史新華

(黃河工程咨詢有限責(zé)任公司 鄭州 450003)

1 工程概況

大西溝水庫(kù)是烏魯木齊河的龍頭水庫(kù)，屬中型工程，總庫(kù)容6985萬(wàn)m3，攔河壩為粘土心墻壩，最大壩高90m，屬1級(jí)建筑物，壩基巖性為鑲嵌碎裂結(jié)構(gòu)凝灰?guī)r。基坑地下水豐富。水中含有硫酸根離子，有較濃硫化氫氣味體逸出。2008年開(kāi)工建設(shè)，2010年3月，在已完成開(kāi)挖的右壩肩0+130～0+381段進(jìn)行了壩基灌漿試驗(yàn)。2010年4月，河床段壩基開(kāi)挖完成，揭示地質(zhì)條件與右壩肩有差異，監(jiān)理部提出了在河床段進(jìn)行灌漿試驗(yàn)的要求，但因工期緊迫，經(jīng)業(yè)主、設(shè)計(jì)、監(jiān)理、施工四方協(xié)商在河床段進(jìn)行生產(chǎn)性壩基灌漿試驗(yàn)。2010年7月，已完成部位河床段壩基固結(jié)灌漿，經(jīng)施工單位自檢(監(jiān)理見(jiàn)證)，固結(jié)檢查孔壓水試驗(yàn)60%合格，40%不合格。2010年8月，由第三方對(duì)壩基地質(zhì)情況及已完成的固結(jié)灌漿和帷幕灌漿質(zhì)量進(jìn)行了檢查，查孔取芯基本沒(méi)有發(fā)現(xiàn)水泥結(jié)石，散狀巖芯有少量未凝結(jié)的水泥漿液，壓水試驗(yàn)透水率較大，存在灌后透水率大于灌前的現(xiàn)象。聲波測(cè)試波速無(wú)明顯提高，個(gè)別孔甚至降低。檢查全部不合格。2010年8～9月，邀請(qǐng)國(guó)內(nèi)知名專(zhuān)家張景修、孫釗、楊曉東等召開(kāi)專(zhuān)題會(huì)，結(jié)合專(zhuān)家意見(jiàn)，決定采用硫鋁酸鹽水泥進(jìn)行帷幕灌漿試驗(yàn)?？紤]到工程的復(fù)雜性，邀請(qǐng)中國(guó)水電基礎(chǔ)局進(jìn)行此次試驗(yàn)。

2 實(shí)驗(yàn)材料

水泥采用快硬硫鋁酸鹽水泥(P.O 42.5)，比表面積不小于350m2/kg，初凝時(shí)間不小于25min，終凝時(shí)間不小于180min，1天抗壓強(qiáng)度可達(dá)40MPa，具有抗硫酸根離子和硫化氫氣體腐蝕的特點(diǎn)。

膨潤(rùn)土采用二級(jí)膨潤(rùn)土。主要性能指標(biāo)為:細(xì)度75μm，篩余量不大于2.5%，粘度計(jì)600r/min讀數(shù)31，含水率9.6%。

硅溶膠是一種無(wú)毒、無(wú)嗅的水溶性化學(xué)灌漿材料，具有造價(jià)低、施工方便、凝結(jié)迅速的特點(diǎn)，已在國(guó)內(nèi)外水利工程上得到應(yīng)用。

3 實(shí)驗(yàn)方案

3.1 孔位布置

灌漿試驗(yàn)區(qū)灌漿孔布置遵循分排分序逐漸加密的原則，采用梅花形布置。試驗(yàn)區(qū)Ⅰ序孔孔距2.00m、Ⅱ序孔孔距2.00m，見(jiàn)下圖。

3.2 孔深計(jì)布置說(shuō)明

試驗(yàn)區(qū)布置15個(gè)灌漿孔，孔深20m;灌漿孔G1兼作灌前檢查孔，孔深20m;灌后檢查孔暫定2個(gè)，孔深20m，如果需要可在抬動(dòng)孔附近增加一個(gè)水泥灌漿檢查孔;抬動(dòng)觀測(cè)孔1個(gè)，孔深22m;總計(jì)鉆孔數(shù)量18個(gè)。為了驗(yàn)證硅溶膠漿液的灌漿效果，在G6、G7灌漿孔采用硅溶膠漿液灌漿。灌漿孔僅做簡(jiǎn)易壓水試驗(yàn);灌漿孔G1作為灌前檢查孔進(jìn)行分段單點(diǎn)壓水試驗(yàn)，灌后檢查孔分段進(jìn)行五點(diǎn)壓水試驗(yàn)。灌漿采用自上而下、孔口封閉、循環(huán)灌漿方式。

3.3 漿液配比

大西溝水庫(kù)帷幕灌漿試驗(yàn)布孔圖

灌漿以摻加膨潤(rùn)土的快硬硫鋁酸鹽水泥混合漿液為主。漿液比級(jí)初始選定為 10∶1、5∶1、3∶1、0.5∶1 四個(gè)比級(jí)，后在上游排和中間排地施工中為了更好地充填裂隙又增加了7∶1的比級(jí)。膨潤(rùn)土的摻量初期根據(jù)透水率的大小確定為10%、30%、50%，透水率大的選用10%，小的選用50%，適中的選用30%，后根據(jù)試驗(yàn)情況統(tǒng)一調(diào)整為50%。

3.4 灌漿壓力設(shè)置

灌漿壓力為巖石不產(chǎn)生劈裂破壞的最大壓力，試驗(yàn)開(kāi)始灌漿壓力按表1控制。

表1 灌漿壓力值參考值

3.5 漿液變換

試驗(yàn)中當(dāng)累計(jì)注入量大于600L時(shí)變濃一級(jí)。并根據(jù)情況，如注入率過(guò)大，不能正常結(jié)束，就待凝一天再?gòu)?fù)灌;對(duì)于透水率大而注入量很小的孔，也進(jìn)行復(fù)灌處理，盡可能地充填巖石的細(xì)小裂隙。灌漿過(guò)程中灌漿壓力和注入率相適應(yīng);控制注入率在10～30L/min之間，小流量緩慢達(dá)到最大壓力，避免對(duì)巖石的劈裂，以避免抬動(dòng)。

4 施工工藝

4.1 裂隙沖洗及壓水試驗(yàn)

各孔段在灌漿前均結(jié)合壓水試驗(yàn)進(jìn)行了裂隙沖洗，直至回水清凈為止。在灌前進(jìn)行簡(jiǎn)易壓水，試驗(yàn)壓水壓力為該段次灌漿壓力的80%，并不大于1MPa。壓水時(shí)間20min，每3～5min測(cè)讀一次壓入流量，以終值作為計(jì)算流量。

灌漿孔每段鉆孔結(jié)束后，均采用大水量進(jìn)行鉆孔沖洗，直至孔口回水澄清。灌后壓水試驗(yàn)壓力為該段次灌漿壓力的80%，并不大于1MPa;檢查孔1～2段壓水壓力為0.3MPa。壓入流量的穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn):在穩(wěn)定的壓力下每3～5min測(cè)讀一次流量，連續(xù)4次讀數(shù)中最大值與最小值之差小于最終值的10%，或最大值與最小值之差小于1L/min時(shí)，本階段試驗(yàn)即可結(jié)束，取最終值作為計(jì)算流量，按透水率q=壓入流量Q/(作用于試段內(nèi)的全壓力P×試段長(zhǎng)度L)計(jì)算透水率。

檢查孔第二段以下的孔段采用三級(jí)壓力五點(diǎn)法壓水試驗(yàn)，三級(jí)壓力為 0.2 MPa、0.4MPa、0.6MPa。

4.2 膨潤(rùn)土水泥漿灌注

采用自動(dòng)集中制漿站制備漿液，水泥、膨潤(rùn)土等固相材料及加水量均采用稱重法稱量，稱量誤差小于5%。漿液在施工前過(guò)篩，自制備至用完時(shí)間不應(yīng)大于4h。

灌漿分段和灌漿壓力先按表1執(zhí)行。灌漿過(guò)程中根據(jù)灌漿抬動(dòng)情況進(jìn)行了調(diào)整，最終確定為見(jiàn)表2。

表2 灌漿壓力值

注漿液由稀到濃逐漸變換，先灌注水固比10∶1的膨潤(rùn)土水泥漿液，當(dāng)漿液注入量達(dá)到600L以上，或灌漿時(shí)間已達(dá)1h，而灌漿壓力和注漿率均無(wú)改變或改變不顯著時(shí)，改濃至7∶1的漿液灌注。

灌漿結(jié)束條件:在最大設(shè)計(jì)壓力下，孔段注入率不大于1L/min時(shí)繼續(xù)灌注60min。

全孔灌漿結(jié)束后采用壓力灌漿法封孔，封孔壓力采用該孔首段灌漿壓力，封孔時(shí)間30min。

4.3 特殊情況處理

灌漿過(guò)程中，每隔15～30min測(cè)記一次漿液濃度。當(dāng)發(fā)生回漿變濃時(shí)，應(yīng)換用相同水灰比的新漿進(jìn)行灌注，若效果不明顯，延續(xù)灌注30min，可停止灌注或按監(jiān)理工程師的指示執(zhí)行。

帷幕灌漿過(guò)程中如發(fā)生串漿時(shí)，采用以下方法處理:如被串孔正在鉆進(jìn)，要立即停鉆;串漿量不大于1L/min時(shí)，可在被串孔內(nèi)通入水流;串漿量較大，在串漿孔具備灌漿條件時(shí)，盡可能與被串孔同時(shí)進(jìn)行灌漿，應(yīng)一泵灌一孔，但應(yīng)注意控制灌漿壓力，防止巖體抬動(dòng)或襯砌變形。否則應(yīng)將串漿孔塞住，待灌漿孔灌漿結(jié)束后，應(yīng)立即掃開(kāi)串漿孔沖洗，而后再行灌注。

灌漿工作必須連續(xù)進(jìn)行，若因故中斷，可按照下述原則進(jìn)行處理:盡可能縮短中斷時(shí)間，及早恢復(fù)灌漿;若中斷時(shí)間超過(guò)30min，則要沖洗鉆孔，如無(wú)法沖洗或沖洗無(wú)效，則應(yīng)進(jìn)行掃孔，而后恢復(fù)灌漿;恢復(fù)灌漿后，開(kāi)始應(yīng)使用中斷前的水灰比，如吸漿量相似或略有減少，則應(yīng)逐漸加濃漿液，直至灌漿結(jié)束。如吸漿量較中斷前減少很多，且在很短時(shí)間內(nèi)停止吸漿，則認(rèn)為該灌漿段不合格，應(yīng)采取補(bǔ)救措施。

4.4 完成工程量

灌漿實(shí)驗(yàn)從2010年12月27日開(kāi)始，至2011年1月30日結(jié)束，歷時(shí)44天。施工機(jī)組2個(gè)，2臺(tái)XY—2型地質(zhì)鉆機(jī)，1臺(tái)3SNS灌漿泵，一臺(tái)2JZ計(jì)量泵，一套集中制漿系統(tǒng)。完成鉆孔253m，灌漿225m。

本次施工共布置了2個(gè)檢查孔，檢查孔均分段做五點(diǎn)法壓水試驗(yàn)。共完成壓水試驗(yàn)8段，合格8段，透水率均小于5Lu，結(jié)石全孔可見(jiàn)，合格率100%，滿足設(shè)計(jì)要求。

5 成果分析

5.1 灌漿成果分析

下游排Ⅰ序灌漿孔的單位注灰量為109.92kg/m，Ⅱ序灌漿孔的單位注灰量為94.85kg/m，其中Ⅱ序孔比Ⅰ序孔遞減了13.71%，孔序之間逐序遞減。

上游排Ⅰ序灌漿孔的單位注灰量為148.06kg/m，Ⅱ序灌漿孔的單位注灰量為94.35kg/m，其中Ⅱ序孔比Ⅰ序孔遞減了36.3%，孔序之間逐序遞減。

中間排Ⅰ序灌漿孔的單位注灰量為65.29kg/m，Ⅱ序灌漿孔的單位注灰量為14.95kg/m，其中Ⅱ序孔比Ⅰ序孔遞減了77.10%，孔序之間逐序遞減。整個(gè)試驗(yàn)區(qū)Ⅰ序灌漿孔的單位注灰量為112.73kg/m，Ⅱ序灌漿孔的單位注灰量為78.67kg/m，Ⅱ序孔比Ⅰ序孔遞減了30.21%。

下游排灌漿孔的單位注灰量為103.35kg/m，上游排灌漿孔的單位注灰量為126.57kg/m，中間排灌漿孔的單位注灰量為48.51kg/m，上游排比下游排灌漿孔單位注灰量遞減18.35%，中間排比下游排灌漿孔單位注灰量遞減53.06%，中間排比上游排灌漿孔單位注灰量遞減61.67%。灌漿段共60段，其中20段灌前壓水透水率小于5Lu，占總段數(shù)的1/3。從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中看，透水率和注入率并不成正比，透水率大的注入率并一定大。吃水不吃漿的現(xiàn)象普遍存在，達(dá)到劈裂壓力后(巖石劈裂以后)注入率明顯變大。但各孔的劈裂壓力并不一致，大致在1.8～2.5MPa之間。試驗(yàn)區(qū)各次序孔的平均單位注灰量均遵循逐序遞減的規(guī)律，I序孔灌漿II序孔平均透水率逐序遞減規(guī)律明顯。同時(shí)中間排和上下游排之間也遵循逐排遞減的規(guī)律，說(shuō)明隨著灌漿次序及排序的增進(jìn)，巖體逐漸被灌注密實(shí)。而且隨孔序的增加，低透水率灌漿段頻率增加，較大透水率的孔段頻率明顯減少。其中上游排、下游排灌漿孔沒(méi)有遵循逐序遞減的規(guī)律，主要由試驗(yàn)區(qū)曾用高抗硫水泥3MPa高壓灌過(guò)，地層復(fù)雜，巖石可灌性較差，內(nèi)部裂隙連通性較差，少數(shù)孔注入量的不均勻性所致。灌漿孔各次序孔的平均單位注灰量雖然有反常情況，但基本還是遵循逐序、逐排遞減的規(guī)律，說(shuō)明隨著灌漿次序的增進(jìn)，巖體逐漸被灌注密實(shí)。而且隨孔序的增加，低透水率灌漿段頻率增加，特別是中間排。較大透水率的孔段頻率明顯減少。

5.2 檢查孔情況

2月10日檢查孔J1、J2開(kāi)始鉆孔取芯，2月12結(jié)束。J1為硅溶膠灌漿檢查孔，J2為膨潤(rùn)土灌漿檢查孔。兩孔取芯較為完整，采用分段壓水。成果見(jiàn)表3。

表3 大西溝水庫(kù)冬季帷幕灌漿試驗(yàn)檢查孔取芯壓水統(tǒng)計(jì)結(jié)果

從檢查孔情況看，硅溶膠灌漿效果明顯好于膨潤(rùn)土混合漿液，說(shuō)明硅溶膠灌漿合格保證率更高。

6 經(jīng)驗(yàn)與建議

從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，3排1m×1m梅花形的帷幕孔孔排距是合適的，由于河床基巖基礎(chǔ)節(jié)理裂隙發(fā)育，無(wú)大的貫通性裂隙巖石巖塊間結(jié)合緊密，間隙較小，顆粒性材料不易灌入，容易產(chǎn)生吸水不吸漿現(xiàn)象，試驗(yàn)選用小壓力、限流、不劈裂的灌漿方法決定了漿液的擴(kuò)散半徑不會(huì)很大。因此帷幕灌漿的孔排距不宜過(guò)大。膨潤(rùn)土水泥漿液是適合大西溝水庫(kù)地質(zhì)條件的，灌漿過(guò)程中，吃水不吃漿現(xiàn)象普遍存在，分析原因主要是地層復(fù)雜，巖石可灌性較差，內(nèi)部裂隙連通性較差，膨潤(rùn)土的顆粒比水泥細(xì)、可灌性較好，具有良好的流動(dòng)性和可控性，有利于地層內(nèi)微細(xì)裂隙的漿液灌注。試驗(yàn)結(jié)果也說(shuō)明了這一點(diǎn)。灌漿過(guò)程中，流量稍大就會(huì)造成抬動(dòng)，原因是地質(zhì)特征極不均勻，各孔的巖石劈裂壓力不一致，總結(jié)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，試驗(yàn)區(qū)找到的巖石劈裂臨界壓力范圍為1.8—2.5MPa。試驗(yàn)區(qū)的巖石劈裂壓力，不一定適用壩基的所有地段，下一步施工過(guò)程中還要不斷總結(jié)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，尋找各個(gè)地段的巖石劈裂臨界壓力，在不抬動(dòng)的情況下多灌漿液。灌漿試驗(yàn)場(chǎng)地壩基地質(zhì)條件屬中等偏好水平，具有較好的代表性，但以前用3MPa的壓力高抗硫水泥灌過(guò)，透水率有明顯改善，這一點(diǎn)從灌前壓水的透水率可以看出，但壩基地質(zhì)特征極不均勻，在地質(zhì)條件更為復(fù)雜的右岸和未灌過(guò)的地段水泥膨潤(rùn)土漿液也不一定能滿足設(shè)計(jì)要求，建議輔以硅溶膠灌漿補(bǔ)灌。

7 實(shí)驗(yàn)成果

設(shè)計(jì)單位最終確定采用硫鋁酸鹽水泥和膨潤(rùn)土混合漿液輔以硅溶膠進(jìn)行帷幕灌漿的壩基處理方案，于2011年5月下發(fā)設(shè)計(jì)變更通知。完全采用了本次實(shí)驗(yàn)確定的孔排距和灌漿參數(shù)。