大流量、高流速动水条件下地下暗河封堵施工技术研究

2018-03-09

四川水利 2018年1期

(中国水电基础局有限公司，天津武清，301700)

1 引言

我国可溶岩约占全国面积的1/3，蓄水和引水工程的渗漏，易发生渗漏的岩溶地层则给修建水利工程带来复杂的问题。当前我国岩溶地区已建和在建的部分水利水电工程因地下水长期渗漏，带来了巨大的经济损失，并时刻危及到工程的安全。在地下渗漏封堵施工中，封堵设计方案与投资理念和封堵效果有着必然的联系。

常规处理方案一般是灌浆材料充填，尤其是在特殊地层中如架空地层、小型溶洞、小型溶腔以及宽大裂隙带效果显著。但在大流量、高流速动水条件下，通常使用的灌浆材料很容易被水流稀释或冲走，浪费巨大，并且效果甚微。本文重点对模袋灌浆、水泥水玻璃双液灌浆工艺进行了系统的试验研究，并介绍了在雅安大兴河道综合整治工程地下暗河封堵处理中的应用情况。

2 工程概况

雅安大兴河道综合整治工程的建设是为了改善雅安城市水生态环境，为雅安城市发展提供有力保障。本工程的重点是在上游大兴电站下放的生态流量基础上，通过经济合理的工程措施，解决近3km河道因多层钙芒硝矿长期受河流冲刷已形成多处溶洞及地下暗河封堵的防渗问题。

钙芒硝矿以及含钙芒硝粉砂质泥岩具有一定的可溶性。溶蚀后呈蜂窝状，钙芒硝在地下水的渗流作用下易溶蚀，根据钙芒硝含量多少，溶蚀后形状也各异，钙芒硝成层发育段易溶蚀形成条带状空腔，钙芒硝较发育和不发育段易溶蚀形成斑点状或浸染状，局部呈透镜状。

3 地下暗河位置推断及形状、范围确定

根据防渗墙14#～16#槽段施工过程中发生严重塌孔漏浆、掉钻以及河道内1#、2#渗漏点河水渗漏尾水渠的水面变化情况，并结合调查及地质勘探，岩层总体产状N20°～30°W/NE∠15°～20°，与河谷大角度相交，缓倾下游的情况基本吻合，确定地下暗河的大致位置在防渗墙14#～16#槽段，在该区内无大的断层通过，主要由风化粉质泥岩层和可溶性钙芒硝矿岩层组成，经过长期水流冲刷引起岩层间钙芒硝矿溶解以及部分泥岩软化流失而形成的地下暗河，且在一定范围内伴有网孔状溶蚀渗漏通道。

根据该部位防渗墙施工出现的频繁塌孔、大量漏浆以及回填大量混凝土均无明显效果的情况，初步确定溶蚀通道的大体位置，通过模袋灌浆孔施工，根据钻进情况已探明1#、2#渗漏点溶蚀主通道的范围在14#～16#槽段桩号区域，地层情况如下：

(1)在孔深8m～11.5m区域，钻孔时局部有脱空现象，脱空幅度在0.5m～1m；且有大量地下水在空压冲击作用下喷出孔外；

(2)在孔深12.5m～17.5m区域，钻孔时均发生脱空现象，脱空范围在3.5m～5m；

(3)在孔深16.5m～17m区域(地下暗河底部)，存在松散堆积体；

(4)在孔深17m～28m区域均有间歇性脱空现象，脱空范围为10cm～30cm；且有大量地下水在空压冲击作用下喷出孔外。

因此，基本判断11.5m～18.5m范围为地下暗河主通道，地下暗河宽13.2m，平均高4.5m，最高处可达到5.5m，在地下暗河顶部以上4m及底部以下11m范围内为网孔状或层状的溶蚀渗漏通道，与地下暗河主通道相连通。详见下图1。

4 封堵处理方案确定

该区内地质主要由风化粉质泥岩层和可溶性钙芒硝矿岩层组成，如果通过灌注水泥或者特殊浆材显然达不到预期堵漏的效果，专家们讨论研究后认为，通过防渗墙工艺进行垂直阻隔封堵在理论上是可行的，但是在大流量、高流速动水情况下要形成地下连续墙施工技术难度高，必须解决造孔成槽、浇筑成墙的难题，专家们提出防渗墙需采用模袋灌浆和水泥水玻璃双液灌浆工艺辅助施工的建议，建议如下：

首先，在地下暗河处的防渗墙轴线两侧3m处各设置一道形状与跨度和地下暗河分别相匹配的阻水墙；每道阻水墙由24个φ0.8m模袋灌浆水泥柱体组成，当所有模袋灌浆孔施工完毕后，最终形成宽约0.8m的阻水墙，通过两道阻水墙将地下暗河处防渗墙轴线两侧的动水阻断，以便在两道阻水墙之间形成处于相对静水状态的空腔；

其次，为防止接触部位水流冲刷、淘刷以及机械操作对地层的扰动而造成已形成阻水墙的破坏，造成岩体二次垮塌形成新的渗漏通道等质量安全事故，在空腔内通过15#槽孔下设导管浇筑混凝土；

最后，在地下暗河主通道上下部位连接区一定范围内的网孔状及层状裂隙渗漏通道，为防止防渗墙施工过程泥浆漏失导致槽孔坍塌及动态流水导致不能成槽的质量事故，对该部位进行水泥水玻璃双液浆灌注，确保防渗墙施工范围内处于相对静水状态(相对于大流量、高流速的动水而言，即处于相对静水状态的水的流速非常小或不流动)，从而彻底解决防渗墙施工的各项难题。

5 模袋灌浆及水泥水玻璃双液浆地表试验

5.1 地表试验目的及要求

5.1.1 模袋灌浆试验目的及要求

模袋灌浆试验，支撑架体采用直径5cm，壁厚4mm的无缝钢管搭设，扣件连接。模袋灌浆射浆管兼钢管混凝土构件采用直径5cm，壁厚4mm的地质钢管，模袋采用丙纶细股纱，模袋灌浆时采用0.5∶1的水泥浆液，通过试验验证模袋的缝制绑扎要求、侧压能力、注入水泥浆液流速的控制、水泥浆液初凝时间以及根据灌注时模袋泌水量计算模袋内水泥充填系数，灌注结束后要求保持压力屏浆20min。模袋灌浆试验布置如图2。

图2 模袋灌浆试验布置

5.1.2 水泥水玻璃双液浆试验目的及要求

选取0.5∶1和1∶1两种水泥浆液，水玻璃按照体积比10%、15%、20%，确定水泥、水玻璃的体积用量比例，通过室内试验，了解掌握不同浆液配比的凝结时间和抗冲性能以及扩散度，需求适合本工程快速硬化、抗水流冲刷以及扩散范围等特点。

5.2 模袋灌浆及水泥水玻璃双液浆各项技术指标研究

5.2.1 模袋灌浆各项技术指标研究

5.2.1.1 模袋泌水性

模袋灌浆中的模袋采用丙纶细股纱，其平织密度大、厚度薄、重量轻、强度高。在灌浆压力作用下，模袋内水泥浆中的水分可由袋内析出，而水泥颗粒不会外漏，这样可以降低水灰比，提高固结强度，缩短固结时间，通过泌水性试验研究，泌水率在17%左右，结果见表1。

表1 模袋实测泌水率参数

5.2.1.2 模袋材质、缝制及绑扎

模袋灌浆中的模袋采用丙纶细股纱，圆柱形缝制，袋直径为φ0.8m，上下袖口收紧后直径12cm，长1m；地下暗河高度高，在灌注时模袋受到侧压较大，尤其是针缝处，最容易撕裂或张开，导致模袋漏浆，因此缝制采用折边双排缝制，缝制用线采用规格为20S/3，其拉力≥3.4kg；使用细铅丝捆绑，铅丝拧转角度不大于90°且不能折叠模袋，以防灌浆时不能打开或仅部分打开模袋，影响灌浆效果。

表2 模袋材质实测性能指标

5.2.1.3 模袋灌浆压力及流速控制

为了使模袋能够瞬时完全展开，初始灌浆压力控制在0.5MPa，正常灌注时，灌浆压力不大于0.2MPa，注入流量10L/min～20L/min，灌注压力过大会引起模袋内侧压偏高产生胀裂或脱线而导致的漏浆质量事故，灌注结束后要求保持压力屏浆20min。

5.2.1.4 模袋下设及安装

地下暗河空腔高度普遍在5m以上，且处于高流速动水条件下，为了防止模袋被水冲走、偏移或者倒塌，确保最终形成阻水墙体的稳固性和自身结构刚性，因此，采用φ50mm壁厚4mm的地质钢管辅助模袋下设，下设前，准确计算地下暗河顶部和底部高度，预先将模袋穿过支撑管，上开口和下开口分别密封并固定在支撑管上，形成环绕在支撑管外的浆液容纳袋，确保其位置准确牢固，钢管下设范围为地面高程至地下暗河底部以下1m(钻孔时已考虑钢管下设，钻孔至地下暗河底部以下1m)，钢管底部焊接封堵，管接口采用焊接方式，接口处用10cm长的φ8mm钢筋焊接，以防止折断，下设的地质钢管兼做灌浆管，在模袋安装部位布置梅花形灌浆小孔，间隔20cm，每个断面3个孔，小孔直径不小于1cm，详见下图3。

图3 模袋下设及安装示意

5.2.2 水泥水玻璃双液浆各项技术指标研究

当在一定水灰比的水泥浆液中加入水玻璃时，最初水泥水玻璃浆液的凝结时间随着加入水玻璃量的增加而逐渐缩短，但当超过一定的比例以后，浆液的凝结时间随着加入水玻璃量的增加，转变为逐渐加长，具体试验数据如下表3。

表3 水泥水玻璃双液浆凝结时间及抗压强度 (水玻璃浓度35Be)

6 封堵灌浆施工及成效

在地下暗河部位沿防渗墙轴线两侧3m处各布置一排模袋灌浆孔，孔间距0.60m，跟管钻进孔径150mm，钻孔深度按照地下暗河底部高程下1m控制，另外在地下暗河部位沿防渗墙轴线两侧3.5m处各布置一排水泥、水玻璃双液灌浆孔，孔间距为3m，钻孔孔径150mm，钻孔深度为网孔状或层状裂隙带底部高程以下1m，模袋灌浆孔及水泥、水玻璃双液灌浆孔轴线布置范围在防渗墙14#～16#槽孔对应桩号区域，详见图4。

通过模袋灌浆及水泥水玻璃双液浆灌注，最终使地下暗河水过流量由原来的25m3/s减少至0.2m3/s，最后防渗墙施工工艺在模袋灌浆及水泥水玻璃双液浆工艺的辅助下完成造孔成槽及浇筑成墙施工，地下暗河水被完全堵住。