王昂峰,任 佶

(1.浙江广川工程咨询有限公司,浙江 杭州 310020;2.浙江省水利水电勘测设计院,浙江 杭州 310012)

钦寸水库位于浙江省绍兴市新昌县境内,是一座大型水库,总库容2.44亿m3,水库正常蓄水位98.00 m,坝型为混凝土面板堆石坝,坝顶高程106.00 m,最大坝高为64.00m,大坝左侧布置岸坡式溢洪道。大坝左坝头至铁顶山一带存在玄武岩下伏含泥砂砾卵石层,该夹层下部为角砾凝灰岩。左坝头向左延伸长度约400 m范围内,含泥砂砾卵石层厚度约17～20 m,分布高程一般在80～100 m,渗透系数为1.4×10-4～3.4×10-5cm/s,属中等～弱透水性,存在向邻谷渗漏的问题,须进行防渗处理。为进一步查明大坝左坝头至铁顶山一带存在玄武岩下伏含泥砂砾卵石层的灌浆可能性,为库周防渗帷幕灌浆施工确定合理的技术参数,建设单位对水库进行了左岸库周帷幕灌浆试验。

1 灌浆试验

试验通过调整帷幕灌浆的排数、孔距、压力、段长和灌浆材料等试验手段,分析不同条件下的灌入浆量、扩散半径、可灌性以及检查孔成果对比等,从而查明大坝左侧砂砾石层详细分布(尤其是尖灭位置),进而确定本工程理想的帷幕防渗体系布设方案和施工工艺。

1.1 地质情况

通过试验孔和合理布置的勘探孔,进一步查明了大坝左侧山肩的地质情况:

溢洪道往左,砂砾石层逐步减少至尖灭,尖灭点位于勘探孔ZK23(窑厂)和ZK29之间,进而确定了砂砾石层帷幕灌浆处理范围为溢洪道左侧边缘至窑厂附近,帷幕轴线长约300 m。

试验段地层自上而下依次为:

含砾粉质黏土,厚度为1.00～1.70 m,黄褐色。

玄武岩,埋藏深至20.00～21.00 m(高程103.05～104.05m),厚度18.50～19.90m,深灰色,上部3.00～4.00 m岩石破碎,呈强风化状,以下呈弱风化～微风化状,对高程 106.00～104.00 m压水试验,最大透水率为6.6 Lu(B70号孔),最小透水率为0.4 Lu(C68号孔)。

玄武岩下伏含泥砂砾石层,埋藏深至37.60～38.30 m(高程85.75～86.45 m),厚度16.80～17.60 m。含泥砂砾石层上部0.70 m左右,地层密实,灰黄色,砂砾石砾径为3～4 mm,含粉细砂为主。本层0.70～10.00 m地层较密实,砂砾石砾径为5～25 cm,含中、粗砂为主,经压水试验,最大透水率为158.6 Lu(C63号孔第3段);本层10.00 m以下至砂砾石层底部,地层密实,砂砾石砾径为3～10 cm,含中、粗砂为主,经压水试验,最大透水率为12.3 Lu(A80号孔第5段),最小透水率为1.1 Lu(B65号孔第7段)。

含泥砂砾石层下伏角砾凝灰岩,全风化～强风化,灰白色。压水试验最大透水率为3.34 Lu(A64号孔第8段)。左岸趾板线工程地质剖面图见图1。

1.2 灌浆试验

1.2.1 第1阶段

单排帷幕灌浆孔布置,试验钻灌孔9只(A77～A85),孔距2.5 m,检查孔2只(JA1和JA2)。灌浆第1段长2.0 m,砂砾石层中段长3.0m,基岩段长5.0 m;灌浆压力采用第1段0.3 MPa,以下每段增加0.05MPa。使用普通水泥。

1.2.2 第2阶段

在第1阶段的基础上进行双排帷幕灌浆孔布置,并提高了灌浆压力,首段灌浆压力取0.8 MPa,以下每段增加0.03～0.04MPa。A77号孔以左10.m增设的5只孔 (孔号为A72～A76)及在A排上游2.0 m布设B排(14只孔),A、B排各孔呈梅花形布置。共完成钻灌孔23只,其中在A排5只(A72～A76),B排14只 (B72～B85),检查孔 4只 (J中1～J中4)。A排新布置的灌浆孔孔距调整为2.0m。使用普通水泥。

1.2.3 第3阶段

3排帷幕灌浆孔设计(插入式),增加磨细水泥作为灌材进行试验比较。

A72以左范围,布置3灌浆孔,单排孔数为16只,孔距、排距均为2.0 m。帷幕深度轴线排进入基岩5.0 m,上下游排进入基岩0.5 m。A排采用超细水泥,B、C排的56～63号孔采用普通水泥,64～71号孔采用超细水泥。

完成A72号以左A、B、C 3排灌浆孔,计48只,布置的检查孔10只,其中C排检查孔2只 (JC1和JC2),轴线排检查孔4只 (JA3、JA4、JA5、JA6),B排与 A排之间检查孔2只 (J中4、J中5),C排与A排之间检查孔 2只(J中3、J中6)。

试验帷幕灌浆示意图见图2所示。

图2 试验段帷幕灌浆示意图

1.2.4 钻灌工艺

采用清水造孔,下套管止水止浆,自上而下循环灌浆。玄武岩和砂砾石造孔采用金刚石钻头单管清水钻进,覆盖层开孔直径为150 mm,玄武岩造孔直径为130 mm,砂砾石层造孔直径为110～91 mm,终孔段直径为91 mm。下套止水在第1灌段和第4灌段结束后进行,终孔后对第1～3段进行复灌。每段完成后待凝12 h后再进行下一段钻灌。

2 检查孔成果分析

2.1 单排帷幕灌浆孔设计

试验段a段经单排帷幕灌浆后(普通水泥),有5段次未能达到设计防渗标准,占总段数的31.25%,合格率为68.75%。试验段C64～C71单排帷幕灌浆 (超细水泥)完成后,经检查有2段次未能达到设计防渗标准,占总段数的14.29%,合格率为85.71%。以上情况表明,单排超细水泥灌浆效果好于单排普通水泥,而单排帷幕灌浆的布置方案不可行。

2.2 双排帷幕灌浆

双排帷幕灌浆检查结果表明在试验压力为0.4 MPa条件下,有3段次透水率未能满足设计要求,占总段数的10.7%。其中J中2-3(共1段次)相邻灌浆孔孔距为2.0 m,J中3-3、J中4-3(共2段次)相邻灌浆孔孔距为2.5 m,从中分析认为灌浆孔孔距为2.0 m的灌浆效果比孔距为2.5 m的有较大提高。按第2阶段的试验方案 (包括工艺、排数、孔距、灌浆材料)灌浆后也未能达到设计防渗要求。

2.3 3排插入式帷幕灌浆

检查孔压水试验结果表明每段压水试验透水率均满足设计防渗要求 (≤5 Lu),证明经3排(包括上下游排为普通水泥、中间排为超细水泥组合和上中下3排均为超细水泥组合)水泥灌浆后地基防渗达到设计要求。

3 灌浆技术参数分析

3.1 浆液扩散半径理论计算

砂砾石层灌浆浆液扩散半径计算公式:

式中,R为扩散半径;C为单位长度孔段内灌入的浆液量(以重量计);β为有效的充填系数;nc为地层的空隙率;γ为浆液比重。

主要对高程104.00～98.00 m的一些透水率相对较大的灌段进行了计算分析。实际β取60%,nc取15%～20%。计算结果如表1、2。

表1 压力调整前后浆液扩散半径比较

随着压力的提高浆液扩散半径明显增大,并基本达到设计浆液扩散半径。

表2 普通水泥和磨细水泥灌浆浆液扩散半径比较

在透水率基本相同的条件下,磨细水泥扩散半径大于普通水泥,即磨细水泥可灌性好于普通水泥。

3.2 水泥的可灌性分析

可灌比值是砂砾石层能否接受有效灌浆处理的一种指标,通常以下式表示:

式中:M为可灌比值;D15为受灌砂砾石层的颗粒级配曲线上含量为15%处的粒径 (mm);d85为灌注材料的颗粒级配曲线上含量为85%处的粒径 (mm)。

通过对水泥细度和试验段砂砾石颗粒分析试验,砂砾石D15为 0.4 mm,42.5普通水泥d85为0.037 3 mm,磨细水泥d85为0.023 4 mm。经计算42.5普通水泥可灌比值M1为10.7,磨细水泥的可灌比值M2为17.1,两者均满足水泥灌浆条件,两者经比较M1＜M2,磨细水泥可灌性好于普通水泥。

3.3 灌浆排数、排距、孔距

单排的普通水泥或超细水泥灌浆和2排的普通水泥灌浆不满足设计防渗要求;3排灌浆后满足设计防渗要求;且随着排数增加,平均透水率下降,检查孔合格率明显提高。采用3排帷幕灌浆是合理的。

孔距2.0 m对比孔距2.5 m,其检查孔合格率明显提高。第3阶段试验钻孔孔距为2.0 m,其检查孔透水率满足设计防渗要求。从扩散半径分析(1.03～1.85 m),灌浆孔距和排距选择2.0 m较为合理。

3.4 灌浆深度

考虑帷幕的耐久,为保证砂砾石层中的帷幕形成合理的厚度,3排帷幕灌浆全部采用落地式,中间排深入凝灰岩岩5.0m,上下游排深入基岩0.5～1.0m。

3.5 灌浆压力

灌浆压力提高到0.8～1.04 MPa后,水泥灌入量增加,扩散半径增大,并达到了设计扩散范围。玄武岩层灌浆压力为0.6MPa,砂砾石层首段灌浆压力取0.8 MPa,以下每段增加0.03～0.04 MPa。

3.6 灌浆材料

在第3阶段试验中,轴线排采用超细水泥,上下游排采用普通水泥,经检查孔试验,其压水试验透水率能满足设计防渗要求,且较为经济。

3.7 灌浆段长

鉴于试验区域的第2、3段砂砾石比较松散,透水率相对比较大,为加强此范围的灌浆质量,在第3阶段后期试验时对灌浆段长进行了优化,第1～7段分别调整为2.5,2.0,2.0,3.0,3.5,3.5,3.5 m,第8段根据孔深做适当调整,但在基岩段的段长不超过5.0 m。

4 结 语

本文以钦寸水库的砂砾石层帷幕灌浆处理,用常规的勘探、灌浆手段,通过不同阶段、不同条件的试验,在对比分析中得出合理的技术参数和布设方案,为今后类似水利工程含泥砂砾石层处理提供了参考。

[1]王昂峰.钦寸水库左侧库岸防渗帷幕灌浆试验工程建设监理工作报告[R].杭州:浙江广川工程咨询有限公司.2010.

[2]金水源.钦寸水库左侧库岸防渗帷幕灌浆试验段试验报告[R].杭州:浙江省水利水电勘测设计院.2010.