水庫壩基帷幕灌漿生產性試驗
發布時間：2010-01-14 共1頁
1、前言
**水庫工程處于山西省呂梁地區中部，壩址位于山西省呂梁地區三川河支流北川河干流上，方山縣班莊與**兩村之間。樞紐主要建筑物包括壩、泄洪洞、供水發電洞、電站。
壩址河谷地形平坦開闊，河谷寬度650m，河床高程1100～1109m，左岸為黃土臺地，右岸為基巖山區。在河流兩岸發育有二級階地。Ⅰ級階地高出河床2～5m，階面寬150～300m.Ⅱ級階地高出河床5～10m，階面寬100～200m.Ⅰ、Ⅱ級堆積階地均呈條帶狀分布于兩岸。壩址左岸黃土臺地底部為一古河道，屬掩埋古河道。根據壩基地質條件，壩壩基防滲采用塑性混凝土防滲墻與帷幕灌漿相結合的方案，其中砂礫石層以下基巖全強風化層25～30m為中透水帶；右岸壩肩全強風化基巖層為右岸繞壩滲漏的主要通道。本次設計擬對壩基及右岸壩肩沿壩軸線0-070～0+992范圍內基巖10Lu線以上范圍設灌漿帷幕，壩基段灌漿帷幕頂部與防滲墻的搭接長度為4m，帷幕設計標準為灌漿后基巖透水率為5Lu.
本次灌漿試驗計劃進行單排孔試驗孔5個（檢查孔2個）和雙排灌漿試驗孔10個，本次試驗的主要目的是研究有地下水條件下的強風化巖層中的灌漿處理措施，驗證壩基帷幕灌漿設計排數以及孔、排距和灌漿段長、壓力等參數的合同性，以達到指導整個**水庫壩基帷幕灌漿施工的目的。
2、壩址區的地質概況
2.1 工程地質條件
壩址區出露的基巖地層有：
a.上太古界赤堅嶺組的混合花崗巖，分布于壩基及右岸，為壩基主要涉及的基巖地層；地下水類型有第四第松散松散巖類孔隙水和基巖裂隙水兩種類型。
b.下原古界野雞山群楊樹嶺組變質礫巖、石英片巖分布于右岸。
節理裂隙發育三組：第一組走相N30～50E、傾向SE或NW，傾角60～80；第二組走相N70～80W、傾向NE，傾角65～80；第三組走相N20N～44W，傾向NE，傾角45～65.裂隙面比較垂直，裂隙寬度多在2～10mm，裂隙內多數無充填，少數有泥質填充。基巖片麻巖節理面多向北西傾斜，總體為單斜構造，片麻理產狀N40～N50E，NW<50～70.
壩址區出露的新生界地層有：
a上第三系上新統N2：棕紅色黏土；
b上更新統風積層（Q3eol）：淡黃色低液限黏土，低液限粉土；
c上更新統洪沖積層（Q3pal）：上部為淡黃色低液限黏土，低液限粉土，下部卵石混合土，級配不良礫；
d全新統早期洪沖積層（Q4lpal）：上部淡黃色低液限黏土，低液限粉土，結構稍密，下部卵石混合土，混合土卵石，級配不良礫及砂層。
e全新統早期洪沖積層（Q42pal）：為卵石混合土，混合土卵石，級配不良礫；
f全新統坡洪積層（Q4dpl）：低液限黏土夾碎石；
g人工堆積（Q3）：主要為舊壩體人工填土。
2.2 壩基滲漏帶地質分布
柱號0-687～0+263段為壩基段，段內覆蓋層Q4eol低液限粘土、Q42pl低液限粘土、Q42pal卵石混合土、混合土卵石、級配不良礫層、Ar3c混合片麻巖。地下水位埋深20-100m.滲透層主要為Q42pl，滲透系數8.2m/d，滲透帶寬約950m，屬強透水帶。基巖強風化層也存在透水性，滲透系數0.8m/d，強風化層厚度約為25m.
柱號0+263～0+923段，段內覆蓋層為Q41pal、Q42pal卵石混合土、混合土卵石、級配不良礫。地下水位埋藏較淺。覆蓋層根據透水性可分為兩段：
1）0+263～0+502，滲透層平均厚度19m，滲漏帶寬240m，平均滲透系數5.9m/d，屬中等透水帶；
2）0+502.5～0+923，壩基段，滲透層平均厚度13m，滲漏帶寬420m，約2.5m/d，局部透水率達到7813Lu及11420Lu.
3、灌漿試驗布置
本次帷幕灌漿試驗共布置單排孔試驗孔5個（檢查孔2個）和雙排灌漿孔10個（檢查孔2個）。單排孔孔距2m.
4、帷幕試驗技術要求要求
4.1施工順序
帷幕灌漿試驗分三序施工，先工一序孔，再施工二序孔，然后施工三序孔，最后進行檢查孔的施工。相鄰的兩個次序孔之間，在巖石中鉆孔灌漿的間隔高差不小于15m.
4.2鉆孔、沖冼
采用XY-2PC型回轉式地質鉆機鉆進。土層和砂礫石層鉆孔直徑為110mm.巖基帷幕灌漿孔孔徑為73，覆蓋層和砂卵石地層采用硬質合金鉆頭鉆進，基巖采用金鋼石鉆頭鉆進。
為保證巖基帷幕灌漿的質量采用孔口封閉法進行灌漿，鉆孔鉆至風化巖頂部時，安設護口管及護壁管。
土層和砂卵石層安設完護壁管后，待凝50~72h，改用76mm的金鋼石鉆頭鉆進。基巖層為強風化地層和全風化層，改用清水沖冼液進行鉆進。并采取如下措施措施：
a清水沖冼液排量適當，防止沖冼液過沖壞井壁、過小而發生燒鉆事故。
b提升和降下鉆機要平穩。
鉆孔過程中，按質檢員或監理工程師要求進行抽查測斜。全孔鉆完后，做終孔測斜。
每段鉆進結束后，用量清水進行鉆孔沖冼，孔底沉積厚度不得超過20cm.
4.3裂隙沖冼及壓水
每個灌漿段在壓水前要進行裂隙沖冼，沖冼壓力為灌漿壓力的80%，如該值于1Mpa時，采用1Mpa.壓水穩定標準：在穩定壓力下，每5min測讀一次壓入水量，連續4次讀 數中最值與最小值之差小于最終值的10%，或最值與最小值之差小于1L/min時，本階段壓水試驗即可結束，取最終值作為計算值。
5、灌漿
5.1 灌漿材料
強度等級為32.5R普通硅酸鹽水泥，細度為通過80m方孔篩其篩余量不于5%.
5.2灌漿方法及段長
灌漿方法為孔口封閉、孔內循環法。灌漿段長：第一段為2m，第二段以下為5m，最后一段最長不超過7m.
5.3灌漿方式及灌漿方法
試驗采用自上而下分段鉆孔、孔口封閉式灌漿法。自上而下分段灌漿時，灌漿塞阻塞在該灌漿段段頂0.5m處，防止地層外漏。各段灌漿結束后一般不需待凝，即可進行下一段的鉆灌
5.4漿液變換
漿液濃度由稀到濃，逐級變換。漿液水灰比采用5：1、3：1、2：1、1：1、0.8：1、0.6：1、0.5：1等7個比級，開灌水灰比為5：1 .實際施工時若透水率，開灌水灰比可采用3：1或2：1，但必須經監理工程師批準。
漿液變換原則：灌漿時，當灌漿壓力保持不變，注入量持續減少或注入率不變，壓力持續升高時，不得改變水灰比。當某一級漿液注入量達到300L以上或灌漿時間已達30min，而灌漿壓力和注入率均無改變或改變不顯著時，應改變一級水灰比。當注入率于30L/min，可根據情況越級變濃。
灌漿過程中灌漿壓力或注入率突然改變較時，應立即查明原因，采取相應的措施措施處理。
5.5灌漿結束條件
在該灌漿段最設計壓力下，注入率不于0.4L/min時，繼續灌注60min，或注入率不于1L/min時繼續灌注90min即可結束灌漿。
5.6終孔標準
鉆孔到達設計灌漿底線后，如灌前壓水透水率q>10Lu時，加深一段（5m）。當灌前壓水透水率q<3Lu時，可灌漿終孔。
5.7封孔
采用“自上而下”分段壓力封孔法，即將該孔分成2~3段，每段段長不于15m進行復灌封孔。
6、灌漿試驗成果統計分析
灌漿前壓水透水率出現882.5Lu及488.5Lu，可能為孔口封閉灌漿過程中由于追求高壓，致使頂板劈裂形成。單位注入量單段最高達1390.9kg/m，最小為41.4kg/m.T2、T4孔由于追求高壓，致使頂板劈裂，使漿液壓入砂礫石層，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。試驗主要根據**水庫巖基情況和水庫設計的等級、庫容為依據參數，該壩巖基帷幕灌漿階段設計原則采用常規中壓灌漿（0.5～3MPa）進行施工。試驗階段在了解地層分層界限鉆探和第一段壓水試驗（當下入14m護壁套管，并在帷幕灌漿頂線上的1.3～1.5m風化巖用壓力水泥漿將12.5～14m段全部固結，水泥凝固50小時后再次復鉆，第一段2m段壓力為0.52Mpa，也就證明，帷幕灌漿頂高程以上下班1.3～1.5m水泥固結后去灌漿蓋重頂板最承受壓力是0.52Mpa）。
所以在帷幕灌漿試驗中提出第一段壓力1Mpa，最低壓力為0.7Mpa，以下各段視具體情況采取措施達到3Mpa壓力或根據地層構造的最承受壓力決定灌漿壓力。
依據試驗孔的同類曲線頻繁產生，所以**水庫巖基帷幕灌漿必須依據壩巖基的地質構造，由其對全、強風化地層采取常規的中值壓力灌漿。該地區不能使用國內目前傾向的高壓灌漿，若采取取一些施工手段進行較高灌漿壓力是不必要的。
灌漿壓力是提高和灌漿質量的重要因素之一，一般地層結構良好的情況下，使用較高壓力是有利的，但是灌漿壓力的選擇必須結合地層實際情況，使用壓力過會產生如下問題：
1）使巖石裂隙擴寬、甚至產生新的裂隙。
2）使原來的地質條件惡化或使巖石抬動變形。
3）擴灌漿范圍，使漿液在高壓作用下延伸到擴散區域以外，形成浪費。
因此，依據**水庫壩巖基地質構造及試驗孔的實踐論證，提出不同深度的巖層在灌漿時采用與此相匹配的壓力值。
7、帷幕灌漿試驗檢查
帷幕灌漿試驗結束后，待凝22天后對灌漿效果進行了鉆孔取芯和壓水試驗檢查。按試驗方案檢查孔布置兩個。
7.1取芯
帷幕灌漿檢查孔鉆孔時，對全風化片麻巖進行了干鉆取芯，取芯部位在試灌第一段，巖樣長度200mm，由于機械和金鋼石鉆頭的研磨壓縮，全風化巖體以擠壓成砂狀。但被灌入裂隙中水泥漿結石成碎片同時取出其最長度30mm，厚度3mm，可推斷全風化巖層裂隙發育，洗孔良好，裂隙灌漿效果好。
7.2壓水試驗
壓水試驗采用五點法進行，透水率值灌漿前三序孔平均值25.2Lu，灌漿后透水率平均值為2.06Lu，滿足設計要求。
8、結語
通過灌漿過程和灌漿資料分析，有如下認識：
1）本次灌漿試驗采用的施工程序、施工工藝能夠適應本工程的地層條件；
2）試驗中帷幕灌漿施工參數如孔距、排距、深度是合理的。
3）試驗中使用32.5普通硅酸鹽水泥能滿足工程標準的要求。
4）灌漿孔灌前透水率以及灌漿單位注入量隨灌漿次次序序遞減明顯，符合一般灌漿規律。
5）應該指出由于地質條件的不確定性，本次灌漿試驗孔數較少，以及灌漿試驗中為了探索本工程中灌漿壓力的最值在一定程度上造成了灌漿水泥用量的增加。
6）對于**水庫全風化地層透水率偏，在灌漿過程中，低壓開灌也會產生注入量很的情況，為做到盡快達到灌漿壓力的灌漿原則必須對特殊情況進行低壓、濃漿、限量、間歇灌漿、分級升壓的方法進行處理。以便提高灌漿質量，減少工程造價，是正確的施工措施。
**水庫工程處于山西省呂梁地區中部，壩址位于山西省呂梁地區三川河支流北川河干流上，方山縣班莊與**兩村之間。樞紐主要建筑物包括壩、泄洪洞、供水發電洞、電站。
壩址河谷地形平坦開闊，河谷寬度650m，河床高程1100～1109m，左岸為黃土臺地，右岸為基巖山區。在河流兩岸發育有二級階地。Ⅰ級階地高出河床2～5m，階面寬150～300m.Ⅱ級階地高出河床5～10m，階面寬100～200m.Ⅰ、Ⅱ級堆積階地均呈條帶狀分布于兩岸。壩址左岸黃土臺地底部為一古河道，屬掩埋古河道。根據壩基地質條件，壩壩基防滲采用塑性混凝土防滲墻與帷幕灌漿相結合的方案，其中砂礫石層以下基巖全強風化層25～30m為中透水帶；右岸壩肩全強風化基巖層為右岸繞壩滲漏的主要通道。本次設計擬對壩基及右岸壩肩沿壩軸線0-070～0+992范圍內基巖10Lu線以上范圍設灌漿帷幕，壩基段灌漿帷幕頂部與防滲墻的搭接長度為4m，帷幕設計標準為灌漿后基巖透水率為5Lu.
本次灌漿試驗計劃進行單排孔試驗孔5個（檢查孔2個）和雙排灌漿試驗孔10個，本次試驗的主要目的是研究有地下水條件下的強風化巖層中的灌漿處理措施，驗證壩基帷幕灌漿設計排數以及孔、排距和灌漿段長、壓力等參數的合同性，以達到指導整個**水庫壩基帷幕灌漿施工的目的。
2、壩址區的地質概況
2.1 工程地質條件
壩址區出露的基巖地層有：
a.上太古界赤堅嶺組的混合花崗巖，分布于壩基及右岸，為壩基主要涉及的基巖地層；地下水類型有第四第松散松散巖類孔隙水和基巖裂隙水兩種類型。
b.下原古界野雞山群楊樹嶺組變質礫巖、石英片巖分布于右岸。
節理裂隙發育三組：第一組走相N30～50E、傾向SE或NW，傾角60～80；第二組走相N70～80W、傾向NE，傾角65～80；第三組走相N20N～44W，傾向NE，傾角45～65.裂隙面比較垂直，裂隙寬度多在2～10mm，裂隙內多數無充填，少數有泥質填充。基巖片麻巖節理面多向北西傾斜，總體為單斜構造，片麻理產狀N40～N50E，NW<50～70.
壩址區出露的新生界地層有：
a上第三系上新統N2：棕紅色黏土；
b上更新統風積層（Q3eol）：淡黃色低液限黏土，低液限粉土；
c上更新統洪沖積層（Q3pal）：上部為淡黃色低液限黏土，低液限粉土，下部卵石混合土，級配不良礫；
d全新統早期洪沖積層（Q4lpal）：上部淡黃色低液限黏土，低液限粉土，結構稍密，下部卵石混合土，混合土卵石，級配不良礫及砂層。
e全新統早期洪沖積層（Q42pal）：為卵石混合土，混合土卵石，級配不良礫；
f全新統坡洪積層（Q4dpl）：低液限黏土夾碎石；
g人工堆積（Q3）：主要為舊壩體人工填土。
2.2 壩基滲漏帶地質分布
柱號0-687～0+263段為壩基段，段內覆蓋層Q4eol低液限粘土、Q42pl低液限粘土、Q42pal卵石混合土、混合土卵石、級配不良礫層、Ar3c混合片麻巖。地下水位埋深20-100m.滲透層主要為Q42pl，滲透系數8.2m/d，滲透帶寬約950m，屬強透水帶。基巖強風化層也存在透水性，滲透系數0.8m/d，強風化層厚度約為25m.
柱號0+263～0+923段，段內覆蓋層為Q41pal、Q42pal卵石混合土、混合土卵石、級配不良礫。地下水位埋藏較淺。覆蓋層根據透水性可分為兩段：
1）0+263～0+502，滲透層平均厚度19m，滲漏帶寬240m，平均滲透系數5.9m/d，屬中等透水帶；
2）0+502.5～0+923，壩基段，滲透層平均厚度13m，滲漏帶寬420m，約2.5m/d，局部透水率達到7813Lu及11420Lu.
3、灌漿試驗布置
本次帷幕灌漿試驗共布置單排孔試驗孔5個（檢查孔2個）和雙排灌漿孔10個（檢查孔2個）。單排孔孔距2m.
4、帷幕試驗技術要求要求
4.1施工順序
帷幕灌漿試驗分三序施工，先工一序孔，再施工二序孔，然后施工三序孔，最后進行檢查孔的施工。相鄰的兩個次序孔之間，在巖石中鉆孔灌漿的間隔高差不小于15m.
4.2鉆孔、沖冼
采用XY-2PC型回轉式地質鉆機鉆進。土層和砂礫石層鉆孔直徑為110mm.巖基帷幕灌漿孔孔徑為73，覆蓋層和砂卵石地層采用硬質合金鉆頭鉆進，基巖采用金鋼石鉆頭鉆進。
為保證巖基帷幕灌漿的質量采用孔口封閉法進行灌漿，鉆孔鉆至風化巖頂部時，安設護口管及護壁管。
土層和砂卵石層安設完護壁管后，待凝50~72h，改用76mm的金鋼石鉆頭鉆進。基巖層為強風化地層和全風化層，改用清水沖冼液進行鉆進。并采取如下措施措施：
a清水沖冼液排量適當，防止沖冼液過沖壞井壁、過小而發生燒鉆事故。
b提升和降下鉆機要平穩。
鉆孔過程中，按質檢員或監理工程師要求進行抽查測斜。全孔鉆完后，做終孔測斜。
每段鉆進結束后，用量清水進行鉆孔沖冼，孔底沉積厚度不得超過20cm.
4.3裂隙沖冼及壓水
每個灌漿段在壓水前要進行裂隙沖冼，沖冼壓力為灌漿壓力的80%，如該值于1Mpa時，采用1Mpa.壓水穩定標準：在穩定壓力下，每5min測讀一次壓入水量，連續4次讀 數中最值與最小值之差小于最終值的10%，或最值與最小值之差小于1L/min時，本階段壓水試驗即可結束，取最終值作為計算值。
5、灌漿
5.1 灌漿材料
強度等級為32.5R普通硅酸鹽水泥，細度為通過80m方孔篩其篩余量不于5%.
5.2灌漿方法及段長
灌漿方法為孔口封閉、孔內循環法。灌漿段長：第一段為2m，第二段以下為5m，最后一段最長不超過7m.
5.3灌漿方式及灌漿方法
試驗采用自上而下分段鉆孔、孔口封閉式灌漿法。自上而下分段灌漿時，灌漿塞阻塞在該灌漿段段頂0.5m處，防止地層外漏。各段灌漿結束后一般不需待凝，即可進行下一段的鉆灌
5.4漿液變換
漿液濃度由稀到濃，逐級變換。漿液水灰比采用5：1、3：1、2：1、1：1、0.8：1、0.6：1、0.5：1等7個比級，開灌水灰比為5：1 .實際施工時若透水率，開灌水灰比可采用3：1或2：1，但必須經監理工程師批準。
漿液變換原則：灌漿時，當灌漿壓力保持不變，注入量持續減少或注入率不變，壓力持續升高時，不得改變水灰比。當某一級漿液注入量達到300L以上或灌漿時間已達30min，而灌漿壓力和注入率均無改變或改變不顯著時，應改變一級水灰比。當注入率于30L/min，可根據情況越級變濃。
灌漿過程中灌漿壓力或注入率突然改變較時，應立即查明原因，采取相應的措施措施處理。
5.5灌漿結束條件
在該灌漿段最設計壓力下，注入率不于0.4L/min時，繼續灌注60min，或注入率不于1L/min時繼續灌注90min即可結束灌漿。
5.6終孔標準
鉆孔到達設計灌漿底線后，如灌前壓水透水率q>10Lu時，加深一段（5m）。當灌前壓水透水率q<3Lu時，可灌漿終孔。
5.7封孔
采用“自上而下”分段壓力封孔法，即將該孔分成2~3段，每段段長不于15m進行復灌封孔。
6、灌漿試驗成果統計分析
灌漿前壓水透水率出現882.5Lu及488.5Lu，可能為孔口封閉灌漿過程中由于追求高壓，致使頂板劈裂形成。單位注入量單段最高達1390.9kg/m，最小為41.4kg/m.T2、T4孔由于追求高壓，致使頂板劈裂，使漿液壓入砂礫石層，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。試驗主要根據**水庫巖基情況和水庫設計的等級、庫容為依據參數，該壩巖基帷幕灌漿階段設計原則采用常規中壓灌漿（0.5～3MPa）進行施工。試驗階段在了解地層分層界限鉆探和第一段壓水試驗（當下入14m護壁套管，并在帷幕灌漿頂線上的1.3～1.5m風化巖用壓力水泥漿將12.5～14m段全部固結，水泥凝固50小時后再次復鉆，第一段2m段壓力為0.52Mpa，也就證明，帷幕灌漿頂高程以上下班1.3～1.5m水泥固結后去灌漿蓋重頂板最承受壓力是0.52Mpa）。
所以在帷幕灌漿試驗中提出第一段壓力1Mpa，最低壓力為0.7Mpa，以下各段視具體情況采取措施達到3Mpa壓力或根據地層構造的最承受壓力決定灌漿壓力。
依據試驗孔的同類曲線頻繁產生，所以**水庫巖基帷幕灌漿必須依據壩巖基的地質構造，由其對全、強風化地層采取常規的中值壓力灌漿。該地區不能使用國內目前傾向的高壓灌漿，若采取取一些施工手段進行較高灌漿壓力是不必要的。
灌漿壓力是提高和灌漿質量的重要因素之一，一般地層結構良好的情況下，使用較高壓力是有利的，但是灌漿壓力的選擇必須結合地層實際情況，使用壓力過會產生如下問題：
1）使巖石裂隙擴寬、甚至產生新的裂隙。
2）使原來的地質條件惡化或使巖石抬動變形。
3）擴灌漿范圍，使漿液在高壓作用下延伸到擴散區域以外，形成浪費。
因此，依據**水庫壩巖基地質構造及試驗孔的實踐論證，提出不同深度的巖層在灌漿時采用與此相匹配的壓力值。
7、帷幕灌漿試驗檢查
帷幕灌漿試驗結束后，待凝22天后對灌漿效果進行了鉆孔取芯和壓水試驗檢查。按試驗方案檢查孔布置兩個。
7.1取芯
帷幕灌漿檢查孔鉆孔時，對全風化片麻巖進行了干鉆取芯，取芯部位在試灌第一段，巖樣長度200mm，由于機械和金鋼石鉆頭的研磨壓縮，全風化巖體以擠壓成砂狀。但被灌入裂隙中水泥漿結石成碎片同時取出其最長度30mm，厚度3mm，可推斷全風化巖層裂隙發育，洗孔良好，裂隙灌漿效果好。
7.2壓水試驗
壓水試驗采用五點法進行，透水率值灌漿前三序孔平均值25.2Lu，灌漿后透水率平均值為2.06Lu，滿足設計要求。
8、結語
通過灌漿過程和灌漿資料分析，有如下認識：
1）本次灌漿試驗采用的施工程序、施工工藝能夠適應本工程的地層條件；
2）試驗中帷幕灌漿施工參數如孔距、排距、深度是合理的。
3）試驗中使用32.5普通硅酸鹽水泥能滿足工程標準的要求。
4）灌漿孔灌前透水率以及灌漿單位注入量隨灌漿次次序序遞減明顯，符合一般灌漿規律。
5）應該指出由于地質條件的不確定性，本次灌漿試驗孔數較少，以及灌漿試驗中為了探索本工程中灌漿壓力的最值在一定程度上造成了灌漿水泥用量的增加。
6）對于**水庫全風化地層透水率偏，在灌漿過程中，低壓開灌也會產生注入量很的情況，為做到盡快達到灌漿壓力的灌漿原則必須對特殊情況進行低壓、濃漿、限量、間歇灌漿、分級升壓的方法進行處理。以便提高灌漿質量，減少工程造價，是正確的施工措施。
