岩溶地区帷幕灌浆施工几点心得

岩溶地区帷幕灌浆施工几点心得

张家俊

中国水电基础局有限公司天津300000

摘要：岩溶地区水利、水电建设的基础防渗问题是项目成功的关键，帷幕灌浆作为地基与基础防渗处理的一种重要手段，已越来越多地被应用在各种水利水电建设工程中，逐渐发展成为一种专门性的基础处理学科。笔者参加过几座强岩溶地区帷幕灌浆的施工。本文就强岩溶地区帷幕灌浆施工中的一些方法、措施、细节进行论述，谈谈施工中的心得体会。

关键词：岩溶帷幕灌浆施工

1、岩溶类型及评断方法

岩溶的形成主要是透水的可溶性岩石，如石灰岩、白云岩等受有溶解能力的地下水溶蚀的结果。而岩溶的发育程度和形态主要是与地质构造、地下水动力条件、气候条件以及岩性等因素有关。常见的岩溶类型有下列几种：

（1）充填型：即在地下水对岩石溶蚀过程中，地下水携带的泥沙、卵石将溶洞、溶穴、裂隙全部充填。

（2）半充填型：即在地下水对岩石溶蚀过程中，地下水携带的泥沙、卵石将溶洞、溶穴、裂隙充填一部分。

（3）岩溶空腔：岩石被地下水溶蚀的空洞

（4）暗河：又称地下河或伏流。

（5）落水洞：又称消水井，是指地面上垂直的或倾斜的，有地下通道的孔洞。

（6）漏斗：外表成漏斗状，其下部往往通向深处的落水洞。

在施工过程中通常结合设计地质报告及地质剖面图采用地质钻机钻孔、物理勘探等手段进行判断岩溶区。

1.1钻孔评断岩溶类型

帷幕灌浆钻孔时，因为地质条件复杂，钻孔时显示出不同的现象，通常反映为以下几种异常现象：（1）钻孔返水呈黄色且钻进进尺短暂变快后恢复正常时，可以初步判定此段钻孔遇到溶蚀裂隙且夹有黄泥或黄色泥沙（即充填型溶蚀裂隙）；若钻进进尺依然较快且进尺长，可初步判定该段为充填型溶穴、溶腔、溶洞。（2）若钻孔时不返水（或返水小）且钻孔进尺没有明显变化，可初步判定为溶蚀裂隙型。（3）钻孔过程中钻机无负荷，初步判断为无充填型溶洞。

1.2物探评断岩溶类型

近年来，地球物理勘探技术已应用到岩溶地区的地质调查上，地球物理勘探的依据是被探测体的物性差异，常表现为岩石的电、磁、弹性波速等物性参数。在岩溶地区物探工作的主要目的是检测防渗帷幕线岩体质量，查明防渗帷幕线内是否存在有影响的隐伏溶洞，以及岩溶发育程度、规模及空间分布和裂隙密集带。物探手段主要有单孔声波测试、大功率电磁波CT、孔内录像等方法。

1.2.1单孔声波测试

使用单发双收观测方式，由发射探头发射超声波，通过水传播到孔壁介质产生折射波，先后到达两接收探头，再由声波仪读取其超声波走时，根据超声波到达两接收探头的走时差计算介质波速。

1.2.2电磁波CT

电磁波CT技术是医学计算机层析成像技术在地球物理领域的应用和发展，考虑到该方法的特点，结合常规电磁波探测的方法，在双孔中一般都采用同步观测和定点观测两类。

1.2.3孔内全景录像

孔内彩色录像以视觉感直接获取地质信息，该方法通过对孔壁的录像反映能直观了解地层中的岩层产状、软弱夹层、裂隙发育程度及产状、岩溶发育情况等等。

2、岩溶地区帷幕施工

2.1武都水库帷幕灌浆施工

2.1.1概述

武都水库大坝防渗帷幕轴线总长1165m，帷幕灌浆施工总量为23万m，帷幕分三层施工，分别为底层帷幕灌浆、中层帷幕灌浆、顶层帷幕灌浆。坝址区岩溶及其发育，在坝基应力和防渗范围内分布有200多个落水洞和10余处大中型溶洞、水平溶洞。施工中坝基与灌浆平洞、排水洞、勘探平洞连通的落水洞、溶洞内采用了人工清挖后全洞混凝土封堵处理。坝基防渗帷幕范围内未揭露的特殊岩溶孔段，在帷幕灌浆施工中均采用帷幕灌浆处理。

2.1.2帷幕灌浆孔位布置

三层帷幕在坝纵方向间距为6m，上层帷幕深入下层灌浆平洞底板高程以下4～5.8m，底层帷幕进入设计探明的帷幕底线，各层帷幕间通过搭接帷幕连接，在坝体下游侧设抽排帷幕。钻孔孔距均为2m。钻孔排距：双排孔的排距为1.8m，三排孔的排距为1.0m；两排搭接孔的排距为1.8m，3排搭接孔的排距为0.9m。帷幕防渗标准：顶层帷幕和抽排帷幕为q≤3Lu，其余部位为q≤1Lu，典型孔位布置详见图3.1-1。

图3.1-1岩溶地区帷幕灌浆典型孔位布置图（三排）

2.1.3灌浆施工

2.1.3.1帷幕线范围内揭露岩层情况

根据特殊先导孔施工资料、物探施工资料分析表明右岸EL574灌浆平洞桩号0+31～0+350m桩号段，EL476m～EL536m高程为岩溶发育带，溶洞高5.9m～10.15m区间，岩溶较为发育的地层有D26、D27、D28、D29灰岩、白云质灰岩。其中26#钻孔溶洞发育深度为55.7～65.85m段，洞高10.15m；29#钻孔溶洞发育深度为101.30～102.60m段，洞高1.30m；30#钻孔溶洞发育深度为86.95～95.90m段，洞高8.95m；31#钻孔溶洞发育深度为39.80～45.70m段，洞高5.90m；以上溶洞钻进时返水颜色为黄色、粘土充填或半充填。

透水率情况为桩号底洞0+161.0m～底洞0+270.0m段，孔深为86.0m～109.0m处透水率区间为10Lu～100Lu，桩号0+270.0m～0+350.0m段，高程在孔深为35.0m～95.0m处透水率区间为10Lu～100Lu，岩层主要以粘土夹层为主。

2.1.3.2岩溶部位帷幕灌浆施工

（1）工程特点

1）溶洞埋深较深，最深达109米；

2）溶洞体积较大，溶洞洞高最大达20米，最长达18米，宽度未知；

3）相邻溶洞发育有缝隙，有串联现象；

4）溶洞内多为半充填或全充填溶洞，充填物为粘土或粉细沙；

（2）本工程溶洞帷幕灌浆施工特点

1）钻孔时出现塌孔，成孔困难。

2）大多数溶洞灌浆时有回浆，但较难达到设计压力（本工程帷幕设计压力为5Mpa）。

3）达到设计压力后，流量仍较大，无法达到结束标准。

4）单孔复灌次数多，灌浆注入量大，浆材耗量大。

5）施工进度缓慢，工期无法保证。

2.1.3.3灌浆施工方法

为解决上述问题，本工程主要采取以下施工措施和流程，具体程序为：

（1）钻孔方法及要求

钻孔返水呈黄色且钻进进尺短暂变快后恢复正常时，可以初步判定此段钻孔遇到溶蚀裂隙且夹有黄泥或黄色泥沙（即充填型溶蚀裂隙）；若钻进进尺依然较快且进尺长（大于0.5m），可初步判定该段为充填型溶穴（腔、洞）。出现上述问题后对钻孔做以下要求：

1）对钻孔遇到充填型裂隙的情况，继续钻进至设计段长或小于设计段长，进行裂隙冲洗、灌浆；对充填型溶穴（腔、洞），应继续钻进至溶穴（腔、洞）的底板，探明其高度。灌浆时发现塌孔无法成孔的可适当缩短段长，

2）如造孔遇密实的粉细砂层的孔段，灌浆效果较差无法成孔的，可采用稀浆（5：1水泥浆代替钻孔用水）固壁钻进，造孔完成后进行灌浆。

3）遇到大溶洞时，孔排最好不小于3排灌浆孔，每排灌浆孔深度均应穿过溶洞。

4）造孔遇到空腔可采用大孔径钻孔，使用混凝土泵送入高流态混凝土。

（2）灌浆方法与步骤

本工程对深层充填性溶洞帷幕灌浆采取了以下施工方法：

1）按2：1纯水泥浆液开灌，以实际最大压力进行，根据设计技术要求进行浆液变换。

2）最浓浆液流量大于30L/min或者注入量干耗量超过400kg/m，灌浆压力无明显变化的可采用低压、浓浆、限流、限量、间歇、待凝的方式进行灌注；

3）灌浆材料：可采用纯水泥浓浆、水泥粉煤灰浆液、膏状浆液、水泥砂浆等；

4）限流：流量暂按15L/min～20L/min控制；

5）限量：每次复灌干料量适按2～3t/m控制；

6）分级升压：各复灌段应采用分级升压的方式，其分级的级数及相应的灌浆压力应根据灌浆孔段灌浆情况而定，例如可分为0.5Mpa、1.0～1.5Mpa、2.0～2.5Mpa、3.0～3.5Mpa、4.0～4.5Mpa等五级；

7）复灌时灌浆结束标准：①灌浆达到预定的分级压力时，不再升压，继续灌注，当注入率小于一定数值即可结束；②灌浆注入量达到限量时结束；

8）待凝时间：首次复灌待凝时间建议不小于8h，以后各次复灌应该随压力的升高而延长；

9）希望经过若干次复灌后能达到设计压力值；

10）当边排灌浆孔段累计注入量超过20t/m时仍未达到设计压力，暂定达到设计压力的60%（3Mpa）为限，不再继续灌注，待凝24h后进行下一段钻孔灌浆，段长宜为1～3m，压力暂定为3.5～4.0Mpa，灌浆按要求结束后，再进行下一段钻孔灌浆，段长宜为1～3m，希望达到设计压力；本工程在灌浆过程中大多数孔段灌浆压力达到3Mpa后无法继续升压，故暂定为3Mpa。

（3）灌浆遇到大耗量孔段，灌浆段灌浆无回浆时，需分析原因，根据实际情况首先应采用各项有效措施，达到灌浆有回浆的工况，以后可按前第2条中所述施工。

（4）在灌浆过程中，若出现相邻孔段冒水、冒黄泥等情况，应一直灌注，直到被串孔返浓浆。在有条件的情况下，尽量同时灌注；否则应将被串孔堵塞，按照上述要求进行灌注。

（5）灌浆如遇密实粉细砂层的孔段，吸浆量较小，灌浆效果不明显的，该单元灌浆完成后应对砂层段位进行专门检查，若检查结果达不到设计防渗标准，可进行排间加密，必要时可采用化学灌浆的措施进行处理，（化学灌浆宜选用价格较便宜，可满足设计要求的改性水玻璃浆液）。

（6）造孔遇到空腔可采用大孔径钻孔，

使用混凝土泵泵入高流态混凝土。

2.1.4质量检查

帷幕灌浆孔结束14d，在整个武都水库溶较发育的右岸EL574平洞共计布置60个检查孔，压水1195段，吕荣值最大1.55Lu，最小0.13Lu，平均透水率0.55Lu，小于1Lu的为1187段，大于1Lu的为8段且不集中，检查孔压水情况满足设计质量标准。检查孔进行了取芯，在岩溶部位取到水泥结石，结石多为片层状，并紧密结合在一起。后进行了岩芯素描和岩芯柱状图绘制。

2.2宜兴油车水库帷幕灌浆施工

2.2.1工程地质条件

坝址区地表第四系松散堆积物广为分布，右岸九里山、小黄山等地有基岩断续出露。基岩由老到新分别为二迭系上统龙潭组，长兴组，三迭系下统下青龙组和上青龙组。

经钻孔揭露左岸防渗线路上地层主要为第四系覆盖层，下卧基岩为三叠系下统上青龙组和下青龙组地层。根据宜兴市油车水库可研勘察（补充）二号防渗线钻孔柱状图揭示的地质情况，左岸防渗帷幕线上共布置钻孔15个，其中有9个钻孔遇到溶洞，占钻孔率60%；钻孔揭露溶洞22个。其中洞高小于3.0m的20个，占90.91％；洞高大于3.0m的2个，占9.09％；洞高最大者为3.40m，位于ZK103孔（该孔穿越4个溶洞，溶洞洞高自上而下分别0.80m、3.40m、1.20m、3.08m）。目前施工现场发现的XDK39溶洞洞高已达到27.3m以上。左岸帷幕线地质复杂，溶洞裂隙多，存在串通现象，到目前为止，发现溶洞最大串通长度达140m

2.2.3帷幕灌浆孔位布置

岩溶发育部位孔位布置3排（W0+885～W0+935、W1+104.00～W1+151.00帷幕灌浆三排布置）。

2.2.4灌浆施工

（1）施工工艺

本项目灌浆是根据宜兴油车水库地层岩性、地质条件的实际情况和国内已建工程的实践，采用孔口封闭、孔内循环、自上而下的分段灌浆法灌浆，采用这种方法，孔内不需要下入灌浆塞，施工简便，节省工时；每段灌浆结束后，不需待凝，即可开下一段的钻孔，加快施工进度；同时上部孔段可得到多次重复灌注，对提高灌浆质量非常有利。在岩溶地区采用孔口封闭法灌浆，可以加大灌浆压力，使岩溶系统内的充填物挤压的更密实，大大提高岩溶系统内充填物的抗渗性能和稳定性。帷幕灌浆孔先施工下游排，再施工上游排，最后施工中间排，按分序原则逐次序进行施工，先施工Ⅰ序孔，然后施工Ⅱ序孔，最后施工Ⅲ序孔。

（2）钻孔

本项目灌浆钻孔采用XY-2型回转式钻机，金刚石钻头钻进，物探孔孔径Φ75mm，抬动观测孔孔径Φ56mm，灌浆孔孔口段孔径Φ108mm，以下各段孔径Φ75mm。各灌浆孔在钻孔过程中要严格控制偏斜，帷幕灌浆施工孔各孔孔底孔底偏差均满足设计的有关规定。

（3）采用双套管方案

本项目基岩面与覆盖层接触段溶沟溶槽发育，孔口管按技术要求镶入基岩，部分接触段灌浆很难达到设计压力，地表冒浆严重，若孔口管镶入基岩太深，则接触段灌浆质量难以达到设计要求。经过讨论和生产性试验最终确定采用双套管方案，第一套下设至基岩面灌注完成后形成一层盖板，然后在第一套套管内下设第二套套管，镶入至基岩内2米，在基岩内灌浆再加上接触段盖板的作用，最终圆满完成灌浆任务并且节省大量浆液。

（4）裂隙冲洗

该项目岩溶大多数为充填型裂隙，充填物主要为粘性较好的黄泥。黄泥有良好的防渗性能，再者该项目主要采用水泥膨润土浆液作为堵漏材料，经过相关方讨论研究和国内知名专家咨询，最终决定钻孔遇到岩溶时可不进行裂隙冲洗。

（5）灌浆段长及压力

灌浆段长及压力按照设计要求执行，具体见表3.2-1。

表3.2-1帷幕灌浆压力表

注：在施工遇断层、岩石破碎、岩溶发育时可适当缩短或延长灌浆段长。

（6）灌浆材料

灌浆使用的水泥品牌为江苏双龙水泥长生产的普通硅酸盐水泥，标号为42.5级；水泥细度通过80μm方孔筛余量不大于5%。灌浆用水泥按批号进行物理和力学新能试验，主要是水泥强度、细度、初凝和终凝时间以及水泥体积的安定性等，灌浆用水泥均符合规定的质量标准。

该项目岩溶系统较发育，经现场施工实验和相关工程施工经验，我们在帷幕灌浆时遇岩溶发育孔段时灌注膏状浆液，膏状浆液采用水泥膨润土膏状浆液，配置膏状浆液的膨润土选用湖南澧县生产的二级以上优质膨润土。

（7）灌浆

本项目灌浆配备三参数自动记录仪进行记录，最大灌浆压力3.0Mpa。

灌浆时浆液的浓度由稀到浓，逐级变换，吸浆量大时灌注膏状浆液。本工程帷幕灌浆浆液水灰采用5：1、3：1、2：1、1：1、0.5：1等五个比级。膏浆采用0.5：1：0.05（过渡浆液）、0.5：1：0.1、0.5：1：0.2、0.5：1：0.25五个比级。

每个孔段开灌比级根据灌前压水情况确定。稳定设计压水压力情况下：

1）压入流量Q终<30L/min，开灌水灰比采用5：1；

2）压入流量30L/min<Q终<50L/min，开灌水灰比采用3：1；

3）压入流量Q终>50L/min，开灌水灰比采用2：1；

当压水压力达不到设计标准时，表明渗漏量很大，开灌直接灌注膏状浆液。

灌浆浆液遵循由稀变浓、逐级改变的原则。水泥浆液水灰比按5：1、3：1、2：1、1：1、0.5：1五个比级，当灌浆遇岩溶系统或注入量较大的孔段时，选用水泥膨润土膏状浆液（水：水泥：膨润土=0.5：1：0.01、0.5：1：0.15、0.5：1：0.20、0.5：1：0.25）进行处理。

帷幕灌浆采用自上而下分段灌浆法，在规定的压力下，当注入率不大于1.0L/min时，继续灌注60min后结束灌浆。

终孔段灌前压水透水率q≤5Lu，当不能满足上述要求时，需再加深一段，按6m一段进行加深。

根据施工情况表明，该项目岩溶发育范围大，岩溶多数z为全充填或半充填溶洞，岩溶充填物为流塑状。为了防渗幕体的很好形成，帷幕灌浆施工需将部分岩溶充填物进行置换，即在帷幕范围内布设置通气孔和灌浆孔，灌浆孔注入大量的灌浆材料，使用压力将岩溶充填物从通气孔挤出岩溶发育区域，施工原理图将图3.2-1。

在岩溶发育地段，通气孔每4.0m一个，平行轴线布置，该孔直接钻孔至岩溶顶部，入岩溶发育部分0.5m。帷幕灌浆孔按设计轴线布置，每4.0米一个，与通气孔成梅花型布置。该孔直接钻孔至岩溶底部，该灌浆孔专门为岩溶处理设置，上部基岩可不进行灌浆，岩溶处理完成后在进行常规帷幕灌浆处理。几个灌浆孔同时进行灌注，灌浆时不限流、不限量、不限时，直到通气孔返浆为止。通气孔的返浆流动度与进浆流动度相同时立即待凝。

图3.2-1灌浆挤出的流塑状岩溶充填物

2.2.5灌浆资料分析

宜兴油车水库左岸帷幕灌浆共分为两个分部，每个分部50个单元。从灌浆资料分析，宜兴油车水库左岸帷幕灌浆工程，各次序孔单位注入量、排间单位注入量呈递减趋势，符合灌浆规律。

膏状浆液灌浆在岩溶系统灌注时有充填岩溶空腔、挤密岩溶充填物和提高地层防渗性的良好效果。

2.2.6灌浆质量评价

根据施工规范要求，帷幕灌浆施工完成后对灌浆质量进行钻孔取芯、压水检查。左岸帷幕灌浆共计完成检查孔施工158个，完成压水1344段次。其中透水率﹤1的有344段次，占总段数的25.60%；透水率1～3的有759段次，占总段数的56.47%；透水率3～5的有239段次，占总段数的17.78%；透水率﹥5的有2段次，占总段数的0.15%。

左岸帷幕灌浆共计分为100个单元，施工完成后相关方对施工质量进行了评定。其钻孔孔序、孔深、孔位满足设计要求；灌浆的分段和段长、钻孔冲洗、孔斜、灌前和灌后压水试验数量、灌浆压力、浆液变换和结束标准、灌浆记录及封孔等均满足设计、规范要求，且资料齐全；检查孔压水成果优于设计标准。本工程帷幕灌浆100个单元，合格100个单元，合格率100%，优良93个单元，优良率93.00%。

3、结语

随着我国水利、水电事业的快速发展，越来越多的岩溶地区开始修建高坝。帷幕灌浆作为地基与基础防渗处理的一种重要手段，在水电建设的基础防渗处理方面起着很重要的作用。岩溶区灌浆施工技术较复杂。

通过不同岩溶特点不断摸索并针对性的采用有效的灌浆处理方案。在施工中不断总结、探索形成了一套不同类型岩溶区帷幕灌浆的处理措施，并取得了良好的效果和有价值的经验，这为岩溶区帷幕灌浆提供有意义的借鉴。