王旭斌，鄭 洪，林 飛，王 明，賓 斌

(1.湖南省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究總院，湖南 長沙 410007；2.湖南宏禹工程集團(tuán)有限公司，湖南 長沙 410007)

全風(fēng)化花崗巖體既具有松散砂土體的相應(yīng)特征，又具有巖體強(qiáng)度較高的特點(diǎn)[1]，是防滲施工處理中的難點(diǎn)。目前常用的防滲灌漿方法有：混凝土連續(xù)墻[2，3]、高壓噴射灌漿[4]、常規(guī)帷幕灌漿[5- 8]等?；炷吝B續(xù)墻在施工中遇到球狀大巖塊時(shí)施工困難，槽孔深度大，易塌孔，施工設(shè)備大，在斜坡段施工困難，槽段間搭接要求高，造價(jià)高。高噴灌漿由于全風(fēng)化花崗巖較密實(shí)，水力切割較困難，影響半徑小，特別是當(dāng)遇到巖塊時(shí)，造成防滲帷幕體連續(xù)性不好，施工質(zhì)量難以保證。常規(guī)水泥灌漿存在成孔過程中易塌孔；灌漿難以封閉，地表易冒漿；吸水不吸漿等技術(shù)難題，不適用于本工程。借鑒已成功應(yīng)用于托口水電站河灣地塊防滲工程的自下而上、漿體封閉、高壓脈動灌漿技術(shù)[9，10]和成熟的壓密注漿樁技術(shù)，依托莽山水庫主副壩全風(fēng)化花崗巖帷幕注漿工程，開展全風(fēng)化花崗巖防滲關(guān)鍵技術(shù)研究，具有重要的實(shí)用價(jià)值和廣泛的應(yīng)用前景。

1 概述

1.1 工程概況

莽山水庫位于湖南省郴州市宜章縣境內(nèi)的珠江流域北江二級支流長樂水上游，是一個以防洪、灌溉為主，兼顧城鎮(zhèn)供水與發(fā)電等綜合效益的大(二)型水利樞紐工程，水庫正常蓄水位395m，總庫容1.33億m3；水庫灌溉面積31.2萬畝，多年平均城鎮(zhèn)供水量2227萬m3，水電站裝機(jī)容量為18MW，多年平均發(fā)電量4480萬kW·h。莽山水庫工程副壩位于主壩右壩肩約280m的沖溝埡口處，為瀝青混凝土心墻土石壩，最大壩高41.1m，壩頂長124m。

1.2 工程地質(zhì)條件

副壩壩基地層自上而下為：①地表第四系殘坡積含碎石砂土或黏土質(zhì)砂，厚1.0～2.5m，系花崗巖風(fēng)化產(chǎn)物；②下伏基巖為燕山早期(γ52(1))淺肉紅色中、粗粒斑狀黑云母花崗巖，局部綠泥石化。其中花崗巖全風(fēng)化層下限埋深：左壩肩18.0～43.0m、埡口9.0～13.0m、右壩肩10.0～15.0m、主副壩之間山脊脊頂21.5～44.70m。

花崗巖具有球狀風(fēng)化和囊狀風(fēng)化的特征，全風(fēng)化層厚度較大，最厚達(dá)44.7m；全風(fēng)化層中夾雜著未完全風(fēng)化的孤石，直徑可達(dá)數(shù)米。

全風(fēng)化花崗巖顆粒成分以粗砂為主，其中黏粒含量為10%～15%、粉粒含量為10%～21%、礫含量為10%～16%、砂粒含量50%～65%，為礫質(zhì)中壤土。根據(jù)鉆孔壓水試驗(yàn)成果，全風(fēng)化花崗巖透水率為10～20Lu，屬于弱—中等透水，小于5.0Lu的相對隔水層埋深位于25.0～35.0m以下。

1.3 主要技術(shù)難點(diǎn)

在本項(xiàng)目中，因全風(fēng)化花崗巖具有以下特點(diǎn)，造成防滲施工處理難度較大。

(1)全風(fēng)化花崗巖既具有散體(礫、砂為主)的相應(yīng)特征，又具有整體較密實(shí)、有一定強(qiáng)度、可灌性差的特點(diǎn)，常規(guī)灌漿沒有效果。

(2)夾雜著未完全風(fēng)化的孤石。

(3)屬于弱—中等透水，抗沖刷、抗?jié)B性能較差。

綜合上述全風(fēng)化花崗巖的特征，考慮到副壩地基存在滲漏及滲透變形等問題，借鑒“自下而上、漿體封閉、高壓脈動灌漿施工工法”，開展全風(fēng)化花崗巖防滲關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用。

2 灌漿試驗(yàn)

2.1 工藝與材料試驗(yàn)

在對副壩地基的全風(fēng)化花崗巖進(jìn)行灌漿生產(chǎn)性試驗(yàn)之前，選擇地質(zhì)條件相似的沙壩料場進(jìn)行前期試驗(yàn)研究，主要摸索合適的漿液材料、配比和灌漿工藝，并同時(shí)進(jìn)行普通帷幕灌漿的對比試驗(yàn)。

在試驗(yàn)區(qū)，主要進(jìn)行高壓脈動灌漿和水泥灌漿試驗(yàn)，并分別采用了1.5m和2.0m兩種孔距進(jìn)行試驗(yàn)。在試驗(yàn)過程中，因水泥灌漿出現(xiàn)地表冒漿、漿液失水回濃等難以解決的技術(shù)問題，導(dǎo)致無法實(shí)現(xiàn)正常注漿，以中途失敗結(jié)束。

在高壓脈動灌漿試驗(yàn)過程中，首先采用了膏狀漿液、低塌落度水泥砂漿等漿體進(jìn)行試驗(yàn)。在灌注膏狀漿液時(shí)，存在地表冒漿現(xiàn)象；在灌注低塌落度漿液時(shí)，存在壓力過大，地表開裂等現(xiàn)象。經(jīng)過分析與總結(jié)，結(jié)合全風(fēng)化花崗巖的特征，采用水泥、膨潤土、全風(fēng)化花崗巖砂土、水、HY- 1外加劑等形成的離析型漿液，即漿液上下分層，其中漿液上部以水泥黏土漿為主；下部以較大顆粒的水泥砂漿為主。這種離析型漿液上部的黏土水泥細(xì)顆粒物質(zhì)可以滲入到花崗巖的小孔隙中；漿液下部的水泥砂漿，可對全風(fēng)化花崗巖產(chǎn)生強(qiáng)烈的壓密效應(yīng)，降低全風(fēng)化花崗巖的孔隙率。試驗(yàn)結(jié)果表明：采用高壓脈動灌漿技術(shù)對全風(fēng)化花崗巖灌注離析型漿液進(jìn)行防滲處理，具有較好的可行性。

工藝與材料試驗(yàn)完成后，通過對灌漿前后的全風(fēng)化花崗巖進(jìn)行取芯、注水試驗(yàn)、開挖等檢測，并綜合分析各試驗(yàn)數(shù)據(jù)、過程，召開技術(shù)咨詢會，確定了后續(xù)生產(chǎn)性試驗(yàn)的灌漿工藝、漿液及主要技術(shù)參數(shù)如下：

(1)帷幕布孔方式：采用單排孔，孔間距為1.5m。

(2)灌漿漿液為離析型漿液，其配合比為水泥∶膨潤土∶全風(fēng)化花崗巖砂土∶水∶外加劑(質(zhì)量比)=1∶1∶2∶2～3∶0.03～0.06。

(3)灌漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)：采用灌漿壓力與灌漿量雙控指標(biāo)，進(jìn)行控制灌漿結(jié)束方式。

2.2 全風(fēng)化花崗巖防滲處理生產(chǎn)性試驗(yàn)

在副壩左壩肩進(jìn)行生產(chǎn)性試驗(yàn)，共布置鉆孔5個，分三序孔施工，孔間距1.5m。

2.2.1灌漿原材料

灌漿材料主要由水泥、膨潤土、全風(fēng)化花崗巖砂土(過篩)、HY- 1及水組成。

(1)水泥：采用P·O42.5級水泥，其細(xì)度通過80μm方孔篩的篩余量小于5%。

(2)膨潤土：有機(jī)物含量不宜大于3%。

(3)全風(fēng)化花崗巖砂土：為全風(fēng)化花崗巖，經(jīng)過10mm方孔篩網(wǎng)過篩所得。

(4)HY- 1：具有使?jié){液增稠、速凝、早強(qiáng)等效果，其添加量按水泥重量的3%～6%控制。

(5)水：取自位于山坡腳的小溪。

2.2.2高壓脈動灌漿生產(chǎn)性試驗(yàn)

2.2.2.1 鉆孔

2.2.2.2 注水試驗(yàn)

先導(dǎo)孔和檢查孔在全風(fēng)化層內(nèi)進(jìn)行分段注水試驗(yàn)。

2.2.2.3 高壓脈動灌漿[1]施工

(1)灌漿方法：自下而上分段提升法，提升段長為0.5m，即達(dá)到結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)后可上提0.5m。

(2)離析型漿液配比見表1。

表1 離析型漿液配比

(3)最大灌漿壓力與結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。①當(dāng)灌漿段注入量達(dá)到150L/段，達(dá)到設(shè)定最小灌漿壓力1.2MPa時(shí)，可結(jié)束該段灌漿，上提一段進(jìn)行灌漿；②當(dāng)灌漿段灌漿壓力達(dá)到各段深設(shè)定的最大壓力時(shí)(見表2)，注入量達(dá)到75L/段時(shí)，可結(jié)束該段灌漿，上提一段進(jìn)行灌漿；③當(dāng)灌漿段注入量達(dá)到400L/段以上，仍未達(dá)到最小設(shè)定壓力1.2MPa時(shí)，可結(jié)束該段灌漿，上提一段進(jìn)行灌漿。

表3 副壩左壩肩高壓移動灌漿試驗(yàn)成果統(tǒng)計(jì)

表2 灌漿孔深與最大灌漿壓力設(shè)計(jì)

2.2.2.4 特殊情況處理

(1)孔口冒漿，應(yīng)采取增加漿液黏稠度，減少漿量，減慢注漿頻率等方法進(jìn)行處理。

(2)注漿管拔斷或擠斷，應(yīng)緩慢拔出上面的注漿管，在原鉆孔附近0.2m重新鉆孔至斷管處，再下灌漿管進(jìn)行灌漿至正常結(jié)束。

2.2.2.5 抬動變形觀測

抬動觀測裝置安裝好以后，應(yīng)記錄抬動儀器的讀數(shù)，在進(jìn)行灌漿時(shí)必須派專人觀測，發(fā)現(xiàn)有抬動發(fā)生時(shí)應(yīng)立即停止灌漿，并報(bào)告現(xiàn)場技術(shù)員和監(jiān)理工程師。灌漿點(diǎn)的設(shè)計(jì)最大抬動變形控制限值為0.5mm。

3 生產(chǎn)性試驗(yàn)灌漿帷幕質(zhì)量與評價(jià)

3.1 各序孔注入量分析

采用離析型漿液和高壓脈動灌漿工藝，進(jìn)行生產(chǎn)性試驗(yàn)。試驗(yàn)后各序孔的灌漿成果見表3。對比表3中各序孔的單位平均注入量，Ⅱ序孔比I序孔低，僅為Ⅰ序孔的56.7%；Ⅲ序孔比Ⅱ序孔低，僅為Ⅱ序孔的55.8%，說明了前序孔在灌漿后，對孔間地層的壓密、滲透達(dá)到了較好的效果，提高了土體抗?jié)B透性，可以推測，Ⅲ序孔灌漿漿液在其有效擴(kuò)散范圍內(nèi)已經(jīng)與Ⅰ序和Ⅱ序孔的漿液明顯搭接。

3.2 檢查孔取芯及透水率結(jié)果分析

3.2.1檢查孔取芯情況

檢查孔ZJ1位于ZK2與ZK3中間。根據(jù)鉆孔取芯情況，可知芯樣中多處可見充填漿脈或結(jié)石體，且各段(5m)內(nèi)均有分布，較為均勻。說明1.5m孔距進(jìn)行高壓脈動灌漿，漿體擴(kuò)散半徑范圍內(nèi)可形成完整帷幕體。

漿脈及結(jié)石分布情況見表4及圖1巖芯照片。

表4 檢查孔漿脈、漿結(jié)石分布情況

3.2.2取芯芯樣室內(nèi)測試

灌漿前后取芯芯樣室內(nèi)測試結(jié)果見表5。

原土樣為礫質(zhì)中壤土，從上表5中可以看出，灌漿后的土樣平均干密度要大于灌前原土樣、孔隙率平均值要小于灌前原土樣，說明灌漿后土體密實(shí)度有所提高。

原土樣破壞坡降值為2.50，滲透系數(shù)為4.9×10-4cm/s，為中等透水等級。灌漿后土樣當(dāng)試驗(yàn)水力坡降達(dá)到10時(shí)，未觀察到滲透變形破壞現(xiàn)象；滲透系數(shù)為4.0×10-5cm/s，為弱透水等級，說明在灌漿后，土樣被部分膠結(jié)，孔隙率減小，透水率降低。

表5 灌漿前后取芯芯樣室內(nèi)測試數(shù)據(jù)對比

圖1 檢查孔取芯情況

3.2.3檢查孔注水試驗(yàn)

ZJ1各段注水試驗(yàn)透水率均小于5Lu，且較之前先導(dǎo)孔ZK1相比，灌漿后地層透水率明顯變小，詳見表6。

通過表中數(shù)據(jù)對比可知，離析型漿液+高壓脈動灌漿試驗(yàn)對地層的壓密、滲透充填效果明顯，地層抗?jié)B性能得到明顯改善，且驗(yàn)證了1.5m孔距可以形成很好的帷幕體，能夠達(dá)到理想的防滲效果。

3.3 灌漿前后標(biāo)貫數(shù)據(jù)對比

先導(dǎo)孔及檢查孔鉆進(jìn)時(shí)進(jìn)行了N63.5標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)，通過標(biāo)貫數(shù)據(jù)的對比，驗(yàn)證高壓脈動灌漿對地層的壓密效果。

由表7可知，高壓脈動灌漿處理后的土體密實(shí)度有了較明顯提高，灌漿壓密效果較好。

表6 先導(dǎo)孔、檢查孔注水試驗(yàn)成果對比

表7 先導(dǎo)孔灌漿前后標(biāo)貫試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比

注：灌后標(biāo)貫孔位與ZK1原孔位相差約20cm。

4 試驗(yàn)灌漿帷幕耐久性、破壞性試驗(yàn)與評價(jià)

對生產(chǎn)性試驗(yàn)形成的灌漿帷幕進(jìn)行了耐久性試驗(yàn)和破壞性試驗(yàn)，以進(jìn)一步評價(jià)試驗(yàn)灌漿帷幕的耐久性能。

4.1 帷幕耐久性試驗(yàn)

耐久性試驗(yàn)[11- 12]各試驗(yàn)段在正常蓄水位水頭1.5倍壓力下，經(jīng)過48h后各段透水率仍穩(wěn)定在3.0Lu左右；說明經(jīng)灌漿處理后地層防滲耐久性能較好，在正常蓄水位水頭壓力長時(shí)間作用下仍能保持良好的耐久性。

4.2 帷幕破壞性壓水試驗(yàn)

帷幕破壞性試驗(yàn)各試驗(yàn)段破壞壓力為正常蓄水位水頭壓力的5～7倍，結(jié)合耐久性試驗(yàn)結(jié)果，說明經(jīng)灌漿處理后地層在正常蓄水位長期作用下，仍具有良好的防滲性能，帷幕灌漿處理效果良好。破壞性試驗(yàn)主要數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見表8。

表8 破壞性試驗(yàn)主要數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

5 結(jié)語

(1)根據(jù)全風(fēng)化花崗巖的地質(zhì)特性，采用離析型漿液+高壓脈動灌漿技術(shù)，較好地解決了全風(fēng)化花崗巖中進(jìn)行防滲處理的技術(shù)難題。生產(chǎn)性試驗(yàn)結(jié)果表明，該施工技術(shù)可行、成本可控，灌漿效果較好；單位造價(jià)500～600元/m，低于高噴灌漿，略高于常規(guī)帷幕灌漿，遠(yuǎn)低于混凝土防滲墻。

(2)在漿液中摻入大量全風(fēng)化花崗巖砂土，形成的離析型漿液，使之具有壓密和滲透雙重功能，且漿液擴(kuò)散范圍可控，既達(dá)到了帷幕灌漿效果，又大幅降低了灌漿施工材料成本，是一種環(huán)保耐久、質(zhì)優(yōu)價(jià)廉、防滲可靠的新型灌漿材料。

(3)通過采用多種檢測手段，對生產(chǎn)性試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行測試與分析論證，證明了各項(xiàng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)都較好，可以推廣離析型漿液+高壓脈動灌漿技術(shù)應(yīng)用到本工程及其他類似工程中。

本工程副壩灌漿已施工完畢，由于水庫尚未蓄水，帷幕整體的防滲效果尚待經(jīng)蓄水運(yùn)行后進(jìn)行驗(yàn)證與總結(jié)。