宜春市四方井水利枢纽工程基础帷幕灌浆处理技术及防渗效果分析

葛 亮

（江西省宜春市水利局,江西 宜春 336000）

1 工程概况

宜春市四方井水利枢纽工程位于袁河支流温汤河下游,水库坝址以上流域面积173 km2,多年平均流量5.35 m3/s,多年平均净流量1.69×108m3,多年平均径流深975.22 mm,坝址径流的年内变化较大,6 月份最大,占全年径流量的14.5%；12 月份最小,占全年径流量的4.0%。四方井水库正常蓄水位152.00 m,主坝设计洪水位153.93 m,坝顶高层155.80 m,坝顶宽8.0 m,坝顶长338 m,大坝为粘土心墙坝。由于该水利枢纽所在地区地质条件复杂,加上施工技术等原因在基础部位出现局部渗漏,需要采取防渗措施。结合地质条件和渗漏情况,决定采取帷幕灌浆技术进行处理。

2 帷幕灌浆防渗处理技术的应用

帷幕灌浆是水工建筑物防渗处理中常用的技术,其原理是在确定裂隙位置后,从地面向下钻孔,然后以高压向钻孔内注入浆液,浆液在压力作用下向裂隙内渗透,使裂缝内充满浆液进而起到封堵裂隙、防止渗水的效果。多个钻孔以特定间距、行距排列,相邻钻孔之间浆液相互连接形成帷幕,进一步提高了水工建筑物基础的防渗性能。帷幕底线深至岩石透水率小于5 Lu 的地带,河床部位的帷幕底线高程为108.80 m,先导孔比普通孔深5 m,两坝肩处的帷幕孔深由大坝中心向坝肩两侧逐渐递减。

2.1 施工准备

为保证帷幕灌浆施工顺利进行,需要做好前期准备工作。开展现场勘查工作,利用地质探测设备明确四方井水利枢纽工程基础上裂缝的数量、分布位置,条件允许的情况下还要进一步探明裂缝的深度、长度、走向,根据上述信息合理布置钻孔位置,对提高帷幕注浆防渗效果有积极帮助。同时,做好设备仪器的准备工作,本工程帷幕灌浆施工中所需的仪器有XY-20C 型地质钻机、SGB6-10 型灌浆泵、ZJ400 型制浆机、D6-25 型高压水泵以及KXP-IS 型测斜仪等。工作人员需要对各类仪器、设备进行逐一检查,核对型号、规格、数量是否与清单备注一致,确定不存在问题后安排设备进场。对于帷幕灌浆施工所用的各类材料也要进行仔细检查,本工程中所用水泥均为42.5 普通硅酸盐水泥,应确保水泥无受潮、板结情况,使用前要用孔径为100μm 的防控筛子过筛,并且保证筛余量不得超过5%。对于超过生产日期30 天、有受潮结块的水泥,一律不得使用。掺入水泥中的砂子、粉煤灰、水玻璃等也要根据施工要求进行质量检查,并按照配合比制作成不同浓度的浆液。本工程中帷幕灌浆所用浆液均为现配现用,保证灌浆效果,制备的浆液如果在6h 内没有使用完毕应当废弃。

2.2 钻孔施工

本工程采用XY-2PC 型回转地质钻机进行坝面钻孔,采用合金钻头。为保证钻孔垂直于坝面,钻孔前使用水准仪进行钻机立轴的垂直度校正。现场施工人员清理坝面的杂物后,按照设计图纸在坝面上进行测量放样,标记出孔位,复核孔位坐标无误后开始进行钻孔。本工程中共设有3 序孔,Ⅰ序孔的孔径为100 mm,孔深为2 m。钻至设计孔深后开始压水试验,符合施工要求后再进行灌浆作业；Ⅱ序孔和Ⅲ序孔的孔径均为80 mm,孔深为2 m。将钻机移动至1 号孔位上,设定好钻机参数,包括钻孔压力、钻进速度等,然后启动钻机进行钻孔[1]。期间施工人员密切关注压力表,如果出现压力突然增加或减小的情况,需要立即查明原因,必要时可暂停钻进。实际钻孔深度与设计钻孔深度之间的误差不得超过10 mm,钻至设计深度后进行成孔质量检查,检查孔斜率是否达标,观察有无孔壁坍塌问题。对于不符合要求的要及时填埋并在相邻位置重新开孔,对于符合要求的进行钻孔清洗。

2.3 钻孔清洗

本工程中使用的钻杆装有岩芯管,在钻孔检查达标后可以利用地面的水泵向杆内注水,用高压水冲洗孔内砂石,达到清孔效果。这样既可以保证清孔彻底,同时还能简化施工工序。冲洗时间水压设定为灌浆压力的80%即可,最大不得超过1MPa。现场施工人员注意观察孔内返水,在返水澄清后需要继续冲洗5 min 方可停止,要求单个钻孔冲洗时间不得低于20 min,冲洗完毕后孔底沉积物厚度不得超过10 cm。清孔结束后进行压水试验,其目的是直观地掌握该工程所在地区的地层透水性,以便于根据试验结果配制灌浆浆液。本工程采用“单点法”压水,透水率（T）计算公式如下：

式中：Q 为每分钟注入裂隙中的水量L/min；H 为总的压水力,以水头计,m；L 为压水试验段的长度,m。

2.4 孔口封闭灌浆

本工程使用的孔口管是直径为98 mm 的无缝钢管,顶部设有法兰盘,保证与孔口封闭器牢固连接。在钻机钻至第一段底部后,使用常规的灌浆设备进行灌浆,浆液达到标高后再换成0.5∶1 的水泥浆液置换孔内浆液。等到灌浆孔注满后,将孔口管垂直放入孔内,让孔口管的中心轴线与灌浆孔的中心轴线完全重合。孔口管放入后静置约6 h,在浆液完成初凝后继续开展下一步施工。由于孔口封闭灌浆属于高压灌浆（灌浆压力在5 MPa 左右）,为保证坝体裂隙中能够充满浆液达到理想的防渗和加固效果,需要将孔口管镶嵌到基岩中,保证高压灌浆时不会出现孔口管偏移的情况。孔口管嵌入基岩的深度至少要达到1.5 m,同时为了保证浆液能够在孔内循环,还要求射浆管的管口与孔底距离小于50 cm。封闭器作为连接灌浆管路和孔口管的中间设备,对封闭器的安装也提出了严格要求。安装封闭器前,施工人员应检查封闭器的密封性能,保证孔口封闭灌浆时能够做到不漏气、不漏浆。完成准备工作后,设定灌浆设备的注浆压力、注浆速度等参数,然后开始孔口封闭灌浆,为了防止灌浆过程中相邻两个钻孔之间出现串浆情况进而影响防渗效果,本工程中对钻孔进行了排序,将全部的276 个钻孔分成了3 序,其中I 序孔70 个,Ⅱ序孔69 个,Ⅲ序孔137 个。采用间隔灌浆的方式,首先完成I 序孔的灌浆,然后依次是Ⅱ序空和Ⅲ序孔,这种施工方式有利于形成均匀、连续的帷幕体。

为了防止灌浆过程中相邻两个钻孔之间出现串浆情况进而影响防渗效果,本工程中对钻孔进行了排序,将全部的276个钻孔分成了3 序,其中I 序孔140 个,Ⅱ序孔70 个,Ⅲ序孔66 个。采用间隔灌浆的方式,首先完成I 序孔的灌浆,然后依次是Ⅱ序空和Ⅲ序孔,这种施工方式有利于形成均匀、连续的帷幕体。

2.5 帷幕灌浆特殊情况处理

在帷幕灌浆施工中,由于各条裂隙的深度、长度存在差异,加上坝体结构、浆液浓度等诸多因素的影响,在灌浆时容易出现地面冒浆、孔内漏浆、压力突增等多种特殊情况,要求现场施工人员能够对发生的各类特殊情况作出妥善处理。在本次四方井水利枢纽工程基础帷幕灌浆作业中,遇到了以下三类特殊情况：

1）是钻孔至基岩处,出现了失水、落钻情况,落钻36 cm。在观察到这一情况后,施工人员立即停止钻孔,并使用0.5∶1的浆液进行分次灌注。第一次灌注量为2 t,灌完后静置30 min,等到浆液初步凝固后再进行第二次灌注,灌注量为2.5 t,同样静置30 min,重复该方法共计灌注13.9 t,问题得到解决。

2）是压水回水较小甚至是无回水情况。分别按照1∶1 和0.8∶1 的比例配制了浆液进行灌孔；同时,将关键压力从原来的5 MPa 降低至3.5 MPa,将灌浆流量调整为原来的80%,并采取间歇灌浆措施,间歇时间为30 min。按照上述方法单孔灌浆量为4240 kg,问题得到解决。

3）是钻机压力增加但是钻头进深不变的情况,推测原因是遇到孤石。现场施工人员调整钻孔方法,改为冲击钻进,并适当减小了钻进压力。经过反复、多次冲击后,孤石被破碎,钻机压力恢复正常,钻头能够正常钻进。

3 帷幕灌浆防渗效果分析

3.1 帷幕透水率分析

统计各次序灌浆孔压水试验的透水率,结果见表1。

表1 帷幕透水率分析表

由表1 数据可知,各次序灌浆孔压水试验的透水率呈现出降低趋势。Ⅰ序灌浆孔的压水透水率平均值为19.58 Lu,说明经过帷幕灌浆后水利枢纽基础的渗水情况得到改善,但是透水率仍然处于较高水平；经过Ⅱ序灌浆孔和Ⅲ灌浆孔的施工处理后,压水透水率的平均值降低为8.35 Lu,此时基础防渗效果得到显著增强,达到了预期的效果。从整体上看,各孔序压水透水率比较均匀,说明多数裂缝的连通性较好,浆液注入以后能够均匀渗透,从而提高了整体防渗效果。

3.2 帷幕灌浆质量检查

在施工结束后进行14 天的养护,养护完成后从施工区域内随机选取若干钻孔进行抽样检查,抽选钻孔数为灌浆总孔数的10%。检查方法选择单点压水试验法。这里从抽样孔中随机选出5 个,结果见表2。

表2 压水试验结果统计表

由表2 数据可知,本工程采用“单点法”压水,透水率在11.16 Lu～18.31 Lu 之间,相比于帷幕灌浆处理前,透水率最大降低了4.03 倍。从提取的岩芯来看,水泥结石脉充填胶结果良好,厚度在1.2 mm～2.0 mm 之间,说明经过灌浆处理后该水利枢纽的基础防渗性能得到了提升。

4 结语

对于宜春市四方井水利枢纽工程的基础渗漏问题,本文选用技术成熟的帷幕灌浆方法进行处理。在现场施工中,重点对钻孔方法、成孔检查、灌浆流程、压水试验等施工环节采取了质量控制措施,保证形成良好的防渗帷幕。在施工结束后开展了质量检查,结果表明施工区域基础透水率有明显的降低,浆液在缝隙中的充填效果良好,形成了均匀、连续、低渗透的帷幕。本次帷幕灌浆治理基础渗漏问题取得了理想效果,切实保障了四方井水利枢纽工程的运行安全。