新疆希尼尔水库极软岩坝基可灌性研究

李新广，韩 伟，夏卫华 ，孙宏昌

(1.新疆维吾尔自治区塔里木河流域管理局，新疆 库尔勒 841000； 2.新疆昌吉方汇水电设计有限公司，新疆 昌吉 831100； 3.新疆巴州水利水电勘测设计院，新疆 库尔勒 841000)

0 引 言

根据全国水利普查公报(第一次)数据统计，中国已建成的水库90%以上为土石坝[1]，而该类水库大坝多建在河谷覆盖层上。深厚覆盖层上土石坝坝基防渗控制措施主要有水平防渗和垂直防渗，垂直防渗技术中的帷幕灌浆是基础防渗的主要手段，也是深覆盖层地基渗流控制的重要措施之一。灌浆按灌浆材料可分为有机(化学)和无机(水泥)灌浆材料，灌浆材料尺寸和被灌材料孔隙尺寸是灌浆研究的重点之一。灌浆材料研究成果较多，而被灌材料自然成因复杂，其颗粒间形成的构架千差万别，目前多以其组成的颗粒粒径推算其孔隙尺寸，徐拴海等[2]通过扫描电子显微镜获得放大的成像图片和组成成分，测得砂岩内部孔隙精确尺寸及组成结构，对灌浆研究意义重大。

新疆希尼尔水库除险加固工程坝基防渗处理初期选择帷幕灌浆方案。为验证该方案在砂岩、砂砾岩及泥岩等软岩互层状基础的可灌性及处理效果，在库区内同类基础地层中实施了帷幕灌浆试验。试验证明，常规水泥灌浆在希尼尔水库坝址区地层内存在可灌性差、灌后防渗效果不理想等问题。本文就希尼尔水库坝基地质性状、水泥灌浆机理进行了深入分析研究，得出的结论可为类似基础处理工程有效判定地层可灌性、灌浆材料适应性及防渗方案的比选确定提供借鉴。

1 工程概况

希尼尔水库位于新疆巴州尉犁县境内，水库总库容9 800万m3，为Ⅲ等中型水库，是西北平原水库的典型代表。水库于2003年3月蓄水，由于项目区地层复杂，且受当时施工技术条件限制，坝基防渗采用垂直铺塑、搅拌桩及塑性混凝土防渗墙多种防渗形式，防渗深度在10～15 m之间，防渗底线透水率在10～30 Lu之间，防渗深度偏浅，未达到现行规范5 Lu线的要求，水库运行后存在渗漏问题，经复核，正常蓄水位工况下坝后渗透压力大，下游坝坡出溢点高，下游坝坡及坝脚附近渗透稳定性不满足规范要求，需采取除险加固措施。

1.1 工程地质情况

水库位于库鲁克塔格山前剥蚀平原区，水库坝区出露地层主要为第四系冲洪积物和新近系沉积物，新近系地层为一套河湖相沉积的泥岩与砂岩类，并夹砂砾岩，该套地层呈互层状分布，岩层呈水平状。岩性变化及分布较复杂，根据岩体试验得到的坝基岩体物理力学参数(表1)表明：坝基均属极软岩，在工程力学方面其性能更接近土的特性。但是，个别外露及钻孔取样砂岩抗压强度可达20 MPa，属软质岩。基岩透水率变化较大，基岩面以上地层透水率在5.4～46.6 Lu之间，个别为96.88 Lu，其他透水率均小于5 Lu，总体呈上大下小趋势。

表1 坝基岩体物理力学参数

1.2 帷幕灌浆试验段地质情况

帷幕灌浆试验段在主坝轴线桩号2+430～2+466段上游侧，距坝坡脚40 m处，试验区地层岩性表层为第四系砂土、粉土及砂砾石层，层厚在1.3～4.2 m，结构松散，工程地质条件差；其下为新近系泥岩、砂岩互层，强风化层厚5～8 m，试验区地质条件具代表性，见图1。

图1 帷幕灌浆试验段地质剖面Fig.1 Geological profile of curtain grouting test section

1.3 帷幕灌浆试验实施情况

帷幕灌浆的试验内容主要包括：先导孔钻孔取芯、压水、灌浆；灌浆孔压水、灌浆以及试验区检查孔钻孔取芯、压水等工作。

试验段轴线长36 m，分上下游两排，主帷幕(下游排)孔距1.5 m，副帷幕(上游排)孔距1.5 m，主、副帷幕孔间距1.5 m。副帷幕共布置帷幕灌浆孔25个，其中Ⅰ序孔7个(含先导孔3个)、Ⅱ序孔6个、Ⅲ序孔12个。主帷幕共布置帷幕灌浆孔24个，其中Ⅰ序孔6个、Ⅱ序孔6个、Ⅲ序孔12个，孔位布置详见图2。相应布置检查孔4个，其中植物胶取芯孔2个、压水试验孔2个。

按照先主帷幕(下游排)后副帷幕(上游排)的顺序施工，在同一排内，先施工Ⅰ序孔，后施工Ⅱ序孔，再施工Ⅲ序孔。帷幕灌浆采用“自上而下，孔口封闭，孔内循环灌浆法”。 浆液材料为纯水泥浆，水泥采用PO.42.5普通硅酸盐水泥，灌浆段长一般为5 m，按照水灰比从大到小(5，2，1，0.8，0.5)，注浆压力从低到高(0.5，0.7，1.0，1.5 MPa)的顺序进行注浆试验。

在灌浆过程中，试验区呈现“吃水不吃浆”现象，即压水试验岩层透水率很大，但灌浆量小，灌浆过程中变浆困难，多以稀浆灌注结束。主帷幕单位注灰量为43.11～385.43 kg，副帷幕单位注灰量为22.69～769.54 kg。

1.4 灌浆质量检查及成果分析

灌浆后对帷幕灌浆试验段钻孔采取岩芯分析，岩芯内水泥浆液量分布较少，大部分岩芯无水泥浆液扩散痕迹，灌浆影响范围较小。

图2 帷幕灌浆试验段灌浆孔布置Fig.2 Layout of grouting holes in curtain grouting test section

试验段钻孔压水采取自上而下分段钻进，分段阻塞，分段压水试验，检测灌后试区地层透水率，3号检查孔总计压水4段，透水率最小21.23 Lu，最大94.81 Lu，平均约44 Lu；4号检查孔总计压水4段，透水率最小25.51 Lu，最大58.98 Lu，平均为35.85 Lu，试验段岩层透水率灌浆前后变化不大。检查孔的透水率远大于设计5 Lu的防渗标准，帷幕灌浆在该试验区防渗效果不明显。

后经开挖检查(图3)，发现灌浆注入的水泥全部充填在灌浆孔中，未能注入下部地层砂岩及砂砾石层的孔隙、微裂隙中。根据帷幕灌浆试验段岩芯分析、钻孔压水试验及开挖检查判定，普通硅酸盐水泥在项目区采用常规灌浆工艺无法形成有效的防渗帷幕。

图3 帷幕灌浆试验段开挖检查Fig.3 Excavation inspection of curtain grouting test section

2 灌浆失败原因分析

2.1 灌浆机理

灌浆是利用灌浆泵或浆液自重，通过钻孔、埋管或其他方法把有机、无机灌浆材料的浆液注入到岩体裂隙、土体孔隙、混凝土裂缝、接缝或空洞内的工程措施[3]，有机灌浆材料属于化学灌浆，能灌注到细微裂隙中；无机材料主要包括水泥、黏土等胶凝材料，其本质上还是属于颗粒型材料，灌入能力有限。

根据DL/T 5267—2012《水电水利工程覆盖层灌浆技术规范》：按照灌浆压力大小，灌浆机理可分为渗透灌浆(压力小)和劈裂灌浆(压力大)本文重点研究渗透灌浆，渗透灌浆是指在压力作用下使浆液排挤出孔(裂)隙中存在的自由水和气体，并充填岩土体孔(裂)隙，在孔(裂)隙中形成具有一定强度和低透水性的结石体，起到加固和防渗作用，渗透灌浆所用的灌浆压力相对较小，不会改变原状土体的构造。

2.2 砂砾石地基可灌性确定

目前在砂砾石地基中可灌性主要从受灌地基颗粒尺寸方面考虑，常采用可灌比值、地基渗透系数(K)、地层中粒径小于0.1 mm的颗粒含量及地层的颗粒级配指标判定，本文就希尼尔水库地基砂岩、砂砾岩层情况对应上述判别标准分别进行研究。

2.2.1 可灌比值

在覆盖层砂砾石土中灌浆时，采用可灌比值来判定可灌性。张作瑂[4]在《论砂砾石土的可灌性》一文中提出“净空比”的概念，即：灌浆材料为粒状时，材料的颗粒尺寸d小于地层的天然孔隙或裂隙Dp时，浆液才有可能进入岩层或土体，即净空比R=Dp/d>1；在灌浆过程中，颗粒材料往往以多粒的形式同时进入孔隙或裂隙，导致渗浆通道堵塞，当地层的天然孔隙或裂隙尺寸大于3倍的灌浆颗粒尺寸时，多粒形式的结构易被灌浆压力击溃，而不会堵塞灌浆通道，因此提出以净空比R=Dp/d≥3作为确定灌浆材料的基础。

大多数地层的组成材料和结构存在大小不均的裂隙或孔隙，同时灌浆材料的尺寸也不相同，对于砂砾石地层，由于内部孔隙尺寸大小不一且难以预测，因此其可灌性一般采用砂砾石地层的颗粒尺寸与灌浆材料颗粒尺寸的相互关系来表示，如式(1)所示：

M=D15/d85

(1)

式中：M为可灌比值；D15为覆盖层粒径指标，小于该粒径的土体重占覆盖层总重的15%，mm；d85为浆液材料粒径指标，小于该粒径的材料重占材料总重的85%，mm。 当M>15时可灌注水泥浆；M>10时可灌注水泥黏土浆。

假定d85为灌浆材料中能灌入的最大颗粒，D15为砂砾石土中组成可灌孔隙的最小颗粒，只要M值大于一定数值，就可将85%的灌浆材料充填至大部分砂砾石孔隙中。

灌浆试验中，浆液材料粒径按GB 175-2007《通用硅酸盐水泥》确定d85=0.06 mm，根据实测试验段地层颗粒级配曲线D15= 0.27 mm(由表2和图4估算得出)。将d85=0.06 mm和D15=0.27 mm代入式(1)得

M=D15/d85=0.27/0.06=4.5

M=4.5<10，地层颗粒级配不适用颗粒型灌浆。图5为试验段地基取样。

表2 帷幕灌浆试验段地基颗粒级配

图4 试验段地基颗粒大小级配曲线Fig.4 Foundation particle size distribution curve

图5 试验段地基取样Fig.5 Foundation sampling diagram of test section

2.2.2 地基渗透系数(K)

砂砾石地基中孔隙的大小可通过地层渗透系数来反映，根据渗透系数的大小，可选择不同的灌浆材料，详见表3。

表3 地基渗透系数与可灌浆材料对应情况

由图1分析可知，试验段先导孔压水试验实测地基透水率在2.34～131.00 Lu之间，根据GB 50487-2008《水利水电地质勘察规范》中岩土体渗透分级表可查得，试验段地基渗透系数最小为1.97×10-5cm/s(0.017 m/d)，最大为在>1 cm/s(864 m/d)以上。试验段地基平均透水率为35 Lu，换算渗透系数为8.28×10-4cm/s=0.72 m/d，不适用于颗粒型灌浆材料。

从数据分析来看，试验段地基存在渗透系数K>150 m/d的情况，从理论上来说可灌纯水泥浆，对试验段开挖详查发现，该地段为砂砾岩段，水泥浆液可渗透至砂砾岩内形成结石体，但渗透半径有限，最大约20 cm(图6)。试验段地层砂岩及砂砾岩层呈水平互层状分布，相邻灌浆孔同高程部位及下部地层情况与图6相似，确定没有浆液渗透形成结石体的现象，说明虽然砂砾岩地层渗透系数较大，但其可灌性存在较大的不确定性。

图6 砂砾岩层灌浆结石体Fig.6 Gravel rock grouting stone body

2.2.3 地层的颗粒级配指标

根据中国类似工程实际经验，总结出4条颗粒分配特征曲线来判断地基对不同灌浆材料可灌性的界限，其对应的粒径级配曲线与灌浆材料粒径可灌性对比见图7和表4。

图7 试验段地层粒径级配曲线综合分析Fig.7 Comprehensive analysis of formation particle size curve in test section

表4 地基粒径级配曲线与灌浆材料可灌性对比

图4可代入图7进行分析判定(Ⅰ曲线)，同时将试验段不同地层(图8)分别取样测定得到砂砾岩(Ⅱ曲线)、砂岩(Ⅲ曲线)的颗粒级配曲线代入图7进行分析。

由图7可知，试验段地层颗粒级配曲线均位于D线右侧，颗粒型灌浆材料在该地层中可灌性极差。同时可以看出，因颗粒级配存在差异，Ⅱ曲线(砂砾岩)比Ⅲ曲线(砂岩)更靠近D曲线，灌浆试验证明砂砾岩比砂岩具有更好的可灌性，符合一般规律，说明用颗粒级配曲线来判定可灌性较为可靠。

图8 砂砾岩、砂岩取样Fig.8 Sampling of gluteniteand sandstone

2.2.4 地层中粒径小于0.1 mm的颗粒含量

施工中常用小于0.1 mm粒径的颗粒百分含量来判定可灌性，砂砾石地基中小于0.1 mm的颗粒含量小于5%时，一般可接受水泥黏土浆液。这主要是从砂砾石地基中砂砾粒径、砂砾间孔隙尺寸及灌浆材料最小颗粒粒径相互关系及占比推导得出，若砂砾粒径D已知且等径，则可算出砂砾间孔隙直径d=0.032D[5]。卢文运等[6]用沉降天平法测得普通硅酸盐水泥中小于0.01 mm的颗粒约占40%，现假定水泥颗粒中最小粒径为0.01 mm，砂砾石层颗粒粒径应大于0.4 mm才具有可灌性，根据图7可知试验段地基中3条曲线小于0.1 mm的颗粒含量为5.2%～7.7%，均大于5%，因此常规水泥灌浆在该地层不具有可灌性。

3 超磨细水泥帷幕灌浆适用性分析

常规水泥灌浆在希尼尔水库坝基砂岩地层中不可灌，下面分析超磨细水泥在该地层的可灌性。根据《欧盟标准EN12715》，水泥颗粒中95%的粒径小于20 μm的水泥为超磨细水泥[7]，目前中国生产的超磨细水泥可达到该标准，理论上该水泥浆液可注入开度δ≥0.02 mm的微裂隙。

因自然沉积作用，地层内部材料和结构通常都会存在大小不一的裂隙或孔隙，由图7中Ⅲ曲线可知试验段砂岩中占比90%～15%的砂砾粒径为1.00～0.25 mm，现假设砂岩以最大1.00 mm、最小0.25 mm两种粒径分别组成两种状态，则可通过d=0.032D推算出该砂岩的最大、最小孔隙直径：

当Dmax=1.00 mm时dmax=0.032 mm，当Dmin=0.25 mm时dmin=0.008 mm，再将dmax，dmin分别代入净空比R=Dp/d得：

净空比Rmax，Rmin均小于3，不满足可灌性要求，因此说明超磨细水泥在希尼尔水库坝基砂岩中不具有可灌性。

4 结 论

(1) 试验证明，在希尼尔水库坝基砂岩、砂砾岩中常规水泥灌浆不具有可灌性，超磨细水泥理论上也不具有可灌性。

(2) 通过可灌比值、地基渗透系数(K)、地层中粒径小于0.1 mm的颗粒含量及地层颗粒级配指标来对比分析，地层颗粒级配指标与可灌比值及地层微粒含量更能真实判定中细砂地层可灌性。

(3) 类似工程在前期地勘阶段通过室内试验分析地层颗粒级配，即可初步判定地层可灌性，为基础处理方案的选定提供依据。