严尚嵘

(贵州新中水工程有限公司，贵州 贵阳 550081)

1 引言

帷幕灌浆是将浆液灌入岩体或土层的裂隙、孔隙，形成连续的阻水帷幕，以减小渗流量和降低渗透压力的灌浆工程。帷幕顶部与混凝土闸底板或坝体连接，底部深入相对不透水岩层一定深度，以阻止或减少地基中地下水的渗透，与位于其下游的排水系统共同作用，还可降低渗透水流对闸坝的扬压力。20世纪以来，帷幕灌浆一直是水工建筑物地基防渗处理的主要手段，对保证水工建筑物的安全运行起着重要作用[1]。

2 前期准备

2.1 工程地质和水文地质

测区地处西南地区，地形以中低山为主，兼有丘陵地貌。该坝线河谷两岸及河床出露地层为D2b1、D2b2、D2d1+2砂岩、泥页岩地层，岩体透水性小，地下水类型为基岩裂隙水，均为相对隔水地层，左岸地下水平均水力坡降为34.5%，右岸地下水平均水力坡降为38.7%，河床地下水与河水位一致，地下水补给河水。河段、地质情况见图1。

图1 建坝河段地形、地质示意图

在项目中进行水压试验(WPT)，以评估岩石单元的渗透性，并确定其水力压裂或加密侵蚀的潜力。以Lugeon单位(Lu)表示的总体结果见表1。项目的平均吸水率在8 Lu左右，最大的数据百分比在10 Lu以下，属于低渗透岩。

表1 1.0 MPa下水压试验总体结果(1 Lu=l/(min·m)表示)

表2指出了最重要的地质特征，在操作阶段有可能从水库到下游产生泄漏路径的风险。在工程中，这些区域占帷幕灌浆面不到15%，但由于其吸水性较高，这些结构被认为是灌浆处理的几何形状和范围，特别是吸水性在20 Lu以上的结构。

表2 主要地质特征及吸收值

2.2灌浆测试

为了表征岩体与其的可灌浆性相关，测试面板在项目的代表性区域进行。这些性能被定义为：合适的孔距、浆液材料的渗透性、适宜的浆液压力和体积、平均浆液消耗量以及水力达到顶点后的灌浆特性(定义为达到一定压力时，浆液流量突然增加)。

试验在5 m长的井段中进行，井深可达60 m，在最大设计水池高程时，施加压力达到水头的2.5倍。在无流量条件下，达到最大压力时停止注浆，超过了某个特定预定义的体积(根据地质条件，有时超过1 m3)，或者发生了水力达到顶点的事件，在这种情况下，评估其行为以确定施加的压力是否会导致过量的灌浆消耗，或者仅仅是裂缝的临时弹性开口。注浆采用劈裂间距法，第一级孔间距为12 m，中间定位新孔，每3 m封闭一次[2]。

在施工阶段采用的灌浆方法，运用灌浆强度值，也叫GIN方法，这需要定义三个灌浆目标：最大压力、最大体积和GIN曲线[3]。图2为工程灌浆试验结果，在GIN曲线或合适行为阈值以下区域，采用注浆压力和体积的封闭试验，降低了后续阶段孔洞的耗水量和渗透性。

在水力达到顶点事件发生后观察到的行为中，也选择了GIN曲线，这种现象经常出现在图2所示的区域，分别在项目45%的测试中出现，这些事件大多没有导致过量的灌浆消耗，项目的岩体强度受到3.0 MPa以上压力的限制，这反映在GIN曲线所覆盖的区域是有限的，证实了裂缝一般是封闭或不连续的，只有主要结构可以有效地灌浆。

图2 灌浆强度曲线及可灌浆性试验数据

3 帷幕灌浆设计

3.1 灌浆配置

通过渗透性和灌浆性试验，定义了初步的帷幕灌浆配置，其特征见表3。

表3 帷幕灌浆特性

对于工程来说，确定桥台帷幕灌浆延伸的主要标准是覆盖具有渗透性和连续性的重要地质结构的区域，在这些区域之间设置垂直距离为50 m左右的廊道。中段探测孔的深度至少对应大坝高度的1/3，根据这些孔的结果，确定了最合适的处理深度和密度。项目在中段未识别出主要透水结构，因此帷幕灌浆平均深度限制在50 m以内。

为加强浅埋区治理，设计了几个基础注浆加固方案，每个方案由2～4条深度可变的灌浆线组成。孔的方向被设计成与大量的重要裂缝相交，同时也寻求帷幕的总体倾角朝向上游。对于水力发电工程，也设计了帷幕灌浆，以防止地下土建结构渗漏[4]，见图3。

图3 大坝轴向地质断面帷幕注浆限制

3.2 灌浆材料

在项目中，使用了布莱恩系数高于4500 cm2/g的水泥基混合物，灌浆混合物的设计具有较低的粘度和最小的组分沉降量。项目经验表明，灌浆混合物具有季节性变化或组合物性质上有细微变化[5]，这一事实导致在施工阶段要有严格的质量控制，而项目使用的添加剂的高细度(硅灰或膨润土)允许更稳定的外部代理，见表4。

表4 基本灌浆混合物和主要性能

3.3 灌浆法

灌浆过程基于GIN方法，通过实时记录压力演化(P)和累积注入体积(V)来控制灌浆过程。当达到预定的最大压力或体积，或当注浆路径与代表恒定P·V乘积的双曲线相交时，注浆过程结束。

图4显示了一个GIN图和不同的灌浆路径，其中“d”是在可接受范围内的无流量目标(指定GIN的±10%)。在路径1，灌浆以恒定流量(o-b)进行，最大流速约为10 L/min，然后，将压力降低，直到达到无流量目标的GIN值(b-d)。然而，由于在此过程中要精确识别水力压裂行为是很复杂的，因此，应该正确地定义项目每个区域的GIN极限。但是，这并不代表有问题，因为岩石在注入过程中能够抵抗更高的压力。在主要断裂带，为获得低压力下的高消耗(通常低于0.5 MPa)，方法被修改为混合增稠(消除增塑剂或添加惰性填充)，以限制灌浆流动。图4为该区域在GIN图中的近似位置。

图4 GIN图中的灌浆路径

在路径2中，注浆时压力增量每分钟在0.1 MPa～0.5 MPa，当在灌浆过程中检测到流量突然增加时，压力保持不变，直到流量出现下降趋势(图5中的阶梯形路径o-d)。

GIN灌浆参数及标准流程详见表5。在施工阶段，这些参数根据特殊情况进行调整，以优化处理。

表5 灌浆参数

3.4 灌浆数据分析

图5为工程各区域、各阶段的灌浆消耗量变化情况。确定最后处理阶段的一般标准是消耗量小于30 kg/m或最终渗透率小于5 Lu。

另一方面，项目连续性的裂缝是显而易见的，因为所有项目的区域都显示在Ⅰ和Ⅱ之间有一个显著的灌浆减少趋势(50%左右，见图5)。在接下来的阶段中，耗水量的减少非常有限，除了中部的Ⅳ级孔增加了灌浆量，后来不得不用0.75 m间距的孔矫正，用更小的GIN和目标压力来灌浆。这种行为的假设是基于压裂的高连续性，使得孔间距为3 m的帷幕灌浆能够充分闭合，中间孔间距为1.5 m，经常发生水力压裂和消耗损失，可能位于水密面之外。最后，避免Ⅳ期和Ⅴ期的处理，除了断层带之外，不会产生严重的后果。综上所述，本工程灌浆处理主要集中在主要断裂带和底座下浅层岩体上，因为帷幕大部分位于渗透系数在5 Lu以下的岩体上。

图5 按照项目、区域的平均消耗

项目中，灌浆线是在与断裂带相关的高渗透性区域执行的，在这些情况下，至少需要三条灌浆线来获得可接受的剩余渗透性或最终灌浆量。柱基中部位于岩脉和高渗透性断层的交汇处，由于此时可能有水头(1.9 MPa左右)，该区域需要5条40 m深的管线，以获得平均约30 kg/m的灌浆。在本工程中，水头大于1.5 MPa(坝下三分之一)、后期消耗约100 kg/m的主要地质构造在运行阶段大多出现渗漏问题，需要进行额外处理。

4 长期行为表现

结合下游坝体廊道的渗漏数据和桥台廊道的实测数据，分析了实际运行中的帷幕灌浆的性能，见表6。

表6 泄漏和效率数据

此外，以排水幕下游水压计的水头占总水头的百分比来评价岩幕排水系统的防渗效率，与水库最大负荷相关，以水压计高程为参考。换句话说，如果下游水压计的压力为零，则可获得100%的效率。

水库的平均渗漏距离下游廊道约120 L/s，距离桥台廊道1 L/s～17 L/s。这些数值被认为是可以接受的，并且是在其他这种高度在100 m以上的大坝的最低登记值之内。

在项目中，只有位于主要断裂带的水压计能清楚地响应水库水位的变化，同时也对应着最低的效率水平(约30%)。特别是断层，第一次充填时泄漏量高达33 L/s，经过灌浆加固处理后，目前泄漏量约为9 L/s。由于在此之前还没有发现具有高渗透性或异常灌浆的临界区域，因此预计帷幕灌浆在操作阶段具有良好的性能。

5 结论

由于到目前为止测得的泄漏量很低，项目的帷幕灌浆设计和长期性能都是令人满意的。根据地质特征确定帷幕深度和延伸范围的方法，考虑到WPT较高的构造是一种合适的做法。在高渗透性区域执行了几条灌浆线，目标消耗低于30 kg/m，渗透性低于5 Lu，确保了在操作阶段的效果。

在项目中提出的非均质性很高的岩体中，GIN方法需要不断监测参数的适当调整，它与其他灌浆方法相补充，特别是在高渗透性区域，在大多数情况下是令人满意的。实际上，帷幕灌浆的设计注重于对高连续性和渗透性结构的优化处理，以及在施工过程中根据观测方法提出调整设计的建议。