（北川羌族自治县水务局 四川 北川 622750）
【摘 要】开茂水库工程是5.12汶川地震后北川羌族自治县最大的在建水利工程，位于岩溶地区。本工程的基础防渗取决于帷幕灌浆的质量，工程实施具有较大的政治意义和社会影响。
【关键词】岩溶地区；高压；帷幕灌浆
【中图分类号】TV62 【文献标识码】A 【文章编号】1002-8544（2017）08-0083-04
1.工程概况
开茂水库位于四川省北川县安昌镇和永安镇，工程主要由苏宝河取水枢纽、引水工程、水库枢纽、城市供水建筑（对接城市供水的输水主管道）、灌区渠系建筑等工程组成。水库枢纽建筑物由1座主坝、5座副坝组成。开茂水库为Ⅲ等中型工程，主坝及副坝为3级建筑物，正常蓄水位为608.00m，总库容为2453万m3，为年调节水库。
开茂水库工程区地处龙门山褶断带与绵阳帚状构造带结合部位，地层分布与出露明显受龙门山褶断带控制。龙门山褶断带以北主要为地质年代相对较古老的一套地层，龙门山褶断带以南主要为地质年代相对较新的中生带地层。二迭系、三迭系等碳酸盐岩主要分布在永昌镇以北，永昌镇以南主要为侏罗系莲花口组一套河口冲积扇相沉积的砾岩、含砾砂岩、砂岩及粉砂质泥岩。该套地层具有岩相变化大、沉积旋回多之特点。每一沉积旋回下部为一套碎石流堆积的或滞流沉积的厚层～巨厚层粗砾岩，钙质胶结，砾石成份以灰岩为主，次为石英岩、白云岩，砾径一般3～5cm，最大20～60cm；中部为河床相沉积，为一套中厚～厚层状中细粒砂岩或含砾砂岩，成份以石灰岩碎屑、石英碎屑为主，成熟度较低，钙质或泥质胶结，可见大型单斜交错层、楔形交错层、槽型交错层；上部为洪泛相平原沉积，为紫红色泥质粉砂岩及粉砂质泥岩。
库址在构造上位于安县向斜南东翼，地层缓倾上游偏右岸，产状为N60～80°ENW∠5～12°。地层结构为近水平的可溶性灰质砾岩与非可溶性紫红色粉砂质泥岩、泥质粉砂岩互层，库区岩溶发育受地形地质条件控制具呈层性和区段性。库盆底部岩溶不发育，库周岩溶较发育，但地下水均向库内排泄，北面库尾山体浑厚，地下水位较高，库底和北坡不存在岩溶渗漏问题。库区渗漏主要表现为两岸局部段岩溶通道渗漏、单薄岩体裂隙渗漏、覆盖层渗漏和地形低矮的垭口渗漏。
库区主要存在8条岩溶通道，分别为：①滴水崖岩溶通道；②幸福水库库尾岩溶通道；③捻塘湾岩溶通道；④01号落水洞岩溶通道；⑤CZK14钻孔岩溶通道；⑥王家湾岩溶通道；⑦左岸坝肩岩溶通道；⑧开茂大队水库岩溶通道。部分通道存在岩溶渗漏问题，需采取防渗处理措施。
主坝坝基底部基岩主要为莲花口组第②层（J3L2），局部残留较薄第③层灰白色砾岩。基岩顶板埋深8～12m，部分地段达15m。坝基岩体以弱风化为主，弱风化深度一般15～20m，局部表面紫红色泥岩出露，见1～3m强风化岩体。
坝基底部基岩岩溶总体不发育，第②层第二亚层（J3L2-2）岩溶现象主要以溶孔、溶隙为主，溶孔大小一般为1~8mm溶孔为主，个别溶孔达10~30mm，仅局部见10~30cm后期充填粘性土。第二亚层（J3L2-2）岩体透水性一般为5~8Lu，部分段达10~15Lu。第②层第一亚层（J3L2-1）为库区内稳定且较可靠的相对隔水层，该层未发现岩溶现象。第一亚层岩体透水性较弱，一般为2~4Lu。
2.帷幕灌浆的作用
由于库区存在多条岩溶通道并存在渗漏隐患，为减小渗流量降低渗透压力，满足工程安全需要，需对库区进行高压帷幕灌浆。
3.帷幕灌浆施工技术
3.1 帷幕灌浆线的布置情况
主坝、各副坝的坝基和坝肩以及库区左、右岸单薄山脊均采用帷幕灌浆进行防渗。主坝帷幕灌浆大部分在趾板上进行；主坝右岸部分趾板采用帷幕灌浆后与右岸山脊防渗盖板帷幕灌浆相衔接，帷幕防渗中心线和右岸山脊帷幕形成防渗整体，帷幕均深入相对不透水层第②层第一亚层微新岩体5m，该岩层透水性一般为2~4Lu。1-4#副坝帷幕灌浆均在趾板上进行，5#副坝帷幕灌浆大部分在趾板上进行，靠左岸部分和右岸山脊灌浆盖板下帷幕灌浆相接，帷幕灌浆标准按深入相对隔水层第④层第一亚层5m控制，该岩层透水性为5Lu。灌浆孔应穿越坝基强卸荷和弱风化、弱卸荷地层，至设计帷幕灌浆深度线以下，并揭示帷幕灌浆深度内各类基岩的可灌性及其效果，岩体的透水性≤5Lu，岩体声波纵波Vp达到4000m/s，灌浆试验孔深度应超出防渗帷幕线。
左岸单薄山脊部分采用挖除表面覆盖层，在基岩面上浇筑宽度为3m，厚度不小于0.6m的砼盖板，在灌浆盖板上对下部岩体进行帷幕灌浆，帷幕灌浆设计标准根据库周防渗线位置地层结构特点及建筑物级别，依据规范规定按5~10Lu设计，大部分帷幕深入相对不透水层第②层微新岩体5m。右岸山脊采用库区土工膜防渗，然后在库盆较低位置采用帷幕灌浆深入相对隔水层进行防渗，灌浆帷幕控制标准按深入相对隔水层第④层第一亚层5m控制。
库区防渗帷幕防渗中心线总长约3209m，帷幕总面积12331m2，帷幕灌浆总长104623m。最大深度约60m。
3.2 帷幕灌浆施工准备
3.2.1 浆材选择
水泥等级不低于42.5，细度要求通过80μm方孔筛的筛余量不大于5%，不使用受潮结块和出厂期超过三个月的水泥；在水泥浆中可掺入砂、粘性土、粉煤灰和水玻璃等；可掺加速凝剂、减水剂、稳定剂或其他外加剂，最优掺入量通过室内试验和现场试验确定。
3.2.2 试验孔的选择
（1）布置原则
应穿越坝基强卸荷和弱风化、弱卸荷地层，至设计帷幕灌浆深度线以下，并揭示帷幕灌浆深度内各类基岩的可灌性及其效果。
（2）试验内容
帷幕孔采用金刚石回转钻进方法及潜孔锤冲击回转钻进方法，其中先导孔采用金刚石钻进取芯，其余孔采用潜孔锤冲击回转钻进，Ⅰ序孔做压水试验，其余孔做简易压水试验，采用循环式灌浆，孔口封闭、自上而下分段灌浆，检查孔采用金刚石回转钻进取芯，压水试验。压水试验压力为灌浆压力的80%，该值若大于1MPa时，采用1MPa。压水20min，每5min测读一次压入流量，取最后的流量值作为计算流量，结果以透水率表示。
3.3 灌浆方法及工艺流程
3.3.1 灌浆施工次序
（1）灌浆施工次序的设置原则
灌浆施工次序的设置原则是逐序缩小孔距，钻孔逐渐加密。优点是：浆液逐渐挤密压实，可以促进帷幕灌浆的连续性和完整性；能够逐序升高灌浆压力，有利于浆液的扩算和提高浆液结石的密实性；根据对各次序孔的单位注入量和透水率的分析，可起到反映灌浆情况和灌浆质量的作用，为增、减灌浆钻孔数目或孔深提供依据，有利于施工。
（2）帷幕孔的灌浆次序
本工程帷幕灌浆设置二排孔，先灌下游排，再灌注上游排。同一排灌浆孔的灌注顺序采用三次序灌注，其施工次序是：首先钻灌第Ⅰ次序孔，然后钻灌第Ⅱ次序孔，最后钻灌第Ⅲ次序孔。
同时由于地质条件的复杂，在第Ⅰ次序孔钻孔中每3～4个钻孔选择一个钻孔做先导孔，以便了解这一范围内帷幕线上的地质条件和钻灌情况，为后续帷幕钻孔的钻灌提供依据，先导孔的钻进、压水试验和灌浆要求，都相对高于其它幕孔，孔深也需适当加深。
3.3.2 灌浆施工方法
本工程采用全孔自上而下分段灌浆方法，该方法具有：不产生绕塞返浆，灌浆压力能随灌浆位置的加深而逐段加大，压水试验成果准确，计算灌入材料量准确，灌浆质量较好的优点；但也有缺点：每段灌浆后需要一段待凝时间，灌浆与钻孔两个工序交替进行，费时较多。
3.3.3 灌浆工艺流程
（1）场地清理
根据现场场地平整程度及浮碴情况，采用人工和机械相结合清除残留物或积碴等，并用压力水或风将基面清理干净。对于地势起伏较大的帷幕灌浆区域，采用局部开挖处理，开挖方式采用预裂爆破，风钻造孔，孔距为0.5～0.8m，排距为1m。
（2）盖重板浇筑
部分帷幕灌浆需要浇筑混凝土盖重板压重，浇筑孔口管，以实现孔口封闭、孔内循环帷幕灌浆施工工艺。施工工序流程：爆破开挖→幕线清整→抗台锚杆→盖重板浇筑。其中：爆破开挖采用预裂爆破；抗台锚杆设置为间距2m×1.4m，长3m，M20水泥砂浆，Φ25螺纹钢筋；盖重板宽3m，厚0.5m～5m，用C20或C25砼浇筑。
（3）空位测放及钻机安装
钻孔孔位按设计要求布置，采用仪器和人工相结合测放孔位。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆根据业主提供的基准点采用全站仪放出帷幕轴线和控制点，再用人工测出各个孔位，并在盖重板上标出钻孔编号，钻机安装采用地脚螺栓稳固，开孔前应验正孔位，孔位偏差应小于10cm。
（4）造孔及孔口管镶嵌
造孔采用XY-2型地质钻机配金刚石钻头钻进，孔口段采用孔径略大，一下各段一致采用略小的孔径。帷幕灌浆孔施钻应按设计要求分序分段，遇有洞穴、塌孔或掉块难以钻进时，可缩短段长，经灌浆处理后继续钻进。钻孔时应对孔内各种情况做详细记录，若发现集中漏水，应查明漏水部位、漏水量和漏水原因。所有帷幕灌浆孔应用测斜仪全孔测斜，如发现钻孔偏差超过规定时，应及时纠偏。检查孔及先导孔应钻取岩芯，芯样的最大长度应控制在3m以内，应采取措施保证岩芯获得率不小于80%，应详细记录钻孔冲洗水、钻孔压力、芯样长度及其它能充分反映岩石或混凝土特性的因素。
孔口管埋设：在第一段（基岩内2m）灌浆结束后立即在孔内埋设孔口管（上端有丝扣），埋设时在孔口缠绕麻丝并接上两用接头，下入射浆管，将0.5:1的水泥浆灌入孔底，待孔口管与孔壁之间返出0.5:1的浓水泥浆后，卸掉射浆管及两用接头，导正孔口管后，再用0.5:1的浓水泥浆补满孔口管与孔壁间隙。
孔口管选用长2.5m，直径Φ73mm的无缝钢管，埋设后露出孔口10cm。
孔口管埋设待凝3天后，再进行下一工序作业。
（5）洗孔
裂隙冲洗指对钻孔四周一定范围内岩体的裂隙的冲洗，在岩溶地层充填物以粘土为主的地段，可不进行特殊冲洗。帷幕灌浆孔段在灌浆前采用压力水进行裂隙冲洗时，冲洗压力为灌浆压力的80%，并不得大于1MPa，直至回水清洁为止。
（6）测斜
钻孔每钻一灌浆段均进行一次孔斜和方位角测量，发现偏差及时纠正，终孔孔斜、方位角的测量，经检查合格后，才进行下道工序。
（7）压水试验
各灌浆段在灌浆前宜进行简易压水，以粗略了解该段地层的可灌性。压力为灌浆压力的80%，并不得大于1MPa，压水时间为20min，每5min测读一次压水流量，取最后的流量值作为计算流量，其成果以透水率表示。
（8）灌浆
①水泥浆液应搅拌均匀，使用JJS-2B型普通搅拌机的时间应不少于3min，使用ZJ-400型高速制浆机的时间应不少于3os，浆液在使用前应过筛，从制备至用完的时间宜小于4h。
②制浆站制备水灰比为0.5的纯水泥砂浆液，输送浆液流速应为1.4m/s～2.0m/s，各灌浆地点应测定来浆密度，并根据各灌浆点的不同需要调制使用。
③采用“小口径钻进、孔口封闭、孔内循环、不待凝、自上而下分段”灌浆方法。
④灌浆段灌浆时必须下入灌浆管，管口距灌浆段底不得大于50cm。孔口管段以下3～5个灌浆段，段长宜短，压力递增宜快，段长和相应的灌浆压力应通过现场灌浆试验确定。再往下的各灌浆段段长宜为5m。
⑤高压帷幕灌浆施工宜有砼底板盖重，其有无决定着灌浆压力随孔深的递增程度。一般岩溶地区的帷幕灌浆施工中，在有盖重情况下，采用分段深度（m）/最大灌浆压力（M Pa）为：2.4/0.5、5/1.0、9/2.0、14/3.0、19/4.0、24/5.0，以下各段均为5.0M Pa。
⑥灌浆压力应尽快达到设计值，接触段和注入率的孔段应分段升压。在灌浆过程中必须注意控制压力，压力与注入率必须相适应，在5.0M Pa～6.0M Pa灌浆压力下注入率应小于10L/min。
⑦每段灌浆结束后，下一灌浆段的钻孔可不待凝。由于在水的冲刷、钻杆回转及钻具的抽吸等作用下，高压灌入裂隙中的浆液，肯定有一部分会在下一段的钻孔过程中被冲洗出来，但钻孔压力远小于灌浆压力，这部分损失极少。
⑧应按设计水灰比施灌，灌浆浆液由稀到浓逐级变换。按规范要求起灌水灰比为5.0:1，目的在于稀浆具有较小的粘度，流动性好，可先将细缝灌好，而后随着浆液逐级变浓，中等或较大裂隙也可得到良好充填，使各种裂隙都能获得有效的灌注，从而取得良好的灌浆效果。但浆液能否进入细微裂隙，其影响因素应为裂隙的宽度、水泥颗粒粒径及灌浆压力。水泥颗粒愈小，愈能进入更细微的裂隙。对于同样宽度的裂隙，水泥细度一定时，在高压作用下，无论稀浆或浓浆，其流动性并无较大差别。特别是在岩溶地区灌浆，主要针对的是溶洞及溶蚀通道裂隙，在某种程度上为照顾到细微裂隙，起灌水灰比采用2.0:1比较合适。若简易压水时单位耗水量很大，升不起压力，则灌浆时可直接用水灰比为0.5:1的浓浆灌注。本工程帷幕灌浆浆液水灰比采用5:1、3:1、2:1、1:1、0.8:1、0.6:1、0.5:1七个级别。
⑨当灌浆压力保持不变，注入率持续减少时，或当注入率保持不变而灌浆压力持续升高时，不得改变水灰比。
⑩当某一比级浆液注入量已达300L以上，或灌注时间已达1h，而灌浆压力和注入率均无显著改变时，应换浓一级水灰比浆液灌注；当注入率大于30L/min时，根据施工情况，可越级变浓。
11灌浆结束标准为在设计压力下，注入率不大于1L/min后，延续灌注60min～90min，可结束灌浆。
12每个帷幕灌浆孔全孔灌浆结束后应进行验收，经验收合格的孔，采用“置换和压力灌浆封孔法”进行封孔。
（9）封孔
全孔灌浆结束后，经验收合格，采用“置换和压力灌浆封孔法”进行封孔，封孔灌浆水灰比为0.5:1，灌浆压力为该孔最大灌浆压力。
3.3.4 特殊情况的处理
由于本工程处于岩溶地区，主要探讨溶洞、溶缝的处理方法；
在岩溶发育地区进行进行灌浆，需考虑以下三个问题：
（1）溶洞、溶缝中的充填物是否需要清除。作为防渗帷幕，溶洞中充填的粘土可以不必进行专门的冲洗，因为粘土本身并不透水，但应注意粘土的渗流稳定问题。如果充填物不密实、不稳定，则要采取措施，使其在设计水头作用下，能保持长期稳定。
（2）溶洞、溶缝中的充填物如何处理。一般的处理原则是对地表或埋藏较浅的溶洞尽量采取开挖回填的处理方法；若溶洞埋藏较深，可以采用灌浆方法；必要时也可开挖竖井或钻大直径钻孔直达溶洞，人员下入洞中，清除充填物，回填混凝土，再根据需要进行密实性灌浆。
（3）如何灌注、充填溶洞、溶缝。一般凭经验，参考同类工程的实践和工地灌浆试验成果，因地制宜的进行处理工作，通常采用的灌注原则是：先封闭，再密实。施工方法如下：
①溶洞中充填物不多时，可先投入卵砾石，充填后灌注水泥砂浆，经过一段时间后再进行二次钻孔灌注水泥浆，使溶洞进一步被充填密实。
②用低压灌注较浓的混合浆液，待注入率显著减少时，再提高压力，改为灌注常规浓度的浆液。
③在吸浆量很大，灌浆不起压时，采取间隙灌浆的处理方法，直至通道填满为止，然后再将此段重新钻开，用水泥浆进行补灌，增强帷幕的密实性。
4.结语
由于本工程所处地区地质条件的复杂性，防渗处理具有较大难度和不可预见性，所以高压灌浆的试验工作是非常必要和重要的，对指导帷幕灌浆设计与施工均能起到不可替代的作用。通过本工程的施工实践，可以获得如下几点结论：
（1）通过实验分析了水泥浆材的灌入能力及主要性质，并详细分析了各种灌入流体的扩散半径。
（2）结合本工程防渗帷幕的具体要求，进行了高压帷幕试验，获得了适合的各种技术参数；包括灌浆孔设计、段长、压力、材料及配比、浆液变换、灌浆结束标准等。
（3）通过室内试验和现场试验，分析研究合适的灌浆材料与配比，性能达到了本工程高压帷幕灌浆的技术要求。
（4）分析研究本工程高压帷幕灌浆的施工工艺和流程，总结出岩溶地区帷幕灌浆出现的异常情况及处理措施，可以指导本工程后续未完帷幕灌浆的施工和其它类似工程的施工，以解决岩溶渗漏问题。
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论文作者:李伟
论文发表刊物:《建筑知识》2017年8期
论文发表时间:2017/6/20
标签：帷幕论文; 岩溶论文; 钻孔论文; 压力论文; 浆液论文; 裂隙论文; 工程论文; 《建筑知识》2017年8期论文;