莽山水库副坝工程高压脉动灌浆效果检测方法

刘 坪，贺茉莉，杨 清，李升起，喻济时

（1. 湖南宏禹工程集团有限公司，湖南 长沙 410007；2. 湖南省水利水电工程质量检测中心有限公司，湖南 长沙 410007）

1 工程概况

湖南省莽山水库工程坝址位于湖南省郴州市宜章县天塘乡长乐河菜子冲下燕村，是一个以防洪、灌溉为主，兼顾城镇供水与发电等综合效益的大（Ⅱ）型水利枢纽工程。水库正常蓄水位395 m，防洪高水位398.5 m，校核洪水位399.43 m，发电死水位355 m，供水死水位340 m；水库总库容1.33 亿m3，防洪库容2 400 万m3，灌溉、供水、下游用水库容9 300 万m3；电站装机容量为18 MW，年发电量4 400 万kW·h。副坝位于主坝右坝肩约280 m 的垭口处，为沥青混凝土心墙土石坝，坝顶高程为400.6 m，最大坝高41.1 m（心墙处），坝长120.6 m，坝顶宽8 m。

副坝坝基地层自上而下为：①地表第四系残坡积含碎石砂土或粘土质砂，厚1.0～2.5 m，系花岗岩风化产物；②下伏基岩为燕山早期（γ52(1)）浅肉红色中、粗粒斑状黑云母花岗岩，局部绿泥石化。其中花岗岩全风化层下限埋深：左坝肩18.0～43.0 m、垭口9.0～13.0 m、右坝肩10.0～15.0 m、主副坝之间山脊脊顶21.5～44.70 m。

2 灌浆施工情况

高压脉动灌浆方法主要是通过较高的脉动压力，灌注一种粘土砂石膏浆，对全风化花岗岩地层分段进行挤密和劈裂灌浆处理，形成一种密实的复合地基体，达到防渗的目的[1][2]。

副坝帷幕线桩号0+556.67～0+727.67，共171 m，孔间距1.5 m，共设计钻孔115 个，钻孔编号G306～G420。设计钻孔深度为进入强风化上限5 m 以上，且终孔压水试验透水率小于5 Lu。钻孔分三序依次施工，每间隔3 个Ⅰ序孔为一个施工先导孔，进行全孔取芯及注水、压水试验，查明地层情况及其渗透性。采用水泥粘土砂石膏浆，高压脉动灌浆方法，自下而上以0.5 m/段分段进行灌浆，根据不同深度采用不同的灌浆压力，深度越深，压力相应越大。

通过前期生产性试验及后续施工，历时约6 个月施工单位完成了副坝区的防渗帷幕施工。根据完工后检查孔注水及压水试验数据与施工时钻孔注水及压水试验数据的对比结果，高压脉动灌浆处理后地层的抗渗性能有较大提高，已经达到在地层抗渗性方面的设计要求。为进一步科学、严谨地判断检验防渗处理效果，建设单位委托了专业的第三方检测单位采用多种方法进行了帷幕质量检测。

3 检测方法

3.1 钻孔声波试验

本次声波测试工作所用仪器为RS-ST01C 非金属声波检测仪及与之配套的孔内声波换能器。试验方法采用跨孔声波测试法，即在一孔中发射声波，在另一孔中接收通过岩体介质传播而来的声波信号。

在帷幕灌浆中心线上及帷幕线外各钻2 孔，孔深40 m，进行钻孔声波试验、取土样进行常规物理力学性能试验。工作时，发射源与接收换能器以同一高程沿孔壁，由下往上每次间隔0.5 m 向上提升，逐点进行测试。在野外实测过程中，仪器读数稳定，按规范要求，进行了重复观测和检查观测，相对误差小于4.8%，符合规范要求。

岩体Vp 值大小与岩体的地质特性有关，当岩体完整致密，新鲜坚硬时具有高波速特征；当岩体风化强烈，断层裂隙发育岩体破碎时具有低波速特征。坝基进行灌浆处理能提高基础岩石力学性能，改善坝基岩体完整程度，提高岩体Vp 值，这就为使用跨孔声波测试法检测岩体灌浆质量效果提供了地球物理前提条件。

3.2 室内土工试验

本试验的目的是测定粗颗粒土在渗流水通过时，试样的渗透系数和细颗粒随渗流逐渐流失的临界坡降（管涌）及土体整体浮动时的破坏坡降（流土），严格按照《土工试验规程》（SL 237-1999）执行。

试样装好后，测量试样的实际厚度，然后采用热水饱和法进行饱和，即在供水箱内贮存热水（水温不低于室温，减少试验过程中由于试验用水分离出的气泡堵塞试样孔隙），使水位略高于试样底面位置，再缓慢地提升水箱，每次提升1 cm，待水箱水位与试样中水位相平，并等10 min 后，再提升水箱。随着供水箱上升，让水由仪器底部向上渗入，使试样缓慢饱和，以完全排除试样中的空气。与此同时，随着水位上升，应接通相应的测压管。

提升供水箱，使供水箱的水面高出渗透容器的溢水口，保持常水头差，形成初始渗透坡降。对管涌土，加第一级水头时，初始渗透坡降可为0.02～0.03，然后一般可按0.05、01、0.15、0.2、0.3、0.4、0.5、0.7、1.0、1.5、2.0、3.0、…等坡降递增。在接近临界坡降时，渗透坡降递增值应酌量减小。对于非管涌土，初始渗透坡降可适当提高，渗透坡降递增值应适当放大。

每次升高水头0.5～1 h 后，测记测压管水位，并用量筒测读渗水量3 次。每次测读间隔时间一般为10～20 min，同时测读水温。对非管涌土，测读间隔时间可适当延长。仔细观察试验过程中出现的各种现象，如水的浑浊程度、冒气泡、细颗粒的跳动、移动或被水流带出、土体悬浮、渗流量及测压管水位的变化等。如果连续4 次测得的水位及渗水量基本稳定，又无异常现象，可提升至下一级水头，直至试样破坏。

在双对数纸上，以渗透坡降i 为纵坐标，渗透速度v 为横坐标，绘制渗透坡降与渗流速度关系曲线（lgi～lgv 曲线），在图中确定其临界坡降和破坏坡降。当lgi～lgv 关系曲线的斜率开始变化，并观察到细颗粒开始跳动或被水流带出时，认为该试样达到了临界坡降；随着水头增大，细粒不断被带走，渗流量变大，当水头增加到试样失去抗渗强度，该坡降称为试样的破坏坡降。

4 检测结果

4.1 钻孔声波试验

1）灌浆前

灌前跨孔声波测试在K2-1 和K2-2 两个钻孔之间进行，从声波测试成果图来看，孔深12 m 以上波速曲线起伏不大，平均波速为883 m/s，波速范围为791～995 m/s；12.5～19 m 平均波速为1 246 m/s，波速范围为1 053～1 521 m/s；从19.5 m 以下可能是风化层中夹杂有块石的缘故造成波速起伏较大，平均波速为1 739 m/s，波速范围为999～2 852 m/s。

2）灌浆后

后跨孔声波测试在J2-1 和J2-2 两个钻孔之间进行，从声波测试成果图来看，孔深31 m 以上波速曲线起伏不大，平均波速为1 154 m/s，波速范围为994～1 696 m/s；从31.5 m 以下可能是风化层中夹杂有块石的缘故造成波速起伏较大；平均波速为1 981 m/s，波速范围为1 414～2 684 m/s。

综合灌前灌后声波测试剖面Vp 曲线特点，灌前测试曲线表现为Vp 值较低，变化频繁，低值尖值点出现较多。当岩体经过灌浆处理后Vp 值提高，波动幅度变小。由表1 可知，灌后Vp 值有所提高并且较为平稳，说明灌浆后起到一定的效果。

4.2 室内土工试验

1）颗分、密度、孔隙率

表1 灌浆前后声波测试纵波波速度Vp 值（m/s）区间分段统计表

2）渗透变形

根据《水利水电工程地质勘察规范》（GB-50487-2008）中附录G“土的渗透变形判别”。由多种粒径组成的天然不均匀土层，可视为由粗、细两部分组成，粗粒为骨架，细粒为填料，混合料的渗流特性决定于细粒的渗透性质。大量试验和计算结果均证明，可以认为细粒颗粒含量等于30%是细料开始参与骨架作用的界限值。原土样颗粒分析级配见表2，天然状态土样物理性质指标见表3，渗透及渗透变形试验结果见表4。

表2 室内土工试验颗粒分析及土样分类成果表

表3 室内土工试验天然状态土样物理性质指标

表4 土样渗透及渗透变形试验结果

1#、2#试样为帷幕灌浆中心线以外钻取的土样，采用扰动样按照原状样的干密度进行渗透及渗透变形试验。3#、4#试样为帷幕灌浆中心线上钻取的土样，采用原状样进行渗透及渗透变形试验，试样胶结情况较好，3#试样当试验水力坡降达到11 时、4#试样当试验水力坡降达到10 时，均未观察到渗透变形破坏现象，此时整个试样被抬起，无法进行后续试验。

5 结 语

1）灌浆前声波测试剖面波速范围为791～2 852 m/s，平均波速12 m 以上为883 m/s；12.5～19 m 为1 246 m/s；19.5 m 以下为1 739 m/s。灌浆后声波测试剖面波速范围为994～2 684 m/s，平均波速31 m 以上为1 154 m/s；31.5 m 以下为1 981 m/s。灌后Vp 值提高，波动幅度变小。说明高压脉动灌浆施工后有一定的效果。

2）原土样为砾质中壤土，土样干密度平均值为1.77g/cm3，孔隙率平均值为32.2%；灌浆后土样干密度平均值为1.88 g/cm3，孔隙率平均值为28.2%。说明高压脉动灌浆施工后土体密实度有所提高。

3）原土样临界坡降值为0.75 和0.70，破坏坡降平均值为2.25 和2.50，渗透系数为3.4×10-4cm/s 和4.9×10-4cm/s，为中等透水等级。灌浆后土样，试样胶结情况较好，3#试样当试验水力坡降达到11 时、4#试样当试验水力坡降达到10 时，均未观察到渗透变形破坏现象；渗透系数为8.3×10-5cm/s 和7.3×10-5cm/s，为弱透水等级。

综上所述，通过对莽山水库副坝全风化花岗岩地层高压脉动灌浆防渗处理施工前后岩土体的声波测试、密度和孔隙率测试、渗透性试验、渗透变形破坏试验等多种方法的检测，最终结果表明其防渗帷幕施工效果达到设计的防渗要求。