韓 羽,楊 健，曹春頂

(中水珠江規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司，廣東 廣州 510610)

漂卵礫石地層作為大壩、堤防、水閘等永久水工建筑物以及導(dǎo)流明渠、圍堰等臨時(shí)水工建筑物地基時(shí)通常需防滲處理。國(guó)內(nèi)外對(duì)漂卵礫石地層物理、力學(xué)及滲透特性做了大量的研究，彭土標(biāo)[1]通過(guò)大渡河流域雙江口水電站等大型水電工程總結(jié)了漂卵礫石地層的滲透特性，黃海均等[2]通過(guò)PFC3D數(shù)值仿真和室內(nèi)模型試驗(yàn)研究認(rèn)為滲透破壞主要發(fā)生在上部砂礫石層中，隨著滲透破壞的持續(xù)發(fā)生，逐漸影響下部土層。田大浪等[3]通過(guò)室內(nèi)模型試驗(yàn)監(jiān)測(cè)了滲流過(guò)程中的局部水力梯度空間分布以及豎向位移變化及對(duì)滲透性的影響因素，細(xì)顆粒流失量沿試樣高度的空間分布可以劃分為頂部流失區(qū)、中部均勻區(qū)及底部流失區(qū)。李金榮等[4]用區(qū)域化變量理論和半方差函數(shù)研究測(cè)試區(qū)含水介質(zhì)的滲透系數(shù),研究結(jié)果表明含水介質(zhì)的滲透系數(shù)具有空間變異性,河流方向的變異程度主要由含水介質(zhì)本身的空間結(jié)構(gòu)引起,其變異性大于垂直河流方向。張明斌等[5]研究了漂石對(duì)砂礫石介質(zhì)滲流特性的影響，認(rèn)為球體、柱狀和板狀漂石對(duì)砂礫石介質(zhì)的滲透性都有明顯的影響。邢日縣[6]研究指出滲透系數(shù)隨限制粒徑、有效粒徑增大而增大，呈二次相關(guān)，隨不均勻系數(shù)增大而減小，呈對(duì)數(shù)相關(guān)。侯建秀[7]以新疆烏魯瓦提水庫(kù)的砂礫石地基為主要研究對(duì)象，進(jìn)行了水流方向從上到下、從下至上及為水平方向的3種相關(guān)滲透性能試驗(yàn)，認(rèn)為砂礫石地基在上下方向的滲透系數(shù)值要明顯小于水平方向的滲透系數(shù)值；主要成果為粒徑、不均勻系數(shù)、滲流方向等均為影響因素，一般沿滲流走向具有較強(qiáng)的滲透性。

對(duì)漂卵礫石地層的防滲處理方式多樣，如混凝土防滲墻、帷幕灌漿、水平鋪蓋、截水槽、高壓噴射灌漿或聯(lián)合處理等地基處理方法；帷幕灌漿因其技術(shù)成熟、設(shè)備簡(jiǎn)單、對(duì)地層深度的適應(yīng)性更強(qiáng)故被廣泛使用[8-10]，國(guó)內(nèi)外諸多工程案例顯示灌漿前滲透系數(shù)為100～10-3cm/s的強(qiáng)透水漂卵礫石地層，灌漿后滲透系數(shù)通常能達(dá)到10-4～10-6cm/s，轉(zhuǎn)為弱透水性。漂石和砂卵礫石地基控制性灌漿[11-13]多以水泥、水玻璃漿液控制為主；邵羽等[14]在飽和砂卵石地層采用袖閥管注漿技術(shù)進(jìn)行加固處理，提高了卵石層承載性能和摩擦性能；楊彪[15]對(duì)套閥管灌漿技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn)，通過(guò)套閥管法聯(lián)合高觸變抗水膏漿在大孔隙地層成功應(yīng)用。王國(guó)義[16]對(duì)成都地鐵砂卵礫石地層對(duì)傳統(tǒng)袖閥管注漿加固技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)和總結(jié)，得出先用聚氨酯封口、再注水泥-水玻璃漿和AB化學(xué)漿液的粗細(xì)顆粒相結(jié)合注漿加固技術(shù)。

根據(jù)上述總結(jié)分析，認(rèn)為漂卵礫石地層是一種較為特殊的砂卵石地層，其由山區(qū)河流形成，不僅具有一般砂卵石地層透水性強(qiáng)的特點(diǎn)，而且顆粒直徑懸殊：大的顆粒為漂卵礫石(直徑200～1 000 mm)，小的顆粒常見(jiàn)粉細(xì)砂甚至含泥(直徑小于0.25 mm)。在地下水滲流長(zhǎng)期(往復(fù)升降)作用下，漂卵礫石之間充填的細(xì)顆粒順滲流方向更易流失，以致該方向滲透性明顯得到強(qiáng)化，造成漂卵礫石地層滲透性呈現(xiàn)出明顯的不均一性，順著滲流方向滲透性更強(qiáng)。

現(xiàn)有帷幕灌漿技術(shù)存在以下問(wèn)題：漂卵礫石地層帷幕灌漿采用滲透法灌漿，其基礎(chǔ)理論基本為球形擴(kuò)散理論、柱狀擴(kuò)散理論和賓漢姆流體擴(kuò)散理論等，并假設(shè)灌注地層為各向同性均質(zhì)體，但實(shí)際情況并非如此；由于沒(méi)有控制漿液在地層中的滲透方向，理論上，漿液在注漿壓力下，在漂卵礫石地層中的擴(kuò)散呈圓形，即可在某一平面，漿液可沿360°方向在漂卵礫石地層中擴(kuò)散，而由于滲流的存在，漿液沿滲流方向擴(kuò)散的阻力最小，大部分漿液實(shí)際是順著滲流方向擴(kuò)散[17-18]。漿液按最小阻力方向擴(kuò)散而集中消耗了某一灌注段的灌注能量，垂直滲流方向(阻力大的方向)因缺乏足夠能量推動(dòng)而難有漿液注入，理論上的圓形漿液擴(kuò)散范圍實(shí)際上成為順滲流方向的長(zhǎng)條形，灌漿孔之間常常留下漿液沒(méi)有注入的區(qū)域，造成跑漿、串漿等現(xiàn)象，設(shè)計(jì)所需的垂直滲流方向的帷幕難以形成，同時(shí)施工機(jī)具使用效率降低、材料浪費(fèi)等；樊勇等[19]在龍家山水電站庫(kù)區(qū)獅江防護(hù)區(qū)防滲帷幕和張貴金等[20]在托口水電站庫(kù)區(qū)河間地塊防滲工程均遇到類(lèi)似問(wèn)題。因此，針對(duì)漂卵礫石地層顆粒直徑懸殊、滲流大等防滲處理難點(diǎn)，對(duì)漿液擴(kuò)散方向可控、灌漿效率高、帷幕搭接可靠性高的帷幕灌漿技術(shù)研究是十分必要的。

1 定向控制裝置和灌漿技術(shù)

1.1 定向控制裝置

灌漿管管壁沿其軸向方向設(shè)多個(gè)定向射漿孔，射漿孔軸線為帷幕灌漿搭接方向，射漿孔外設(shè)單向閥，見(jiàn)圖1。射漿孔開(kāi)口要求：以帷幕搭接方向?yàn)檩S線，射漿孔布置在軸線-30°～+30°范圍內(nèi)。外管內(nèi)徑為40～50 cm，射漿孔口徑為0.518～0.624 cm。相鄰兩個(gè)定向開(kāi)口組在沿外管軸向方向的距離為30～40 cm，每對(duì)沿軸線對(duì)稱(chēng)分布，見(jiàn)圖2。單向閥：外管密封裝置用橡皮套作為單向閥，在較小的管內(nèi)壓力即可打開(kāi)，可抵抗較大灌漿壓力而不破壞。

1—單向閥(外管密封裝置)；2—灌漿管(外管)；3—射漿孔；4—孔壁；5—內(nèi)管；6—內(nèi)管密封裝置；7—內(nèi)管出漿口；8—套殼料；9—漂卵礫石地層；10—水泥漿；11—水玻璃溶液

1—單向閥(外管密封裝置)；2—灌漿管(外管)；3—射漿孔。

1.2 灌漿技術(shù)

根據(jù)所灌地層孔隙率估算滲透半徑、優(yōu)化雙液漿膠凝時(shí)間、估算耗漿量，設(shè)置鉆孔間排距，通常設(shè)置一排，可根據(jù)需要加密。單排按三序施工，在耗漿量大難以起壓部位采用間歇灌漿、重復(fù)灌漿，見(jiàn)圖3。

1—單向閥(外管密封裝置)；2—灌漿管(外管)；12—帷幕搭接方向；13—Ⅰ序灌后復(fù)合體

a)控制灌漿壓力：根據(jù)漿液滲徑搭接需要，采用較小的灌漿壓力，一般采用凈水頭壓力的1.5～2.0倍控制，控制漿液滲徑、控制耗漿量。

b)采用雙液脈沖式灌漿泵灌漿，水泥漿與水玻璃漿通過(guò)灌漿泵在孔口混合，孔內(nèi)發(fā)生反應(yīng)后進(jìn)入地層。

c)采用自下而上分段純壓式灌注，孔內(nèi)栓塞間距(即灌段)0.5 m，當(dāng)本段灌漿達(dá)到要求后提升栓塞進(jìn)行下一段灌注。通過(guò)耗灰量與灌漿壓力控制灌入量，如純水泥漿灌漿達(dá)到設(shè)計(jì)壓力一定時(shí)間后進(jìn)行下一段灌注，或水泥漿灌注一定量仍無(wú)壓力時(shí)加入一定水玻璃達(dá)到設(shè)計(jì)壓力后灌注至規(guī)定時(shí)間結(jié)束。

d)灌漿結(jié)束后立即用清水沖洗孔內(nèi)水泥漿，針對(duì)薄弱部位或第一灌注后效果不理想部位重復(fù)灌注。

2 灌漿試驗(yàn)

2.1 工程概況

貴州省望謨縣納壩水庫(kù)[21]工程位于望謨縣新屯鎮(zhèn)境內(nèi)，水庫(kù)樞紐建于北盤(pán)江水系望謨河一級(jí)支流納壩河上，主要工程任務(wù)是防洪、供水、農(nóng)田灌溉。水庫(kù)正常蓄水位790.0 m，死水位759 m，水庫(kù)總庫(kù)容1 034萬(wàn)m3，興利庫(kù)容684萬(wàn)m3，年城鎮(zhèn)供水量(P=95%)679萬(wàn)m3，年灌溉供水量(P=80%)52.3萬(wàn)m3(面積99.3 hm2)。壩型為混凝土面板砂礫石堆石壩，最大壩高74.5 m，工程規(guī)模為中型Ⅲ等，堆石料為壩址附近河床洪沖積漂卵礫石。

2.2 工程地質(zhì)條件

地形地貌：測(cè)區(qū)地處貴州高原向廣西丘陵盆地的過(guò)渡地帶，屬侵蝕剝蝕及溶蝕的低—中山地貌區(qū)，地勢(shì)北高，南低(南面最低北盤(pán)江河水面275 m)。河流由北向南流經(jīng)望謨河，最后匯入北盤(pán)江。區(qū)內(nèi)兩岸高山聳立，相對(duì)高差500～600 m，地形坡度20°～60°。

地質(zhì)構(gòu)造：測(cè)區(qū)所處構(gòu)造單元為揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)(Pt)—黔南(D-T32)臺(tái)陷—望謨北西向構(gòu)造變形區(qū)(Ⅰ22)內(nèi)，地處南嶺東西復(fù)雜構(gòu)造西部，廣西“山”字型構(gòu)造前弧西翼西側(cè)，構(gòu)造形跡以北西向構(gòu)造為主，區(qū)內(nèi)褶皺、斷裂構(gòu)造發(fā)育，構(gòu)造帶主要有弧形構(gòu)造、北西向構(gòu)造，東西向構(gòu)造、南北向構(gòu)造。

圍堰所在河床高程731～736 m，河面寬90 m，河水深0.3 m。河床砂卵礫石層厚7～13 m，密實(shí)程度為稍密—中密，主要成分為鈣質(zhì)砂巖、粉砂巖，結(jié)構(gòu)松散，粒徑不均勻，分選性差，透水性強(qiáng)，滲透系數(shù)K=10-1～10-2cm/s。壩址及圍堰附近共取樣6組進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)砂礫石料風(fēng)干后，全部按大于100、100～80、80～60、60～40、40～20、20～10、10～5、小于5 mm過(guò)篩，并分別稱(chēng)其質(zhì)量，計(jì)算各粒徑組的百分含量。小于5 mm土樣取代表性樣，分別按5～2、2～1、1～0.5、0.50～0.25、0.250～0.074、小于0.074 mm過(guò)篩，并分別稱(chēng)其質(zhì)量，計(jì)算各粒徑組的百分含量。通過(guò)試驗(yàn)分析：巨粒組(d>60 mm)占47.57%，粗粒組(60 mm≥d>0.075 mm)占50.71%，細(xì)粒組(d≤0.075 mm，含泥量)占1.72%。其中d<5 mm占18.50%，小于20%，d≤0.075 mm(含泥量)占1.72%，小于5%。4組樣級(jí)配較好，2組級(jí)配較差(分析認(rèn)為2011年望謨縣特大洪水后河床表層堆積較多的巨大塊石所致)。

2.3 帷幕灌漿布置

根據(jù)上游圍堰所處地質(zhì)、地形條件及樞紐布置的需要，采用土石圍堰，堰體防滲采用風(fēng)化土料，風(fēng)化土料滲透系數(shù)不大于1×10-4cm/s，土工布伸入上游風(fēng)化料鋪蓋以下長(zhǎng)度不少于2 m；通過(guò)對(duì)混凝土防滲墻、帷幕灌漿及控制性帷幕灌漿方案比選后，地基防滲采用控制性帷幕灌漿方案作為研究性試驗(yàn)。河床布置兩排灌漿孔，兩側(cè)布置一排，孔、排間距均為2 m,呈梅花型布置，見(jiàn)圖4、5。

圖4 防滲帷幕剖面

圖5 防滲帷幕與大壩基坑剖面

2.4 試驗(yàn)工藝控制

定位：試驗(yàn)孔測(cè)量定位。

鉆孔：地質(zhì)鉆機(jī)就位，本段為砂礫石地層易塌孔故采用跟管鉆進(jìn)造孔，終孔孔徑不小于56 mm，孔底入巖1.0 m；試驗(yàn)孔每5 m進(jìn)行常水頭注水試驗(yàn)。

安裝灌漿管：下定向灌漿裝置，保證每節(jié)袖閥管有效開(kāi)孔方向與防滲帷幕線一致。

下套殼料：采用配合比(重量比)水泥∶黏土∶水為1.0∶1.5∶1.9的套殼料，下套殼料后拔出套管。

制漿：配備灌漿水泥漿，水泥∶水為1∶1；配備水-水玻璃漿液，水玻璃重量比5%。

灌漿：本試驗(yàn)采用壓力作為結(jié)束控制標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)壓力為0.05～0.40 MPa，底部壓力最大，往上逐漸減?。徊捎秒p液脈沖式灌漿泵，開(kāi)始灌漿時(shí)孔口壓力表顯示的灌漿壓力將逐漸增大，達(dá)到設(shè)計(jì)壓力后持續(xù)灌注10～20 min后結(jié)束本段灌注，提升栓塞進(jìn)行下一段灌注，每次提升0.5 m，直至帷幕灌漿頂高程結(jié)束。

沖洗內(nèi)管：松開(kāi)內(nèi)管栓閥，自下而上對(duì)整個(gè)灌漿內(nèi)孔進(jìn)行無(wú)壓力沖洗，至回水清澈，必要時(shí)可復(fù)灌。

特殊情況處理：灌漿過(guò)程常見(jiàn)吸漿量大且不起壓情況，當(dāng)灌漿段單耗達(dá)200 kg/m而仍不起壓時(shí)采用雙液漿灌注，水泥漿與水玻璃漿在孔口1∶1混合后進(jìn)入灌漿段，灌注一定時(shí)間后灌漿壓力將逐漸升高，達(dá)到設(shè)計(jì)壓力并灌注一定時(shí)間后，結(jié)束本段灌注，提升栓塞進(jìn)行下一段灌注；若仍不起壓，可采用濃漿、增加水玻璃濃度、加入細(xì)砂等措施降低漿液流動(dòng)性，或采用待凝等措施；當(dāng)采用待凝措施時(shí)，應(yīng)先無(wú)壓沖洗內(nèi)管，保持內(nèi)管通暢，待凝后復(fù)灌至滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

注水試驗(yàn)檢測(cè)：14 d后在灌漿異?；蛭鼭{量大部位布置檢查孔進(jìn)行注水試驗(yàn)檢測(cè)，不滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求部位復(fù)灌至滿(mǎn)足要求。

3 灌漿效果分析

根據(jù)先導(dǎo)孔注水試驗(yàn)成果，漂卵礫石地層滲透系數(shù)基本為K=10-1～10-2cm/s，與地勘資料吻合。本次試驗(yàn)防滲面積4 155 m2，基坑開(kāi)挖后經(jīng)常性排水約66.5 m3/d，圍堰上游水頭差20.6 m，滲徑73.5 m，根據(jù)達(dá)西定律計(jì)算滲透系數(shù)為6.6×10-5cm/s。灌漿檢測(cè)單位進(jìn)行了鉆孔注水試驗(yàn)檢測(cè)5個(gè)孔共12段，灌漿后滲透系數(shù)為4.6×10-5cm/s，小于1×10-4cm/s，為弱透水性，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。 滲透系數(shù)折算透水率為5 Lu，本案例灌漿后地基滲透性可滿(mǎn)足2級(jí)及以下中低壩壩基防滲要求。本次控制性灌漿試驗(yàn)實(shí)際耗灰量為435 kg/m，較傳統(tǒng)帷幕灌漿技術(shù)有較大節(jié)約。

4 結(jié)論

a)漂卵礫石地層地層滲透性受沉積環(huán)境影響，與顆粒粒徑、不均勻系數(shù)等有關(guān)，一般具有強(qiáng)透水性；在地下水滲流長(zhǎng)期(往復(fù)升降)作用下，漂卵礫石之間充填的細(xì)顆粒順滲流方向更易流失，以致該方向滲透性明顯得到強(qiáng)化，造成漂卵礫石地層滲透性呈現(xiàn)出明顯的不均一性：順著滲流方向滲透性更強(qiáng)。

b)現(xiàn)有帷幕灌漿技術(shù)，當(dāng)漿液射出方向與滲流方向的夾角小于45°時(shí)漿液會(huì)順著滲流方向擴(kuò)散，漿液按最小阻力方向擴(kuò)散而集中消耗了某一灌注段的灌注能量，垂直滲流方向(阻力大的方向)因缺乏足夠能量推動(dòng)而難有漿液注入，理論上的圓形漿液擴(kuò)散范圍實(shí)際上成為順滲流方向的長(zhǎng)條形，灌漿孔之間常常留下漿液沒(méi)有注入的區(qū)域；設(shè)計(jì)所需的垂直滲流方向的帷幕難以形成，同時(shí)施工機(jī)具使用效率降低、材料浪費(fèi)。

c)對(duì)基于預(yù)埋花管技術(shù)的灌漿管進(jìn)行定向機(jī)械改造利用脈沖灌漿泵漿液射出的能量，使?jié){液沿垂直滲流方形滲透，做到方向可控；并對(duì)灌漿材料及工藝流程進(jìn)行了優(yōu)化，解決了漂卵礫石等大粒徑地層傳統(tǒng)灌漿方法難以起壓、水泥耗費(fèi)量大、漿液滲透路徑通常向河流上下游延伸的問(wèn)題。

d)灌漿試驗(yàn)表明，定向帷幕灌漿技術(shù)對(duì)大粒徑占比多的漂卵礫石地層具有較好的適用性，強(qiáng)透水性漂石卵礫石地層經(jīng)定向控制性灌漿處理后可達(dá)到弱透水性，滿(mǎn)足中低壩地基防滲要求；雖本研究在永久工程防滲應(yīng)用較少，需更多地研究驗(yàn)證，但對(duì)類(lèi)似工程具有參考意義。