云南曲靖沾益德泽大坝帷幕防渗灌浆试验分析与运用

朱 才，马志玮

(1.云南省地质矿产勘查开发局第一地质大队，云南曲靖，6550002.云南省地质工程勘察有限公司，云南 昆明，650051)

牛拦江-滇池补水工程是滇中调水资源综合利用重点工程，从牛栏江调水补充滇池生态水量、改善滇池水环境，并在昆明发生供水危机时，提供城市生活和工业用水，为昆明后备水源提供水安全保障，同时在2030年为曲靖市生产生活供水。曲靖沾益区德泽乡牛栏江上德泽水库大坝即为本工程的枢纽性工程，其坝基的防渗处理显然是大坝建设的关键环节之一。

帷幕灌浆作为地基与基础防渗处理的一种成熟有效的重要手段，目前已在多种水利水电工程建设项目中得到广泛使用[1]。由于地质和工程条件的差异，不同工程的灌浆技术要求不尽相同，为确保帷幕防渗灌浆方法、材料配比等合理性与科学性，保证帷幕灌浆地基与基础防渗作用充分发挥，在进行帷幕灌浆操作时就应当结合工程所在区域地形地貌、水文工程地质特征以及帷幕灌浆技术特点开展帷幕灌浆试验[2]。帷幕灌浆试验的目的在于取得大坝帷幕灌浆必要的设计参数以指导施工，确定水泥品种的适应性、外加剂品种及掺量、灌浆孔孔距、灌浆压力、浆液浓度、浆液变换及结束标准等技术参数，以及灌浆质量检查标准和方法[3、4]。

本文在充分调查研究大坝区域水文工程地质特征基础之上、根据设计要求[4]选取代表性地段现场防渗帷幕灌浆试验成果及运用阐述分析研究，以期类似工程参考借鉴。

1 试验区地形地貌及地质环境特征

1.1 地形地貌及地层

德泽水库大坝位于北-北北东牛栏江河流之上，两岸阶地零星发育，河谷总体呈相对对称的“V”字形，左右两岸近河床自然山坡坡度一般40°～50°，局部悬崖峭壁，坡面起伏较大，山坡植被较少，为岩溶-高原亚区之构造侵蚀溶蚀中山河谷地貌。

工程区大地构造分区属扬子准地台，滇东台褶带，曲靖台褶束，小江断裂东支与寻甸-会泽断裂所挟持区域内，工程区北侧约1.9km及南侧约2.0km各发育一条北西向断层。工程区未见断层构造发育，其构造主要为背斜，背斜轴近南北走向，该段牛栏江河谷发育于背斜轴部，与背斜走向一致，轴部为寒武系下统沧浪铺组(∈1c)，与上伏地层呈平行不整合接触，两冀为泥盆系中统海口组(D2h)、泥盆系上统宰格组(D3zg)、石炭系下统大塘组(C1d)[4]。详见图1。

图1 试验区灌浆试验段平面布置图

1.2 试验区水文工程地质特征

试验区受牛栏江水流侵蚀切割、大部地段基岩裸露，背斜构造影响岩体相对破碎、裂隙密集且宽度较大、透水率不一致，部分区段结构松散、孔隙率高、微裂隙发育、耐压性差，灌浆劈裂点低。

(1)左岸试验区：第四系残坡积层(Q4)主要由残坡积碎石土、红色粉质粘土、含砾粘土等组成，强度不均，表面较松散，中等-强透水层，不适宜刚性坝及中坝以上柔性坝体地基基础；泥盆系中统海口组(D2h)石英砂岩夹粉砂岩、泥岩，中等透水层，浅表层强风化岩体裂隙发育，岩体完整性差，总体力学强度低，抗滑及变形能力差，可作堆石坝地基基础；深部弱风化岩体裂隙较发育，次块状结构-层状镶嵌结构，中硬岩类型，与软岩相间互层状，存在不利坝基的层间泥化软弱结构面，抗滑及抗变形能力受岩石强度及结构面的双重控制，总体可以满足高坝柔性坝体的抗滑及变形稳定要求。

(2)河床试验区：第四系河床冲洪积层(Q4)主要由紫色、灰色砂卵砾石组成，次圆状，磨圆度好，松散，孔隙发育，强透水层，架空现象严重，总体力学强度低，抗滑动及变形能力极差，为不良地基土层，不适宜刚性坝及中坝以上柔性坝体地基基础；寒武系下统沧浪铺组(∈1c)主要由长石石英砂岩与页岩、粉砂岩、泥岩互层组成，为坝基主要的基础岩体，弱-中等透水层。中层状夹薄层状结构，存在不利坝基的软弱结构面，总体力学强度低，抗滑及抗变形能力差，但可以满足堆石坝等柔性坝体的基础强度要求。坝基河床及两岸下伏强风化岩体完整性较差，强度相对较低，透水性中等-强，存在坝基渗漏及绕坝渗漏问题。

(3)坝基渗漏[4]：据建设单位提供的钻孔压水试验资料，坝址枢纽区相对隔水层分布在河流及两岸地表以下60m～80m地带，由弱风化-新鲜石英砂岩、砂岩与页岩、泥岩互层状岩体构成连续、整体的隔水底板基底，其透水率(q)一般小于5Lu，视为相对隔水层。左坝肩基础岩体为强-弱风化，透水率q=5Lu～100Lu，中等透水带，高程1650m～1730m以下为相对隔水层，库水位与地下水位相交，位于坝肩西侧，渗漏带宽130.17m，左坝肩存在绕坝渗漏问题；右岸坝肩基础岩体强-弱风化，强-中等透水层，透水率(q)5Lu～178Lu，高程1630m～1720m以下为相对隔水层，据勘探地下水位与库水位交点处于右坝肩东侧，渗漏带宽184.28m，该段存在右坝肩绕坝渗漏问题。趾板基础强-弱风化基岩为强-中等透水层，其中趾板基础河床段高程1620m以下透水率平均小于5Lu，为微透水带，视作相对隔水层，该段会产生向下游渗漏问题。按均质透水层模型计算坝肩绕坝及坝基渗漏量，年渗漏量2063.64×104m3/y(未防渗处理)。为减小坝基渗漏和满足渗透稳定要求，需对大坝趾板基础及左、右两岸坝肩进行防渗处理。

2 灌浆试验设计及试验成果

2.1 试验目的及任务

选择代表性灌浆试验区段，复核帷幕灌浆设计和为灌浆施工提供可靠依据；确定各区段施工方法，推荐合理的施工程序、良好的施工工艺、适宜的灌浆材料及最优的浆液配合比；确定各区段帷幕厚度、灌浆孔距、灌浆压力、灌浆材料及耗浆量等设计参数；浆液掺入外加剂时，对灌浆水泥结石的强度、胶结面抗剪强度及其抗渗性能进行测试；确定帷幕灌浆防渗效果，评价经防渗处理后坝基渗漏情况；为大坝坝基帷幕灌浆施工做好技术准备。

2.2 灌浆试验区范围

根据河床、左右岸及两坝肩水文地质及工程地质条件、灌浆试验代表性地段选择原则，本次帷幕灌浆试验共选择三个地段。其中，左岸0+000～0+050作为左岸帷幕灌浆试验代表性地段。右岸0+480～0+550段作为右岸帷幕灌浆试验代表性地段(注：后续发现右岸试验段受右岸高线公路施工干扰，因而取消)。河床帷幕灌浆选择0+269～0+329为灌浆试验代表性地段。为取得河床试验段更详细、准确的数据，在原河床试验段上游10m左岸偏8m处新增一个试验段，孔口高程1665.25m～1666.58m。

本次灌浆试验完成三个灌浆试验段(图2)，23个灌浆孔，15个检查孔施工，累计完成灌浆钻孔长1607.39m，检查孔钻孔长1000.53m，检查孔压水168段。

图2 试验区灌浆试验段钻孔布置大样图

2.3 灌浆钻孔及灌浆段长选择

灌浆段长度第一段2.0m，第二、三段3m～4m，第三段以下5m，终孔段长不超过6m。

2.4 灌浆材料选定

灌浆水泥采用宣威宇恒水泥有限公司生产的P.042.5R普通硅酸盐水泥。其优点为使用中无短时间凝固、抱管现象，也不存在长时间未凝固情况。按规定浆液配比计量制浆，浆液制备完成后4h内用完。

2.5 浆液配合比试验

按浆液浓度遵循由稀变浓，逐级变换原则，开展浆液配合比试验，结合试验区地质情况选择7个级别浆液，水灰比(水：水泥)分别为5：1、3：1、2：1、1：1、0.8：1、0.6：1、0.5：1。

试验过程中，发现浆液变换至0.6：1时，出现阻力明显变大、设备运转吃力、吃浆量突变也较明显的情况，特别是浆液浓度较高，灌浆管路较长的情况下，现象更明显。对此，本次试验选择以0.8：1浆液作为主灌浆液。此外，考虑到该地层存在局部段裂隙较宽大、吃浆量较大的情况，选择0.6：1～0.5：1浆液作为主灌浆液。具体浆液变换原则如下[4]：

当灌浆压力保持不变，注入率持续减少时，或当注入率不变而压力持续升高时，不改变水灰比；当某级浆液注入量已达300L以上，或灌浆时间已达30min，而灌浆压力和注入率均无改变或改变不显著时，改浓一级水灰比；当注入率大于30L/min时，根据具体情况越级变浓。大耗浆量时采用灌停结合，或待凝后再灌等方法，减少耗浆量。

2.6 灌浆方法及灌浆试验工艺

(1)灌浆方法：按三序施工，逐序加密。采用孔口封闭自上而下灌浆法，孔内循环。

(2)灌浆试验工艺：各试验段按三个次序、两次加密原则施工。先施灌Ⅰ序孔，再施灌Ⅱ序孔，最后Ⅲ序孔施工。各孔按孔口封闭，孔内循环施工方式。单孔施工程序为钻进非灌段→观测水位→埋入套管→钻进→洗孔、捞渣→压水→灌浆→待凝→复灌与否→灌后压水→钻进下一段→重复上述工序，如此反复，最后校正孔深、测斜及灌浆封孔。

(3)灌浆孔孔距：试验孔为单排孔布置，原河床试验段和左岸试验段分1.5m、2.0m两种孔距，新增河床试验段采用1.5m孔距。

(4)钻孔：钻孔按设计图纸统一分序，根据给定的控制点，全站仪放孔定位，并实测孔口高程，孔位偏差均小于10cm。采用硬质合金及金刚石钻头钻进，经对比，硬质合金钻头适宜在松散层及强风化基岩中钻进，在弱风化基岩中钻进其效率极低；金刚石钻头在弱风化基岩中钻进效率较高，不适宜在松散层及强风化基岩中钻进。

设计为铅直钻孔，孔底最大允许偏差值如表1。实际施工中在近孔底处测斜，钻孔最大孔底偏差0.4m，最小0.09m。采用设备均是150型及其以上型号钻机，自重大，稳定性好，钻进前对钻机严格校正，钻进中采用适中的压力及较长的岩心管钻进，保证了孔斜度。

表1 孔底最大允许偏差值

钻进中，对孔深、孔径、纯钻和辅助时间、钻孔冲洗、岩芯长度、特殊现象(漏水、破碎带、垮孔、卡钻、掉块等)及下入套管规格、长度等详细记录。取芯检查孔岩芯装箱保存，详细编录分层孔深、岩性、裂隙发育及充填情况。通过控制回次进尺，钻进参数等措施，保证岩芯采取率80%以上。

(5)洗孔：坝基各灌浆段在灌浆前均洗孔和捞渣，保证孔内干净，孔底沉渣小于20cm。钻孔冲洗压力采用80%灌浆压力，压力超过1MPa时，洗孔至回水澄清为止，最短时间不少于30min。

(6)压水试验：各次序孔各灌浆段灌前均进行压水试验。采用单点法，压水压力为该段灌浆压力80%，灌浆压力80%大于1MPa时，取1MPa。当地层透水率较大，压水无压、注入孔内的水返不到孔口时，采用注水法计算透水率：以最大泵量Q向孔内注水，直至水头稳定，测定水面至孔口距离，计算水柱压力p，该段透水率可按q=Q/p计算；当注水仍测量不到水位时，记录流量，不再进行透水率计算。采用五点法检查孔压水试验，压水压力分别为0.6、1.2、2.0、1.2、0.6MPa。

(7)灌浆：采用孔口封闭、孔内循环灌浆工艺，钻孔伸到弱风化基岩下10m时起灌。各段灌浆时灌浆管深入灌浆段底部，管口距段底不大于50cm。灌浆中，保持设计压力下经常转动灌浆管，防止孔内发生“固管”(灌浆管被孔内水泥浆凝固住)。

各灌浆段结束条件：灌浆段在设计压力下，注入率不大于1.0L/min，继续灌注60min，结束灌浆，封孔采用“全孔灌浆封孔法”。灌浆后，各孔段均进行待凝。根据灌后取芯检查，纯水泥浆液1：1比级浆液待凝10h，已能取出柱状水泥芯。

(8)灌浆压力试验：各灌浆试验段按公式计算确定压力值：P=p0+mD式中：P-允许灌浆压力值(MPa)；p0-表面地段允许灌浆压力值(MPa)；灌浆顶界至地面之间岩石为非灌段，岸坡及河床基岩灌浆顶界第一段允许灌浆压力值P。取0.3Mpa；m-灌浆段顶在岩石中每增加1m，允许增加的压力值(MPa)，取0.035(MPa)；D-灌浆段顶至顶界的岩石厚度(m)。

为找出灌浆临界压力，河床试验段第一段孔口压力采用2.1MPa，以下灌段深度每增加1m，灌浆压力增加0.035MPa。经反复试验，大多数孔段孔口压力在2.5MPa左右时，灌浆压力突然下降，流量上升，灌浆很难正常结束，须经多次复灌方能正常结束。极个别孔段经多次复灌，灌浆孔口压力能达到3.9MPa。经施工方、设计方、监理方共同研究后，确定灌浆临界压力为孔口压力2.5MPa。新增河床试验段及左岸试验段灌浆压力按上述公式确定，终孔最大压力2.1MPa。

(9)灌浆结束标准和封孔：灌浆段在最大压力下注入率不小于1L/min，持续灌注60min后结束；采用全孔灌浆封孔法封孔，即终孔段灌浆结束后，将塞卡在309m高程以下0.5m全孔置换0.5：1水泥浆，用1.0MPa压力灌注封孔，延续灌注60min。309m高程以上直接灌注0.5：1水泥浆封孔。

(10)特殊情况的处理：试验中出现的特殊情况主要为局部大裂隙，灌浆耗浆量大。处理方法：加浓水泥浆液，同时间歇灌浆，灌注一定时间，如无效果则停灌，待凝固后再扫孔复灌。一次复灌无效则多次复灌，直至达设计要求。

3 灌浆试验成果分析

3.1 工序质量

灌浆工程系隐蔽性工程，工序质量控制是保灌浆质量的关键。本次灌浆施工，首先建立健全质量保证体系，明确工序质量责任制，坚持上道工序不合格，禁止下道工序施工。

压水、灌浆等工序均在现场技术人员监督指导下施工，前一道工序达不到要求时，不进行下一道工序施工。各孔终孔后，及时检查整理、归档原始资料，进行质量评定。

3.2 透水率及单位注灰量

结合表2数据，除河床段1.5m孔距处由于Ⅲ序孔个别孔段透水率与相邻Ⅰ、Ⅱ序孔相当，甚至大于相邻Ⅰ、Ⅱ序孔，以ZK13(Ⅲ序孔，孔距1.5m)第5段(27m～32m)最为突出，透水率高达293.68Lu，而相邻Ⅰ序孔ZK14第5段透水率为60.02Lu，Ⅱ序孔ZK12第5段透水率为21.70Lu。导致Ⅲ序孔平均透水率大于Ⅱ序孔外，无论单位注入量C值还是透水率q值，通过灌浆处理均呈现cⅠ>cⅡ>cⅢ和qⅠ>qⅡ>qⅢ的正常递减规律，且递减明显。说明基岩可灌性好，且通过灌浆施工质量良好，能保证灌浆帷幕的形成。

表2 透水率及单位注灰量表

各河段Ⅱ序孔、Ⅲ序孔均较Ⅰ序孔单位注灰量明显减少，主要因为注浆工程帷幕墙体逐渐形成。同时，Ⅰ序孔注浆地层为原始地层，砂岩为主要被注对象，裂隙及岩溶结构发育，浆液具有较大的扩散范围，吃浆量大，Ⅱ、Ⅲ序孔由于前序孔水泥浆液的封堵作用，后续孔浆液扩散范围明显减小，进而浆液注入量也明显减少，注浆效果具有明显的叠加效应。

3.3 抬动观测及变形

灌浆施工中，为进行压力、流量与岩体变形监测，需在灌浆孔周围设置抬动变形观测装置。本次帷幕灌浆试验区共布置4个深度20m、孔径76mm的抬动观测孔。内管为25mm钢管，外管的护管采用50mm钢管，采用丝扣连接。为便于抬动观测，并避免水泥浆液被冲进抬动观测孔，抬动观测装置内外管需离地面30cm以上。在灌浆作业前完成抬动观测装置安装、调试工作。所有孔段在压水、洗孔、灌浆全过程中均严格按照设计技术要求变形观测。试验结果显示，各孔段在试验全过程均未有抬动现象。

3.4 质量检查孔

为检查帷幕灌浆试验的灌浆效果，在全面分析灌浆原始资料的基础上，结合现场施灌情况由设计、监理及施工方共同布置检查孔。三个试验段共布施检查孔15个，设计防渗标准q≤3Lu。通过取芯和压水综合检查，共检查孔压水试验168段(河床段72段，新增河床段36段，左岸60段。15个检查孔取芯平均采取率均达90%以上，取出40多块水泥结石，坚硬密实，与岩石裂隙胶结良好。

压水试验，80%以上检查孔各段压水透水率多小于3.0Lu，满足帷幕灌浆试验设计标准。其中，1.5m孔距和2.0m孔距按设计施工方法施工，均满足透水率小于5Lu的要求，但2.0m孔距不能满足透水率小于3Lu的要求，1.5m孔距基本能满足透水率小于3Lu的要求。原河床试验段1.5m孔距处检查孔仍有孔段透水率大于3Lu(J2孔第5段透水率3.61Lu；J5第4段透水率为3.17Lu)，与地层裂隙性质有关。在该试验段灌浆施工时，Ⅲ序孔个别孔段透水率与相邻Ⅰ、Ⅱ序孔相当，甚至大于相邻Ⅰ、Ⅱ序孔，以ZK13(Ⅲ序孔，孔距1.5m)第5段(27m～32m)最为突出，透水率高达293.68Lu，而相邻Ⅰ序孔ZK14第5段透水率60.02Lu，Ⅱ序孔ZK12第5段透水率21.70Lu。出现该情况，应为岩层裂隙为顺河流向裂隙或垂直裂隙，裂隙未顺帷幕方向延伸，导致灌注Ⅰ、Ⅱ序孔时，水泥浆液未窜至Ⅲ序孔。

4 结论、建议及运用

通过对左岸及河床段灌浆试验数据分析，大坝坝基防渗帷幕灌浆参数结论、建议及运用如下：

(1)钻孔及压水试验：①灌浆孔孔距、排距建议采用单排孔、孔距1.5m建立防渗帷幕。该孔距基本能满足防渗标准小于等于3Lu，材料耗量相对较小；②测量放线采用全站仪对钻孔测量放线能更好地保证孔位精度；③钻探设备应使用不低于150型(最大钻孔深度150m)的钻机，建议使用150型、200型或300型钻机，此机型稳定性好，动力足，一是能保证钻孔的垂直度，二是能保证钻进速度；钻头在松散层或强风化基岩中宜采用合金钻头钻进，在基岩中宜采用金刚石钻头钻进；钻孔冲洗时间30min～40min为宜，此冲洗时间可基本保证孔内干净，回水中无颗粒物，钻孔冲洗压力采用灌浆压力的80%，但最大不要超过1MPa；在生产性灌浆孔可采用简易压水试验，局部灌段可能存在不起压的情况，此时改用注水试验，若注水试验测量不到稳定的水头，可不计算透水率，但须记录单位流量。

(2)灌浆：①灌浆材料可使用宣威宇恒水泥有限公司生产的P.042.5R普通硅酸盐水泥(距离项目近，运距短)；②制浆必须采用双层搅拌桶，单桶容积不小于200L，推荐采用400L桶。浆液须均匀、连续搅拌；浆液搅拌时间以不少于3min为宜，浆液自制备至用完时间不大于4h；灌浆泵必须为三缸泵，其泵量不低于80L/min，泵压不低于50MPa，且能运转正常；③采用孔口封闭、孔内循环的灌浆方式，自上而下灌浆能建立有效的防渗帷幕；④分三个次序、进行两次加密，即先钻灌Ⅰ序孔，其次钻灌Ⅱ序孔，最后钻灌Ⅲ序孔；⑤灌浆段建议采用第一段2m，第二、三段3m～4m，以下各段均为5m；⑥浆液浓度采用水灰比(水：水泥)5：1、3：1、2：1、1：1、0.8：1、0.6：1、0.5：1七个比级浆液。以0.8：1水泥浆液为主灌浆液。对于存在局部段裂隙较宽大、吃浆量较大的情况，以0.6：1～0.5：1浆液作为主灌浆液；⑦终孔段灌浆压力不小于2.1MPa，最大压力以不超过2.5MPa为宜；⑧采用全孔灌浆封孔，在最后一段灌浆结束，闭浆90min后，以0.5：1水泥浆液置换孔内清浆进行封孔。

(3)质量检查方法：灌浆质量检查采用打检查孔进行压水试验的方法。检查孔压水采用五点法进行压水，压水压力分别为0.6、1.2、2.0、1.2、0.6MPa。

(4)帷幕厚度：经检查孔压水检查，1.5m孔距段上游0.5m处检查孔压水透水率能满足q小于3Lu的要求，2.0m孔距段上游0.7m处检查孔压水透水率个别段不能满足透水率小于3Lu的要求，但这两种孔距均满足q小于5Lu的要求。