复杂地质条件下帷幕灌浆施工优化

冉 蓉 陈鹏 胡雄兵

（中国水利水电第五工程局有限公司 四川 成都 610066）

摘 要：在西非某供水大坝工程帷幕灌浆施工中，由于灌浆段地质结构从上至下分覆盖层、全强风化层、弱微风化层、且全强风化层段较厚，可钻、可灌性极差，针对现场实际情况，经过论证分析，采取在非灌段利用原始覆盖层形成盖重，在原始覆盖内预埋护壁导管，在全强风化层灌浆段埋设护壁花管等措施，有力的保证了帷幕灌浆施工顺利进行，可供类似工程参考。

关键词：帷幕灌浆；原始覆盖；全强风化层；护壁导（花）管

1 概 述

本供水工程位于西非，韦梅河流域。本项目规划在L河上修建1235万m³的水库用以满足G城和D城两城的供水需求，在A河上修建210万m³的水库来满足S城的供水需求。此外，建设连通工程将两个水库连接，在遇到特殊干旱年时，两水库供水量可互为补充，以提高供水保障。

其中A水库位于A河上，多年平均流量 0.35m3/s，水库正常蓄水位高程 115m，相应库容 210万m3，A均质土坝坝长609m，最大坝高19.2m，大坝帷幕灌浆约2400m；L 水库位于L河上，多年平均径流量1.06m3/s，水库正常蓄水位高程 143.50m，相应库容 1235万m3， L水库 均质土坝坝长 1007m，最大坝高 19.8m，大坝帷幕灌浆约5000m。

2 坝址区工程地质条件

根据地质报告A坝及L 坝坝址区及附近地区地形平缓，覆盖层厚度较薄，未见滑坡、崩塌等较大规模的不良物理地质现象发育，物理地质现象主要表现为岩体风化。

坝址区岩体风化以物理风化为主，风化程度主要受地形、地层岩性、地质构造及地下水活动等因素控制，共划分为全风化、强风化、弱风化、微风化～新鲜五级。坝址区地质测绘及勘探成果如下：

1）A坝全风化岩体底界垂直埋深5m～13m，强风化岩体底界垂直埋深8m～15m，弱风化岩体底界垂直埋深为18m～20m。弱风化～微新岩体局部存在少量夹层风化料现象。强风化岩体渗透性以中等透水；弱风化岩体渗透性以弱透水上带（10Lu＞q≥1Lu）为主，部分中等透水（100Lu＞q≥10Lu），微风化～新鲜岩体渗透性以弱弱透水上带（10Lu＞q≥1Lu）为主，弱透水岩体下带顶界埋深两岸一般14m～24m，河床部位约11m～19m。

2）L 坝全风化岩体底界垂直埋深2.0m～6.0m，局部达7.5m 左右。强风化岩体底界垂直埋深3.0m～7.5m，局部达15.0m 左右；弱风化岩体底界垂直埋深为6.2m～11.3m，局部大于16.0m。弱风化～微新岩体中局部存在少量夹层风化现象。强风化岩体渗透性以中等透水（100Lu＞q≥10Lu）为主；弱风化岩体渗透性以中等透水（100Lu＞q≥10Lu）为主，部分弱透水上带（10Lu＞q≥5Lu），微风化～新鲜岩体渗透性以中等透水（100Lu＞q≥10Lu）和弱透水下带（5Lu＞q≥1Lu）为主，部分弱透水上带（10Lu＞q≥5Lu）。弱透水岩体下带顶界埋深左岸一般14m～16m，坝肩部位＞16m，右岸一般11m～15m，河床部位约16m。

3 前期帷幕灌浆试验遇到的问题

根据设计要求，坝基开挖要求清除表层耕殖土，清基厚度要求＞0.8米，帷幕灌浆基槽在坝基开挖基础上下挖约1米，同时帷幕灌浆槽应开挖至设计高程，并确保挖除全部坡积层，总的帷幕灌浆槽开挖深度大于2米。帷幕基槽底宽3米，开挖完成后进行2米宽1米厚盖重混凝土施工，方案如下图1：帷幕灌浆基槽开挖及盖重结构布置图。

图1 帷幕灌浆基槽开挖及盖重结构布置图

帷幕灌浆试验区选在L 坝左岸进行，试验区共20孔，单排孔，钻孔分三序，其中I序5孔、II序5孔、III序10孔，每孔灌浆分2-3段灌注，试验区除先导孔采用“自上而下”灌浆法外，其余各孔均采用“自下而上”灌浆法施工。

试验区于2020年7月25日开始施工，截至2020年8月31日，共完成帷幕钻孔68.1m，完成灌浆共9个段次，在试验过程中出现以下问题。

1）试验区灌浆顶部高程以下全强风化层深度在3.0m~5.0m区间，实钻深度大部分灌浆孔在3.0m~8.0m，局部孔位深度达到10m，该层次灌浆段在钻进时返水呈泥黄色，沙泥含量较多，取芯困难，孔壁易垮塌，钻孔时易卡钻、埋钻，灌浆时易被泥沙掩埋灌浆塞而发生灌浆事故，具体如下图2：钻孔内采用水流冲洗出的黄色泥浆。

图2 钻孔内采用水流冲洗出的黄色泥浆

2）接触段0~2m地表冒浆问题：通过试验区帷幕钻孔施工所揭露的地质情况观察，接触段0~2m位置强风化岩层钻孔取芯率极低，遇水易崩解。在灌浆过程中，在无灌浆压力的情况下，临近灌浆孔盖重体上、下游侧多次出现地表冒浆现象，多次采用间歇、限流、浓浆及待凝的处理措施，均未达到设计所要求的灌浆结束条件，因上述施工问题的存在，试验段的试验工作迟迟不能有效完成，严重影响了帷幕灌浆施工进度。

3）检查验收问题：根据试验区现有的地质条件，通过常规基岩帷幕灌浆钻灌工艺对全强风化岩层进行帷幕灌浆，无法进行有效固化，如在今后验收过程中采用压水试验，在动水压力条件下极易产生冲蚀，极易出现透水率超标等问题而影响验收结果。

4 采取相应措施及灌浆试验结果

4.1出现问题原因分析

经与设计、监理进行现场讨论分析，一致认为，盖重以下3m～8m主要以全、强风化岩石为主，现场开挖揭露出该段地层岩石外观具有岩石的性质，但在动水或浆液的浸润、冲刷作用下，冲蚀型地质承压力较低变得相对不稳定，容易形成塌孔及渗流通道，从而造成孔壁坍塌、钻孔埋钻、灌浆埋塞事故及接触段经多次待凝、复灌无效问题。

4.2采取解决措施

对以上问题采取以下措施进行解决：

（1）接触段0~2m地表冒浆，接触段灌浆质量无法保证问题

在帷幕灌浆前进行表层植被清除并对腐殖土面层进行整平，利用潜孔钻直接在腐殖土上造孔，预埋护壁导管，护壁导管采用90mm的PVC管材，利用层厚2m左右的原始腐殖土覆盖层形成的盖重提升灌浆压力和控制地表冒浆，以确保灌浆质量。具体见图3非灌段、全强风化层护壁导管（花管）埋设，原始盖重土层在灌浆验收工作结束后填坝前全部挖除，挖除到设计灌浆顶高程。

（2）XY-2PC钻机钻进时在水流冲刷下孔壁易垮塌问题

在全强风化层段，利用潜孔钻机造孔，同时预埋护壁花管，护壁花管采用90mm的PVC管材，由于全强风化层灌浆需要，护壁花管在非灌段以下每隔25cm钻一环出浆孔，每环4孔，孔径为1.0cm。护壁花管下入孔内后在孔内填充0.5cm~1.0cm的豆石作为填充料确保浆液顺利渗透利于充填灌浆需要，在豆石填充至距非灌段10cm位置填充部分细沙阻隔非灌段，防止浆液渗透堵塞出浆孔，最后采用0.5:1浓浆充填非灌段管壁间隙，待凝24h后进行充填灌浆，具体详见图3及图4现场加工全强风化层护壁导管。

图3 非灌段、全强风化层护壁导管（花管）埋设示意图（单位：cm）

图4： 现场加工全强风化层护壁导管

4.3施方案优化后钻灌试验

1）钻孔施工试验

非灌段、全、强风化层灌浆段采用泰业5×全液压潜孔钻机钻孔，钻孔直径不小于100mm，成孔后下入90mmPVC护壁导（花）管，具体见图5：全液压潜孔钻机钻孔及埋管图。弱、微风化岩石灌浆段采用 XY-2PC地质钻机配金刚石钻头钻孔，钻头直径 75mm，先导孔和检查孔自上而下分三段分段钻进，第一段0～4m，第二段4～12m，第三段12m~终孔，全强风化层段，钻孔结束预埋花管后进行第一次充填灌浆，待凝6-8h后再进行弱、微风化层钻孔，然后再采用自下而上分段灌浆。

图5 全液压潜孔钻机钻孔及埋管图

2）全、强风化层灌浆

试验区属深厚全、强风化层地质，全强风化层灌浆主要采用的是充填灌浆方式改善坝基渗透指标。全、强风化层在工艺调整后的灌浆试验成果如下。

A)施工顺序

灌浆优化顺序如下：

优化后充填灌浆施工顺序：预埋花管→待凝24h→灌前注水试验（先导孔）→全强风化层段第一次充填灌浆→待凝6-8h→钻孔→终孔验收→弱、微风化层与基岩灌浆→起塞→全强风化层段第2次充填灌浆→封孔。

B)灌浆压力

全、强风化层采用限量灌浆法，对压力不做具体要求。

C)浆液配比试验

在满足升压灌浆的条件下，采用3:1、2:1、1:1、0.8:1、0.5:1 五个比级进行灌注，在实际施工过程中，多数试验孔吸浆量大且难以升压，为了达到较好的充填灌浆效果，在先导孔施工结束后，其余孔的全强风化层灌浆段采用1:1、0.5:1两个比级进行灌注。

D)灌浆成果分析

全、强风化层主要采用充填灌浆的方式施工，该层次累计钻孔132m，累计注灰量为34157.6kg，平均单耗为258.77kg/m，为判定充填灌浆是否对该地层的渗透指标有所改善，通过灌前与灌后注水试验成果进行对比，取得的试验成果详见下表1：全、强风化层灌前与灌后注水试验成果对比分析。

表1 全、强风化层灌前与灌后注水试验成果对比分析

单元	钻孔类型	孔号	试验段长(m)	单位时间注入量(L/min)	渗透系数(cm/s)
18/19	灌注施工前孔位	269-I	4	0.865	9.09×10-5cm/s
		281-X	4	0.966	8.95×10-5cm/s
		285-I	4	0.654	6.01×10-5cm/s
		289-I	4	0.753	6.82×10-5cm/s
		293-I	4	0.583	5.18×10-5cm/s
平均值					7.21×10-5cm/s
18/19	灌注施工后检查孔	18-J-1	4	0.018	1.78×10-6cm/s
		18-J-2	4	0.02	1.98×10-6cm/s
		19-J-1	4	0.018	1.78×10-6cm/s
		19-J-2	4	0.013	1.29×10-6cm/s
平均值					1.71×10-6cm/s

通过表1对比分析可以看出，本试验区采用两次充填灌浆，通过灌前与灌后试段渗透系数进行对比，其灌后渗透系数指标得到明显改善，平均值较灌前减少了60余倍，远远优于设计所要求的“渗透系数小于 1×10^-5cm/s，平均值小于 5×10^-5cm/s”的合格指标要求。

3）弱风化、基岩段灌浆

弱风化、基岩段灌浆在充填灌浆结束后待凝6-8h开始钻孔，这个时间段充填灌浆灌入裂隙的水泥浆液已初凝和无流动性，不具有被钻孔液冲洗出孔外的风险。通过弱风化、基岩段钻孔时间段内预埋管水泥强度的进一步提升，全、强风化层坍塌特性得到明显改善，提高了基岩段灌浆的卡塞封闭性能。

A)施工顺序

除先导孔外，其余灌浆孔参照上述全、强风化层灌浆A条款施工顺序进行施工。

B)灌浆压力

弱微风化岩石段灌浆压力采用设计给定的表2压力参考表执行。

表2 基础帷幕灌浆压力表值

段次	孔深 (m)	Ⅰ序孔（压力 MPa）	Ⅱ序孔（压力 MPa）	Ⅲ序孔（压力 MPa）
第一段 partie I	0～4	0.15～0.25	0.2～0.3
第二段	4～12	0.25～0.35	0.3～0.4
第三段	12~终孔 12~dernier trou	0.35～0.45	0.4～0.5

注：可根据灌浆试验结果适当调整灌浆压力，应按基础地质条件尽量采用较高压力。

C)浆液配比试验

采用3:1、2:1、1:1、0.8:1、0.5:1 五个比级进行灌注，该比级浆液能够满足基岩灌浆要求，采用3:1作为开灌水灰比，吸浆量大的情况下浓浆结束，对基岩细小裂隙进行有效充填情况下，同时也能对扩张裂隙进行有效充填。

D)灌浆成果分析

经试验论证，对全强风化层有效处理，卡塞封闭性能良好，未发生地表冒浆现象，弱、微风化段灌浆质量得到有效保障。灌浆质量满足设计要求，弱、微风化段段灌浆试验成果、检查验收成果对比分析见下表2弱、微风化段帷幕灌浆成果对比分析、表3检查孔压水试验成果对比分析。

表3 弱、微风化段帷幕灌浆成果对比分析

试验区所在单元	孔序	孔数（孔）	灌前平均透水率（Lu）	钻孔工程量（m）	总注灰量 （kg）	单耗 （kg/m）
18/19单元	I	8	38.06	75	5912.7	78.84
	II	8	20.26	64	3182.4	49.73
	III	16	11.33	128	2229.9	17.42
总计		32	20.98	267	11325	42.41

通过表3可以看出，弱、微风化段灌浆各次序孔灌前透水率、单位耗灰递减明显，符合帷幕分序灌浆耗灰量变化规律。

表4 检查孔压水试验成果对比分析

工程部位		孔号	段次	段长（m）	压力（Mpa）	透水率（Lu）	设计标准	地质特征
B0+574.25 ~ B0+622.25		18-J-1	2	8	0.3	4.75	≦5Lu	弱、微风化
		18-J-2	2	8	0.29	3.19	≦5Lu	弱、微风化
		19-J-1	2	8	0.3	3.38	≦5Lu	弱、微风化
		19-J-2	2	8	0.29	2.16	≦5Lu	弱、微风化
合计				32		3.37

注：第1段为全、强风化层，采用注水试验，验收检查成果对比见表1。

通过试验区弱、微风化层灌浆段压水试验检查，透水率指标均小于设计要求，说明试验结果达到设计要求的帷幕防渗要求。

4)灌浆压力

试验区灌浆压力采用设计给定的表2压力参考表执行。除采用充填灌浆方式的全、强风化层采用限量灌浆法对压力不做具体要求外，经过灌浆试验结果论证，在参考设计灌浆压力条件下，弱、微风化层的灌浆压力满足现场施工技术要求。

5 结论

1） 采用潜孔钻预埋护壁导管，利用层厚2m左右的原始腐殖土覆盖层形成的盖重，用于提升灌浆压力和控制地表冒浆以确保灌浆质量。灌浆工作结束后在填坝前全部挖除，直到设计灌浆顶高程。该方法施工工艺简单，可操作性强，精简了工序，有效的解决了接触段灌浆质量问题，节约了大量盖重混凝土，节约了施工成本。

2）在全、强风化岩层地质条件下，采用护壁花管充填灌浆工艺，能极大改善钻孔、灌浆环境，规避埋钻、埋塞事故风险，对施工质量、进度都有明显的改善和提高。

3）在全、强风化层埋深较浅的部位，为提高预埋管的可靠性和辅助提升灌浆压力，结合浆液扩散范围（半径）考虑，建议将预埋管伸入灌浆顶部高程以下0.5m-1.0m位置，通过增加地表与灌浆段高程差用以提升渗径长度，防止地表冒浆，使浆液有效注入到灌浆高程线以下部位，进一步提升风化层的灌浆质量。

6 结语

西非某供水大坝工程帷幕灌浆试验过程中，由于灌浆区域地质条件复杂，现场通过对施工中出现的问题进行优化调整，采用原始腐殖土覆盖代替混凝土盖重（灌浆结束挖除覆盖）、潜孔钻预埋护壁导（花）管、全强风化层段采用充填灌浆等工艺，有效的解决了复杂地质条件下帷幕灌浆钻灌困难、接触段灌浆难以满足质量标准等施工问题，节约了施工成本、加快了施工进度，保证了施工质量，为后期帷幕灌浆施工提供了可靠的工艺技术保证。

冉蓉（1977-），男，陕西渭南人，高级工程师，从事水利水电工程施工技术与管理工作；

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