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软岩坝基带状延伸微薄透镜体渗透性改良措施探究

2020-12-28 188 上传者：管理员

摘要：某水库坝基基础厚层洪积成因的弱渗透性软岩内存在局部微薄冲积相透镜体，通过半合管双套管钻进获取完整岩芯揭示，尽管其厚度仅有3～17cm，却表现出强透水性的成因是砂砾的组成非常松散。灌浆试验进一步证实了微薄透镜体的带状延伸，在0.4MPa压力下渗透率高达100Lu以上，偶有无压无回流的现象，但是总体的可灌性良好。基础灌浆对微薄透镜体的渗透性成功实现了改良。

关键词：
压水试验
坝基
帷幕灌浆
微薄透镜体
软岩坝基
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1、引言

随着我国水利建设向纵深的发展，县域功能水库建设取得长足进步。这些水库坝体不高，库容也多在几百万立方米的级别，坝址工程地质要求略低。但是，对于干旱地区，库坝的渗透性问题尤为重要。甘肃庄浪一个小型水库遇到的工程地质问题就比较特殊。

2、库坝工程地质概况

庄浪花崖水库为一年调节县域供水水源工程，它包括壤土心墙砂砾石坝、泄水建筑物（泄洪洞、溢洪道）及取水管道。选定坝址最大设计坝高41.8m，总库容为2×106m3。

库区区域构造属于祁吕贺“山”字形构造体系，处在西南马蹄形盾地与陇西六盘山旋回褶皱带内店峡向斜的西南翼，主体为白垩系地层，呈单斜产状，主构造线呈北西西向、北北东向。

库、坝岩体属于白垩系下统（K12），岩性为砂砾岩、砂岩夹泥岩。砂砾岩呈厚层，泥质、轻钙质胶结，一般岩芯采取率达90%以上，岩体完整性较好。岩层平缓，产状NW310°～345°NE∠10°～15°，砂砾岩倾向上游，构造简单，无断层。坝基岩体饱和抗压强度最大值27MPa，最小值8MPa，均值17.8MPa，属较软岩～软岩。弱风化带基岩透水率一般小于5Lu，为弱透水至微透水地层。

3、坝基微薄透镜体的发现

3.1坝基渗透异常性与补充勘探

水文地质与工程地质勘察对坝基岩体的认识如下：

地下水为基岩裂隙水。在落选坝址岸坡有一处泉水溢出，水量较小，附近花崖断层勘探到承压水，透水率约4.1Lu，地下水没有腐蚀性。

初步设计阶段的勘察均按照常规勘察程序进行。共在坝基延伸线左右布置了6个勘探孔，其中唯有钻孔ZK03的压水试验出现异常，在10～35m孔深段，岩芯提取率低，透水率20.92～26.8Lu，达到中等渗透率，局部试验段还出现压水不起压的情形，与其他钻孔背景岩体普遍小于5Lu形成较大差异。

在初设审查时，专家结合坝址的岩体水文地质表象，分析钻孔异常，决定在ZK03旁补充钻孔勘探1孔（ZK07）。

补充勘探改变了方法，采取了半合套管取芯的双套管钻进新工艺，以期能完整地取出原状岩芯半合套管钻进。

3.2微薄透镜体

实际半合双套管钻进取芯全部成功。

补充勘探钻孔揭露出坝基局部含有多层微弱胶结的微薄砂砾透镜体，如图1所示。分析所取各个透镜体岩芯可知这些透镜体有以下特征：（1）厚度仅有3～17cm;(2）最下层者与覆压岩体有弱不整合接触；（3）含有磨圆度高至卵砾的1～3cm砾石，松散无胶结，孔隙度很高；（4）灰绿色重，与前期岩相比偏向于形成环境具还原特点；（5）多达6层；（6）其微含水层都具微承压性，局部承压水头高27～28m。

图1甘肃庄浪花崖水库坝基半合套管钻进揭露的松散砾石层微薄透镜体岩芯

3.3成因分析

从透镜体的结构组成推断，其成因为小型河流的河漫滩沉积，水径流小，在面上某个方向不见得连续延伸，但却是彼此能够串联的。多期的河流洪积与河漫滩沉积交互出现，形成了多个分层。

因为河漫滩沉积的基础空隙率就高，经历后期构造运动后，通过裂隙能得到补给水，岩层缓倾10°～15°，既创造了赋存条件，又提供了充足的水动力，容易形成排泄，使地下水活动保持持续活跃，钙质胶结就形成不起来，加之具备管涌条件而使得细颗粒随地下水迁移流失。

3.4微薄透镜体的强渗透性

钻孔压水试验显示，这些微薄透镜体具有强透水性。ZK07孔在30～35m试段，在0.1MPa压力下透水量61L/min，透水率达到92Lu。这种强透水性微薄透镜体构成比较罕见的库坝水文地质现象。

4、坝基帷幕灌浆试验条件

经过反复查明，坝基局部存在微薄透镜体强透水层，构成坝基渗漏和渗透稳定问题。

在坝基渗透性改良方面，工程上已经积累了很多帷幕灌浆的经验[1,2,3]。施工图设计决定对花崖水库坝基进行帷幕灌浆处理。针对微薄透镜体的赋存区域，设计3排帷幕进行灌浆，其余普通裂隙岩体区域采用一排帷幕灌浆。

4.1灌浆试验分区

根据坝基岩体裂隙发育的特征、微薄透镜体含水层发育情况，将坝基分成2个特征渗透改良区域。在2个特征渗透区域各选定一个试验区，分别是右坝下游3排帷幕区，中坝段单排帷幕区，另加凹槽试验区。试区布置落在帷幕灌浆轴线上，以便试验灌浆结果将作为防渗帷幕的组成部分。

4.2灌浆试验孔布置

微薄透镜体含水层发育区帷幕按照梅花形布置，孔距1.5m，排距1.5m，共15个孔，钻孔顶角垂直于水平线，设计顶角0°。灌浆孔深入基岩5m。

4.3灌浆试验孔冲洗、波速测试、压水试验

试验孔先进行低压洗孔，再以设定灌浆最大压力的80%进行高压洗孔。配套的波速检测采用单孔法，从孔底向孔口方向，间距0.2m，一发双收测试。

洗孔后采用一级压力单点循环压水试验，弱风化顶面基岩封闭，全孔段压水。

4.4灌浆

4.4.1浆液配比

依据规范和灌浆施工技术的要求，灌浆试验的水灰比定为2∶1、1∶1、0.7∶1、0.5∶14个配比级，不管每个孔实测岩体透水率的大小，开灌水灰比一律以2∶1进行，浆液浓度由稀到浓逐级增加。浆液在使用前对>80μm的粗颗粒予以过滤。

4.4.2灌浆压力

适宜的灌浆压力既不至于造成混凝土盖重抬动和浆力劈裂岩体，又能形成较大的扩散半径。参照相似岩体水库帷幕灌浆的实践，厚层块状钙质胶结砂砾岩发生浆力劈裂的临界压力为1MPa。试验孔混凝土盖重厚1m，试验灌浆压力取为0.5MPa。吸浆量较小时采用一次升压法。遇到岩体透水性强、吸浆量较大时，采用分级升压法。

5、微薄透镜体帷幕灌浆反应

5.1背景渗透次序性

微薄透镜体试验区各孔位透水率较大的情况多集中在23m以上深度试段，甚至部分孔段出现过无压、无回现象。再次验证了微薄透镜体的强透水能力。

从表1数据反映，与普通裂隙岩体相比，微薄透镜体的强渗透性表现得更加充分。尽管一次灌浆后平均渗透性大幅度衰减约1/2，仍然个别段透镜体层段二次灌浆渗透性没有衰减，在上游排孔局部试段还有增加。这说明一些微博透镜体有超出预想但仍然与成因吻合的带状延展度。

表1甘肃庄浪花崖水库坝基帷幕灌浆试验结果

5.2灌浆抬动

在微薄透镜体试验区的15个钻孔内，共完成110段灌浆，结果产生抬动的孔段共58段，占比53%；在孔深5～25m显示抬动频率较高。有3个孔试段依次累计抬动值达到154μm、154μm、192μm，接近抬动控制范围值。

5.3冒浆、漏浆

相比在基岩裂隙处浅孔位出现过一处冒浆，劈裂裂隙长度2m。在微薄透镜体区域上游排孔出现过漏浆，二次灌浆注灰量不降反增。实际操作时采用间歇1h即收到了先期灌浆凝浆效果。

5.4微薄透镜体注灰量

微薄透镜体试验区平均单注灰量达到491.9kg/m，单注灰大于500kg/m的共35段，占总灌浆段的32%，其中下游排19段，同排占比50%，上游排11段，同排占比32%，中间排5段，同排占比13%。出现次序孔注灰量大于前序孔注灰量的情况。各排单注灰量有明显递减规律。

6、微薄透镜体帷幕灌浆效果检验

6.1微薄透镜体灌浆试验效果检验

灌浆试验完成14d后，在微薄透镜体试区布置了2个检验孔，检验岩芯，测定声波，与之前对比。

灌浆压力为0.4MPa时，在检验孔岩芯的裂隙中发现水泥结石，说明浆液沿裂隙方向扩散半径大于2m。从每个孔的浆液注入率变化趋势来看，灌浆前后孔内波速测试结果显示，在微薄透镜体试验区原强渗透段最小波速值均有15%以上的提高。

灌浆前后孔内波速测试结果显示，在微薄透镜体试验区原强渗段最小波速值均有15%以上的提高。

6.2微薄透镜体灌浆

在坝基开挖后，施工帷幕灌浆中采纳了灌浆试验取得的微薄透镜体参数，对于大吸浆或无压无回的情况下加入水玻璃、细沙、粉煤灰或其他外加剂材料，在灌注时间较长情况下加入了缓凝剂等材料，成功限制了浆液扩散范围，灌浆达到了渗透率设计要求。截至2016年9月，花崖水库大坝建成临近验收。

7、结论

厚层洪积成因的弱渗透性软岩存在微薄冲积相松散透镜体，宜采用半合管双套管钻进取芯。花崖水库坝基勘察灌浆实践，揭示了即便厚仅3～17cm的微薄透镜体，在小于5Lu背景裂隙岩体中，也可以表现出100Lu以上的渗透性。不过，采用在0.43MPa压力下限流、限量、增加浆液方向度、间歇灌浆，微薄透镜体的可灌性仍然是比较好的。

参考文献：

[1]周金春,缪景洪.坝基灌浆帷幕与坝体劈裂灌浆泥墙衔接施工工艺[J].中国西部科技,2014,13(12):6-7.

[2]高德树.铁城电站坝基岩体改良固结灌浆试验实践[J].甘肃地质,2009(1):87-89.

[3]蒲洪,王荣新.狮子坪水电站坝基帷幕灌浆施工工艺[J].四川水力发电,2010(4):30-33.

高德树.软岩坝基带状延伸微薄透镜体渗透性改良实践[J].工程建设与设计,2020(24):102-104.