横泉水库帷幕灌浆试验与分析（许厚材）

摘要：横泉水库工程地质条件复杂, 采用帷幕灌浆的方法对风化岩层进行处理以满足水库对防渗要求。风化岩层上为厚度16-30m的覆盖层, 覆盖层由土层和砂卵石层组成。主要介绍了深覆盖层下风化基岩帷幕灌浆试脸的钻孔、灌桨施工方法及其灌浆效果分析。为风化基岩帷幕灌桨积累了经验, 可供同类大型工程帷幕灌装时参考。

关健词：横泉水库 帷幕灌桨 试验与分析

1 概述

横泉水库工程地处山西省吕梁地区中部, 坝址位于山西省吕梁地区三川河支流北川河干流上, 方山县班庄与横泉两村之间。枢纽主要建筑物包括大坝、泄洪洞、供水发电洞、电站。水库库容8123万m3,坝高36.7m, 坝长962m, 正常蓄水位1134.2m。两岸山梁高程1101.0—1103.0m。右岸为基岩岩坡, 左岸为土坡。两岸发育Ⅲ级阶地, 具有二元结构, Ⅰ级阶地高出河床2-5m, 宽度为150-300m, 分布于河床右岸；Ⅱ级阶地高出河床5-10m, 宽度100-200m,分布于河床两岸;Ⅲ级阶地高出河床30-50m, 宽度200-300m, 分布于河床左岸。

坝址区河谷地形平坦开阔, 河谷宽度650m, 河床高程1101.0—1103.0m。

河床覆盖层地层为第四系全新统早期、晚期冲洪积物,岩性上部为低液限粉土、低液限戮土, 厚度0.5-1.0m;下部为卵石混合土、混合土卵石、级配不良砾及砂层,其中卵漂石含量0.0%-53.6%, 砾石2.0%-57.7%, 砂1.3%-22%, 不均匀系数为3.67-608.95, 厚度一般为15-20m, 此层为覆盖层的主要渗漏带河床底部地层岩性为太古界吕梁山群赤坚岭组花岗片麻岩、斜长片麻岩及花岗岩、角闪岩脉侵人体, 全、强风化带厚度一般为5-25m, 此层为基岩的主要渗漏带。坝址区地下水位高程1100.0-1106.0m。坝址区主要存在坝基渗漏、坝基渗透稳定、绕坝渗漏等工程地质问题。

2 帷幕灌浆试验施工

帷幕灌浆试验研究的主要问题①覆盖层的钻孔方法及成孔技术②灌浆施工工艺与灌浆方法③风化基岩灌浆的效果与评价。

2.1 试验孔的选择与布置

生产性灌浆试验区布置在桩号0+637.000—0+645.00m之间, 施工位置距大坝轴线9m。设计为单排孔, 孔距2.0m。试验布置帷幕灌浆试验孔5个, 检查孔2个。帷幕底部伸人到基岩10Lu下限。设计防渗标准为灌浆后基岩透水率不大于5Lu。

2.2 施工程序与施工工艺

试验主要施工程序:施工时分3序施工, 先施工Ⅰ序孔(S1、S5), 再施工Ⅱ序孔(S3), 然后施工Ⅲ序孔(S2、S4)。相邻的2个次序孔之间, 在岩石中钻孔灌浆的间隔高差不小于15m。

灌浆施工工艺:施工准备→孔位放样→钻机定位→覆盖层钻孔→下孔口管→注浆埋管→待凝48-72h→钻进第一段→第一段灌浆→钻灌以下各段→终孔验收→终孔段灌浆→封孔。

检查孔压水试验在帷幕灌浆结束14d后进行, 覆盖层先施工并埋设孔口管。

检查孔施工程序:施工准备→孔位放样→钻机定位→覆盖层钻孔→下孔口管→注浆埋管→待凝48-72h→钻进第一段→第一段压水→钻以下各段……→终孔验收→终孔段压水→全孔式灌浆封孔。

2.3 成孔

(1)覆盖层钻孔。覆盖层施工使用XY-Ⅱ型地质钻机钻进。钻孔直径为φ110mm。覆盖层钻孔采用金刚石泥浆钻进, 采用当地的N2红土搅拌泥浆, 比重不低于1.3g/cm3。

(2)埋设护壁管。覆盖层钻进结束后, 进行下入孔口管后从孔口管内灌注水泥稠浆, 并待凝48-72h。

(3)基岩钻孔。基岩层为全风化地层、强风化地层和弱风化层。在埋设护壁管并待凝48-72h后, 采用φ76mm的金刚石钻头清水钻进。

2.4 灌装施工

(1)钻孔冲洗。各灌浆段钻孔结束后, 采用大流量压力水对钻孔进行清洗。总的冲洗时间不少于20min, 串通孔不少于1h。冲洗应达到回水澄清, 且孔内残存的沉积物厚度不得超过20cm。冲洗压力采用80%的灌浆压力, 压力超过1MPa时采用1MPa。透水性强的孔段, 无法进行冲洗压力冲洗时, 可接下一工序施工。

(2)灌浆前压水试验。灌浆段在灌浆前均采用五点法进行压水试验, 其压力为灌浆压力的, 该值若大于1MPa时, 采用1MPa。取最后的流量作为计算流量由于地层原因, 压水不起压或达不到上述压力时, 按压水时能达到的最大压力进行压水试验。

(3)灌浆方法。采用自上而下分段卡塞法灌浆,第1段灌浆段长为2m, 第2段和以下段长为5m。若遇地层特殊情况可适当缩短或加长灌浆段长, 但最后一段不大于8m;灌浆塞应塞在该灌浆段段顶以上0.5m处, 射浆管距孔底应不大于50cm。

(4)浆液变换。①浆液水灰比采用5:1、3:1、2:1、1:1、0.8:1、0.6:1、0.5:1这7个比级, 开灌水灰比为5:1。施工时若灌浆前透水率大, 开灌水灰比可采用3:1或2:1。②浆液变换原则。灌浆时, 当灌浆压力保持不变, 注入率持续减少时或注入率不变, 压力持续升高时, 不得改变水灰比。当某一等级浆液注入量达到300L以上或灌浆时间已达30min, 而灌浆压力和注入率均无改变或改变不显著时, 应改浓一级水灰比。当注入率大于30L/min, 可根据情况越级变浓。灌浆过程中灌浆压力或注入率突然改变较大时, 应立即查明原因, 采取相应的措施处理。

(5)灌浆结束标准和封孔。①灌浆结束标准:当注入率不大于0.4L/min时继续灌浆60min, 或不大于1L/min时, 继续灌浆90min, 灌浆即可结束;②灌浆封孔方法采用“ 自下而上” 分段压力封孔法,将灌浆孔分成2-3段, 每段长不大于15m进行复灌封孔。

2.5 特殊情况及其处理方法

2.5.1 钻进过程中塌孔问题的处理

砂卵石层由于成孔率低。容易出现塌孔事故, 影响施工进度从而解决塌孔问题就成为钻孔的关键。塌孔现象的处理方法具体有①钻孔施工时可以采用金刚石钻头泥浆钻进。遇到大孤石时可采用钢砂钻头钻进, 但是钻进过程中一定要严格控制给水量, 给水量刚能从孔口回出即可以防给水量过大冲跨砂卵石层,从而预防塌孔事故的发生。②如果钻砂卵石层时不断出现塌孔, 采用从孔口投人豁土球并捣实, 再进行钻进即可。如果一次未达到效果, 可以反复多次, 直至达到目的为止。③若方法②不能凑效时, 可采用灌浆待凝法, 即立即对该段进行灌浆处理后可施工下一段。

由于全风化地层、强风化地层需要灌浆处理, 在全风化地层、强风化地层钻进时, 采用缩短灌浆段长、灌浆后待凝的施工方法, 可大大减少钻进时孔内事故发生的频率, 处理效果明显。

2.5.2 灌浆过程中“ 抱管” 的处理

分析“ 抱管” 的原因, 主要是因为灌浆地层为全风化地层、强风化地层, 浆液在孔内高速流动时, 对孔壁冲刷产生扰动, 灌浆段的细颗粒被浆液冲刷并进入浆液中, 随着灌浆时间的延长, 浆液中的细颗粒不断增加, 导致射浆管转动困难, 出现“ 抱管” 现象。

为预防灌浆过程中出现“ 抱管” , 当灌浆时间持续较长时, 应经常地降压提动和旋转射浆管, 这样可以促进孔内浆液流动, 防止水泥浆在射浆管与孔壁间隙中聚结。一般地说, 每隔6-7min提动、旋转射浆管1次, 只要保持回浆回流流量在20-30L/min内形成循环, 这样就不易产生“ 抱管” 。

灌浆过程中发现“ 抱管” 征兆或事故发生时, 要及时处理。灌浆过程中, 一旦发现有“ 抱管” 迹象或发生“ 抱管” , 应尽快地采取措施。由于刚发生“ 抱管” 时仅是水泥颗粒的聚结, 水泥浆液未发生初凝,如果采取适当措施, 处理及时, “ 抱管” 事故一般应能解决。

(1)降压、增流。在刚发生“ 抱管” 时, 通常是降低压力, 增大回浆量, 或向孔内送高压水冲洗钻孔,同时敲击射浆管, 利用钻机提升灌具。这种方法对“ 抱管” 发生的初始阶段有一定效果。若上述措施失效, 一旦发生事故, 可采用打吊锤进行处理。

(2)“ 链陀” 或“ 油压千斤顶” 拔管。上述处理无效时应尽快使用“ 链论” 或“ 油压千斤顶” 拔管。由于“ 链碗” 、“ 千斤顶” 力量强, 拉力大, 对处理发生时间不长的“ 抱管” 事故是行之有效的。主要缺点是, 由于这两种器材瞬间拉力极强, 容易造成射浆管丝扣损坏而处理失败。

(3)扩孔、反向丝锥。当“ 抱管” 时间发生较长,水泥浆液将射浆管与钻孔凝固成一体后, 上述处理方法往往难以达到效果, 此时采用比原钻孔直径大一级别的钻具扩孔, 一次扩孔深度以两根射浆管长度为宜。扩孔后, 使射浆管与孔壁分离, 再利用“ 反向丝锥”逐一取管。该方法实施时, 常常发生入孔方向与原射浆管方向不一致, 易造成折钻事故, 因此, 在进行扩孔处理时, 一定要谨慎细致, 且钻进速度不宜太快。

3 灌浆试验资料分析

3.1 灌桨前后地层情况分析

对试验区施工的钻孔资料分析, Ⅰ序孔施工时,钻孔时地层漏失严重, S1、S5钻孔各有一段注入量为4.0-5.0m3, Ⅱ序孔施工时, 钻孔时地层漏失明显减小, 最大注入量为1700L, Ⅲ序孔施工时, 钻孔时地层基本无漏失现象。

3.2 灌桨效果分析

3.2.1 灌前透水率

从表1可知, 整个试验区平均透水率为16.74Lu,Ⅰ序孔平均透水率为26.40Lu, Ⅱ序孔平均透水率为10.14Lu, Ⅲ序孔平均透水率为8.58Lu。Ⅱ序孔比Ⅰ序孔减少了61.59%, Ⅲ序孔比Ⅱ序孔减少了15.38%。随着灌浆次序的增加, 透水率大的孔段占总数的百分比越来越小, 透水率小的孔段占总数的百分比越来越大。试区地层平均透水率随灌浆次序的增加而递减。符合灌浆的一般规律。

3.2.2 单位注人量

从表2可知, 整个试验区平均单位注人量为231.7kg/m, Ⅰ序孔平均单位注人量为388.7kg/m,Ⅱ序孔平均单位注入量为322.2kg/m, Ⅲ序孔平均单位注入量为183.5kg/m。Ⅱ序孔比Ⅰ序孔减少了17.10%,Ⅲ序孔比Ⅱ序孔减少了49.25%。试区地层平均单位注人量随灌浆次序的增加而递减。符合灌浆的一般规律。

4 帷幕灌浆效果检查

4.1 取芯检查

帷幕灌浆检查孔施工时, 多处有水泥结石。其中1号检查孔全风化片麻岩进行了干钻取芯, 取样部位在灌浆时第一段的相应位置, 获得200mm长度的芯样。芯样可以看到水泥结石脉络。可见岩层裂隙发育,洗孔良好, 裂隙灌浆效果好。

4.2 检查孔压水试验

检查孔压水试验各孔段压水压力和透水率见表3。由表3可知, 2个检查、共压水14段, 检查孔透水率为0.72-4.60Lu, 满足设计关于灌浆后透水率不大于5Lu的要求。经过计算分析, 灌浆前压水透水率平均值为16.74Lu, 检查孔透水率平均值为2.06Lu。经过灌浆后岩体的透水率大大降低。

5 结语

(1)横泉水库帷幕灌浆试验达到了预期的目标对随后的施工起到了重要的指导意义。

(2)使用XYⅡ型地质钻机金刚石泥浆钻进, 在覆盖层进行施工是可行的, 能够满足施工需要。

(3)风化基岩经过灌浆后, 经检查孔压水试验,满足设计防渗标准。

(4)采用试验中的施工工艺和灌浆方法, 对本工程中的风化基岩进行处理是有效的。

作者简介:许厚才(1974-), 男, 工程师。

来源：《北京水务》2006.2