红层坝基泥化夹层高压射流冲洗置换试验研究

李清波 王贵军 刘庆亮 王俊智

摘 要：红色陆相碎屑岩地层层间剪切带泥化夹层抗剪强度低，对重力坝坝基深层抗滑稳定具有控制性作用，需采取工程措施予以处理。以拟建黄河古贤水利枢纽工程坝基JQD06剪切带泥化夹层为研究对象，开展了高压射流冲洗置换灌浆试验。试验采用孔内高压射流定向切削破坏剪切带泥化夹层原岩结构，冲出软弱碎屑和泥质，通过调整冲洗工艺与冲洗参数优化冲洗效率，并采用水泥浆液对高压射流冲洗后形成的空腔进行灌浆充填置换，从而达到明显提升剪切带泥化夹层抗剪强度的目的。试验结果表明：对近水平发育的红层泥化夹层采用高压射流冲洗置换灌浆处理技术可行，效果良好。

关键词：红层;深层抗滑稳定;剪切带泥化夹层;高压射流冲洗置换;古贤水利枢纽

中图分类号：TV543;TV642.3 文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.05.026

Abstract： Shear-zone muddy interlayers in red clastic strata are characterized by low shear strength， which play a controlling role in the anti-sliding stability of the gravity dam foundation and engineering measures should be taken to deal with it. In this paper， taking the JQD06 shear-zone muddy interlayer of Guxian Dam as an example， the high-pressure jet flushing & grouting experiment was carried out. The high-pressure water vapor jet flushing was used for directional cutting to destroy the original structure of the shear-zone muddy interlayer and washing out the weak debris and mud. The flushing efficiency was optimized by adjusting the flushing process and parameters. The flushed cavities were filled and replaced by grouting， so as to achieve the purpose of significantly improving the shear strength of the shear-zone muddy interlayer. The experiment results show that it is feasible and effective to use the high-pressure jet flushing & grouting technique for the treatment of the horizontally-developed red-bed muddy interlayers.

Key words： red-bed; anti-sliding stability; shear-zone muddy interlayer; high-pressure jet flushing & grouting; Guxian Dam of Yellow River

红层一般指中生代以来的红色陆相碎屑岩地层。红层岩性主要为砂岩、粉砂岩、黏土岩、砾岩、泥质页岩等，具有褶皱不剧烈、产状平缓、软硬岩互层、岩性岩相多变、层间剪切带泥化夹层发育等特点[1]。红层层间剪切带泥化夹层抗剪强度小，作为混凝土重力坝坝基时，通常对其深层抗滑稳定具有控制性作用，需要采取工程措施提高其综合抗剪能力[2]。常见的泥化夹层处理措施包括混凝土置换、混凝土深齿墙、混凝土洞塞等[3]。工程实践中，埋深较小的泥化夹层多采用混凝土置换方法处理，埋深较大的泥化夹层则多采用混凝土深齿墙或混凝土洞塞处理。如黄河万家寨水利枢纽采用混凝土洞塞对坝基下近水平发育的层间剪切带进行处理[4]，山西省垣曲后河水库采用纵横交错的框架式洞塞处理大坝坝基间歇面[5]，印度斯里晒拉姆坝采用水平抗剪洞和竖井组合方式处理近水平的剪切带[6]，均取得了较好效果。但上述处理措施具有一定局限性，尤其是泥化夹层深埋且连续性良好时，采用混凝土置换或混凝土深齿墙处理工程量大，且规模较大的混凝土洞塞需采取温控及接触灌浆施工措施，对工程进度及投资影响较大。

20世纪80年代以来，高压冲洗切割置换技术应用于软弱夹层和断层带在国内已有成功案例。铜街子水电站针对控制重力坝坝基抗滑稳定的C5层间错动带进行了高压喷射冲洗灌浆处理[7]，锦屏一级水电站采用高压射流冲洗及混凝土回灌对大坝左岸抗力體、建基面出露的坝肩f2断层及其层间挤压带进行了处理[8]，效果均较理想。但上述工程的高压射流冲洗置换均是在垂直钻孔中实施的，存在冲洗位置确定及冲洗角度控制难度较大、冲洗切割范围偏小、软弱夹层经冲洗灌浆置换后抗剪强度提高效果检验困难等问题，对大面积连续分布的泥化夹层不适用。

拟建黄河古贤水利枢纽坝基发育有多层剪切带泥化夹层，具有产状近水平、厚度较小、抗剪强度低等特点，其中JQD06剪切带泥化夹层在坝基范围内分布连续性好，对坝基深层抗滑稳定具有控制性作用[9]。因此，以JQD06剪切带泥化夹层为研究对象，在坝基河底勘探平洞内对其开展水平孔高压射流冲洗置换试验，以检验采用该方法处理缓倾角剪切带泥化夹层的可行性，并为坝基泥化夹层工程处理方案的选择提供依据。

1 JQD06剪切带泥化夹层工程地质特征

拟建古贤水利枢纽作为黄河干流的七大控制性骨干工程之一，在黄河治理开发和水沙调控体系建设中具有极为重要的战略地位，工程以防洪减淤为主，兼顾供水、灌溉和发电等综合利用。枢纽坝址位于黄河北干流碛口—禹门口河段，壶口瀑布上游约10 km处。坝址河段河道顺直，河谷呈宽阔的U形，河谷底宽约460 m。设计推荐坝型为碾压混凝土重力坝，最大坝高215 m，为目前国内外在红层坝基上拟建的最高碾压混凝土重力坝。坝址河床坝基基岩面高程约461 m，坝基地层产状近水平，褶皱和断层不发育，岩性为三叠系暗紫红色钙泥质、泥质粉砂岩夹巨厚层-中薄层长石砂岩及少量粉砂质黏土岩，软硬岩相间分布，在水平构造应力作用下易发生层间错动，形成了多层近水平状剪切带泥化夹层，坝基深层抗滑稳定问题十分突出。

JQD06剪切带泥化夹层是控制坝基深层抗滑稳定的关键层位剪切带泥化夹层之一，在河床坝基范围内高程为417～423 m，厚度为0.60～1.20 m，平均厚度为1.1 m。河底勘探平洞揭露的JQD06剪切带表现为具有明显构造特征的挤压带，岩性为灰绿色和紫红色粉砂质泥岩、泥质粉砂岩相互穿插，内部发育斜交的破裂面，在两侧或内部发育中等倾角错动面，错动面上擦痕明显。剪切带底部分布有连通率近90%的泥化夹层，其厚度一般为1～3 cm，局部达10 cm。泥化夹层以岩屑夹泥型为主（约占35.6%），其次为泥夹岩屑型（约占28.9%）和岩块岩屑型（约占23.7%），全泥型较少（约占11.8%）。泥化夹层矿物成分以伊利石和蒙脱石为主，含量分别为39.8%、36.6%，其次为长石、石英和方解石。为合理确定JQD06剪切带泥化夹层的抗剪强度指标，在古贤坝址河底勘探平洞典型位置进行了多组大型原位抗剪和中型剪试验，JQD06剪切带不同类型泥化夹层抗剪断强度见表1。

2 高压射流冲洗置换灌浆试验

2.1 技术路线

利用古贤坝址河底勘探平洞，在JQD06剪切带泥化夹层发育典型地段布置水平钻孔，通过孔内高压水流和压缩空气联合冲洗切割破坏强度较低的层间剪切带，冲出剪切带软弱碎屑和泥化夹层。试验过程中选择不同的冲洗工艺和冲洗参数，根据冲洗效果选择相对较优的工艺和参数组合，并对冲洗后的空腔进行封堵、置换灌浆，使之形成类混凝土结构，以达到显著提高剪切带泥化夹层抗剪强度的目的。

2.2 试验方案

为满足试验要求，结合前期开挖的河底勘探平洞布置了与探洞平行的试验支洞，河底探洞和试验支洞的净间距为16 m。试验支洞为L形，主洞长12 m、宽5 m、高3 m，满足施工设备场地要求，形成水平钻孔两洞对穿的施工条件。

本次试验共布置试验孔7个，分两组进行。第一组为双孔试验，布置了2个钻孔（GDS1-1、GDS1-2），两孔间距为60 cm，试验的主要目是确定单孔高压射流冲洗有效切割范围及切割形态，对比分析不同工艺的冲洗效果及效率;第二组为多孔试验，布置了5个钻孔（GDS1-3～GDS1-7），钻孔间距依据双孔试验结果确定，试验的主要目的是确定多孔连通高压射流冲洗切割范围及切割形态，对比分析处理效果。试验总体布置方案见图1。各试验钻孔均顺泥化夹层布置，具体孔位布置见图2。

2.3 试验设备

（1）钻孔设备。钻孔选用YXZ-70A型液压锚固钻机。

（2）高压冲洗设备。高压冲洗设备选用XL-50型旋喷钻机，采用双管钻杆，双管钻杆破坏压力不低于138 MPa。高压冲洗泵选用聚能泵，最大工作压力达50 MPa。高压喷头采用硬质合金喷头，喷孔对称布置，喷头厚度为10 mm左右，喷孔直径为1.7～2.5 mm。高压胶管采用60 MPa钢丝缠绕胶管，钢丝缠绕层数为6层。与双管钻杆相配套的专用水弯头破坏压力不低于138 MPa，专用连接件要求能承受高压力。为控制高压冲洗安全压力设置了安全阀，主要作用为高压冲洗水压力达到预先设定值后自动卸荷，降低压力，防止发生安全事故。

（3）灌浆设备。灌浆泵采用3SNS灌浆泵，最大压力为20 MPa，最大流量为100 L/min。数据记录采用HT-Ⅱ型灌浆自动记录仪。

（4）为解决近水平钻孔中高压射流冲洗经常遇到的清渣难题，试验中对高压水冲洗喷头结构进行了优化设计，研制了正反清孔喷头，见图3。单个清孔喷头设置4个水嘴，90°间隔均匀布置，喷嘴与喷具轴线夹角为45°。在钻孔高压水冲洗完成后，对钻孔空腔下半段及上半段分别采用正、反喷头进行往复式冲洗，必要时平行移动钻具进行多次冲洗。

2.4 试验过程

（1）地质编录。针对河底勘探平洞及试验支洞揭露的JQD06剪切带泥化夹层开展地质编录工作，主要编录内容包括泥化夹层在两洞洞壁的分布高程、厚度、类型、连续情况、工程地质性状等。据此确定先导试验孔开孔孔位、孔径、倾向、孔距等。

（2）钻孔施工。采用YXZ-70A液压锚固钻机进行钻孔施工，孔径130 mm，单孔孔深约16 m。JQD06剪切帶总体呈水平状，局部略有起伏。因钻孔质量直接影响高压水切割冲洗效果，为保证钻孔尽量顺剪切带走向，需严格控制钻孔方位。试验中采用推平行线吊重锤线方式控制方位角。

（3）高压水切割冲洗。高压水切割冲洗采用“双管法”，喷射管为双壁钻杆，喷射介质为水和压缩空气。高压水及压缩空气从双壁钻杆进入孔内，利用高压水流和压缩空气联合切割冲洗剪切带内的不良填充物、裂隙面，使裂隙或结构面上松散物及软弱物质等脱离母岩排出孔外，从而使冲洗带形成扩大的脱空区，通过采用不同喷射压力、流量、转速、提升速度、喷射工艺及排渣工艺比较冲洗效果。冲洗风压为0.5～0.7 MPa，冲洗水压从5 MPa开始按每级5 MPa逐级升压，最大射流水压为45 MPa。

（4）双孔冲洗试验。GDS1-1和GDS1-2试验孔布置在河底勘探平洞与试验支洞之间，顺剪切带泥化夹层展布。试验时先冲洗GDS1-2孔。对比自孔底至孔口冲洗及自孔口至孔底冲洗两种方法的冲洗效果，发现前者排渣效果较好，后续试验均采用这种冲洗方法。冲洗方式采用定点旋喷间隔移动与定点旋喷匀速移动两种工艺。定点旋喷间隔移动工艺指在同一孔位旋转喷头，当该部位不良岩体被冲洗干净后，将喷头移动5～10 cm，重复上述冲洗过程，直至该孔段全部冲洗完毕。试验中分别采用了定点旋喷10 min移动5 cm、定点旋喷10 min移动10 cm、定点旋喷5 min移动7 cm、定点旋喷7 min移动7 cm等不同的定点旋喷及移动参数。定点旋喷匀速移动工艺则是边旋转喷头边匀速提升喷具，提升速度为2 cm/min。两种工艺喷头旋转转速均根据现场冲洗效果确定，结束以回水清净为标准。

完成GDS1-2孔冲洗后，采用相同工艺进行GDS1-1孔冲洗至两孔连通。

（5）多孔冲洗试验。多孔试验共布置5个钻孔，包括3个1序孔和2个2序孔，见图4。施工时先冲洗1序孔，再冲洗2序孔，根据双孔冲洗试验结果，钻孔间距按60、80 cm控制，各孔均采用自孔底至孔口的定点旋喷间隔移动冲洗工艺，提升速度按定点旋喷7 min间隔移动7 cm控制。

（6）置换灌浆。高压射流冲洗完成后，对冲洗后的试验孔进行置换灌浆。回填灌浆前安装2根直径为25 mm的进浆铁管，一根下至空腔底部、一根下至空腔孔口部位，钻孔孔口和孔底的空腔顶部均预埋排气管，并将排气管上引2 m。空腔两端采用20 cm厚浆砌石封堵，浆砌石表面抹2 cm砂浆。采用0.45∶1水泥浆液对空腔进行充填灌浆。待浆液干缩后，通过预埋管路重新对空腔顶部进行接触灌浆。

（7）灌浆置换体与围岩接触面抗剪强度试验。待多孔试验孔置换灌浆浆液达到28 d龄期后，对灌浆置换体与剪切带的上下接触面各取1组试样进行中型剪切试验，以获取灌浆置换体和相对完整岩体接触面的抗剪强度指标。

3 试验结果及分析

3.1 单孔试验

（1）冲洗效果。GDS1-2单孔冲洗完成后，孔底2 m范围最大冲洗切割半径约50 cm，平均半径约40 cm，孔口形成高30～40 cm、宽60～70 cm的空腔，孔内剪切带软弱岩体全部被清除。GDS1-1孔冲洗至两孔连通后，两孔从孔口到孔底形成了扁平状贯通空洞，孔口空腔宽度约1.2 m，高0.35～0.40 m，孔内剪切泥化带全部被清除，上下两壁保留正常岩体或相对坚硬的剪切挤压带岩体。

（2）冲洗效率。试验结果表明，不同冲洗方式的冲洗效果及冲洗效率存在差异，见表2。经综合比较，定点旋喷间隔移动方式较定点旋喷匀速移动方式冲洗效果更佳，冲洗参数宜采用定点旋喷7 min间隔移动7 cm。

3.2 多孔高压射流冲洗试验

（1）冲洗效果。冲洗完成后，各孔空腔内软弱泥化夹层均被清除干净，但局部留存有少量较大块度的干净岩块，5个孔的冲洗平均直径为65 cm。GDS1-3～GDS1-5孔口部位冲洗空腔宽度约160 cm，高度20～25 cm;孔底部位冲洗空腔宽度约190 cm，高度约40 cm。GDS1-6、GDS1-7孔口部位亦形成连通空腔，空腔宽度约140 cm，高度约25 cm。由于孔向偏差，因此GDS1-6、GDS1-7在孔底部位间距增大为120 cm，冲洗后两孔间残留岩体厚度约40 cm，单孔空腔半径约40 cm。

（2）冲洗效率。试验结果（见表3）表明，采用自孔底至孔口的定点旋喷间隔提升冲洗工艺，提升速度按定点旋喷7 min间隔提升7 cm控制，单孔平均冲洗效率为0.22 m2/h。GDS1-3～GDS1-7冲洗累计作业时间248.82 h，其中高压水冲洗时间150.10 h，占比60.3%;清孔时间50.41 h，占比20.3%;辅助时间48.31 h，占比19.4%。多孔试验清孔时间较长主要原因是受水平孔排渣影响，辅助时间较长主要原因是受扩挖洞室断面尺寸、钻机结构等影响。

3.3 置换灌浆效果

对比高压射流冲洗试验相邻部位JQD06剪切带泥化夹层和冲洗空腔灌浆置换体抗剪强度（见表4），后者较前者抗剪断强度大幅提高，表明采取高压射流冲洗置换灌浆措施可以显著改善剪切带泥化夹层的工程力学性质。

4 结 论

（1）采用对穿钻孔高压射流冲洗置换方法处理近水平发育的红层坝基剪切带泥化夹层，技术可行，效果良好，处理后可显著改善剪切带泥化夹层工程力学性质，有效消除其对坝基抗滑稳定的不利影响。

（2）采用自孔底至孔口的冲洗顺序及定点旋喷7 min间隔提升7 cm的工藝，红层坝基剪切带泥化夹层冲洗综合效率相对较高，其单孔冲洗平均直径为65 cm。采用正、反清孔喷头进行往复清洗，钻孔空腔内岩渣清除效果显著。

（3）基于试验结果，对穿钻孔布孔间距以60 cm为宜，并宜分序进行高压射流冲洗。钻孔施工中应严格控制孔向偏差。

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【责任编辑 吕艳梅】