（地质工程专业论文）洪家渡水电站k40溶洞防渗帷幕灌浆技术研究及灌浆效果分析.pdf

摘要 防渗灌浆是为了增强各种基础抗渗能力而被广泛采用的一种地基处 理方法，它是在具有合理孔距的成排钻孔中，注入浆液，使各孔中灌浆体 相互搭接以形成一道类似帷幕的混凝土防渗墙，以此截断基础渗流，从而 达到防渗堵漏的目的。因此，工程上又称其为帷幕灌浆。 岩溶地区特别是岩溶强烈发育的地区，岩体透水性极强，在这种地区 修库建坝，必须有完整而可靠的防渗设施，才能保证大坝的施工安全与可 靠运转。在岩溶发育的基岩上进行水工建设，大坝基岩、水库周边和库区 渗漏通道的处理都极为重要，同时处理的施工技术也比较复杂。帷幕灌浆 技术就是水工建筑岩体处理中常用而重要的一种工程措施。 本文以洪家渡水电站k 4 0 溶洞的防渗处理工程技术为研究对象。首先 总结介绍了岩溶地区防渗帷幕灌浆技术的灌浆理论、岩溶地区防渗帷幕灌 浆的特点、岩溶地区设置防渗帷幕应遵循的原则、岩溶地区帷幕灌浆技术 的特点以及特殊地段的处理方法；其次基于对k 4 0 溶洞地质条件的研究， 对适合于k 4 0 溶洞处理的帷幕灌浆技术参数包括灌浆孔设计、灌浆压力、 灌浆段长、灌浆材料及配比、特殊情况的处理、灌浆结束标准及封孔，以 及灌浆施工的灌浆方法和工艺流程；再次研究了k 4 0 溶洞的回填方法和 施工技术；最后，对帷幕灌浆处理的灌浆资料进行了分析，对帷幕灌浆处 理的效果进行了检查和分析，对灌浆质量进行了评价，结果证明研究所得 到的灌浆技术方案和溶洞回填处理方案完全适合工程技术要求。 关键词洪家渡，帷幕灌浆，岩溶，效果分析，回填处理 a b s t r a c t a n t i - l e a k a g eg r o u t i n gi sak i n do fc o n s t r u c t i o nt e c h n i q u e ，w h i c hu s i n gt o e n h a n c et h ea n t i - l e a k a g ea b i l i t yo ff o u n d a t i o n i ti sg r o u t i n gi nl i n eh o l e s w h i c hh a v es e n s i b l e d i s t a n c e m a k i n g t h eg r o u t i n gb o d yi ne v e r yh o l e c o n n e c t e di n t oac o n c r e t ea n t i l e a k a g ew a l ll i k eac u r t a i n u s i n gt h ew a l lc u t s o f f t h el e a k a g eo ff o u n d a t i o n s oi tw a sn a m e dc u r t a i ng r o u t i n gi ne n g e e r i n g k a r s ta r e a ，e s p e c i a l l yt h ei n t e n s i v ek a r s td e v e l o p e da r e a ，t h es e e p a g e a c t i o no f r o c km a s si sv e r ys t r o n g i f w ew a n tt oe s t a b l i s had a mo rp o o la tt h i s k i n do fa r e a ，o n l yw eh a v ec r e d i b l e a n t i l e a k a g e e s t a b l i s h m e n tc a nw e g u a r a n t e et h es a f e t yo fc o n s t r u c t i o na n do p e r a t i o n s ot h et r e a t m e n to ft h e b a s er o c k ，t h el e a k a g er o u t e w a ya r o u n dt h er e s e r v o i ri sv e r yi m p o r t a n t a n d c u r t a i ng r o u t i n gt e c h n i q u ei sac o m m o na n di m p o r t a n tm e t h o dt od e a l i n gw i 廿1 r o c km a s so f w a t e rc o n s e r v a n c ya r c h i t e c t u r ee n g i n e e r i n g t h i sp a p e rs t u d i e dt h ea n t i - l e a k a g ep r o c e s s i n ge n g i n e e r i n go fh o n g i i a d u h y d r o p o w e rs t a t i o n f i r s t l y , i ti n t r o d u c e s t h eg r o u t i n g t h e o r y o fp u r d a h g r o u t i n gt e c h n o l o g y , i t sc h a r a c t e r , p r i n c i p l ea n dp r o c e s s i n gm e t h o d si nk a r s t a r e a s e c o n d l y , b a s e do nt h eg e o l o g i c a ls t u d ya tt h ek a r s tc a v i t yo fk 4 0 ，t h i s p a p e ra n a l y s i si t sg r o u t i n gt e c h n o l o g yi n d e x ，s u c ha st h ed e s i g no fg r o u t i n g h o l e ，t h eg r o u t i n gp r e s s u r e ，t h el e n g t ho fg r o u t i n gs e c t i o n ，g r o u t i n gm a t e r i a l ， r a t i o ，t h ep r o c e s s i n gi ns p e c i a lc o n d i t i o n ，t h ef i n i s hg r o u t i n gs t a n d a r da n ds e a l ， t h ec o n s t r u c t i o nm e t h o d sa n di t sc r o f t sf l o w t h i r d l y , t h i sp a p e rs t u d i e st h e b a c k f i l lm e t h o d sa n dc o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g ya tt h ek 4 0c a r s tc a v i t y f i n a l l y , t h i sp a p e rc a r e f u l l ya n a l y s i st h eg r o u t i n gm a t e r i a l ，a l s oc h e c ka n da n a l y s i st h e e n g i n e e r i n ge f f e c t t h er e s u l tp r o v e st h a tt h eu s e ds c h e m e s o fg r o u t i n g t e c h n o l o g ya n dk a r s tc a v i t yb a c k f i l lm e t h o d sf i tw e l lw i t ht h er e q u i r e m e n to f e n g i n e e r i n gt e c h n i q u e k e yw o r d sh o n g i i a d u ，c u r t a i ng r o u t i n g ，k a r s t ，e f f e c t sa n a l y s e ， f i l l i n gt r e a t m e n t 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南 大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本 研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说明。 作者签名：日期：堕年卫月上日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部 或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文；学校可根据 国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 名：社名巡 工程硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 问题的提出 、 洪家渡水电站是国家重点工程建设项目，为国家“西电东送”首批开工建设项目， 是贵州省的标志性工程。电站位于贵州省黔西县与织金县交界的乌江干流北源六冲河 下游，距贵阳市1 5 8 i ( i i l ，距下游东风水电站8 5i ( i n ；是整个乌江干流十一个梯级电站中 唯一具有多年调节水库的龙头电站；是贵卅i 电网调峰、调频、备用的主力电源。电站 以发电为主，兼有防洪、供水、养殖、旅游及改善环境和航运等综合效益。水库正常 蓄水位11 4 0 m ，总库容4 9 4 7 亿m 3 ，调节库容3 3 6 1 亿m 3 ，电站总装机容量6 0 0 m w ， 年发电量1 5 5 9 亿k w h “3 。主要永久建筑物( 构筑物) 有混凝土面板堆石坝、洞式 溢洪道、泻洪洞、引水发电洞和坝后地面厂房。洪家渡水电站具有“库大、坝高、装 机小”的特点，是目前世界上高面板堆石坝之一。 洪家渡水电站已于2 0 0 0 年1 1 月8 日开工建设。 作为一个大型水利枢纽工程，所处地区具有地形陡峻、河谷深切的特点，在岩层 中发育形成了一系列断层、裂隙，致使岩体透水性极强；且工程所处区域碳酸岩发育， 形成了一系列岩溶系统。由此所产生的基岩及岩溶系统的防渗堵漏问题将是该工程所 面临的主要问题之一。 在工程实施中，为防止右岸玉龙山灰岩中发育的k 4 0 岩溶系统地下水入渗厂房 基坑，保证厂房基坑施工的正常进行，为厂房施工、机电设施安装提供一个安全的工 作环境，并为电站建成后对面板堆石坝防渗效果的监测提供一个良好的场所，设计单 位拟定在右岸沿1 9 4 公路和5 4 排水洞设置一道防渗帷幕，并对k 4 0 溶洞系统进行混凝 土回填封堵处理0 1 。 本公司承担了整个项目的具体实施。为保证工程质量，达到业主和设计方的具体 技术要求，依照国家、地方、行业相关规程、规范，本公司对具体的灌浆工艺技术进 行了深入的研究，在工程中具体实践，取得了良好的成果，获得了巨大的经济效益和 社会效益。 1 2 灌浆技术、理论概述 灌浆技术是一项实用性强、应用范围广的工程技术，它已被广泛的应用于矿山、 地下建筑、大坝、隧道、地铁、桥梁、土木工程等各个领域。主要用于减小岩土的渗 透性、增加其强度或降低地基土的压缩性。为了达到预期的目的，钻机将灌浆孔钻到 预定的岩土层后，将浆液以压力注入，直到浆液点周围孔隙或裂隙被浆液填充到满足 工程硕士学位论文第一章绪论 设计要求为止。另外，灌浆技术也被用来修复各种构筑物的混凝土裂缝。 1 2 1 灌浆技术的发展简述 灌浆技术的发展已有一百多年的历史。法国人开辟了灌浆施工的先河0 1 ：英国于 1 8 6 4 年在阿里因普瑞贝矿首次用水泥灌浆对井筒进行灌浆堵水，成功的解决了井筒漏 水问题。随着硅酸盐水泥的发明，水泥开始成为灌浆的主要材料。1 9 1 0 年，采用了自 动记录压力表，根据记录的灌浆性状，作了系统的研究，建立了灌浆压力和渗透性之 间的关系。1 9 2 0 年荷兰采矿工程师e j j o o s t e n 首次论证了化学灌浆的可靠性，采用 了水玻璃、氯化钙双液双系统的两次压注法，并于1 9 2 6 年取得了专利0 1 。灌浆技术有 系统的改进始于美国科罗拉多河上的胡佛( h o o v e rd a m ) 水坝的帷幕灌浆，为了补救 因基坑开挖引起的裂缝，进行了加固灌浆。根据胡佛坝基的灌浆工程实践，首次制定 了灌浆工程设计和施工规范。本世纪4 0 年代，灌浆技术的研究和应用得到了迅速的 发展，各种水泥浆材和化学浆材相继问世，特别是6 0 年代以来，各国大力发展新型 灌浆材料，灌浆工艺和发备得到了空前的进步，其应用范围越来越广。 我国对灌浆技术的研究和应用起步较晚，但发展很快，某些方面已达到世界先进 水平。5 0 年代初期，我国开始了矽化法的研究，在固矽、防止湿陷性黄土的湿陷、加 固构筑物等方面做了大量工作：同时，矿山行业逐渐采用井巷灌浆技术“1 ；5 0 年代后 期，灌浆技术在水坝防渗和加固工程中逐步应用“1 ；6 0 年代以后，我国已开始注意化 学灌浆的毒害及环境污染问题，并提出了一系列的改进方法，其应用范围日益广泛。 1 2 2 灌浆理论的研究现状 灌浆浆液的流动过程是浆液和介质共同作用的结果，因此，对灌浆浆液和被注介 质的认识是研究灌浆渗流过程的基础。 ( 1 ) 岩体结构理论的研究现状 岩体孔隙或裂隙是浆液流动的通道，由于岩体结构的不同，造成浆液流经的方式 和途径不同，从而产生不同的灌浆效果。因此，对岩体结构的研究是整个灌浆理论的 基础。 多孔介质理论”。该理论认为岩体是一种多孔结构，孔隙是流体流经岩体的通 道，根据其孔隙分布情况，又可分为各向同性多孔介质和各向异性多孔介质。 拟连续介质理论”1 。该理论认为岩体虽受裂隙分割，但通过该理论应用等效原 理处理后，岩体空间内每一点上岩石和裂隙都保持连续。因此，在岩体内每一点上都 同时存在岩石介质和孔隙介质，浆液就是通过这些孔隙在岩体内流动。 裂隙介质理论”1 。该理论认为岩体是受裂隙分割的不连续体，浆液在岩体内通 过裂隙网络流动。 孔隙和裂隙双重介质理论。1 。该理论认为岩体是由孔隙性差而透水性强的裂隙 系统和孔隙性好而透水性弱的岩块系统组成，浆液在该种介质中流动时，既可在介质 中流动，又可在岩块中流动，并在两者之间发生强烈的质量交换。 2 工程硕士学位论文第一章绪论 ( 2 ) 灌浆渗流理论的研究现状 近几十年来，国内外学者对渗透灌浆法进行了广泛而深入的研究，发展了一系列 灌浆渗透理论“”。如马格理论( 球形扩散理论) 、柱形扩散理论、卡罗尔理论、刘 嘉才的单平板裂隙灌浆渗透模型、b a k e r 公式、g l o m b a d 公式等。 ( 3 ) 灌浆加固体强度理论及本构关系研究现状 含裂隙岩体灌浆加固后，其强度和抗渗性能将有所提高。被注岩体的强度、抗渗 性能的提高程度以及对结构稳定性的影响，受岩体结构、灌浆材料和灌浆过程的控制。 因此，对灌浆加固后岩体力学特性的本构关系的研究，是研究灌浆理论不可缺少的一 个方面。目前，国内在这方面的研究不多，只有一些定性的结论“0 m “1 ，一些学者曾用 从现场取得的不同胶结形式的灌浆加固体进行了一系列试验，并得出了灌浆后岩体的 平均内摩擦角和粘聚力均有所提高的结论。 1 2 3 灌浆模拟试验的研究现状 ( 1 ) 前苏联曾进行了细砂层中浆液扩散参数的试验研究，试验中以确定灌浆压力为 条件，得出了灌浆压力、浆液流量、渗流速度、灌浆时间和浆液扩散半径之间的关系 ( 1 0 】 1 2 】： r ：2 8 3 8 2 p o ”m 。2 3 “- 0 8 3 t o ” q = 1 5 6 4 5 p 1 ”m 0 4 3 芦- 0 ” v = 6 1 8 6 p 1 ”m 0 4 3 “。0 ” 式中：r 一扩散半径( 锄) r 一灌浆时间( m i n ) p 一灌浆压力( m p a ) 一浆液粘度( m p a s ) q 一浆液注入量( l h ) 肼一砂子的粒度模数，肘= 2 5 5 5 1 0 2 k ( 1 - 1 ) ( 1 - 2 ) ( 1 - 3 ) 足介质的渗透系数( 衄s ) 矿一渗流速度( m s ) ( 2 ) 奥地利进行了单裂隙中浆液流动过程的模拟试验。试验采用了3 种不同的模型， 第1 种模型是将浇筑好的2 m l m l m 的混凝土块用特殊的方法将其劈裂，对劈裂后的 裂缝进行灌浆模拟试验，建立灌浆流量、灌浆压力及渗透距离之间的关系：第2 种模 型是利用2 块直径为1 4 m 、厚度为0 3 m 的混凝土块构成模拟裂隙，并在模型的中间 钻孔进行灌浆，使浆液在裂缝中呈轴对称流动，测得不同问距下裂隙流量、灌浆压力 及浆液粘度之间的关系；第3 种模型是用2 块2 0 m o 3 m 0 3 m 的钢板拼成裂隙，并 在给定的粗糙度下进行灌浆，分析了粗糙度对灌浆流量和浆液扩散距离的影响。 ( 3 ) 国内在灌浆参数方面也开展了一系列灌浆模拟试验研究。如中国水利水电科学 研究院研制的平板型灌浆试验台“，通过试验，建立了牛顿流体在水平光滑裂隙面内 工程硕士学位论文 第一章绪论 的扩散方程，得出了扩散半径与灌浆压力、浆液粘度及灌浆时间之间的关系： r = ( 圪一p o ) t a 2 ，o ”1 ( 1 - 4 ) 式中：r 一扩散半径 最一灌浆压力( m p a ) 只一裂隙内地下水压力( m p a ) z 一灌浆时间( m i n ) 口一裂隙张开度( 咖) ，0 一灌浆孔半径( 恤) 3 一浆液粘度( c p 一厘帕) 东北大学研制了槽形反扁圆柱状试验台“”，并用它研究了多孔介质体中灌浆渗流 过程的压力分布及其随扩散距离而衰减的规律： r = 8 7 p 0 , 4 7 9 8 k o3 “7 4 7 4 9 t o 1 5 0 9 t 0 3 2 4 0 h “2 7 “( 1 5 ) 式中：r 一浆液的实际扩散距离( 锄) p 一灌浆压力( m p a ) k 一被注介质的渗透系数( c m s ) z 。一浆液的初始粘度( m p a s ) f 一灌浆时问( s ) 丁一灌浆胶凝时间( s ) h 一灌浆段高度( ) 1 2 4 灌浆材料 灌浆材料一般可分为水泥浆材和化学浆材。其浆液的性质取决于组成成分及温 度、时间和渗透速度等。根据灌浆的目的、岩土条件、工程性质、施工技术及造价高 低等因素来选择适宜的浆材及合适的浆液配合比。目前，采用较稠浆液和使用增塑剂 及高效减水剂已成为一种发展趋势。 ( 1 ) 水泥浆材 水泥浆材“”具有固结体强度高、耐久性好、材料来源丰富、工艺设备简单、成本 较低等特点，所以在各类工程得以广泛应用。但这种浆液容易离析和沉淀、稳定性较 差，此外，因固体颗粒较大，使浆液难以注入岩土层中的细小裂隙或孔隙中。为改善 水泥材料的性质，以适应各种不同工程的需要，可在浆液中加入各种添加剂。近年来， 超细水泥的开发克服了水泥浆材难以渗入较细( l( 2 一1 1 ) d 式中：d ，一有效孔隙或裂隙尺寸 d 一颗粒尺寸 但在灌浆过程中，尤其当浆液的浓度较大时，材料往往以两粒或多粒的形式同时 进入孔隙或裂隙，故而导致渗浆通道的堵塞。因此，仅满足r l 的条件是不够的，还 必须考虑有群粒堵塞作用【2 4 1 ( 图2 3 ) 带来的附加影响。 图2 - 3 群粒堵塞示意图 此外，多数地基都不是均质体，都含有大小不等的孔隙，灌浆材料的颗粒尺寸也 很不均匀。如d ，采用土层中的最小孔隙以及d 采用灌浆材料的最大颗粒，理论上就 工程硕士学位论文 第二章岩溶地区帷幕灌浆的基本原理 能把所有孔隙封闭，担这样做就要采用分散性很高的灌浆材料，从而造成技术和经济 的困难；相反，若选用的d ，偏大和d 偏小，就可能使过多的孔隙不能接受灌浆，使 灌浆效果降低甚至无效。因此，在设计灌浆材料时，除应满足月值要求外，还必须根 据地基的具体条件，规定应把地层孔隙尺寸降低到何种程度，即确定一个相对合理的 灌浆标准。 ( 2 ) 浆液的流变性 对浆液而言，流变性是指它在外力作用下的流动性。在灌浆工程中，一般要求浆 液具有较好的流动性，因为流动性越好，浆液流动时的压力损失就越小，因而能自灌 浆点向外扩散越远；但在某些情况下，例如孔隙较粗和地下水流速较大时，反而要求 浆液具有较小的流动性，以便控制浆液的扩散和降低浆材的消耗。 浆液的流动性受浓度影响最大( 一般流动性随水灰比增大而提高) ，此外如材料 颗粒的比表面积( 流动性随比表面积增大而降低) 、颗粒形状( 带角颗粒将增加流动 阻力) 、絮凝程度或内质点的吸力( 絮凝性降低流动性) 等也是重要的影响因素。 2 2 岩溶地区防渗帷幕灌浆的特点 岩溶地区由于其特殊的地质条件，故在该地区修建水利工程，其防渗帷幕灌浆一 般有如下特点。 ( 1 ) 灌注材料量多 岩溶地区溶洞、溶蚀裂隙多，岩体透水性大，所以灌注材料的耗用量较非岩溶地 区要大。岩溶严重地区，干料耗用量更多。如乌江渡大坝帷幕灌浆灌入水泥达5 5 6 0 0 t ， 东风大坝灌入水泥7 4 5 1 9 t ，国外一些大坝帷幕灌浆的单位注入量一般多在4 0 0k g m ， 以上“1 ，其灌注材料耗用量也是比较多的。 ( 2 ) 防渗帷幕深 岩溶地区的帷幕深度往往比一般岩石地区的帷幕要深，有的大坝的坝基帷幕深度 甚至达到坝高的2 3 倍。 ( 3 ) 防渗帷幕轴线长 由于岩溶地区的渗漏性大，在坝基、坝肩及水库周边也需要设置防渗帷幕，这样 帷幕便比一般岩石地区的帷幕要长。如东风水电站帷幕防渗线路长3 6 5 0 m 。 ( 4 ) 帷幕灌浆工程量大 由于岩溶地区防渗帷幕一般深度大、帷幕轴线长，且有时帷幕灌浆孔排数又较多， 所以帷幕灌浆工程量常常很大。乌江渡、东风、隔河岩等几座电站的帷幕灌浆工程量 分别为1 9 1 5 5 4 m 、2 8 9 6 0 9 m 、1 9 2 9 1 5 m 。 ( 5 ) 旋工复杂 岩溶地区的地质情况多变，坝基或水库周边的防渗处理应根据所遇到的岩层情 1 4 工程硕士学位论文第二章岩溶地区帷幕灌浆的基本原理 况，采用与之相应的方法施工，才能经济而有效的达到防渗的目的。一般在岩溶地区 的溶洞灌浆，首先应查明溶洞内充填物类型、充填规模，而后采取相应的处理措施。 对于大空洞岩溶，可使用混凝土泵泵入高流态混凝土，骨料最大粒径小于2 0 衄，灌浆后待凝7 天，然后重新扫开，再灌注水泥浆。 对于空洞较大的岩溶，可扩大灌浆孔孔径，向孔内投入粒径小于4 0 咖的干净 碎石，而后灌注水泥砂浆或水泥粉煤灰浆。待凝3 天后，进行扫孔和做简易压水试验， 根据压水试验资料，再确定是灌注水泥浆，还是灌注水泥砂浆或其它混合浆液。 对于空洞较小的岩溶，可灌注水泥砂浆或其它混合浆液，待凝3 天后，扫开再 灌注水泥浆。 对于全部充填或大部分充填的溶洞，宜采用高压进行灌浆。但若在开始灌浆不 能起压或一段时间内不能达到规定的压力时，应先采用低压、浓浆、限流、限量、间 歇灌浆等措施，待注入率减小到一定程度后，再逐渐升压，依照技术要求直至达到结 束标准为止。 采用“模袋灌浆”新技术。中国水利水电科学研究院岩土所在广西拔贡水库 处理坝基岩溶渗漏，采用了“模袋灌浆”新技术，取得了预期的防渗效果。 ( 6 ) 灌浆帷幕造价较高 在岩溶地区修建防渗帷幕，由于灌浆工程量大，耗用的灌浆材料多，施工复杂， 施工历时也较长，因此帷幕的造价较高。国外灌浆工程的实践结果，对不同地质条件 下的防渗灌浆帷幕的造价作了如下分析【4 】：在地质条件不很复杂的一般地区，防渗帷 幕的造价约为大坝造价的2 5 ；在地质条件比较复杂的地区，帷幕造价约为大坝 造价的5 1 5 ：在岩溶发育地区，帷幕造价可达大坝造价的3 0 ，甚至更多 4 1 。 2 3 岩溶地区设置防渗帷幕应遵循的原则 岩溶地区基岩处理设计的总的指导思想是：保证大坝安全，防止大量渗漏，注意 经济和效果。三者要综合考虑，相辅相成，既要保证安全可靠，又要注意节约资金， 同时还要求防渗措施易于施工、现实和适度。 由于岩溶地区地质条件的复杂性，在这种地区设置良好的防渗帷幕，总结出以下 一些须遵循的原则： ( 1 ) 加强调查及勘测工作 在岩溶地区进行帷幕灌浆，应该了解侵蚀基准面的位置，查明基岩中有无较深厚 的相对不透水岩层，详细的绘制出地质剖面图和渗透剖面图，并将所探明的岩溶溶洞、 孔穴、裂隙、断层以及破碎带等的大小、分布情况和各部位的渗漏情况，尽可能的在 各剖面图上表示出来。调查与勘测工作做得越仔细，灌浆效果就会越好。 ( 2 ) 尽量利用有利岩层和其它有利条件 工程硕士学位论文 第二章岩溶地区帷幕灌浆的基本原理 岩溶地区坝基和库区防渗处理应尽量利用基岩中常有的较深厚的不透水岩层，如 泥灰岩、泥质灰岩或其它渗透性小的岩层作为相对隔水层，并尽量寻找有利的坝区地 形加以利用，这样可以减少防渗帷幕的深度，减少或免除水库周边的防渗设施，降低 处理费用，并且防渗效果也易于保证。 ( 3 ) 慎重的选择帷幕线路 根据取得的各项地质资料和调查资料，通过多次的工程地质勘察，考虑在坝址或 水库周边哪些地方设置防渗帷幕，采取哪种防渗措施最为有利，以及如何避开岩溶发 育的强透水带和大型溶洞等，慎重的选定防渗线路。例如东风水电站和隔河岩水电站 分别是在四条和五条帷幕线路中通过综合比较而选定其中一条的，保证安全而又有 效、经济的完成了帷幕灌浆任务。 ( 4 ) 做好灌浆试验 在岩溶地区进行帷幕灌浆，必须逐步摸清该地区地质条件的一般情况和特殊规 律，如果地质条件复杂，灌浆工程量又比较大时，应选定灌浆试验地段，制定灌浆试 验方案，先在工地进行灌浆试验，分析研究试验所得到的资料，再进行帷幕设计和旌 工。这样才比较符合实际情况、稳妥可靠。 ( 5 ) 确定帷幕结构形式及有关参数 根据地质条件和坝工设计的要求，参考灌浆试验取得的结果，确定合理并有效的 帷幕结构形式。 关于帷幕孔的深度。岩溶地区帷幕深度以深入相对不透水层内3 m 或5 m 以上为 宜。有时由于相对不透水层埋藏较深，所以帷幕深度也较大。岩溶发育严重地区，有 时要求帷幕深度深至侵蚀基准面高程以下，这样又加大了帷幕的深度。 关于帷幕灌浆孔的排数。重要部位的防渗帷幕多采用两排或三排。三排孔灌浆 质量好，先灌边排，后灌中排，可以起到先围堵、后压密的作用，同时中排孔还可以 使用比较大的灌浆压力，易于保证质量。实践经验证明三排孔帷幕耐久性也好。从工 程量上考虑，三排孔孔距3 m 和两排孔孔距2 m 及一排孔孔距1 ，其总的工程量相同， 但灌浆效果和帷幕厚度有异。 ( 6 ) 确定帷幕灌浆孔的方向 灌浆孔的方向应根据岩层裂隙及层理方向并结合主要裂隙系统考虑，对处理个别 大裂隙，灌浆孔的方向应单独考虑。一般情况下，为了施工方便和易于保证帷幕的连 续性和完整性，帷幕灌浆孔多采用垂直孔。 ( 7 ) 选用合宜的灌浆材料 在岩溶发育较弱的地方，帷幕灌浆浆液般采用水泥浆，采用集中制浆、输浆和配 浆，技术简单，帷幕的稳定性也好。但在岩溶发育，有大溶洞、大溶蚀裂隙的地段， 则所用灌注材料品种很多，需根据实际情况和效果而定，经常采用混合浆液，即在水 泥浆中加入砂、粉煤灰等掺合料，有时为了改善浆液性能，还加入稳定剂或速凝剂。 工程硕士学位论文 第二章岩溶地区帷幕灌浆的基本原理 溶洞较大且充填物很少时，还要采用先向孔内投入小粒径的干净碎石，而后再灌注混 合浆液的措施。 ( 8 ) 慎重确定处理溶洞中充填物的方案 在遇到大溶洞、大断裂等不良地质条件时，对其中充填物的种类、填充及胶结程 度、在库水头长期作用下能否产生机械管涌、是否需要清除充填物、如何清除或是否 仅作适当处理等一系列问题，均需作详细的调查研究工作，并进行实地试验，最后作 出选择。 ( 9 ) 预留补强灌浆施工位置 由于岩溶地区地质地质条件复杂多变，防渗帷幕的设计和施工难度也较大。考虑 到将来由于防渗帷幕做的不尽妥善，或经长期运行防渗效能逐渐衰减，常需进行补充 灌浆，因此应为以后的补充灌浆留有适当的工作位置。 2 4 岩溶地区帷幕灌浆施工技术 岩溶地区帷幕灌浆施工的一般技术工艺主要为以下几个方面： ( 1 ) 灌浆方法 灌浆施工应依照逐渐加密法分层次进行。一般情况下可优先采用孔口封闭自下而 上分段灌浆法。当帷幕灌浆孔比较深时，可采用自上而下和自下而上相结合的灌浆方 法，具体要根据该地区具体的地质条件和灌浆旋工情况而定，以能保证质量又有利于 施工进度为原则。 ( 2 ) 布设灌浆平硐 为了便于钻孔和灌浆施工，保证灌浆质量，常开挖灌浆平硐或预留灌浆廊道，在 其内进行帷幕灌浆。灌浆平硐和廊道的长度、断面的大小，它们的层数及上下间的距 离，将根据地质条件、帷幕设计和施工情况等而定。同时还要考虑到在帷幕建成后， 水库正常运行期中，便于检查。 ( 3 ) 灌浆段长 在岩石较完整、岩溶不甚发育、裂隙少的地段，段长一般为5 m 6 m 为宜。在岩 石发育、渗漏性大的地段，段长适当缩短，一般为2 m 4 m ，遇到大岩溶裂隙和大溶 洞地段，应单独处理。 ( 4 ) 灌浆压力 当帷幕钻孔较深时，以采用较高的压力为宜。在不招致岩石的破坏的情况下，灌 浆压力常达到3 m p a 4 m p a 。在裂隙或溶洞内的充填物被允许不予清除的情况下，更应 使用大的压力灌浆，使浆液与充填物紧密结合，既起到防渗的作用，又提高抗冲刷的 能力，防止因长期库水作用下产生管涌的危险。同时考虑到深帷幕的钻孔底部有产生 过大偏斜的可能性，也有必要使用大压力灌浆，使浆液扩散距离变大，以保证帷幕质 工程硕士学位论文第二章岩溶地区帷幕灌浆的基本原理 量。 国外有的学者不主张采用很高的压力进行灌浆，认为过高压力将在岩石中产生一 些人为裂隙，这些裂隙很细小，而后很难用水泥灌浆进行弥补处理“1 。他们认为帷幕 灌浆采用的压力应通过灌浆试验来确定，最大的压力应低于图2 4 中所示的只，即不 罡 = v 山 r i 【 * | ! 漏水量0 ( l m i n ) 图2 - 4 临界灌浆压力示意图 2 5 特殊地段的处理 要超过弹性极限点。对于具有缓倾 角裂隙或呈层状结构的岩石，尤其 应采用较低的压力。 选择灌浆压力值应自下考虑， 既不要因为压力过小而降低灌浆效 果，也不要因压力过大而破坏岩石。 一般在靠近地表的地方宜采用较低 的压力，深部的岩石可采用较高的 压力。 在岩溶发育的石灰岩地区进行帷幕灌浆，经常遇到溶洞、溶缝和溶洞内渗流等特 殊地质情况的影响。 2 5 1 溶洞、溶缝的处理方法和原则 在岩溶发育地区进行灌浆，需考虑以下三个问题： ( 1 ) 溶洞、溶缝中的充填物是否需要清除。一般认为，作为防渗帷幕，溶洞中充填 的粘土可以不必进行专门的冲洗，因为粘土本身并不透水，但应注意粘土的渗流稳定 问题。如果充填物不密实、不稳定，则要采取措施，使其在设计水头作用下，能保持 长期稳定。若是进行固结灌浆，则应尽量将粘土冲洗干净。 ( 2 ) 溶洞、溶缝中的充填物如何处理。一般的处理原则是，对地表或埋藏较浅的溶 洞，尽量采用开挖、回填的处理方法；若溶洞埋藏较深，可以采用灌浆方法；必要时 也可开挖竖井，或钻大直径钻孔直达溶洞，人员下入洞中，清除出充填物，回填混凝 土，而后根据需要再进行密实性灌浆。 ( 3 ) 如何灌注、充填溶洞、溶缝。解决这些问题，尚无一套成熟和定型的处理措旋， 一般仍凭经验，参考同类工程的实践和工地灌浆试验成果，因地制宜的进行处理工作， 通常采用的灌注原则是：先封闭，再密实。其施工方法是： 溶洞中充填物不多时，可先投入卵砾石，填满后灌注水泥砂浆，经一定时间后， 工程硕士学位论文第二章岩溶地区帷幕灌浆的基本原理 再在此部位二次钻孔灌注水泥浆，使溶洞进一步被充填密实。 以低压灌注较浓的混合浆液，待注入率显著减少时，再提高压力，改为灌注常 规浓度的浆液。 在吸浆量很大，灌浆不起压时，可采用间歇灌浆的方法处理，直至通道填满为 止，然后再将此段重新钻开，用水泥浆进行补灌，增强帷幕的密实性。 在由多排孔构成帷幕的情况下，两个边排孔可采用限量灌浆法，压力也可稍低， 中间排孔的灌浆需达到正常的结束标准才可结束灌浆。 2 5 2 溶洞内渗流的处理方法和原则 当水流速大时，可采用模袋灌浆新技术：模袋由特殊的纺织工艺织成，使用的材 料一般为尼龙、聚酯或聚丙烯等，向袋内灌注水灰比为o 6 ：1 、o 8 ：l 或l ：1 的水泥浆， 在灌浆压力作用下，水泥浆中的水分可以由袋内析出，而水泥不能外漏，这样降低水 灰比，提高固结强度，缩短固结时间，水泥在模袋内固结硬化，在水下具有不分散性， 当水流速较大时，不会被冲失，且模袋在压力下膨胀，可以适应不同形状，有利于堵 塞各类形状的溶洞嘲。 工程硕士学位论文第三章 k 4 0 溶洞防渗帷幂灌浆技术研究 第三章k 4 0 溶洞防渗帷幕灌浆技术研究 3 1 工程、水文地质条件 3 i 1 地层岩性 帷幕区位处三叠系下统夜郎组玉龙山段( t 。，”、t ：。”、t ，：2 - 5 ) 和九级滩段( t i y 3 - 1 ) 地层。“内，其岩性分别为： t l , 2 - 3 ：灰色、浅灰色薄层、中厚层细晶灰岩夹3 4 层白云质灰岩，岩层面发育、 层间夹泥炭质。 t 。尸：浅灰、灰白色中厚层、厚层块状白云质灰岩、隐晶状结构，次生方解石结 晶明显。 t 。，“：灰色、肉红、灰白色中厚层、厚层白云石化藻灰岩、鲕粒灰岩、层间多具 铁锰质浸染。 t 。，1 ：灰蓝、灰黄及浅灰色薄层、中厚层泥质灰岩、泥灰岩夹泥岩。 3 1 2 地质构造 帷幕区岩层为单斜岩层，产状4 0 。7 0 。n w 么2 5 。5 5 。主要节理裂隙发育 有n e 、n n e 、n n w 、n w 四组。帷幕线上发育有3 条断层0 3 ，分别为f 6 、f 8 、和f 1 3 ，其 性状特征统计如表3 1 。 表3 - 1帷幕线区主要断层特征袁 i 断层断层地层断断层段宽度( )发育备 性质充填胶结状况 编号产状距( m ) 破碎带影响带 部位注 3 9 。8 0 。 平移正方解石胶结的灰岩角砾帷幕线 f 6 s e 么4 6 。 5 8o 8 22 3 断层 方解石脉 b 段 8 5 。 4 5 。8 9 。 灰岩与方解石胶结的角 平移正帷幕线 f 8 s e 么4 1 。 8 1 0l 42 3 砾岩，泥岩中较破碎、断 断层 c d 段 8 0 4 层泥及方解石团块 2 54 6 5 。 帷幕线 f 1 3s e 么4 0 。 逆断层 2 70 6 42 5 灰岩角砾及方解石团块 c d 段 7 0 。 工程硕士学位论文第三章k 4 0 溶洞防渗帷幕灌浆技术研究 3 1 3 岩溶 乌江发源于贵州乌蒙山东麓威宁县，流经贵州、四川、重庆两省一市，全长1 0 3 7 j 锄。查区域地质资料，工程区河谷形成于新喜山运动以来三叠系中晚期，经过早更新 世以后“乌江期”，河流侵蚀基准面下切变迁，侵蚀速度加快，在硬质岩地层出露地 区，多为高峻陡峭的深切河谷，形成多级侵蚀阶地：软岩地层出露区，河床侧向侵蚀 较为强烈，为多级侵蚀堆积阶地。乌江河谷主要出露玉龙山( t i y 2 ) 灰岩和九级滩( t 。y 3 ) 泥页岩及永宁镇( t 。1 ) 灰岩，地层软硬相间，灰岩段河谷狭窄，两岸为7 0 。9 0 。 坡角的灰岩陡壁，陡壁高差l o o m 3 0 0 m ，河床宽4 0 m 5 0 m ，九级滩( t 。y 3 ) 泥页岩及 泥灰岩软岩地层出露地段，河谷宽5 0 m 6 0 m ，两岸为3 0 。4 0 。缓坡。 岩溶发育与河谷发育紧密相关，岩溶发育经历了3 个时期，第一期为“大娄山期”， 在剥夷面上有各类岩溶形态发育，如峰从洼地、溶丘洼地；第二期为“山岔期”，有 漏斗、落水洞及岩溶发育；第三期为“乌江期”，因地壳强烈上升，河流下切使主要 排水基准面( 河水面) 及两岸地下水文网发生变化，在各阶地面上均有相应的溶洞形 成。 工程位于碳酸盐地层分布区，由于贵州高原有适宜于岩溶发育的气候条件，加上 可溶岩地层，地下水作用及地质构造等影响，岩溶发育相对较为强烈啪1 。 ( 1 ) 气候条件 此工程所处为亚热带季风气候区，由于降雨丰富，地下水活动强烈，气温适中， 因而气候条件的影响对工程区岩溶发育强弱起到较大的控制作用。 ( 2 ) 地层岩性 不同的地层岩性，其所含的矿物成分、化学成分也不相同，地下水对岩石的溶解， 侵蚀能力存在很大的差异。灰岩地区，方解石含量高，其相应的溶解度大，抗溶蚀能 力就弱。在较纯的灰岩地层中岩溶较为发育，泥质含量较高的地层岩溶发育微弱，甚 至不发育。因此玉龙山( t i y 2 ) 灰岩地层比九级滩( t 。y 3 ) 泥页岩岩溶发育强烈。 ( 3 ) 构造发育对岩溶的影响 从地表发育的洼地、漏斗、落水洞及现有施工洞室所接露的岩溶情况来看，溶洞 发育大多是沿断层、裂隙及层间结构面溶蚀扩展而成。 ( 4 ) k 4 0 溶洞发育情况 帷幕区岩溶主要表现为岩溶管道、溶洞、溶蚀裂隙、溶蚀破碎带及溶蚀晶孔删。1 。 k 4 0 溶洞系列发育在帷幕线中、上游段( 图3 一1 ) ，高程为9 5 0 m l 0 0 5 m 范围内、容积 约1 0 0 0 0 m 3 ，在帷幕线上分上、下两层发育，上层底板高程9 9 0 m 9 9 7 m ，下层底板高 程9 6 0 m 9 5 0 m 。上层溶洞在地下水位以上，为无水干洞，洞内部分充填；下层溶洞发 现有上、下游两处，编号为i 区和i i 区。i 区发育在帷0 + 1 5 5 帷0 + 1 7 5 部位，即f 8 断层的破碎带上，埋深距上层溶洞底板1 7 m 2 5 m ，高程9 6 5 m 9 7 5 m ，溶洞断面高度 l o m 1 5 m ；i i 区发育在帷0 + 1 3 0 帷0 + 1 4 5 部位，即距i 区约3 0 m ，发育高程在9 7 2 m 2 1 工程硕士学位论文 第三章k 4 0 溶洞防渗帷幕灌浆技术研究 匝旧驰h媒燃雠掣骢邀辱辫。蔓_【_匝 工程硕士学位论文第三章k 4 0 溶洞防渗帷幕灌浆技术研究 9 8 2 m ，空腔高度在3 m l o m 不等。下层溶洞在地下水位以下形成单暗河，洞内地下水 流形成暗河。施工前设计对k 4 0 溶洞i 区做连通试验，其参数统计如表3 2 。 表3 - 2k 4 0 溶洞连通试验参数表 观测试剂投放点投影与连单位水 试剂名 连通时 平均流 高差 编号直通高程 称 通点距离位流速 位置间( m i n )速( m s )( m ) 点( m s )( )( m s ) k 4 0w 9 支洞 9 7 6 2 4酸性大红1 2 64 60 0 5o 5 80 0 8 6 3 1 4 水文地质 帷幕区地下水主要表现为岩溶裂隙水和岩溶管道水，而赋存于岩层风化带及断裂 带中的裂隙水以及零散分布在第四系地层中的孔隙水，水量均较小，工程意义不大。 地下水由大气降水补给，地下水位9 7 6 5 m 。帷幕区水文地质条件主要取决于岩溶水的 特征及岩体透水性。 ( 1 ) 地下水 帷幕区为单斜、中倾的强、弱( 非) 岩溶岩组相间分布的层状水文地质结构。岩溶 地下水的运动具有如下特征：各含水层均具有各自独立的地下水运移和排泄系统， 彼此之间一般无水力联系；由于岩溶发育的不均匀性，造成帷幕区地下水运移形式 的多样性，即具有裂隙流( 分散迳流) 、脉状流和管道流等多种运移形式：地下水具 有层流、紊流或混合流等多种流态，各种流态在某一部位不是一成不变的，而是随着 岩溶通道的规模、畅通程度和流量的变化而改变。 ( 2 ) 岩体透水性 帷幕区的碳酸盐岩类岩体的透水性，主要受断裂和岩体溶蚀程度的控制，在空间 上表现为极不均一和各向异性特征：近地表的卸荷影响带岩体，由于裂隙发育，溶 蚀强烈，常表现为在地表以下7 5 1 5 m ( 局部达3 0 m ) 范围内，压水试验不起压或( _ ) l l m i n m m ：在卸荷影响带以下，随深度增加，岩体透水性逐渐减弱，如图3 2 ， 但在局部断裂较发育且溶蚀较强部位，岩体透水性则成倍增大，甚至出现压水试验不 起压；各岩溶层组的岩体透水性与其岩溶发育程度相一致。 3 2 灌浆技术参数研究 鉴于上节所获得的水文、工程地质资料，结合相关规范及技术要求，对适于本工 程的防渗帷幕灌浆技术参数进行了研究，研究内容包括防渗标准和灌浆压力、灌浆孔 设计、灌浆材料及配比、灌浆段长度、特殊情况的处理和灌浆结束标准与封孔等。 工程硕士学位论文 第三章k 4 0 溶洞防渗帷幕灌浆技术研究 图3 2钻孔压水实验值随深度的变化 3 2 1 防渗标准和灌浆压力 ( 1 ) 防渗标准 帷幕的防渗标准关系到水利工程的渗漏量和渗透稳定，也与帷幕灌浆施工造价密 切相关。根据业主方提供的洪家渡水电站k 4 0 溶洞处理防渗帷幕灌浆施工技术要求 的要求，本工程防渗处理的标准是：渗漏点不透水，基岩处理后的透水率不大于5 l u ， 灌浆孔深入相对不透水层3 m 。 ( 2 ) 灌浆压力 灌浆压力是提高和保证帷幕灌浆质量的重要因素之一。目前，国内帷幕灌浆倾向 于使用高压“珀”“”。一般情况下，采用的压力应以不使岩体劈裂开、不产生新的裂隙、 不引起永久变形为好；在岩溶地区，为了使溶洞内的充填物固结、密实，常使用高压， 但根据经验，一般压力达到3 m p a 4 m p a 就够了。 灌浆压力的计算方法 确定不同深度的岩层在灌浆时的允许压力值，有很多种计算方法，结合本工程的 实际情况，有以下公式( 式3 - 1 ) “符合实际，但计算出的压力值均需在灌浆试验过 程中加以验证和修订。 p = p o + m d ( 3 - 1 ) 式中：p 一灌浆压力( m p a ) 一表