高关水库大坝基岩帷幕灌浆试验研究

王 可,张 曼

(1.湖北华傲水利水电工程咨询有限责任公司,武汉 430070;2.湖北省水利水电科技推广中心,武汉 430070;3.湖北腾升工程管理有限责任公司,武汉 430070)

0 引 言

岩溶发育地区大坝基岩处理是极为重要的,同时处理技术比较复杂。帷幕灌浆技术是水工建筑岩体处理中常用的一种重要的工程措施。岩溶地区帷幕灌浆具有灌注材料量大、防渗帷幕深和施工复杂的特点。施工前必须探明坝基的地质条件,明确渗漏情况和渗流规律,提出合理的防渗处理措施。在熟悉项目地质勘查报告和设计文件的基础上,为进一步掌握地质条件的一般规律和特殊性,通常采用钻孔和压水试验作为补充地质勘探的手段。在大坝帷幕灌浆前,为获得可靠的灌浆参数,必须选择具有代表性的区段,制定灌浆试验方案,在现场进行生产性试验[1]。

1 工程概况

高关水库位于大洪山复背斜东南倾伏端与云应凹陷北端的交汇处,坝基岩石为白垩系上统公安寨组第三岩性段的砾岩。组成坝基砾岩的砾石成分中,80%～90%由碳酸盐岩组成,充填物和胶结物中以碳酸盐类为主,加之小断层和构造裂隙发育,所以岩溶发育。大坝位于大富水河上游,为黏土心墙代料坝,最大坝高45m,是一座以供水和灌溉为主,兼有防洪、发电、旅游等综合效益的大(2)型水库。

由于主坝局部有明流渗水点和渗漏情况,主坝防渗处理采用心墙抽槽浇筑混凝土防渗墙,坝基进行帷幕灌浆的方式。根据地质资料,设计单位考虑混凝土防渗墙施工对坝基的扰动,主坝帷幕灌浆范围确定为桩号0-030～0+340m和1+000～0+220m段,帷幕轴线同坝轴线,孔距1.5m,单排布置;在坝基F6断层(桩号范围0+000～0+050)和F1断层(桩号范围0+100～0+150)内增加一排帷幕灌浆,帷幕轴线在坝轴线上游1.5m,孔距1.5m,帷幕底线与坝轴线帷幕相同,并与坝轴线帷幕孔呈梅花形布置,灌浆过程中先灌下排孔,再灌上排孔。

2 试验目的和试验依据

2.1 试验目的

1)分析岩溶地质条件下的灌浆材料及工艺控制要求。

2)得出各段岩层的透水状况和吸浆状况,决定最后灌浆深度。

3)查验设计给定的灌浆压力是否合理,是否会造成坝体的漏浆和抬动。

4)通过分析水泥用量、压水试验成果,优化灌浆工艺及相关技术参数,提出合理建议,确保灌浆的有效性和经济性[2]。

2.2 试验依据

《大坝基岩灌浆》、《水工建筑物水泥灌浆施工技术规范》(SL/T 62—2020)、《水利水电工程钻孔压水试验规程》(SL 31—2003)、《湖北省高关水库除险加固工程施工技术与安全要求》和施工图纸等技术文件。

3 试验设计

3.1 试验孔布置

本次试验选择主坝桩号0+46.50～0+69.00(52号孔～67号孔)段实施,共计布置了16个试验孔,其中Ⅰ序孔4个,Ⅱ序孔4个,Ⅲ序孔8个。并在61号孔和62号孔中间布置一个灌浆检查孔,在62号孔和63号孔中间布置一个抬动观测孔,对灌浆效果进行检查。试验孔孔深按设计的帷幕底线控制,先导孔比帷幕底线低5m,检查孔孔深比帷幕底线低0.5m,孔位布置见图1。

图1 帷幕灌浆试验段孔位布置图

3.2 试验要求

1)孔深应达到设计要求的底线高程,终孔段遇性状较差断层、夹层等地质缺陷时,应加深钻孔至穿过该地质缺陷5m以上。

2)压水试验采用单点法。

3)灌浆孔采用“孔内阻塞灌浆法”进行灌浆,混凝土与基岩接触段应先进行单独灌注并待凝24h。

4)帷幕孔灌浆压力第一段取1.2倍坝前静水头,以下各段可逐渐增加,孔底段≥2倍坝前静水头,灌浆压力以回浆管压力表读数为准。

5)灌浆孔灌浆第一段(接触段)为2m,其余灌浆段长为5m。

6)溶洞充填用砂采用质地坚硬、清洁、级配良好的天然细砂,粒径最大≤1.5mm。

3.3 施工过程

钻孔深度按设计的灌浆深度进行钻进,先导孔孔深较帷幕设计孔深5m。钻孔施工过程中如果遇到最后1段的渗透系数>5Lu时,在设计帷幕底线继续向下钻 5m,直到渗透系数<5Lu。当在孔底遇到溶洞、溶槽时,将溶洞、溶槽充填灌浆后,再进行该部位的帷幕灌浆,并自溶洞底向下继续钻进5m,且压水试验检查的渗透系数须<5Lu。

灌浆时,先导孔采用循环式自上而下分段灌浆法,其他试验孔采用循环式自下而上分段灌浆法,灌浆时其射浆管距孔底≤50cm。第一段(接触段)灌浆采用“孔内阻塞灌浆法”进行灌浆,灌浆时阻浆塞宜跨越混凝土与基岩接触面安放,以下各段灌浆塞应安放在灌浆段段顶以上50cm处。除第一段(接触段)灌浆应先进行单独灌注并待凝,待凝时间≥24h,其余灌浆段灌浆结束后可无特殊情况均不待凝,灌完后直接进行下一段次施工。

4 试验成果分析

4.1 灌浆试验成果

帷幕灌浆试验记录见表1。

表1 帷幕灌浆试验记录表

在58#孔发现了溶槽,补充了溶槽充填灌浆和填充后的帷幕灌浆试验,进一步研究溶洞、溶槽充填灌浆后的帷幕灌浆效果。从先导孔的钻孔取芯状况看, 该地区岩石为钙质胶结砾岩,胶结体较为密实,但强度不高,钻取的岩芯比较破碎,有掉块现象。

各序次孔灌前透水率分布情况见表2。

表2 各次序孔灌浆前透水率分布表

从表2分析得出: I序孔灌前平均透水率22.49Lu, Ⅱ序孔灌前透水率较I序孔小,平均透水率13.70Lu,递减39.08%,Ⅲ序孔灌前透水率较小,平均透水率7.15Lu,递减率为47.81%。在灌浆孔逐渐加密的过程中,基岩中的裂隙、漏水和渗水通道逐渐被水泥浆液充填,裂隙中的充填物获得了挤密,这使得基岩的防渗能力逐渐的获得提升,Ⅲ序孔平均透水递减较大,防渗能力大幅提升,达到灌浆效果。

灌浆孔第1段的透水率都很大,结合先导孔的压水试验,部分孔段不能起压,是大坝帷幕灌浆处理的主要部位,故需在开孔时先对第1段进行低压初灌,并在全孔灌浆过程中对第1段进行复灌。

4.2 水泥注入量成果分析

1)通过表1对水泥注入量递减关系分析得出各序次孔单位注入量,见表3。

表3 各序次孔单位注入量分析表

由表3可知,I序孔的单耗为427.00L/m;Ⅱ序孔单耗为273.18L/m,对比I序孔递减36.02%; Ⅲ序孔单耗为209.71L/m,对比Ⅱ序孔递减23.23%。反应出随着孔序的增加,水泥注入量有渐渐降低的趋向,符合灌浆的递减规律,在一定程度上反应了灌浆的效果较好。

2)通过对水泥浆注入量情况分析,得出各序次孔单位注入量分布情况,见表4。

表4 各次序孔单位注入量分布表

由表4可知,随着孔序的增加,水泥单位注入量有渐渐降低的趋向,即低单位注入量区间频次增加,大单位注入量区间频次减小,符合灌浆的递减规律,在一定程度上反应了灌浆的效果较好。

各灌浆孔第1段初灌的吸浆量很大,且随着孔序的增加,单位注入量渐渐降低,复灌时,提高了灌浆压力,吸浆量很小,但还有少量吸浆,吸浆量也随着孔序的增加而逐渐降低,说明采取复灌的方式是有必要的。

4.3 较大耗灰孔段分析

本试区共灌浆139段,共灌入水泥量53319.05kg,平均单耗为93.76kg/m。较大耗灰量孔段段数及水泥量占比情况见表5,较大耗灰量孔段分布情况见表6。

表5 较大耗灰量孔段段数及水泥量占比统计表

表6 较大耗灰量孔段分布统计表

2)单耗在100～500k之间的,I序孔16段占I序孔的45.71%,II序孔6段占Ⅱ序孔的17.65%,Ⅲ序孔4段占III序孔的5.71%;

3)第1段(接触带)16个孔有5个孔注灰量>100kg～500kg,占第1段总数的31.25%;有5个孔注灰量>500kg/m,占第一段总数的31.25%。

由表5和表6可知:耗灰量较大孔段数占比22.3%,但水泥消耗量占比61.73%。单耗>500kg/m的孔段全部在I、Ⅱ序孔的第1段,其中I序孔4段,Ⅱ序孔1段。说明第1段(防渗墙接触带)下面存在渗漏通道,也是水泥消耗量的关键所在,该部位应先进行单独初灌、待凝,待全孔钻灌完成,再对该段进行复灌,并且在灌浆中主要采用低压限量循环灌浆,可越级变浓。

4.4 抬动观测剖析

本试验段共布设1个抬动孔,施工过程中,抬动观测装置安排专人进行实时监测,并随时进行记录。根据抬动观测记录,全部孔段压水和灌浆过程中产生的抬动均<200μm,符合设计的要求,说明本次试验设计压力是在合理范围内的,且孔口管的埋设深度符合灌浆的要求。

5 质量检查

5.1 检查方法

质量检查在灌浆结束14d后进行,采用自上而下分段阻塞单点法压水试验,压水试验合格标准为透水率<5Lu。检查孔进行取芯,对采取的岩芯进行检查,查看有无水泥结石。灌浆质量以检查孔压水试验成果和芯样为主,结合考虑抬动观测情况以及其他资料进行分析。

5.2 检查孔压水试验成果分析

检查孔压水试验成果见表7。

表7 检查孔压水试验成果表

由表7可知,检查孔压水8段,此中有4段透水率为1～3Lu, 4段透水率为3～5Lu,均满足设计要求,且透水率适中,反映灌浆参数具有较好的有效性和经济性。

5.3 检查孔取芯分析

经检查孔全孔取芯,取芯率均达91.2%,并发现有水泥结石,水泥结石和岩石胶结较好。从取芯的状况能够看出,采用灌浆试验参数可以有效满足防渗的要求。

6 试验结论

本试验段地质条件较为复杂,裂隙、溶槽及溶洞大量存在,且分布不规律,渗漏较大的部位主要是接触带处,建议按照以下试验结论进行施工,可取得较好的灌浆有效性和经济性。

1)当溶洞、溶槽或裂隙发育的孔段出现在设计帷幕底线处,可先进行充填灌浆,然后帷幕底线需从溶洞底线再向下钻5m,当灌前压水试验的渗透系数>5Lu,需继续向下钻5m,直到灌前渗透系数<5Lu。

2)接触带基岩破碎或裂隙发育造成第1段(接触带)压水试验部分孔位不起压,应采用低压、浓浆灌浆,待凝24h后再复灌,然后再进行以下各段施工,且无需待凝。

3)先导孔和检查孔应按自上而下的顺序钻孔、冲洗、压水灌浆。其他灌浆孔按第1段2m、第2段及以下每段5m自上而下逐段钻孔、逐段压水试验,直至设计孔深,然后全段冲洗,再自下而上逐段灌浆的顺序进行施工。

4)鉴于溶洞、溶槽和裂隙分布不规律,先导孔不能完全真实地反映现状水文地质条件,发现溶洞、溶槽时,须适量增加钻孔,找出溶洞、溶槽范围,并在溶洞范围的上、下游适当增加1排灌浆孔。