樊 勇，楊松林，袁會(huì)林，李永豐

(1.湖南五凌電力科技有限公司，湖南長沙410004；2.湖南中南水電水利工程建設(shè)有限公司，湖南長沙410014)

0 引 言

深厚砂卵礫石地層在我國分布廣泛[1]，在此類地層建設(shè)水利、鐵路、橋梁、地鐵、礦山和水土流失綜合治理等工程項(xiàng)目涉及大量灌漿防滲工程。目前我國多采用靜壓注漿、擠密注漿、攪拌注漿、旋噴注漿或防滲墻等施工技術(shù)進(jìn)行防滲處理。但所有這些技術(shù)對深厚砂卵礫石地層灌漿防滲或加固處理，均存在著難以克服的局限性。靜壓注漿可控性差，易串漿跑漿；攪拌注漿在含卵礫石地層中受到限制；而高壓噴射注漿雖然可解決小礫徑細(xì)顆粒結(jié)構(gòu)地層，但對粗顆粒卵礫石地層不適用[2]。故多采用密孔高壓噴射注漿輔以靜壓注漿的方式，但是該方法造價(jià)高、效果差且易污染環(huán)境。本文結(jié)合湖南省龍家山水電站獅江堤防滲漏問題，開展?jié)B漏治理研究，以解決深厚砂卵礫石地層滲漏問題。

1 工程概況

龍家山水電站庫區(qū)獅江防護(hù)區(qū)為圍堤抬填防護(hù)，但筑堤時(shí)未進(jìn)行系統(tǒng)防滲處理，建成后出現(xiàn)庫水直接滲流進(jìn)入防護(hù)區(qū)的現(xiàn)象。堤防背水側(cè)堤腳及其防護(hù)區(qū)內(nèi)出現(xiàn)多處涌水點(diǎn)和砂沸，存在潰堤的安全隱患。庫水外滲導(dǎo)致抬填區(qū)土壤含水量過大，造成大面積土地不能滿足作物生長需求。經(jīng)地質(zhì)勘測，獅江防護(hù)堤地基為古河床沖積層，自上而下主要分布細(xì)砂～中砂層、砂卵礫石層，層厚11～27 m(卵石粒徑一般為3.0～10.0 cm，最大粒徑12.0 cm以上)，屬深厚強(qiáng)透水復(fù)雜地層。類比類似堤防基礎(chǔ)防滲工程，目前多采用地下連續(xù)墻輔以墻底接觸灌漿進(jìn)行防滲。由于獅江防護(hù)堤地基為古河床沖積層，地層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，防滲墻防滲不僅施工難度大，且工程造價(jià)相對較高，初步估算造價(jià)為2 270萬元，故探索一種技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)環(huán)保的灌漿防滲技術(shù)以解決獅江堤防基礎(chǔ)防滲問題，也可為類似地基條件防滲工程提供技術(shù)借鑒。

圖1 獅江防護(hù)堤物探測線布設(shè)示意

2 研究思路

獅江防護(hù)堤治理長約2 000 m，治理范圍較大，為節(jié)約工程造價(jià)，首先，應(yīng)開展鉆探物探等勘察工作，確定重點(diǎn)治理范圍；其次，綜合國內(nèi)外現(xiàn)有多種灌漿技術(shù)工法優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合松軟地層防滲的高壓脈動(dòng)灌漿機(jī)理[3- 4]，研究提出適用于深厚砂卵礫石地層防滲的“高壓脈動(dòng)鉆灌一體”施工新工藝；第三，對新工藝進(jìn)行處理效果的數(shù)值仿真模擬和分析評價(jià)。

3 物探勘察

3.1 勘探布置

依據(jù)滲漏通道在聯(lián)合剖面曲線上會(huì)出現(xiàn)正交點(diǎn)，通過正交點(diǎn)推斷防護(hù)堤的滲流通道水平位置；針對聯(lián)合剖面法所確定的滲漏通道，布置偽隨機(jī)流場法測線，探測河床與排澇區(qū)涌水點(diǎn)滲流通道，全方位探明涌水點(diǎn)與河床、堤壩之間的聯(lián)系[5]。因此，需要沿堤壩兩側(cè)斜坡分別布置聯(lián)合剖面測線，探明重點(diǎn)滲漏區(qū)水平位置；針對重點(diǎn)滲漏區(qū)，沿堤壩布置3條偽隨機(jī)流場法測線，查明江中與排澇區(qū)之間滲漏通道的水平位置與垂直深度。獅江防護(hù)堤物探測線布設(shè)如圖1所示。

探測采用由何繼善院士首創(chuàng)的雙頻道激電儀[6]。激電儀采用選頻法接收，對工作區(qū)其他頻率的工業(yè)游散電流信號有很強(qiáng)的壓制作用，同時(shí)采用交流測量，能避免庫區(qū)自然電場的干擾，可實(shí)現(xiàn)對滲漏點(diǎn)的準(zhǔn)確探測[7]，獅江防護(hù)堤聯(lián)剖法有效記錄點(diǎn)數(shù)有237個(gè)，流場法有效記錄點(diǎn)數(shù)有292個(gè)，滿足探測分析要求。

3.2 綜合探測小結(jié)

通過綜合探測查明獅江防滲堤存在3段強(qiáng)滲區(qū)域和3段分散滲漏區(qū)域，分別是①碼頭至板栗林段，370～430 m段為強(qiáng)滲區(qū)域，500～600 m段為分散滲漏區(qū)域；②排水站段，1 860～1 880 m段與1 990～2 010 m段為強(qiáng)滲區(qū)域；③碼頭至村口段，由于場地限制，只具備進(jìn)行聯(lián)合剖面法的條件。推斷1 290～1 340 m段與770～1 180 m段為分散滲漏區(qū)域。

4 “高壓脈動(dòng)鉆灌一體”施工技術(shù)研究

4.1 “高壓脈動(dòng)鉆灌一體”技術(shù)

“高壓脈動(dòng)鉆灌一體”新技術(shù)在綜合現(xiàn)有注漿技術(shù)特點(diǎn)與注漿機(jī)理的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新提供一種新的適用于深厚砂卵礫石層的高壓噴擠復(fù)合灌漿機(jī)理。該技術(shù)集“鉆灌一體灌漿”“高壓旋噴灌漿”“膏漿擠密灌漿”等工法于一體，且完全突破傳統(tǒng)單管高壓噴射灌漿對漿液濃度的限制，創(chuàng)新采一種觸變膏漿作為高壓噴射漿液，充分利用觸變膏漿所具有的高壓觸變粘度降低與高壓泌水固結(jié)特性，并配合采用一種鉆灌一體高壓沖擠灌漿新技術(shù)對深厚砂卵礫石地層全孔鉆灌固孔，以及高壓鉆噴機(jī)具與鉆灌固孔形成的致密孔壁貼合封阻作用，確保了整個(gè)高壓噴擠復(fù)合灌漿施工過程中孔內(nèi)全封閉無返漿灌注，使得觸變膏漿經(jīng)高壓噴嘴射流噴出后，一方面按照常規(guī)的高壓噴射灌漿機(jī)理對深厚砂卵礫石層進(jìn)行高壓噴射沖攪灌注，另一方面沿著高壓噴射流方向?qū)ι詈裆奥训[石層進(jìn)行強(qiáng)壓擠擴(kuò)與劈楔灌注，形成一種深厚砂卵礫石層高壓噴擠復(fù)合灌漿機(jī)理，以及由此高壓噴擠灌漿機(jī)理所形成的觸變膏漿高壓噴攪體、強(qiáng)壓擠擴(kuò)體、強(qiáng)壓擠劈體等復(fù)合灌漿體。為便于對比分析，分3組按照灌漿新工藝、傳統(tǒng)工藝及不同孔距進(jìn)行對比布孔(見圖2)。

圖2 灌漿布孔示意(單位：mm)

表1 脈沖鉆灌一體灌漿成果統(tǒng)計(jì)

4.2 注入量分析

(1)脈沖鉆灌一體階段(自上而下)，根據(jù)灌漿成果統(tǒng)計(jì)分析，脈沖鉆灌一體灌漿(脈沖量≥1 L/沖次、脈沖壓力≥2 MPa)，新技術(shù)單孔最大單位注入量達(dá)107.98 kg/m，整個(gè)試驗(yàn)孔平均單位注入量約50 kg/m，明顯優(yōu)于傳統(tǒng)工藝30 kg/m。故新技術(shù)可有效的對孔壁進(jìn)行抹壓與沖擠固壁，并對嚴(yán)重架空、漏失地層進(jìn)行高壓沖擠充填與滲透性灌注，能先行消除地層中較大的空洞和裂隙。脈沖鉆灌一體灌漿成果見表1。

(2)噴射灌漿階段(自下而上)，現(xiàn)場分別進(jìn)行了觸變膏漿自封式噴擠灌注和純水泥漿敞開式灌注新老工藝對比試驗(yàn)，根據(jù)灌漿成果統(tǒng)計(jì)分析，2種工藝按照相同的單位噴射量控制，觸變膏漿自封式噴擠灌注試驗(yàn)孔平均單位注入量約325 kg/m，而純水泥漿敞開式灌注扣除孔口30%回漿后，孔平均單位注入量約207 kg/m。相應(yīng)灌漿數(shù)據(jù)見表2。

4.3 質(zhì)量檢查

(1)檢查孔鉆孔取芯成果，結(jié)果表明：治理前芯樣整體松散(見圖3)，經(jīng)傳統(tǒng)工藝治理的J-2檢查孔，砂層芯樣基本呈短柱狀，但砂卵石層芯樣大部分呈松散狀(見圖4)。分析表明，常規(guī)的純水泥漿“高壓旋噴灌漿”可對細(xì)小顆粒地層進(jìn)行有效的噴攪灌注；而對于粗顆粒砂卵礫石地層，由于局部大卵石阻噴效應(yīng)而產(chǎn)生旋噴灌漿盲區(qū)，不能形成連續(xù)有效的高壓旋噴灌漿樁體。采用新工藝的J-1檢查孔，芯樣連續(xù)完整，砂層經(jīng)基本成了水泥砂漿固結(jié)體(見圖5、6)，砂卵石層經(jīng)噴攪擠劈復(fù)合灌注后基本成了素混凝土狀(見圖6)，力學(xué)與抗?jié)B性能顯著提高。

表2 高壓噴擠復(fù)合灌漿成果統(tǒng)計(jì)

圖3 治理前芯樣 圖4 J-2號檢查孔芯樣 圖5 J-1號檢查孔芯樣 圖6 新技術(shù)細(xì)節(jié)

(2)采用“單點(diǎn)法”進(jìn)行孔壓水試驗(yàn)，試驗(yàn)壓力0.15 MPa，每個(gè)檢查孔對砂層和砂卵石層分段壓水，檢查孔各試驗(yàn)段壓水試驗(yàn)成果見表3。可見，龍家山獅江堤防經(jīng)鉆灌新技術(shù)處理后形成的復(fù)合灌漿體，已接近或達(dá)到素性混凝土防滲墻防滲標(biāo)準(zhǔn)，為一種結(jié)構(gòu)性防滲幕墻，其抗?jié)B性、耐久性完全滿足堤防防滲工程要求。

表3 檢查孔各試驗(yàn)段壓水試驗(yàn)成果

(3)聲波測試。測試成果顯示，灌前波速在1 080～1 580 m/s，平均值為1 316 m/s，灌后波速在1 500～2 340 m/s，平均值為1 769 m/s，灌后波速比灌前波速均有較大提高，平均提高率為34.41%。灌前灌后波速分段統(tǒng)計(jì)見圖7。

(4)芯樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)：為檢測鉆灌新技術(shù)形成的復(fù)合灌漿體抗壓強(qiáng)度，在檢查孔鉆孔芯樣中選取了12組代表性試件，進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，抗壓強(qiáng)度均在1.7 MPa。

綜上可知，鉆灌新技術(shù)可有效解決深厚砂卵礫石層防滲問題，新技術(shù)處理后可形成一種類似于水泥土防滲幕墻，墻體厚度≥0.5 m，墻體抗壓強(qiáng)度≥1.0 MPa，墻體允許滲透比降≥60，墻體滲透系數(shù)

圖7 灌前灌后波速分段統(tǒng)計(jì)

圖8 三維有限元模型示意

5 滲流分析

采用ANSYS軟件進(jìn)行建模，將整個(gè)堤防以物探報(bào)告中鉆孔數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)分段，三維有限元模型如圖8所示，模型以每個(gè)鉆孔為中心向兩側(cè)延伸建模，結(jié)合前期鉆孔柱狀圖建立反映堤防地形地貌、地層土體和地質(zhì)構(gòu)造特征以及堤防防滲帷幕結(jié)構(gòu)的分段子模型。模型以南北向作為三維模型的x軸向，東西向作為y軸，高程作為z軸。

為消除計(jì)算結(jié)果對網(wǎng)格的依賴性，避免出現(xiàn)滲流自由面難以準(zhǔn)確定位的問題[8]，采用理論上嚴(yán)密的Signorini型變分不等式方法求解，所建立的方法稱為SVA法(子結(jié)構(gòu)、變分不等式和自適應(yīng)罰Heaviside函數(shù)相結(jié)合的方法)[9]，選擇近年來河道內(nèi)最高水位94.2 m作為計(jì)算水位。由堤防典型剖面等水頭線(圖9)可知，自由面在防護(hù)堤內(nèi)部的分布特征完全滿足光滑連續(xù)和單調(diào)下降這2個(gè)基本幾何性質(zhì)，因而滲流計(jì)算成果在理論上是正確的。

解算得出板栗林至碼頭段370～430 m區(qū)域?yàn)閺?qiáng)滲區(qū)，500～600 m區(qū)域?yàn)榉稚B漏區(qū)域，與物探結(jié)果一致，村莊至碼頭段第2、6、7、12樁號為分散滲區(qū)，根據(jù)三維模型分段位置，發(fā)現(xiàn)計(jì)算結(jié)果與物探報(bào)告有所出入，但是隨著防護(hù)區(qū)地下水位抬升，其余各小段相繼出現(xiàn)表面滲漏。排水站至村莊段第2、3、6、8、9為強(qiáng)滲區(qū)，與物探報(bào)告稍有差距，初步分析，此段物探僅開展了相應(yīng)水位的聯(lián)剖法與高水頭作用下的滲流計(jì)算存在一定偏差。結(jié)合歷史水情資料計(jì)算同樣條件下龍家山防護(hù)堤整體滲漏量(見表4)，可見，灌漿前，堤防存在較大滲漏，滲漏區(qū)域較多，且滲漏區(qū)域單寬滲漏量較大，灌漿后，滲漏急劇減少，僅有極少數(shù)區(qū)域還存在較少滲漏，可以確定若采用新技術(shù)對堤防進(jìn)行灌漿防滲是十分有效的。

表4 龍家山獅江防護(hù)堤典型部位灌漿前后滲漏量統(tǒng)計(jì)結(jié)果

注：此表僅列出滲漏量較大區(qū)段，滲漏量較小區(qū)段未予列出。

圖9 排水站至村莊段堤防剖面治理前后等水頭線

6 結(jié) 語

通過物探勘察、“高壓脈動(dòng)鉆灌一體”技術(shù)研究及滲流分析能較好地解決龍家山獅江防護(hù)堤滲漏問題。聯(lián)合剖面法與偽隨機(jī)流場法的綜合運(yùn)用精簡了治理范圍，滲流分析對物探成果進(jìn)行印證，且進(jìn)一步對滲漏通道進(jìn)行定位，有效降低了治理區(qū)域，實(shí)現(xiàn)了節(jié)約工程造價(jià)的目的。鉆灌新技術(shù)由“鉆灌一體灌漿”“高壓旋噴灌漿”“膏漿擠密灌漿”等工法復(fù)合技術(shù)提升后形成，在自上而下快速鉆灌與自下而上噴射灌漿的基礎(chǔ)上，對深厚砂卵礫石層進(jìn)行高壓噴射沖攪灌注；進(jìn)而實(shí)現(xiàn)強(qiáng)壓擠擴(kuò)與劈楔灌注，形成一種深厚砂卵礫石層高壓噴擠復(fù)合灌漿機(jī)理，以及由此高壓噴擠灌漿機(jī)理所形成的觸變膏漿高壓噴攪體、強(qiáng)壓擠擴(kuò)體、強(qiáng)壓擠劈體等復(fù)合灌漿體。通過滲流分析與質(zhì)量檢查可見，新技術(shù)能經(jīng)濟(jì)、高效地解決深厚砂卵礫石層防滲問題。