充填灌浆技术在强透水性复杂地层防渗墙施工中的应用_张前.pdf

2023年第7期西部探矿工程*收稿日期：2022-03-28第一作者简介：张前（1982-），男（汉族），江苏沛县人，高级工程师，现从事水利水电工程施工工作。充填灌浆技术在强透水性复杂地层防渗墙施工中的应用张前*，周尚玉（中国水电基础有限公司，天津 301700）摘要：在防渗墙施工前，通常都会通过先导孔探明处理范围内的地质情况，再制定有针对性的施工方案。但是在对一些病险水库的处理过程中，由于建库年代久远，经常会出现地质情况与所提供的技术资料不吻合的情况。受建库时经济、技术条件的限制以及水库蓄水后长年运行过程中水头压力等因素的影响，本身就松散、不均匀的坝体填筑料逐渐出现渗漏通道，坝体中的粘土材料因此出现大面积液化而趋向失稳。在这种强透水性复杂地质条件下，通常会对坝体先进行技术处理后再进行防渗墙施工，以避免因盲目施工对坝体造成二次破坏。同时，也是对防渗墙施工质量、成本控制的有力保障。充填灌浆技术在该类地质情况的处理中，具有极强地适用性和经济性。通过充填灌浆在该类地质条件中的应用，来分析其在该类地层中的技术优势，为类似地质条件的处理提供参考。关键词：防渗墙；强透水性；复杂地质条件；充填灌浆；技术优势中图分类号：P64 文献标识码：B 文章编号：1004-5716(2023)07-0026-051应用背景始建于20世纪6070年代的一些大型水库，当时为节约投资，大坝主体大部分为代料（砂砾石土）粘土心墙结构的碾压式粘土心墙代料组合坝，而采用该类回填料的土石坝，在运行几十年后，大都逐渐出现渗漏，导致水库无法满负荷蓄水影响库容，同时不同程度地出现险情。究其原因，主要是因为在修建时受限于当时的技术水平、施工机械化程度和经济条件，在回填料的使用上没有进行严格控制，坝体的压实度未达到技术要求。在对该类病险水库进行除险加固时，通常会在大坝心墙部位设置混凝土防渗墙进行防渗处理以阻断坝体内的渗漏通道，保证大坝主体结构安全。由于当年建库时的技术资料保存不完整、地勘资料不准确，在防渗墙施工时，遇到该类松散透水地层时，槽孔内大概率发生严重漏浆、大面积塌孔情况。如果采用常规性的方法如挤密夯实土体、控制造孔速度、调整造孔泥浆性能等措施,效果并不理想。还会造成固壁泥浆严重浪费、扩孔系数严重偏大、工期成本严重失控，极易引发安全生产事故。如果在防渗墙施工前根据先导孔所探明的地质状况，提前对防渗墙轴线上、下游两侧进行充填灌浆，对松散、透水土体内的孔隙进行有效填充，提高土体本身的整体性和支撑性，就可以在防渗墙施工过程中有效减小槽孔塌孔率、提高成墙质量，保证防渗墙施工安全、质量、进度可控。2处理效果为了保证防渗墙施工过程可控，在施工前通过先导孔探明地质情况后开展生产性试验后，验证初步拟定的施工方案、选择的施工机具及采取的施工工艺的适用性，通过试验成果来确定有针性的施工方案。本文通过对某病险水库碾压式粘土心墙（心墙顶宽4.6m）代料组合坝塑性混凝土防渗墙（墙体厚度0.8m）施工前，在试验段对充填灌浆处理前后效果进行对比，来检验充填灌浆技术在该地层的有效性。为了确定充填灌浆处理深度，保证生产性试验结果的准确性和客观性，设置的试验区内槽孔的地质情况应相对一致，且无明显变化。选择终孔深度相对较大的槽孔，以保证地层的相对完整、连续、有代表性。按照以上原则，生产性试验段主要布置在防渗墙轴线范围内槽孔距离在30m（地质情况无明显变化）范围之内，且终孔深度不小于50m的F-11和F-15两个槽孔。试验区内的F-11槽孔在施工前不进行充填灌浆处理，如遇漏浆、塌孔等特殊情况采用挤密夯实土体、控制造孔速度、调整造孔泥浆性能等常规措施进行262023年第7期西部探矿工程处理。F-15槽孔则在开抓前，在槽孔上、下游两侧位置，距槽孔上、下游边线外侧1.6m距离各设置一排充填灌浆孔进行充填灌浆处理，孔间距2.0m。通过对试验区内两个槽孔处理效果的成果对比来为施工方案的确定提供依据。2.1地质情况为了保证地质勘测资料的准确性，在布置先导孔时采取加密原则，在F-10槽孔、F-15槽孔的轴线位置分别布置FXD-08和FXD-09两个先导孔进行钻孔取芯并进行简易压水试验。根据先导孔的施工成果（表1）可以发现，两个先导孔所探明的地质情况都存在相似情况，即该碾压式粘土心墙代料组合坝体在其粘土心墙填筑过程中，对填筑料的控制不够严格，有大量砂砾土夹杂其中；部分位置出现了液化粘土，说明该部位碾压时压实度不足，导致上游库内水渗入坝体心墙内导致其液化失稳。以上情况多出现在距坝顶高程约15m范围内，该范围内的土体松散，且多处失稳、液化。按照压水试验结果来看，该深度范围内透水率异常偏大，具有强透水性。2.2常规措施的处理效果FXD-08岩芯描述00.4m0.42m27m712m1217m17m柱状混凝土0.40.9m为松散砂砾石土；0.92m为夹杂砂砾土的柱状粘土25.7m为夹杂砂砾土的柱状粘土；5.77m为柱状粘土78.1m为柱状粘土；8.112m为液态粘土1215.2m为液态粘土；15.217m为柱状粘土柱状粘土取芯率（%）/44.268.653.665.791.3透水率（Lu）/27.616.521.113.63.2FXD-09岩芯描述00.4m0.42m27m712m1015m15m柱状混凝土0.41.2m为松散砂砾石土；1.22m为夹杂砂砾土的柱状粘土24.9m为夹杂砂砾土的松散粘土；4.97m为柱状粘土711.2m为夹杂砂砾土柱状粘土；11.212m为的液态粘土1214.6m为液态粘土；14.617m为柱状粘土柱状粘土取芯率（%）/54.572.351.462.994.2透水率（Lu）/25.317.818.411.84.1备注：00.4m为坝顶混凝土路面,非大坝主体。表1先导孔成果统计表按照试验方案，首先按照防渗墙施工常规做法对F-11槽孔进行施工，派专业技术人员对其开挖过程进行严密监测。施工方法为：（1）“抓取法”成槽，即采用金泰SG46抓斗分“三抓”挖掘地层，形成槽孔；（2）进行固壁的泥浆采用Ca基膨润土泥浆确保开挖过程中槽孔稳定；（3）清孔采用“气举法”清孔换浆，JHD-200型泥浆净化器净化泥浆；（4）浇筑方法采用泥浆下“直升导管法”；（5）墙段连接采用“接头管法”，保证接头连接质量。在F-11槽孔开抓后，由于顶部导墙的保护作用，孔深05m范围内未出现明显塌孔，但是泥浆渗漏情况非常明显，通过降低抓取速度、泥浆内加入锯末减缓渗漏速度、利用抓斗斗体夯实槽孔内土体后再继续抓取等措施处理后，可以继续造孔；但是在孔深815m范围内，由于槽孔孔壁两侧粘土内砂砾石土含量极大，渗漏通道明显，槽孔内泥浆流失速度瞬间加快，多次出现孔内泥浆瞬间排空的极端情况，泥浆渗漏速度远大于泥浆液补充速度，在此过程中，上述的处理措施已完全失效，且导墙底部大范围出现孔壁坍塌、脱空情况，对施工现场的人员和设备安全产生重大威胁，只能迅速采用粘土回填已开挖部分，防止出现严重后果。回填完成后，通过至少8h自然沉降，采取了将膨润土调整为Na基膨润土并在泥浆内增加锯末等堵漏材料、降低抓取速度同时通过抓斗斗体先夯实后开抓等措施后艰难成槽完成浇筑。虽然通过各种处理措施完成该槽孔272023年第7期西部探矿工程的施工，由于大范围的塌孔，对后续相邻槽孔施工时的安全、进度造成很大影响，不仅降低了施工效率、还增加了施工难度和成本投入。F-11槽孔造孔施工过程情况见表2。槽孔编号抓抓对应造孔深度（m）8.713.515.29.310.514.8工期（d）6.5泥浆流失量（L/min）329.281397.761467.231363091.23360采取措施泥浆内增加锯末等堵漏材料、通过抓斗斗体夯实土体、降低抓取速度采用泥浆内增加锯末等堵漏材料、通过抓斗斗体夯实土体、降低抓取速度。将膨润土更换为钻井机Na基膨润土，增大泥浆比重至1.10g/cm3、粘度至39s等措施。最终使用粘土将该槽孔回填至导墙顶部扩孔系数1.29表2F-11槽孔施工情况统计表F-11槽孔浇筑过程中，按照不同深度的混凝土耗用量绘制浇筑指示图（见图1）。图1F-11浇筑指示图按照F-11槽孔的造孔和浇筑情况分析，该槽孔浇筑时的扩孔系数与造孔时槽孔内的情况相应位置的情况一致，即塌孔、漏浆的严重性与扩孔系数（K）成正比。F-11槽孔扩孔系数K=1.29，该槽孔扩孔系数相对于正常粘土层防渗墙的扩孔系数（约K1.1）是要明显偏大的。由此可以看出，在地质情况异常复杂情况下，采用常规措施处理造孔过程的特殊情况，并不能起到理想的效果。若仅靠施工单位本身过硬的技术能力、极为丰富的施工经验和合理的处理措施来弥补地质条件先天缺陷，从而保证施工质量、安全和进度是不现实的。而频繁出现异常漏浆和大范围塌孔，使得施工效率低下，经常性地进行回填、复抓等重复性施工。同样，在浇筑过程中扩孔系数远大于正常值范围，会使泥浆回收率大大降低、混凝土的耗用量大大增加，不止付出数倍的人工、材料和设备成本，而且会导致孔型失控，影响成墙质量。因此，先对松散、强透水性复杂地层进行有效处理后，再开始防渗墙施工，才能提高成槽效率、降低施工成本、保证施工安全和质量。2.3充填灌浆处理效果结合前期先导孔成果与F-11槽孔的施工情况进行分析，在该地层中造孔，从开孔即出现漏浆情况，尤其在孔深815m范围内出现异常严重的漏浆甚至泥浆液瞬间排空现象。与先导孔岩芯对比发现，该深度范围内的岩样中砂砾石含量大于65%，其漏浆情况也与压水试验结果相吻合。大坝粘土心墙的粘土内砂砾石含量很大，且土体松散，说明在建坝时距坝顶15m深度范围内材料控制和碾压质量均不达标。该地层属大孔隙、强透水的易渗漏地层。在这类地层中进行防渗墙施工，若不先对透水孔隙进行填充、加固，封闭渗漏通道，无法保证防渗墙施工质量，会对生产安全和施工效率产生很大负面作用。如果要从根本上解决严重漏浆问题，需先对该类地层大渗漏孔隙进行充填处理，隔绝渗漏通道，而充填灌浆技术是应对此类问题快捷、经济、有效的处理方法22.3.1孔位布置F-15槽孔开抓前，在槽孔上、下游两侧位置，距槽孔上、下游边线外侧1.6m距离各设置一排充填灌浆孔进行充填灌浆处理，钻孔孔径110mm，间距 2.0m。282023年第7期西部探矿工程按照F-11和先导孔情况来看，严重塌孔、漏浆情况主要出现在深度小于15m范围内，为保证充填范围的有效性，试验段钻孔深度暂定为16m。灌浆孔分2序施工，施工顺序为：先序孔后序孔，先上游排后下游排。灌浆压力则利用浆液自重和灌浆泵自带泵压进行无压力灌浆，对松散地层进行处理，灌浆材料采用水泥膨润土浆液，孔位布置见图2。图2充填灌浆孔位布置图2.3.2浆液配比及制备充填灌浆的浆液采用水泥粘土浆（水固比为0.5 1），采用大密度浆液使浆液保持较大稠度，有利于浆液在可控制的扩散范围内缩短浆液凝结时间，提高充填灌浆的可控性和有效性，如遇特殊情况，出现吃浆量异常时可在浆液中加入细砂进行灌注。充填灌浆液采用ZJ-1000高速搅拌机进行拌制，制浆程序如下：（1）制浆材料使用顺序：按照配合比，先在搅拌桶内加入水，然后加入水泥搅拌均匀，最后加入粘土粉充分搅拌；（2）制出稳定浆液后应过筛除去浆液中混杂的大颗粒杂质后存入储浆池，通过事先布置好的管路，使用S-300灌浆泵输至孔口。2.3.3充填灌浆施工工艺施工时使用HK-360型深孔钻机无水干钻成孔，然后由MDL-150型锚固钻机下设套管固壁，采用自下而上分段提升套管无压灌浆的施工工艺，工艺流程见图3。（1）钻孔。本次充填灌浆的处理范围按照方案，主要针对位于孔深小于15m范围内的松散地层，根据施工现场实际地质情况，由于地层松散且透水性强，需干钻成孔后套管护壁，本次试验采用HK-360型深孔钻机无水干钻成孔，MDL-150型锚固钻机下设套管，一钻成孔至计划孔深后下设套管，保证钻孔的有效孔径，这样浆液在自重压力作用下能有效渗入坝体渗漏通道1。钻孔采用直径不小于 108mm 的合金钻头进行。灌浆前，由MDL-150型锚固钻机上提套管至距孔底不大于5m，准备灌浆。（2）灌浆。灌浆段长自上而下分别按照6m、5m、5m的长度来进行设置，施工过程中的可以根据实际情况适当调整段长，地质情况差，可以缩短段长；地质条件好，可增加段长。从而保证灌浆质量、提高灌浆效率。灌浆时采用自下而上分段灌浆，下部一段灌浆结束后，套管上提达到上部下一段灌浆长度后继续灌浆，直至提出孔口完成最后一段灌浆。灌浆压力为浆柱自重压力与灌浆泵输浆泵压之和，即无压力灌浆。灌浆时浆液由储浆池通过管路泵送入孔，当灌注段不吃浆或者孔内浆液冒出孔口时，即可结束本段灌浆，总体灌浆情况见表3。2.3.4效果检验充填灌浆施工完毕24h后，即开始F-15槽孔的施工。为了形成对比，造孔时采用的泥浆、施工工艺与F-11槽孔保持一致。F-15槽孔整个施工过程非常顺利，不但在造孔时未出现大规模塌孔和严重漏浆情况（造孔情况见表4），而且在浇筑过程中，F-15槽孔的终浇扩孔系数（K值）仅为1.06（见图4），扩孔系数明显减小，混凝土消耗量大幅度降低。3结论通过F-11和F-15两个槽孔施工情况对比来看，在强透水性复杂地层防渗墙施工前通过充填灌浆技术对松散、强透水性渗漏地层先进行处理，可以使土体的密实度得到有效增强，通过浆液对松散土体颗粒之间进行有效、充分填充，提高土体本身的闭水、阻水性能。最终从根本上使槽孔两侧的孔壁的直立性、防渗图3充填灌浆工艺流程图292023年第7期西部探矿工程漏性得到显著提高，极大地改善地质条件，从而确保灌后防渗墙施工过程控制的可靠性。所以，依据可靠的地质复核成果，在强透水性复杂地质条件防渗墙施工前采用充填灌浆技术对地层进行有效处理，可以极大地节约成本、缩短工期，同时对槽孔的安全性和可靠性产生质的提升。参考文献:1刘祥国,朱立东,兰彩虹.预灌浓浆施工技术的应用J.东北水利水电,2008（5）:28-29.孔序序孔序孔孔位上游排下游排上游排下游排灌浆孔深（m）111661106111661106111661106111661106平均灌浆时间（min）81571864331344271233199单孔平均注浆量（L）973.2631.5139.3563.6237.884.7354.2109.963.4237.695.429.4单孔平均注入率（L/min）12.011.17.78.87.26.58.14.15.37.25.03.3总施工时间（d）1表3F-15灌浆情况统计表槽孔编号抓抓对应造孔深度（m）915工期（d）1.5泥浆流失量（L/min）1.92.2采取措施无需采取任何措施扩孔系数K1.06表4F-15槽孔施工情况统计表图4F-15浇筑指示图30