平均值25.2Lu，灌浆后透水率平均值为2.06Lu，满足设计要求。

　　8、结语

　　通过灌浆过程和灌浆资料分析，有如下认识：

　　1）本次灌浆试验采用的施工程序、施工工艺能够适应本工程的地层条件；

　　2）试验中帷幕灌浆施工参数如孔距、排距、深度是合理的。

　　3）试验中使用32.5普通硅酸盐水泥能满足工程标准的要求。

　　4）灌浆孔灌前透水率以及灌浆单位注入量随灌浆次次序序递减明显，符合一般灌浆规律。

　　5）应该指出由于地质条件的不确定性，本次灌浆试验孔数较少，以及灌浆试验中为了探索本工程中灌浆压力的最大值在一定程度上造成了灌浆水泥用量的增加。

　　6）对于**水库全风化地层透水率偏大，在灌浆过程中，低压开灌也会产生注入量很大的情况，为做到尽快达到灌浆压力的灌浆原则必须对特殊情况进行低压、浓浆、限量、间歇灌浆、分级升压的方法进行处理。以便提高灌浆质量，减少工程造价，是正确的施工措施。