调水隧洞废弃石渣填筑围堰防渗施工技术的应用

郎秀艳

（辽阳县水务局 辽宁 辽阳 111000）

1 引言

东北在建某大型调水隧洞工程取水口的位置设在当地世界文化遗产地景区内的大（1）型水库岸边的一冲沟内，距冲沟沟口约180m，施工期需进行施工导流。取水口附近原始地表均被天然森林覆盖，植被良好，无裸露的土石料源供填筑施工导流围堰所用。

取水口基坑底板高程为185m，处于该水库库底。其后连接地下电站厂房、进水及尾水洞室群、多条施工支（或交通）洞及部分主洞等取水建筑物，需采取钻爆法开挖及其它工程措施将其一一建成。开挖过程中势必会产生大量的废弃石渣，且需征用较大范围的场地将其堆存并加以防护。

为保护工程所在区域的景区生态环境，减少资源浪费，节约工程投资，在满足施工期需要的前提下，需合理择优选择取水口导流布置方案。

2 优选取水口导流布置方案

根据取水口地形条件，在取水建筑物施工期间，分别有围堰、预留岩坎和预留岩坎+围堰等三种施工导流布置方案可供选择：

（1）围堰方案。经计算，需石方填筑量500多万m3，取水口附近植被良好，无裸露的、足够的土石方可供填筑。

（2）预留岩坎方案。不需修筑围堰，但取水口基坑的岩石开挖工程量大，后期水下岩坎开挖量也较大，工程投资较高。

（3）混合方案。施工工艺较为复杂，需在基坑开挖前填筑水下及水上围堰，并采取合理的施工技术进行围堰防渗处理。但取水口基坑开挖工程量将显著减少，后期水下岩坎开挖量也少，且取水口基坑和临近取水建筑物开挖的废弃石渣量足够填筑，工程投资较少，周边生态环境基本不受破坏。

经综合对比和论证，择优选择了混合方案（预留岩坎+围堰导流方案）。

3 围堰填筑

围堰长81.70m，堰顶高程207.6m，顶宽为6.0m，最大堰高31.6m（轴线处），上游边坡1∶1.5，下游边坡1∶1.75。围堰防洪设计标准为20年一遇，对应库水位204.0m。围堰堰体灌浆断面形式见图1。

堰体填筑分两期进行，其中一期填筑至高程204.0m时进行防渗处理。开始填筑时对应的库水位为196.0m，此高程以下至岩坎顶高程176.0m（即水深20m）间均为水下填筑。填筑材料为临近取水建筑物和取水口基坑开挖的部分废弃石渣料。

水下填筑时，采用装载机和挖掘机将填筑料推平并碾压形成稳定的堤头后，自卸汽车直接卸料抛投，自然堆积、逐步进占而成。

水上填筑时，采用自卸汽车分层卸料，装载机和挖掘机分层摊铺平整，振动碾分层碾压4～6遍至密实状态。弃渣料分层厚度按0.6m控制，压实后孔隙率按不大于25%控制。

4 围堰防渗施工技术

4.1 防渗施工技术指标

根据堰体填筑的弃渣块径大小不一、架空结构多、空隙率大等特点，选择了膏状浆液灌浆（以下简称膏浆）与水泥浆液帷幕灌浆（以下简称帷幕）相结合的防渗处理技术。膏浆孔布置在防渗区域内的外环处，上游排与下游排间距为3.5m，孔距为1.0m；帷幕孔布置在防渗区域内的内环处，排距为1.0m，孔距为2.0m。灌浆孔按照梅花型布置，膏浆、帷幕灌浆孔具体布置见图2。

经现场试验，需对膏浆灌浆控制流动扩散度，使其在有效范围内填充空隙，形成封闭外环墙。在外环处进行帷幕灌浆，控制浆液不外漏出外环墙，形成一道有效的连续防渗墙，达到既防渗又不浪费浆液的目的。

图1 围堰堰体灌浆断面形式图

图2 堰体灌浆孔位布置图

表1 膏浆配合比表

4.2 防渗处理施工流程

先施工膏浆下游排，再施工膏浆上游排；然后先施工帷幕下游排，再施工帷幕上游排。各分两序施工，先施灌I序孔，再施灌II序孔。

4.3 膏浆灌浆

4.3.1 选定膏浆灌浆参数

为有效控制浆液的流动扩散度，在膏浆浆液中掺入一定比例的溶于水且塑化效果较好的偏铝酸钠溶液。经试验室试验和现场类似条件试验，最终选定膏浆灌浆压力采用0.6Mpa、水灰比控制在1∶1.11范围内的单级浆液，浆液配比参数见表1。

4.3.2 分段方式

基岩部分深入完整基岩1.0m～1.5m为一段，堰体部分采用1.5m/段。

4.3.3 钻孔

采用KLEMM全液压履带式钻机跟管钻进的方式。从开孔一直跟管钻进到围堰堰体与基岩结合面以下的完整基岩1.0m～1.5m处。

4.4.4 膏浆灌浆

采用套管跟进、自下而上、单级浆液、纯压式分段灌浆。利用水压塞按照1.5m/段方式控制灌浆段长，直至堰体顶面。

每段膏浆灌浆在达到规定压力下，当注入率不大于1L/min，延续稳定灌注10min后，灌浆即可结束。所有灌浆孔在灌浆结束后，均采用水灰比为0.5∶1的纯水泥浆液置换孔内稀浆或积水，进行封孔。

4.4 帷幕灌浆

4.4.1 选定帷幕灌浆参数

经试验室试验和现场类似条件试验，选定Ⅰ序孔采用水泥粉煤灰浆液灌注，水灰比采用0.6∶1，灌浆压力0.8MPa；Π序孔采用纯水泥浆液灌注，水灰比采用1∶1和0.6∶1两种浆液，灌浆压力0.6MPa。

4.4.2 分段方式

基岩部分深入不透水层以下5m，堰体部分采用4.5m/段。

4.4.3 钻孔

参照膏浆灌浆的钻孔方式。

4.4.4 冲洗

考虑堰体材料特点，冲洗会造成空隙增大以及钻孔掉块和塌孔，不利于帷幕灌浆，故不进行钻孔冲洗。

4.4.5 压水试验

采用简易压水试验法。在确定不透水层后钻孔深入基岩5m，采用两个不透水层底线相连的方法确定相临孔的孔深。压水试验的压力采用帷幕灌浆压力的80%。

4.4.6 帷幕灌浆

按照4.5m/段自下而上、分序进行。Ⅰ序孔采用单级浆液。Π序孔采用两级浆液，变浆要求为：当灌浆压力保持不变，注入率持续减少或当注入率不变而压力持续升高时，采用1∶1水灰比；当1∶1比级浆液的注入量已达300L以上或灌注时间已达30min，而灌浆压力和注入率均无改变或改变不显著时，或当注入率大于30L/min时，改为0.6∶1比级的浆液，其它相关参数参照膏浆灌浆。

4.5 防渗处理效果

4.5.1 水泥注入量

膏浆灌浆和围堰帷幕共计完成灌浆孔278孔。其中：膏浆灌浆两排计184孔，钻孔3416.5m，灌入水泥量4635.49t。Ⅰ序孔灌浆1090段，平均单耗1738.17kg/m；Ⅱ序孔灌浆1080段，平均单耗975.75kg/m。帷幕灌浆两排计94孔，钻孔2687m，灌入水泥量556.74t。Ⅰ序孔灌浆335段，平均单耗232.97kg/m，；Ⅱ序孔灌浆316段，平均单耗179.78kg/m。

该数据表明，II序孔单耗小于I序孔单耗，帷幕灌浆单耗小于膏浆单耗，灌浆效果显著。膏浆施工完成后，不但在外环可以形成膏浆封闭墙体，并且对于内环的帷幕灌浆又能起到保护和减小灌浆量的作用。

4.5.2 检查孔取芯和压水试验

采取钻取芯样和压水试验相结合的方法进行检查（设计防渗体透水率指标为≯7Lu）。共完成检查孔28孔，钻孔取芯972.5m，单孔单点分段法压水试验135段。

（1）芯样情况分析。芯样获取率在26%～57%之间。由于堰体是由废弃石渣填筑而成，不同层段由空腔、碎渣、碎块、泥沙交替构成。浆液在灌注过程中，容易形成集中的腔体块状或包含着碎渣、碎块、泥沙等层状结构。尽管灌浆后有很好的防渗效果，但由于钻孔取芯过程中的扰动，加上浆液形成的结石软硬程度不同，在冷却水冲击和钻头磨损的共同作用下，造成岩芯多呈柱状、短柱状和碎块状。在围堰空腔体处可以取出长柱形水泥结石和水泥灌注体，但整体取芯率偏低，岩芯不连续，其中最长为0.7m。

灌注浆液能够与不同填筑料形成结石，证明了在堰体空腔部位膏浆可以保证充填。在堰体与下部沉积体和基岩接触部位取出的短柱状膏浆结石密实，证明了堰体与基岩结合部位充填效果良好。同时将取出的水泥结石体和含有水泥结石的芯样进行了抗压试验，试验结果达到10MPa，证明防渗体具有一定的抗压强度。

通过取芯样情况分析，浆液扩散半径是可以达到预期目的，两孔之间的区域浆液充填效果明显，可以保证膏浆墙体和整个防渗体的厚度。

（2）检查孔情况分析。透水率在3.17 Lu～5.37Lu之间，小于7Lu。从压水试验结果来看，通过施工外环膏浆、内环帷幕灌浆，围堰可以达到要求的防渗效果，在堰体与基岩接触面也能满足防渗要求，基本达到预期的防渗效果。

4.5.3 声波透射测试

随机选择两个压水试验孔用RS-ST01C数字超声仪（包括双孔换能器）采取跨孔方法进行了声波透射法测试，共测试深度47m，自动连续采集数据。通过测试后自动采集的数据显示，在孔深47m～34.8m（此段为岩层）间的声波波速在4.57km/s～4.01km/s之间，在孔深34.8m～0.0m（此段为堰体填筑层）间的声波波速在2.76km/s～1.86km/s之间。

数据表明，在两种岩性的防渗墙均为连续墙，无断裂等异常现象，完整性良好。

5 结论

采用膏状浆液灌浆结合水泥浆液帷幕灌浆，堰体内空腔得到了有效填充，堰体防渗及稳定性能良好，汛期安全度过。充分证明：

（1）普通水泥浆液中掺入膨润土、偏铝酸纳等掺和料而形成的低水灰比膏状浆液，在堰体两侧的水位变化、可能存在一定动水的情况下，灌注膏浆仍可以达到规定的压力。说明其浆液的初始剪切屈服强度值可以克服其本身重力影响，抗水流冲蚀性能和自堆积性能较好，采用膏浆灌浆处理架空结构堰体的防渗施工技术是可行的。

（2）水泥膏浆是典型的宾汉流体，用膏浆灌浆时会形成明显的扩散前沿，在扩散前沿水泥凝固以后，膏浆就形成坚固而密实的结石体，达到灌浆范围可控、节约灌浆材料的目的。

（3）在一定压力下进行的膏浆灌浆，可以起到挤密、分割填筑层的效果，提高填筑层的防渗性及整体性。但膏浆的扩散半径有限，对于微渗漏通道可灌性差，必须通过内环的帷幕灌浆进行填充，才能达到更好的防渗效果。

（4）在采用废弃石渣填筑围堰的防渗施工技术中，选用膏状浆液灌浆结合水泥浆液帷幕灌浆的方法无先例可循。经从灌浆孔布置、材料选择、设备选型和工艺方法的选择等方面深入研究和实施，最终顺利完成架空结构围堰防渗体施工，保证了施工期安全，减少了资源浪费，节约了工程投资，保护了生态环境，为其他类似工程提供了成功的范例、宝贵的实践经验和较好的科学依据，具有一定的推广价值。陕西水利