全風化花崗巖防滲關鍵技術研究與應用

王旭斌 鄭洪 林飛 王明 賓斌

摘 要：全風化花崗巖地層因其具有松散體和結構強度較高的特點，一直是防滲施工處理中的難點。依托莽山水庫副壩地基防滲處理工程，開展全風化花崗巖防滲關鍵技術研究與應用，通過現場工藝與生產性試驗，并采用多種檢測手段測試，結果表明：全風化花崗巖地層經采用高壓脈動灌漿技術灌注離析漿液進行防滲處理后，地層透水率可達到小于5Lu，耐久性和帷幕破壞性試驗結果均可滿足設計要求。

關鍵詞：高壓脈動灌漿；全風化花崗巖；防滲；離析漿液；地基處理；莽山水庫

中圖分類號：TV543 文獻標識碼：A 文章編號：1004-7344（2018）30-0191-02

1 前 言

莽山水庫位于湖南省郴州市宜章縣境內的珠江流域北江二級支流長樂水上游，是一個以防洪、灌溉為主，兼顧城鎮供水與發電等綜合效益的大（2）型水利樞紐工程，水庫正常蓄水位395m。莽山水庫工程副壩位于距主壩右壩肩約280m的沖溝埡口處，為瀝青混凝土心墻土石壩，最大壩高41.1m，壩頂長124m?；◢弾r具有球狀風化和囊狀風化的特征，全風化層厚度較大，最厚達44.7m；全風化層中夾雜著未完全風化的孤石，直徑可達數米。全風化花崗巖顆粒成分以粗砂為主，其中粘粒含量為10～15%、粉粒含量為10～21%、礫含量為10～16%、砂粒含量50～65%，為礫質中壤土。根據鉆孔壓水試驗成果，全風化花崗巖透水率為10～20Lu，屬于弱～中等透水，小于5.0Lu的相對隔水層埋深位于25.0～35.0m以下。

2 灌漿試驗

2.1 工藝與材料試驗

在對副壩地基的全風化花崗巖進行灌漿生產性試驗之前，選擇地質條件相似的沙壩料場進行前期試驗研究，主要摸索合適的漿液材料、配比和灌漿工藝，并同時進行普通帷幕灌漿的對比試驗。

在試驗區，主要進行高壓脈動灌漿和水泥灌漿試驗，并分別采用了1.5m和2.0m兩種孔距進行試驗。在試驗過程中，因水泥灌漿出現地表冒漿、漿液失水回濃等難以解決的技術問題，導致無法實現正常注漿，以中途失敗結束。

在高壓脈動灌漿試驗過程中，首先采用了膏狀漿液、低塌落度水泥砂漿等漿體進行試驗。在灌注膏狀漿液時，存在地表冒漿現象；在灌注低塌落度漿液時，存在壓力過大，地表開裂等現象。經過分析與總結，結合全風化花崗巖的特征，采用水泥、膨潤土、全風化花崗巖砂土、水、HY-1外加劑等形成的離析型漿液，即漿液上下分層，其中漿液上部以水泥粘土漿為主；下部以較大顆粒的水泥砂漿為主。這種離析型漿液上部的粘土水泥細顆粒物質可以滲入到花崗巖的小孔隙中；漿液下部的水泥砂漿，可對全風化花崗巖產生強烈的壓密效應，降低全風化花崗巖的孔隙率。試驗結果表明：采用高壓脈動灌漿技術[1]對全風化花崗巖灌注離析型漿液進行防滲處理，具有較好的可行性。

2.2 全風化花崗巖防滲處理生產性試驗

在副壩左壩肩進行生產性試驗，共布置鉆孔5個，分三序孔施工，孔間距1.5m。

2.2.1 灌漿原材料

灌漿材料主要由水泥、膨潤土、全風化花崗巖砂土（過篩）、HY-1及水組成。

（1）水泥：采用P·O42.5級水泥，其細度通過80μm方孔篩的篩余量小于5%。

（2）膨潤土：有機物含量不宜大于3%。

（3）全風化花崗巖砂土：為全風化花崗巖，經過10mm方孔篩網過篩所得。

（4）HY-1：具有使漿液增稠、速凝、早強等效果，其添加量按水泥重量的3～6%控制。

（5）水：取自位于山坡腳的小溪。

2.2.2 高壓脈動灌漿生產性試驗

（1）鉆孔

開孔孔徑為？準110mm，終孔孔徑不小于？準75mm。鉆孔深度不小于設計孔深，孔內殘留物不超過20cm。鉆孔次序與注漿次序相一致，并保證穩定漿液灌漿施工時，同一排相鄰的兩個次序孔之間，鉆孔注漿的高差不小于15m。

（2）注水試驗

先導孔和檢查孔在全風化層內進行分段注水試驗。

（3）高壓脈動灌漿施工

①灌漿方法：自下而上分段提升法，提升段長為0.5m，即達到結束標準后可上提0.5m。

②離析型漿液配比見表1。

③最大灌漿壓力與結束標準。

結束標準如下：

a.當灌漿段注入量達到150L/段，達到設定最小灌漿壓力1.2MPa時，可結束該段灌漿，上提一段進行灌漿。

b.當灌漿段灌漿壓力達到各段深設定的最大壓力時（見表2），注入量達到75L/段時，可結束該段灌漿，上提一段進行灌漿。

c.當灌漿段注入量達到400L/段以上，仍未達到最小設定壓力1.2MPa時，可結束該段灌漿，上提一段進行灌漿。

（4）特殊情況處理

①孔口冒漿，應采取增加漿液粘稠度，減少漿量，減慢注漿頻率等方法進行處理。

②注漿管拔斷或擠斷，應緩慢拔出上面的注漿管，在原鉆孔附近0.2m重新鉆孔至斷管處，再下灌漿管進行灌漿至正常結束。

3 生產性試驗灌漿帷幕質量與評價

3.1 各序孔注入量分析

采用離析型漿液和高壓脈動灌漿工藝，進行生產性試驗。根據試驗后各序孔的單位平均注入量對比，II序孔比I序孔低，僅為I序孔的56.7%；III序孔比II序孔低，僅為II序孔的55.8%，說明了前序孔在灌漿后，對孔間地層的壓密、滲透達到了較好的效果，提高了土體抗滲透性，可以推測，III序孔灌漿漿液在其有效擴散范圍內已經與I序和II序孔的漿液明顯搭接。

3.2 檢查孔取芯及透水率結果分析

（1）檢查孔取芯情況

檢查孔ZJ1位于ZK2與ZK3中間。根據鉆孔取芯情況，可知芯樣中多處可見充填漿脈或結石體，且各段（5m）內均有分布，較為均勻。說明1.5m孔距進行高壓脈動灌漿，漿體擴散半徑范圍內可形成完整帷幕體。

（2）取芯芯樣室內測試

原土樣為礫質中壤土，從相關的試驗數據結果可以看出，灌漿后的土樣平均干密度要大于灌前原土樣、孔隙率平均值要小于灌前原土樣，說明灌漿后土體密實度有所提高。

原土樣破壞坡降值為2.50，滲透系數為4.9×10-4cm/s，為中等透水等級。灌漿后土樣當試驗水力坡降達到10時，未觀察到滲透變形破壞現象；滲透系數為4.0×10-5cm/s，為弱透水等級，說明在灌漿后，土樣被部分膠結，孔隙率減小，透水率降低。

（3）檢查孔注水試驗

ZJ1各段注水試驗透水率均小于5Lu，且較之前先導孔ZK1相比，灌漿后地層透水率明顯變小。通過相關的試驗數據對比可知，離析型漿液+高壓脈動灌漿試驗對地層的壓密、滲透充填效果明顯，地層抗滲性能得到明顯改善，且驗證了1.5m孔距可以形成很好的帷幕體，能夠達到理想的防滲效果。

3.3 灌漿前后標貫數據對比

先導孔及檢查孔鉆進時進行了N63.5標準貫入試驗，通過標貫數據的對比，驗證高壓脈動灌漿對地層的壓密效果。高壓脈動灌漿處理后的土體密實度有了較明顯提高，灌漿壓密效果較好。

4 試驗灌漿帷幕耐久性、破壞性試驗與評價

對生產性試驗形成的灌漿帷幕進行了耐久性試驗和破壞性試驗，以進一步評價試驗灌漿帷幕的耐久性能。

4.1 帷幕耐久性試驗

耐久性試驗[2]各試驗段在正常蓄水位水頭1.5倍壓力下，經過48h后各段透水率仍穩定在3.0Lu左右；說明經灌漿處理后地層防滲耐久性能較好，在正常蓄水位水頭壓力長時間作用下仍能保持良好的耐久性。

4.2 帷幕破壞性壓水試驗

帷幕破壞性試驗各試驗段破壞壓力為正常蓄水位水頭壓力的5～7倍，結合耐久性試驗結果，說明經灌漿處理后地層在正常蓄水位長期作用下，仍具有良好的防滲性能，帷幕灌漿

處理效果良好。

5 小 結

（1）根據全風化花崗巖的地質特性，采用離析型漿液+高壓脈動灌漿技術，較好地解決了全風化花崗巖中進行防滲處理的技術難題。生產性試驗結果表明，該施工技術可行、成本可控，灌漿效果較好；單位造價500～600元/m，低于高噴灌漿，略高于常規帷幕灌漿，遠低于混凝土防滲墻。

（2）在漿液中摻入大量全風化花崗巖砂土，形成的離析型漿液，使之具有壓密和滲透雙重功能，且漿液擴散范圍可控，既達到了帷幕灌漿效果，又大幅降低了灌漿施工材料成本，是一種環保耐久、質優價廉、防滲可靠的新型灌漿材料。

（3）通過采用多種檢測手段，對生產性試驗結果進行測試與分析論證，證明了各項技術經濟指標都較好，可以推廣離析型漿液+高壓脈動灌漿技術應用到本工程及其他類似工程中。

本工程副壩灌漿已施工完畢，由于水庫尚未蓄水，帷幕整體的防滲效果尚待經蓄水運行后進行驗證與總結。

參考文獻

[1]張貴金，許毓才，陳安重，等.一種適合松軟地層高效控制灌漿的新工法——自下而上、漿體封閉、高壓脈動灌漿[J].水利水電技術，2012，43（3）：38～41.

[2]張貴金，李小梅，雷 鵬，等.灌漿防滲帷幕施工質量與耐久性評價綜述[J].水利水電技術，2014，45（8）：86～91.

收稿日期：2018-9-12

作者簡介：王旭斌（1967-），男，高級工程師，本科，從事水利水電工程設計工作。