（水利工程专业论文）岩溶地区高压帷幕灌浆试验研究.pdf

【摘要】 ? 。 甲5 6 5 15 3 岩溶地区高压帷幕灌浆试验研究 水n t 程领域 ：，一 研究生高祖纯指导教师强立勇吴曙光 岩体是由岩块及其裂隙组成的，对岩溶地区的岩体尚包括沿结 构面发育而成的溶蚀孔、洞，一般来说，岩石的透水性很小，岩体 的透水性主要决定于裂隙的渗透性大小。采用钻孔水泥灌浆封堵岩 体中的缝隙而形成阻水帷幕，达到减少渗漏量和降低渗透压力的目 的，是水利水电工程基础处理的重要手段之一。高压灌浆( 即孔口 封闭灌浆法) 自乌江渡电站首次采用并取得成功后，在岩溶地区得 到了迅速的推广，集累了十分丰富的实践经验。但由于岩溶地质条 件的复杂性，且高压灌浆作为一项技术和工艺，在设计、施工、质 量检验及效果评价等方面，仍然处在不断发展的过程中，正是基于 以上两个方面的考虑，本课题结合响水河水库高压帷幕灌浆工程进 行了大规模的试验研究，一方面指导帷幕灌浆的设计与施工，达到 优化设计方案的目的；另一方面对试验资料进行分析研究，以期对 同类工程有所助益。主要工作和结论如下： 1 、全面回顾了国内外岩溶地区水库防渗的现状和发展趋势。 2 、采取综合手段进行勘察论证，进一步查清各试验区的工程地 质条件。 3 、岩溶地层属强透水岩体且具有较好的可灌性。岩体透水率与 可灌性之间一般存在以下三种组合关系：高单位吸水率与大吃浆量 ，。的组合，灌浆是必需的；低单位吸水率与小吃浆量的组合，没有必 要灌浆；低单位吸水率与大吃浆量的组合，应进行灌浆处理，但应 适当控制灌浆压力和耗浆量。 4 、针对浅表层岩体风化破碎严重易形成浆液大量流失的地段， 提出了改进的孔口封闭灌浆法，即深部孔口封闭灌浆法，既可满足 帷幕的施工质量要求，又减少了水泥的无益消耗，可产生明显的经 济效益。 5 、在总长为9 7 9 3 2 m 长的帷幕段中，初设批复方案的双排帷幕 总长为8 7 9 3 2 m ，占帷幕总长的9 2 ，根据灌浆试验研究成果优化设 计后，双排帷幕长度减少至2 4 5 6 6 m ，仅占帷幕总长度的2 5 。钻孔 密度也由原来的o 8 1 m m 2 降至0 6 4 m m 2 ，节约工程投资4 4 7 3 5 万元。 6 、单排帷幕的孔距在1 4 1 8 m 之间，双排帷幕的孔距以2 m 为宜；灌浆压力在地表以下前三段一般为1 1 5 m i p a ，第四段以下按 4 5 m p a 控剁；对大部分孔段而言，开灌水灰比可定为2 或1 。 7 、岩体单位吸水率与单位注入量之间普遍存在一定的相关关 系，而岩体完整性指数及岩体波速与单位注入量之间不存在相关关 系。 8 、在利用岩体完整性指数评价高压帷幕灌浆效果时，采用本课 题提出的“八级分档k v 值与定性划分岩体完整程度对应关系表”， 灌浆后的岩体完整程度较灌前均提高了一个等级。同时用q 5 1 u 防 渗标准所进行的检查孔压水试验合格率为1 0 0 。 9 、对设置于深帷幕之间的灌浆平洞，为适应灌浆压力的要求， 对平洞进行全断面衬砌及固结灌浆是必要的；对平洞底板印为帷幕 顶界的灌浆平洞，若裸洞的稳定及安全均有保证，仅进行平洞底板 砼衬砌( 厚0 5 一o 6 m ) 己可满足高压灌浆要求，从而可以省去昂贵 的平洞衬砌及固结灌浆费用。 关键词岩溶水库防渗帷幕高压灌浆灌浆试验 a b s t r a c t t h ee x p e r i m e n t 。s t u d yo fh i g h _ 。p r e s s u r e g r o u t i n go nc a r s tr e g i o n m a j o r ：h y d r a u l i cs t r u c t u r ee n g i n e e r i n g p o s t g r a d u a t e ：g a oz u c h u n a d c v i s o r ：z h a n gl i y o n gw us h u g u a n g t h er o c km a s sj sm a d eu pw i t hr o c ka n dc r a c k s ，h o w e v e r ，j nt h e c a r s tr e g i o n st h er o c km a s sa l s oi n c l u d et h eh o l ea n dc a v ed e v e l o p f o rc o r r o s i o n g e n e r a l l y ，t h er o c k i si m p e r m e a b l e a n dt h e p e r m e a b i l i t yo ft h er o c km a s sd e p e n d so nt h ep e r m e a b i l i t yo fc r a c k s b o r i n g ，g r o u t i n ga n df i n a l l yf o r m i n ga ni m p e r v i o u sc u r t a i ni nt h er o c k m a s sw i t hc r a c k s t h a ti so n eo ft h em o s tp o p u l a rm e t h o d so ft h e f o u n d a t i o ns e e p a g ec o n t r o la th y d r a u l i ca n dh y d r o e l e c t r i ce n g i n e e r i n g s i n c ef i r s tu s e di nt h ew u j i a n g d uh y d r a u l i cp o w e rs t a t i o nw i t h s u c c e s s h i g h p r e s s u r eg r o u t i n g ( o r i f i c e c l o s e dg r o u t i n gm e t h o d ) s p r e a d sr a p i d l yj nt h ec a r s tr e g i o na n dl o t so fe x p e r i e n c ea r e a c c u m u l a t e d h o w e v e r ，t h eg e o l o g i cs t r u c t u r eo ft h ec a r s t i cf o r m a t i o n i sc o m p l i c a t e da n dt h ed e s i g n 、c o n s t r u c t i o n 、q u a l i t yt e s t i n gm e t h o do f t h eh i g h p r e s s u r eg r o u t i n gi sd e v e l o p h a gr a p i d l y w eh a v ee n g a g e d l o t so fe x p e r i m e n t sa n ds t u d i e si nx i a n g s h u i r i v e rr e s e r v o i ro nt h i s s u b j e c t o n eo ft h ep u r p o s e ss u b j e c ti s t og u i d et h ed e s i g n 、 c o n s t r u c t i o no ft h ec u r t a i ng r o u t i n gi nt h ex i a n g s h u i r i v e rr e s e r v o i r a n do p t i m i z et h eg r o u t i n gd e s i g n ，t h eo t h e ri st ob ear e f e r e n c e e x a m p l ef o ro t h e rs i m i l a re n g i n e e r i n g t h em a i np o i n t so ft h i st o p i ca s f o l l o w s ： 3 i 1 14t o5m p a ；f o rm a s tg r o u tc o m p a r t m e n t s aw a t e r c e m e n tr a t i oo f 2o rlm a yu s e di nt h ef i r s tg r o u t i n g 7 t h e r eo b v i o u s d e p e n d e n c y r e l a t i o n b e t w e e nt h e u n i t - a b s o r p t i o nr a t ea n dg r o u tc o n s u m p t i o n ，g e n e r a lt h e r ea r eb e a r i n g r e l a t i o n ，b u tn oo b v i o u sd e p e n d e n c yr e l a t i o nb e t w e e nt h ei n d e xo ft h e r o c km a s si n t e g r i t ya n dg r o u tc o n s u m p t i o n 8 w h e nu s i n gt h ei n d e xo ft h er o c km a s si n t e g r i t y ，t h ei n d e xo f t h eg r o u t e dr o c km a s si n t e g r i t yh a sr a i s e do n er a n ka c c o r d i n gt ot h e t h e o r ya n ds t a n dr a i s e db yt h i sa r t i c l e 9 w h e ng r o u t i n gg a l l e r yo fd e p t h c u r t a i n ，l i n i n g a n d c o n s o l i d a t i o ng r o u t i n gt of u l l f a c eo ft h eg a l l e r yi sn e c e s s a r yt om e e t t h en e e d so ft h eg r o u t i n gp r e s s u r e b u ti nt h e c o n d i t i o nt h a tt h e g a l l e r yb a s ep l a t ei st h eh e a do ft h ec u r t a i n ，a n db a r er o c km a s sw a s s t a b l ee n o u g ht h e no n l yl i n i n g t ot h eg a l l e r y sb a s ep l a t ei s n e c e s s a r y a n dt h en e e d so ft h eh i g h p r e s s u r eg r o u t i n ga r es a t i s f i e d t h u sl a r g ec o s to ft h el i n i n ga n dc o n s o l i d a t i o ng r o u t i n gc a nb es a v e d k e yw o r d s 】c a r s tr e g i o nr e s e r v o i r c u r t a i nh i g h p r e s s u r e g r o u t i n gg r o u t i n ge x p e r i m e n t 生塑些堕塑堕堡! 垩茎苎墼堑窭 1 概述 我国出露的碳酸盐岩的面积约为9 l 万k m 2 ，占国土总面积的 9 4 ，西南地区( 云南、贵州、广西) 岩溶面积为3 2 万k r n 2 ，占全 国岩溶面积的3 5 ，其中，云南省的岩溶面积为1 1 万k m 2 。西南地 区雨量丰沛，水利水电资源十分丰富，致力于喀斯特区域的水资源 开发，对国民经济的发展尤为重要。 众所周知，岩溶地区河谷一般断面狭窄，岩石硬度中等，边坡 稳定，有质量较优的人工砂石骨科料源，具备较好的筑坝兴库条件， 但却存在着至关重要的工程地质问题一岩溶渗漏问题。 岩溶地区的渗漏类型一般既有集中的管道式渗漏，又有分散的 裂隙渗漏，采用钻孔水泥灌浆充填岩溶地基中的缝隙及空腔从而形 成连续完整的阻水帷幕，以达到降低作用于建筑物底部的渗透压力 或减少渗漏量之目的，已被若干工程实践证明是行之有效的主要措 施。 1 1 晌水河水库工程概况 1 1 1 基本情况 响水河水库位于云南省富源县城西北方向8 k m 的响水河下游， 水库始建于1 9 5 8 年，1 9 6 5 年基本竣工。枢纽由主坝、副坝、溢洪道 及输水道等建筑物组成，拦河坝为粘土心墙堆石坝，坝高3 5 8 m ，总 库容1 6 1 6 5 万m 3 。响水河发源于沾益县自水镇的大营盘山( 高程2 4 0 1 m ) 东麓，属珠江流域南盘江水系，流域位于东经1 0 3 。5 5 7 4 7 ”1 0 4 。1 0 ，8 一，北纬2 5 o 3 2 ，0 8 一一2 5 。4 3 4 5 ”，水库控制径流面积 1 8 2 k m 2 。区域内多年平均气温1 3 8 c ，多年平均降雨量9 5 1 m m ，水 库多年平均年径流量为8 0 7 3 万m 3 ，设计年( p = 8 0 ) 年径流量为5 5 8 2 万m 3 。 受认识水平和技术条件的限制，响水河水库自建成以来即存在 主坝坝体单薄、坝基和坝肩严重渗漏、库区岩溶漏水等病险因素， 从未达到设计水位运行，原设计灌溉面积3 2 万亩，实际灌溉仅0 5 万亩，水库效益基本没有发挥。特别是因病险而不得不降低水位运 行，汛期防洪调度十分困难，严重威胁下游富源县城人民的生命财 产安全。因此，响下河水库被列为云南省的重点病险水库之一，并 于2 0 0 1 年1 0 月审查批准了响水河水库除险加固工程初步设计报 告。 1 1 2 区域地质 区域出露地层主要有中石炭统黄龙群灰岩、上石炭统马平群灰 岩、下二迭统梁山组石英砂岩及泥岩、下二迭统栖霞茅1 3 灰岩、上 二迭统峨眉山玄武岩、上二迭统宣威组砂岩夹煤层、下三迭统飞仙 关组砂岩夹泥岩、第四系冲、洪积砂卵砾石及残坡积粘土，岩层产 状总体倾向北东，倾角1 0 。2 5 。区域位于新华夏系构造与沾益 山字型构造体系前弧东翼部位，两者为截接，由于两大构造体系的 交接，区域地质构造复杂。区域构造线多呈北北东向展布，以石坝 水库( 位于响水河水库上游) 向斜、香花岭背斜为代表的褶皱构造， 轴长分别为1 6 和1 2 k m ；断裂构造较发育，以压性断层为主，张扭 性断层次之。 区域处于小江断裂以东，断层虽较发育，但未发现活动性断裂 构造，区域构造相对较稳定。工程区地震基本烈度为度( 地震动 峰值加速度a = 0 1 9 ，地震动反应谱特征周期1 色芦o 4 5 s ) 。 1 i 3 库坝区工程地质条件及主要工程地质问题 库区位于香花岭背斜的北东翼，主要为灰岩组成，岩层总体呈 倾向北东的单斜层产出，倾角1 0 。2 0 0 。库区断裂构造比较发育， 主要有f 5 f 号断层从库区通过，除f 。为张性断层外，其余均为压 性及压、扭性断层，断层破碎带一般宽3 1 0 m ，最宽的f 2 达3 0 m ， 破碎带一般均为胶结不良的角砾岩、糜棱岩组成，f ，、f ，发育方向为 北西南东向，f 6 、f 8 、f ”f 1 0 为北东南西向，断层规模除f 5 、f 8 量堡些垦苎墨堕墨望茎苎竺墅塑 较大外，其它相对较小，延伸也不远。节理裂隙较发育。 总体来说，水库库岸稳定，库区不存在浸没，淤积来源少，存 在的主要工程地质问题是库坝区渗漏。水库北西、北东、南西存在 宽厚地下水分水岭，地下水位高于库水位及河水位，并有p ：b 玄武岩、 p ：。砂页岩及p 儿砂岩、页岩阻隔，故库水不会向北西、北东、南西 方向渗漏；水库东岸以f 4 断层为界，f 4 以东与f 3 、f 1 之间( 下降盘) 展布南北向p ：b 玄武岩、p ：。砂页岩隔水层阻隔，东西向f 8 断层横切 p ：b 、p ：。非岩溶层，两盘仍为隔水岩层接触，沿断层带透水性相对 较弱，并且f 。断层所交多乐铺冲沟及三门洞冲沟邻谷的高程，高于 水库正常蓄水位( 1 9 3 7 4 0 m ) ，因此水库向东不会产生渗漏。 水库主要渗漏途径为向南岸经库坝区段沿p 。、r 。南北( 或南东) 向展布灰岩，向主副坝下游河床及茶花洞泉渗漏。其中，水库受当 地侵蚀基准面主副坝下游河床( 1 9 0 0 m ) 控制，库水经水库南岸主、 副坝区段向主副坝下游沿河岸边以泉群渗漏点( 带) 渗漏。 库盆区( 库底) 落水洞岩溶区及副坝地下水低槽带岩溶渗漏受 该水文地质单元最低排泄基准面茶化洞控制( 1 8 0 0 m 高程) ，库水经 落水澜及副坝地下水低槽带深部岩溶，沿p ”p 。灰岩岩层面及南北 向( 或南东向) 构造经主副坝下游河床( 悬托于深部岩洛地下水位 以上约2 0 m ) 以下，向茶花洞泉渗漏排泄。 主坝右岸f ；以酉至p 1 l 砂页岩渗漏地段( 长2 3 0 0 m ) 岩溶发育相 对较弱，地下水位相对较高，岩石透水性小，渗径长，划分为弱渗 漏地段；副坝左岸z k ，；以东至p 2o 玄武岩地段( 长1 0 8 0 m ) 地下水 位较高，岩溶不甚发育，透水性弱，渗漏量小，渗径长，属弱渗漏 段，对水库蓄水影响较小。而f ；断层以东至z k 。，之间为强透水地段， 是防渗处理的重点区域，处理方案采取垂直防渗帷幕灌浆。 以上工程地质结论及渗漏处理方案在初设审查中均得到各有关 专家的认可。 1 2 岩溶地区帷幕灌浆的现状及发展趋势 岩溶地区建坝已有1 5 0 余年的历史，法国的阿朗坝【1 1 建于1 8 4 5 年，为土坝，坝高1 3 m ，由于岩溶渗漏，1 8 6 0 年开始进行防渗灌浆 工作，最后获得成功。在此之后，不少国家先后在岩溶地区兴建了 规模不等的水库和大坝，尤其自第十次国际大坝会议( 1 9 7 0 年于蒙 特利尔) 以后的3 0 余年，随着岩溶工程地质的迅速发展及防渗处理 技术的日益进步，在岩溶地区兴建水库和大坝的国家越来越多，规 模也越来越大，在开发岩溶区水资源方面取得了显著成就。 新中国成立以来，对岩溶地区水资源的开发也取得了辉煌的成 就，兴建了一批高坝大库，如：新安江、乌江渡、鲁布革、岩滩、 隔河岩、东风、万家寨、天生桥一级、江垭、水布垭等，坝高均超 过了l o o m ，库容均在数亿至数百亿立方米以上，另外还有为数众多 的中小型水库工程，为国民经济的发展作出了巨大的贡献。 岩溶地区兴建的水库，大多数是成功的。由于岩溶工程地质工 作做得不够或由于防渗处理不彻底而发生严重渗漏的水库，是极少 数，其中，美国于1 9 2 0 年修建的赫尔斯巴尔坝，坝高仅2 5 m ，水 库渗漏量达5 0 m 3 s ，防渗处理持续2 6 年之久，耗资1 1 5 0 万美元，最 终因处理无效而被迫放弃。土耳其的凯班水库建于1 9 7 4 年，由于岩 溶问题未能查清，水库蓄水后，渗漏量达2 6m 3 s ，经过复杂的防渗 处理，后期的渗漏量已减少至8 7m 3 s 。我国8 0 年代以后于岩溶地 区兴建的水库，基本没有渗漏的，出现漏水的工程大多是2 0 世纪5 0 6 0 年代勘察兴建的中小型工程，典型的如云南省的金殿水库，因岩 溶渗漏而成为干库。 岩溶地区的水库，除极少数水文地质条件有利而未做防渗帷幕 外( 如新安江、岩滩等) ，其余大多以帷幕灌浆作为水库防渗的主要 措施，且防渗帷幕有线路逐渐加长，深度逐步加深的趋势。我国在2 0 世纪7 0 年代兴建的乌江渡水电站，率先在国内试验采用高压灌浆技 堂竖垫垦堕垦壁蔓堡鍪竖堕塞 术建造坝基防渗帷幕取得成功，为有效解决岩溶地区水库渗漏积累 了成功经验。继乌江渡之后，在岩溶地区建成的东风、隔河岩、观 音阉等一些大型水库工程及利用岩溶盲谷为库盆的五里冲无坝水 库，均采用高压帷幕灌浆，防渗效果良好，取得了岩溶地区基础防 渗处理的丰富经验。 国内外若干工程的实践经验表明，采用高压灌浆技术建造高标 准的垂直防渗帷幕，是岩溶防渗技术的发展趋势，且高压灌浆也推 广运用于非岩溶高坝岩石地基帷幕灌浆、高水头引水隧洞围岩灌浆， 均取得了令人满意的效果。 国内外岩溶地区众多防渗帷幕的成功建成，体现出在勘察、设 计、施工方面积累了宝贵的经验；而另一方面，不同工程的岩溶发 育规律和特征又千差万别，如何将成功经验与工程的具体情况相结 合，是帷幕灌浆成功与否的关键。 1 2 1 勘察 水利水电工程的岩溶地质勘察，有别于非岩溶地区的工程地质 勘察，不仅要对基础地质条件进行勘察，更重要的是围绕岩溶发育 和岩溶水文地质条件进行勘察。由于岩溶发育在空间上的不均一性 和岩溶水文地质条件的复杂性，必须采用多种勘探手段和方法进行 综合研究。 ( 1 ) 常规手段。包括地面地质工作、钻探、硐探等，通过这些 工作了解地层、构造、岩溶形态及规模，研究深部岩溶发育程度及 发育规律。响水河水库除险加固工程重点采用了除硐探以外的常规 勘探手段。 ( 2 ) 物探。声波、地质雷达、微重力、电法、无线电波透视等 物探方法，用于岩溶勘探可提供定性、定量分析资料，但判断、解 释经验尚待积累。本课题在采用声波检测灌浆试验效果方面进行了 有益的偿试。 ( 3 ) 水文地质试验利用钻孔进行压水、抽水、注水试验，在 岩溶地区广泛应用，利用吕荣( 1 u ) 值判断岩体的裂隙性和渗透性， 根据工程规模及其重要性，吕荣值小于1 5 1 u 的岩体被认为是相对 不透水层。本课题广泛采用压水试验，并规定防渗标准为5 1 u ( 4 ) 水文化学。包括示踪、同位素氚、地下水温、岩溶水离子 含量等方面的研究与运用，可提供地下水连通关系、赋存环境、交 替速度等方面的信息，对分析地下水的补径排关系与岩溶发育的关 系有一定的帮助。响水河水库在研究水文地质条件中采用了示踪试 验。 ( 5 ) 地下水观测。这是研究岩溶地区水文地质特性不应缺少的 项目，响水河水库也不例外。此项工作持续时间长，并不得中断。 ( 6 ) 其它。用于岩溶水文地质条件研究的方法还有水量平衡分 析法、地下水衰减分析法等。近年来地质模型与数学模型分析法有 所发展。利用计算机模拟技术研究水动力场的变化与洞穴的形成等 是岩溶渗漏研究的发展趋向。 岩溶勘探技术、方法和理论的发展速度较快，上述几个方面， 粗略概括了岩溶勘探领域的现状及响水河水库所采用的勘探手段。 大多文献指出，仅依靠设计阶段有限的勘探工作量，要完全查清岩 溶发育的具体情况是不现实的，在工程实施过程中，总会遇到一些 新的问题，关键是要有一个正确的指导恩想，不断积累经验，及时 研究解决新问题。 1 2 2 设计 ( 1 ) 防渗体设计 从各国的岩溶防渗处理经验来看，防渗体主要有垂直防渗、水 平防渗和工程隔离等三种基本型式。对深部岩溶渗漏及有松散物质 充填的浅部岩溶洞穴，多采用垂直防渗体，前者采用防渗帷幕，后 者采用砼防渗墙；对于具有明显渗漏边界的岩溶防渗，则可采用水 量堡些垦塑墨堡蔓里坚竖翌塞 平防渗，如采用铺盖封堵裂隙或采用砼回填封堵洞穴：在水文地质 条件有利时，还可采用筑坝隔离措施，此时还可能同时与垂直防渗 或水平防渗相结合。防渗体的位置一般选择在岩溶发育相对较弱， 穿越地下水低槽( 或强岩溶地带) 距离较短处，尽量避开大的构造 或构造密集带，并以工程量较小、施工难度较低、费用较省为原则。 帷幕灌浆作为垂直防渗体的主要型式，在岩溶地区的水库防渗 中取得了不少的成功经验，典型的有：五里冲水库在大型岩溶坍陷 体内采用高压灌浆建成了防渗帷幕；乌江渡水电站成功解决了岩溶 洞隙中粘土充填物的帷幕灌浆问题。 岩溶地层的溶洞、溶隙大多充填有糊状、软塑状粘土或砂砾石 土，也有呈半充填状或未充填的，这种地层通过灌浆处理能否达到 预期的抗渗能力，在地下水长期作用下是否具有足够的耐久性，这 是工程成败的关键。 常规灌浆的灌浆压力一般均在3 0 m p a 以下，对粘土充填裂隙的 挤出置换作用及对细微裂隙( 6 o 1 5 m m ) 的扩缝回弹效应均较有 限，浆液的扩散半径互不搭接，不能保证形成连续完整的帷幕。如 云南省建于岩溶地区的水城水库，其防渗帷幕进行了8 0 m 长的常规 灌浆试验，检查孔压水试验的吕菜值均达到了设计要求( q 5 1 u ) ， 但揭露幕体进行检查时，发现多处浆脉并未连通，未能形成整体帷 幕，后对试验段又加密孔距进行补灌。 高压灌浆填充溶洞、夹泥宽裂隙及细微裂隙的作用机理主要包 括： 水力劈裂作用。溶洞泥在高压灌浆压力作用下，将首先沿钻 孔的辐射方向劈裂。径向劈裂缝之间存在的压力差使介质产生环向 裂缝，环向劈裂最后发展到溶洞泥与洞壁间，使洞壁附有一层水泥 结石。 挤出作用。灌浆压力引起的剪应力超过土体的抗剪强度时， 裂隙夹泥将有一部分被挤出，其空间被水泥结石充填。 裂隙夹泥的排水固结作用：高灌浆压力会促进软粘土的排水 固结，提高夹泥的干密度。 浆液的排水固结作用：采用高压使岩体裂隙产生适当的扩张 和回弹，裂隙回弹产生大面积的法向应力，对浆液的排水固结特别 有效，增加密实度并与岩石结合得更好，提高灌浆质量。 此外，化学固化作用( 水泥浆液中的硅酸二钙经水化反应后， 释放出氢氧化钙c a ( o h ) ：，在高灌浆压力作用下，它与溶液形式渗入 土的孔隙，再与二氧化碳反应，生成碳酸钙) 、离子交换作用及因溶 液浓度差而引起的渗析作用，也会促使土体固结。 在上述力学、化学的综合作用下，溶洞泥和溶缝夹泥被许多纵 横交错的硬化的水泥网格切割成大小不等的块体，被网格封闭的泥 土本身也变得致密和坚硬，从而形成一道具有足够力学强度和抗渗 能力的帷幕。 有了高压灌浆理论和实践两方面的进展，高压帷幕灌浆越来越 多地被应用于基础防渗。我国乌江渡水电站成功解决了岩溶洞隙中 粘土充填物的帷幕灌浆问题；更为典型的有五里冲水库创造了在大 型岩溶塌陷的松散体内成功地建成了防渗帷幕。 ( 2 ) 帷幕底界 岩溶地区的不透水层一般埋藏较深，当基础内无明显隔水层时， 多采用悬挂式帷幕。决定帷幕深度的因素主要有以下几个方面： 水库允许渗漏量与河流年径流量的比值。由于帷幕深度一般 与水库的渗漏量之间存在反比关系，故对于年径流甚丰的水库，虽 n 然渗漏量较大，只要不出现岩体渗透变形影响基础安全，水量损失 黪爵以接受，则帷幕底界可适当抬高。 o 岩溶地区地下水排泄基准面。近代岩溶发育史都与这个面密 切相关，帷幕深度一般应超过这个基准面一定距离，确保帷幕的有 堂鳖些垦塑垦堡墨篓兰蔓竺堡基 效防渗。与此同时，还须查明是否存在深岩溶，以防止基准面以下 的深层循环带上仍有岩溶通道 以基岩渗透性( 以吕荣i u 为单位) 作为控制标准，规定帷幕 深度要求达到菜个吕荣值的岩体以下；或引入坝高的概念，帷幕深 度取坝上全水头的某一比值来控制。前者以欧洲国家及日本采用较 多，后者为前苏联及美国常用方法。 防渗帷幕的设置深度是个较为复杂的问题，单一考虑某一方面 的因素是欠妥的，具体设计时应根据工程的地质情况及对防渗帷幕 的要求，综合分析确定。 ( 3 ) 防渗帷幕主要设计参数的选择 分层间距：幕体很深时应进行分层，从便于施工的角度一般 备层间距在5 0 7 0 m 之间。响水河水库的防渗帷幕虽然深度多在7 0 m 以上，但由于受地形条件的限制，未予分层。 帷幕厚度：帷幕厚度的确定，一方面须考虑帷幕长期的渗流 稳定要求；另一方面与坝基地质条件、密实性和防渗设计准则等因 素有关。对于前者可用帷幕内允许水力坡降决定，而后者则应根据 岩石破碎情况、裂隙发育程度、断层规模及数量、地基中是否有可 溶岩层、岩溶是否强烈，要求达到的单位透水率及容许渗漏量等因 素，综合考虑确定。 防渗帷幕的幕体，一般由1 3 排组成，排数超过一排者，可设 一排主帷幕，主帷幕深度钻至设计深度，其余各排孔根据需要确定， 一般为设计深度的1 2 2 3 ，以加强帷幕上部的防渗作用。单排帷幕 的厚度可取0 7 o 8 倍灌浆影响半径，多排帷幕则取为最外两排中 心距，再各加两边排孔距的0 6 0 7 倍影响半径。 灌浆压力：是决定幕体长期稳定性的重要因素。国际上逐渐 趋向采用高压，一般为3 6 m p a ，最高达1 0 m p a 。有的幕体两边排 为中低压，中间排采用高压。响水河水库帷幕灌浆试验采用最大压 力值为4 6 m p a 。 灌浆工艺：以往常采用自上而下一次钻孔，自下而上分段灌 浆，此法优点是施工方便、速度快、成本低，缺点是灌浆压力难以 加大，浆液易上串，甚至堵塞钻孔，质量不易保证，在地质条件较 好且钻孔不深时可以采用。近年基本改为自上而下逐段钻灌，其优 点是容易起压，事故较少，易保证质量，缺点是施工工序交错，进 度慢，成本高，此法由于优点突出而被广泛采用。由乌江渡水电站 坝基帷幕灌浆首创的“孔口封闭、孔内循环灌浆法”，在喀斯特发育 地区防渗帷幕高压灌浆中使用，效果显著，其主要优点有：采用孔 内循环灌浆，利于提高灌浆质量；孔内无灌浆塞，施工简便，节省 时间和人力，效率高；可使用高灌浆压力；每段灌浆结束后，不需 待凝，即开始下一段的钻进，也不需冲洗喀斯特夹泥，工效高；多 次重复灌注，灌浆质量高，尤其是对提高喀斯特地层帷幕灌浆的防 渗能力和寿命十分有利。响水河水库防渗帷幕即采用“孔口封闭、 孔内循环高压灌浆”工艺开展试验研究工作，并试图对现有工艺的 改进进行一些探索。 浆液类型：纯水泥浆是最常用的灌注浆液，有时为了封堵微 细裂隙，还采用细水泥浆液。对注入量大或地下水流速较大地层的 灌浆，根据需要可加入粘土、粉煤灰、砂、水玻璃等形成混合浆液。 在水泥浆液中掺入少量稳定剂( 例如膨润土) 形成的稳定浆液，其 析水率不大于5 ，适用于高压帷幕灌浆和遇水性能易恶化或大注入 量地层的灌浆。膏状浆液具有塑性屈服强度大( 常大于2 0 p a ) 、稠度 如牙膏的特点，适用于大孔隙地层( 如喀斯特空洞、岩体宽大裂隙、 堆石体等) 的灌浆，由于其明显的塑性特征，在灌浆过程中具有良 好的浆液可控性，有利于控制大孔隙地层灌浆浆液扩散的范围。 1 2 3 施工 ( 1 ) 水灰比 堂塑垫垦壹曼壁蔓塑鍪望鉴堕壅 澳大利亚专家a c h o u l s b y 认为旺1 ：在保证地基可灌性条件 下，尽可能采用较小的水灰比；采用较稀的水泥浆液进行帷幕灌浆， 帷幕的耐久性差，故不主张使用水灰体积比为5 ( 重量比为3 3 3 ) 或 更稀的浆液进行帷幕灌浆。 我国的灌浆规范已从“8 3 灌规”的开灌水灰比为8 调整为5 ， 水灰比的比级也从“8 3 灌规”的9 级调整为“9 4 灌规”的7 级，在 “2 0 0 1 灌规”中又进一步简化为6 级。 总之，为减少纯灌时间并尽量多灌入较浓的浆液，国际国内均 逐步倾向于使用稠浆进行灌注。如乌江渡开灌水灰比为2 ，而鲁布革 开灌水灰比为l ，均取得了较好的效果。 ( 2 ) 浆液的制备 国外已研究采用的有高速搅拌、超细水泥、湿磨水泥三种制浆 工艺。高速搅拌制浆已在欧州许多国家普遍采用；超细水泥浆液类 似化学浆液，又具有水泥浆液的力学特性；湿磨水泥可避免超细水 泥在运输和贮存过程中的麻烦，已代替超细水泥运用在微细裂隙和 细砂层灌浆。湿磨水泥制浆，我国已在二滩等工程成功研究使用。 对各岩溶地区的帷幕灌浆，由于岩溶裂隙普遍较宽，普通水泥 搅拌机制浆一般已能满足要求，但如需掺入粉煤灰等以适应大注入 量或高地下水流速时，应采用高速搅拌机。 在设备配置方面，为能保证连续地进行灌注，搅拌机的拌合能 力应与灌浆泵的排浆量相适应。且搅拌机的转速应与浆液的类型相 适应，如拌制细水泥浆液和稳定浆液时，应选用转速大于1 2 0 0 r m i n 的高速搅拌机，拌制膏状浆液时，必须采用大功率搅拌机。 ( 3 ) 自动记录及电子计算机的应用 灌浆过程数据存储处理自动记录系统，国外从二十世纪8 0 年代 即开始采用，我国从二十世纪9 0 年代开始陆续推广运用。使用自动 记录系统对做好质量控制、节省原材料、避免人为差错等均有明显 效果。电子计算机配备相应软件对数据进行处理，使成果分析更为 简便、准确，有助于灌浆技术的进一步发展和灌浆质量的提高 响水河水库帷幕灌浆试验采用了自动记录系统，并通过计算机 进行成果分析，取得了较好的效果。 ( 4 ) 高压灌浆 灌浆压力国外在6 0 年代即已达到i o m p a 。在国内，乌江渡电站 以前的工程，灌浆压力一直停留在1 3 m p a ，地方中小工程常规灌 浆压力不超过1 m p a ，只有极少数的工程达到了3 4 m p a 。由于使用 的灌浆压力较低，灌浆标准及帷幕的抗渗稳定性也就很难提高。 近年来，国内外均已认识到提高灌浆压力能提高灌浆质量，很 多工程尽量提高灌浆压力。但是，在提高压力的过程中，出现了地 层抬动、岩石劈裂，包括原有裂隙的扩张和在岩石中产生了新的人 为裂隙。岩石劈裂不是在一开始灌浆就有的，只有当压力达到足以 使岩石张开时，劈裂才开始，随着浆液的灌入，裂隙的扩张就会逐 渐缩小，直到停止。当灌浆结束后，岩体回弹，裂隙中充填的水泥 进一步被压密，因此，最终导致岩体整体强度和抗渗性能的提高。 因此，只要灌浆压力控制得当，与岩体的应力应变条件相适应，灌 浆引起的岩体劈裂不会导致岩体整体强度的降低。灌浆时产生的地 层抬动有可能形成永久变形，从而影响建筑物安全并带来地基隐患， 地层抬动应力求避免。 ( 5 ) 灌浆方法 按浆液的循环与否，可分为纯压式灌浆和循环式灌浆。两种灌 浆法的射浆管位置不同，纯压式射浆管在灌浆段上部，而循环式则 将射浆管放在离灌浆段底部5 0 c m 处，使浆液从孔底开始全孔循环， 避免纯压式底部浆液不流动而沉淀，提高灌段的灌浆效果。 按灌浆段次实施的顺序，可分为：自上而下分段灌浆法( 自上 而下逐段钻孔、灌浆) ；自下而上分段灌浆法( 灌浆孔一次钻进到底， 堂堡垫垦壹堡堡至壅鍪苎墼堕墅 再从下至上分段灌浆) ；综合灌浆法( 钻孔中的某些段次采用自上而 下分段灌浆，另一些段次采用自下而上分段灌浆) ；孔口封闭灌浆法 ( 于钻孔孔口安装孔口管、孔口安装孔口封闭器，自上而下分段钻 孔和灌浆) 。高压灌浆一般均采用孔口封闭灌浆法。 ( 6 ) g i n 灌浆法 9 0 年代初期，由1 5 届国际大坝会议主席、世界知名灌浆专家隆 巴迪( g l o m b a r d i ) 1 等人提出了一种新的设计和控制灌浆工程的 方法一一“灌浆强度值”( g r o u t i n g i n t e n s i t y n u m b e r ，缩写g i n ) 法。 g i n 法的提出系基于以下几个方面的理论基础： 浆液的渗透系数与水的渗透系数不同，渗径的特性主要受岩 体裂隙系统控制，故灌浆工艺应与地层特性相适应。 就灌浆目的而言，应以水泥颗粒的细度评价灌浆效果，而不 是水泥的抗压强度，超细水泥和湿磨水泥的灌浆效果更好。 经过高速搅拌的悬浮稠浆稳定性、流动性好，得到广泛应用。 在不发生水力劈裂的前提下，采用最高注浆压力以增大浆液 的扩散半径已被广为接受。 在一定的灌浆压力下，既控制了吸浆量避免浪费，又不致因 压力过低造成浆液的穿透性差。 g i n 法的基本概念是，对任意孔段的灌浆，都是一定能量的消 耗，所消耗能量的数值，近似等于该孔段最终灌浆压力p 和灌入浆 液体积v 的乘积p v ，p v 即为灌浆强度值，即g i n 。由于岩体裂隙 灌浆时，宽大裂隙常常注入量大而使用压力小，细裂隙常常注入量 小而使用压力高。隆巴迪认为，如果在各个灌浆段的全部灌浆过程 中，都控制g i n 为一常数，就可以自动地对开敞的宽大裂隙限制其 注入量，对比较致密的可灌性差的地段提高灌浆压力。由于g i n 为 一常数，在压力一注入量坐标系上，g i n 是一条双曲线，其值越大， 曲线离开原点的距离越远。再加上对最大灌浆压力和最大注入量的 限制，就组成了一条对灌浆过程控制的包络线。 采用g i n 方法灌浆的要点是： 应用稳定的、中等稠度的浆液，以达到减少沉淀、防止过早 地阻塞渗透通道和获得紧密的浆液结石的目的。 整个灌浆过程中尽可能只使用一种配合比的浆液，以简化工 艺，减少故障，提高效率。 用g i n 曲线控制灌浆压力，在需要的地方尽量使用高的压力， 在有害和无益的地方避免使用高压力。 用电子计算机监测和控制灌浆过程，实时地控制灌浆压力和 注入率，绘制p v 过程线，掌握灌浆结束条件。 灌浆方式多采用自下而上和纯压式灌浆。 g i n 灌浆法几乎自动地考虑了岩体地质条件的实际不规则性， 使得沿帷幕体总的注入浆量合理分布。 g i n 法在美洲一些国家的工程中首先应用，取得了较好的效果， 我国于1 9 9 4 年引进，先后在湖南江垭、长i - r - - 峡、黄河小浪底进行 了灌浆试验或应用，取得了有益的成果，在新修订的“2 0 0 1 灌规” 中已将g i n 法纳入规范。但对于岩溶地区而言，g i n 法也存在一些 局限性t 4 l ：采用双栓塞自下而上分段灌浆，容易造成绕塞返浆和埋管； 遇大漏量特殊灌段，低压下吸浆量印使达到上限( v m a x ) 并不能完 全充满裂缝，而且灌浆体( 水泥结石) 质量低，耐久性差；在不易 灌注的细小裂隙中灌浆压力可以很快达到上限( p m a x ) ，但并不能将 细缝灌注好。鉴于此，g i n 法的推广运用尚待积累更多的经验，尤 其是在岩溶地区使用此法应慎重。 1 3 研究工作概况及主要工作内容 1 3 1 研究目的 本课题紧紧围绕工程实际，以解决响水河水库防渗帷幕的具体 问题为主线展开。在前期工作已基本查明枢纽工程水文地质与工程 堂堡些里壹墨堡蔓壁鏊堕鉴堑壅 地质条件的基础上，充分吸收近年来灌浆领域在勘测、设计、施工 方面的成功经验，结合响水河水库高压帷幕灌浆试验的设计与施工， 应用新技术、新方法、新工艺，通过各专业的共同努力，探索岩溶 地区高压帷幕灌浆的规律，为响水河水库最终建成符合预期目标的 防渗帷幕提供设计依据。同时，为岩溶地区防渗处理技术的发展， 力争有所助益。 1 3 2 研究工作概况 响水河水库除险加固初步设计报告于2 0 0 1 年1 2 月经云南省计 委、云南省水利厅以云水规计 2 0 0 1 1 0 7 号文予以批准，并同意初设 报告中关于防渗帷幕采用高压灌浆的设计方案。至此，为确保响水 河水库除险加固工程的顺利实施，高压帷暮灌浆试验研究工作显得 尤为紧迫。 灌浆试验研究工作始于2 0 0 2 年2 月，于同年3 月提出灌浆试验 工作大纲及设计文件。2 0 0 2 年4 月5 日一6 日，由响水河水库建设 管理处主持，邀请了云南省曾经在五里冲主持、参与采用高压椎幕 灌浆及砼防渗墙建造盲谷水库课题研究，并获得成功的几位专家亲 临响水河水库工程开展技术咨询活动，对帷幕灌浆试验工作大纲提 出了有益的建议。2 0 0 2 年6 月完成了灌浆试验的招标设计并完成了 工程招标，2 0 0 2 年7 月1 0 日施工单位进场，至2 0 0 2 年1 2 月灌浆试 验施工全部结束，历时6 个月。其间，研究人员经常深入工地，及 时研究施工过程中出现的各种技术问题并提出应对方案，确保了灌 浆试验工作的顺利进行。 自2 0 0 3 年1 月始，开展灌浆试验的成果资料整理与分析，着手 编写灌浆试验研究报告。至2 0 0 3 年3 月完成报告的编写。 2 0 0 3 年4 月1 0 日，灌浆试验作为一个分部工程，在由云南省水 利厅主持的竣工验收中，被评为优良工程( 含技术性验收) 。通过一 年多的艰苦努力，灌浆试验取得了圆满成功，试验研究成果对指导 随后进行的帷幕灌浆设计，发挥了重要作用，并取得了较好的经济 效益响水河水库帷幕灌浆工程施工招标于2 0 0 3 年1 月完成，施工 单位于2 0 0 3 年2 月进场开始全面施工，从施工过程中反馈的情况来 看，帷幕灌浆试验研究成果及据此进行的帷幕灌浆设计是合理的 1 3 3 研究的主要内容 ( i ) 广泛的岩溶地区水库防渗调研 为深入了解国内外岩溶地区水库防渗的现状和发展趋势，从研 究工作伊始即陆续收集了若干国内y b ：r _ 程实例，对以往岩溶地区水 库防渗的勘察、设计、施工及研究工作有了系统的了解，并进行了 综合评述，为研究工作提供了借鉴资料。 ( 2 ) 认真组织、策划试验研究工作的实施 结合响水河水库工程的具体情况，分析确定了试验区的数量及 具体位置，并提出灌浆试验施工的技术要求及资料整理要求，对整 个灌浆试验工作进行了总体进度安排。 ( 3 ) 采取综合手段进行勘察论证 为进一步查清帷幕线尤其是试区附近的地质条件，采用了多种 勘察方法与手段，借以指导帷幕灌浆试验的设计与施工。其中包括： 钻孔及压水试验，包括物探孔及先导孔； 物探孔井下电视录像及分析； 于试区两端采用跨孔法进行弹性波c t 测试； 平洞勘探，与灌浆平洞结合，了解岩体结构面的特征； 钻孔水位测量与分析。 ( 4 ) 高压灌浆试验研究 帷幕设计方案的合理与否，除了合理确定帷幕的底界及边界外， 还取决于灌浆工艺及灌浆设计参数是否合理。结合响水河水库工程 的具体情况，重点开展了以下几方面的工作： 灌浆工艺研究：针对浅表层岩体风化破碎严重的地段，采用 量堡些垦壅堡壁至墨坚蔓整坚壅 深部孔口封闭灌浆工艺，取得了满意的效果。 灌浆设计参数研究：包括帷幕排数、孔排距、灌浆压力、浆 液变化、结束标准等。 灌浆效果评价标准的探讨l 在现有多种途径评价灌浆效果的 基础上，提出了以灌浆前和灌浆后岩体完整性指数的变化情况评价 灌浆效果的概念，并对评价标准的划分进行了初步的探讨。 ( 5 ) 特殊情况的处理 针对岩溶地区帷幕灌浆经常出现的特殊情况，如：地表冒浆、 灌浆中断