熊新
（中国水利水电第九工程局有限公司贵州贵阳550008）
【摘要】汉江王甫洲水电站厂坝区帷幕灌浆工程，主要施灌地层为疏松砂砾岩，过去在这类地层灌浆施工中，通常采用防渗墙或化学灌浆方法，随着制浆设备的发展和注浆材料的开发，该工程采用了湿磨水泥浆液，在以疏松砂砾岩地层为主的坝基中进行帷幕灌浆试验，并在施工中成功应用，与以往所采用的其它灌浆方法相比，具有操作简单、造价低、质量保证、减少对地下水和施工环境的污染等优点，为此本文对这次试验和应用作一介绍。
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关键词 湿磨水泥浆液；疏松砂砾岩地层；帷幕灌浆试验与应用；汉江王甫洲水电站
1. 概述
1.1汉江王甫洲电站位于湖北省老河口市汉江古河道所形成的江心洲——王甫洲上，是一座贯流式灯泡机组单机容量较大的电站，装机容量4×2.725万KW，坝顶高程EL90.23m，厂房建基面EL56.33~51.07m，正常高水位EL86.23m，其中在电厂区船闸、重力坝、主厂房和安装场基础相应布置了防渗帷幕灌浆，防渗线总长457.5m，最大钻孔深度30.5m，防渗面积超过6000m2（见图1）。
1.2电厂区、船闸及重力坝座落在第三系沉积岩的软质基础上，所揭露地层除第四系全新统的冲积物外，主要为第三系下统夹马槽组（Ej）的粘土岩、砂质粘土岩（CLs），粉砂岩（Siss）、细砂岩（SS）、中粗砂岩（Ss）及含砾石中粗砂岩——砂砾岩（Scg），产状近于水平，微倾南东方向，倾角小于5度，除少部份砂岩胶结强度高而成块状外，其余呈疏松状或簿层到片状，其中粉细砂岩尖灭明显，在施工区内出露很少。其中：（1）粘土岩、砂质粘土岩粘土矿物成份70%以上，以伊利石为主，高岭石次之，含少量石英、长石碎屑，局部含硬度达八级以上的透镜钵。该组岩层致密、透水率小于5.2Lu，是帷幕灌浆底线的确定岩层，但岩层软弱，主要通过灌浆来提高其承载力。（2）粉砂岩、细砂岩主要成份为石英、长石碎屑，胶结物为方解石和混质杂基，胶结尚好，部份泥化，灌浆的主要目的是提高防渗能力和强度。（3）砂岩、砾质砂岩（疏松砂砾岩）其颗粒成份变化大，砾石硬度高、含量大、粒径在10～20mm之间，主要为脉石英和石英、胶结物多为泥质杂基，方解石次之，胶结度差，大部份成疏松状，为强透水层，层间孔隙承压水的富水层，以粘土岩层作为该富水层的隔水顶底板，由于是汉江水切穿上隔水层直接补给承压水富水层，承压水头较稳定，为灌浆工作的主要施灌岩层。
2. 湿磨水泥灌浆试验
2.1试区选择与钻孔布置。
（1）由于电厂区、船闸及重力坝均座落在第三系沉积岩的软弱基础上，岩层产状近于水平，横向变化不明显，为了确保试验与其它工程施工不发生干拢，将试验场地选在坝上游侧，距设计帷幕线水平距离50m左右的空地上，该处的高程位置和出露地层均比较接近于设计帷幕体处的平均状况。试验孔相继穿过粘土岩、砂质粘土岩（CLs）（厚1.5~2. 0m）→粉砂岩（Siss）（厚1.0~3.5m）→粘土岩、砂质粘土岩（CLs）（厚3.0~7.0m、中间局部夹0~2.0m中粗砂岩）→疏松砂砾岩（Scg）（厚6.0~8.0m）→粘土岩、砂质粘土岩（CLs）。其中主要施灌地层疏松砂砾岩（Scg）出露完整，试区具有较好的代表性。（见图2）
（2）试验区钻孔布置轴线与设计主帷幕线平行，钻孔按单排孔形式布置，分三序施工，设灌浆试验孔9个（Ⅰ序3个、Ⅱ序2个、Ⅲ序4个），孔距分2.0m和2.5m两种，钻孔顶角均为0度，其中1～3为先导孔，深25.0m，其余均为22.0m，共计201m，检查孔3个，均为22.0m深，其中三级五点法压水1个，做耐压、破坏试验1个，声波测试孔4个（2组），深度为24.0m，抬动观测孔2个，深度为24.0m。（见图2）。
注：设计均为垂直孔。
2.2现场试验。
2.2.1主要设备。
（1）钻探机械选用SGZ-ⅢA型地质钻机，灌浆设备为SGB6-10型三缸单作用卧式柱塞灌浆泵，排量100L/min，压力10MPa，制浆采用ZJ-400型高速制浆机拌制，GSM-1型浆液湿磨机磨细，各作业面用JJS-2型台式双层搅拌桶储浆。各项设备性能都比较稳定，能满足灌浆技术要求。
（2）GSM-1型浆液湿磨机主要靠上下两片磨盘作相对转动，水泥浆介质流过其间被磨细，主要技术参数为：电机功率5.5KW，主轴转速3000r/min，出料最大粒径小于40μm，产浆能力1000L/h，质量125Kg。
2.2.2钻孔。
采用合金钻头取芯钻进，砼钻进，单位钻头产量0.9m/个，其余岩层5.0m/个，钻机就位后用罗盘仪和垂球校正钻机，钻终孔用KXP-1型轻便测斜仪检测，钻孔偏差情况均符合规范要求（见表1）。对无法成孔或成孔困难孔段，采用缩短灌浆段长或循环灌浆成孔。
2.2.3湿磨水泥浆液配制。
2.2.3.1浆液主材选用荆门水泥厂生产的三峡牌低碱中抗硫酸盐P.O42.5水泥，浆液配制程序为：
2.2.3.2对磨细后的水泥浆液进行了室内试验，试验结果（见表2）。试验表明：（1）湿磨水泥浆不加速凝剂时凝结时间较长，0.6:1浓浆初凝时间需要5h:30min，不利于在疏松砂砾岩地层中分段连续钻灌作业，需加入适量速凝剂，试验中TF速凝剂掺量5%~6%，0.6:1浓浆初凝时间提到54min，可基本满足施工要求。（2）湿磨水泥浆加入5%~6%TF速凝剂后，结石的抗折和抗压强度均下降42%左右，但可以满足防渗帷幕的强度要求，可作为本次灌浆试验的施工参数。(3)水泥浆液通过湿磨机磨细后，其塑性粘度有相应提高。
2.2.4灌浆。
（1）灌浆方法：
采用自上而下、孔内阻塞、孔底循环、分段灌浆，灌浆段长不大于6.0m，对难成孔或成孔较差的岩层段采取循环灌浆或缩短段长灌浆。
（2）灌浆压力：
除先导孔外，其余各孔第一段采用0.15 MPa灌浆压力，以下各段以第一段为基数，塞位每增加孔深1m，压力相应增加0.025MPa，最大灌浆压力为0.65MPa。在灌浆过程中对抬动变形值进行观测，抬动变形值控制在200μ以内，当在设计压力下抬动变形量大于200μ时降低灌浆压力一半，直至灌浆结束。
（3）灌浆结束标准：
灌浆施工规范要求，各孔段灌浆在设计压力下，当吸浆量≤1L/min时继续灌注60min，可结束灌浆。但在试验施工中，由于采用了湿磨水泥浆液，其塑性粘度相应偏大，另外在疏松砂砾岩地层中灌浆，在屏浆压力作用下，加快了浆液升温速度和浆液析水速度，浆液容易变稠，导至屏浆时多次出现埋钻事故，经现场多次测定总结，将屏浆时间控制在40min以内，可大大避免埋钻事故的发生，为此在实际工作中把40min作为屏浆时间的指导参数。
2.2.5灌浆效果评价。
2.2.5.1注入灰量分析：
（1）根据灌浆试验原始记录收集整理、分别对：a、孔距2.0m与2.5m不同区域的注入灰量情况（见表3）；b、强透水地层(疏松砂砾岩)与其它弱透水地层(粘土、粉砂岩)不同层位的注入灰量情况（表4）；c、湿磨浆液各级水灰比与其注入量的关系（见表5），进行统计分析。
（2）通过表3可看出，孔距分别为2.0m和2.5的区域，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ序次孔的单位注入灰量逐级递减规律性较好，孔距分别为2.0m的区域平均单位注入灰量为305.92Kg/m，孔距分别为2.5m的区域平均单位注入灰量为353.16Kg/m，前者小于后者。这说明湿磨水泥浆液在该地层中灌注，注入量与孔距的关系和各序次孔的单位注入灰量逐级递减现象，符合水泥灌浆的一般规律，同时也说明湿磨水泥浆液在疏松砂砾岩地层中的可灌性。
（3）从表4中可看出，疏松砂砾岩层灌浆长度占总灌浆长度的26.37%，注入量占总注入量的74.70%，其余岩层灌浆长度占总灌浆长度的73.63%，注入量却占总注入量的25.30%，这充分说明了湿磨水泥浆液的主要灌注对象是疏松砂砾岩地层，采用湿磨水泥浆液灌注疏松砂砾岩地层是可灌的、有效的。
（4）从表5可看出，湿磨水泥浆在灌注过程中，Ⅰ序孔注入的浆液绝大多数为0.6:1的浓浆（78.5%~91.3%），Ⅱ序孔注入的浆液以3:1的稀浆为主，Ⅲ序孔对3:1、2:1、1:1、0.6:1几种不同比级浆液均有不同程度的注入量，整体来看，以灌注0.6:1的浓浆为主，占总注入量的77.5%，对灌浆的强度和结石率均有利。其中0:8:1的浆液完全没有用上，说明这样的灌区可灌性可能趋于强与弱两种透水地层，中透水性的岩层较少，或可灌性差。
2.2.5.2灌浆前后压水试验成果分析：
（1）各序次灌浆孔段安装好栓塞后，在灌前均采用该段灌浆压力的80%压力值进行稳定性单点法压水试验；灌浆结束14d以后，对检查孔J-1、J-3进行了单点法压水试验，第一段（3~5.0m）压水压力值采用0.15MPa，以下各段均采用0.3MPa，对检查孔J-2进行了五点法压水试验，三级压力分别为相应孔段单点法压力值的0.3、0.6、1.0倍。灌前各序次钻孔和灌后各检查孔的透水情况（见图3），从图上可看出：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ序孔灌前透水率，随逐序施灌，地层透水状况不断改善，透水率呈递减趋势；灌前整体透水率超过设计防渗标准值（3Lu）的段次频率占80%以上，灌后3 个检查孔的压水透水率小于设计防渗标准值（3Lu）的段次频率为100%，其中透水率小于1Lu的段次频率占80%左右，说明通过湿磨水泥浆液灌注，坝基的抗渗能力可大大提高，完全可以满足防渗设计标准的要求。
（2）其中作五点法压水试验的J-2检查孔，得出的P-Q曲线（见图4），用图4结合本文图2的地质剖面可看出： Scg疏松砂砾岩地层（孔15~20.0m段）P-Q曲线为A（层流）型，CLs粘土岩、砂质粘土岩地层（孔5~15.0m段）P-Q曲线为E（填充）型，Siss粉砂岩地层（孔3~5.0m段）P-Q曲线为D（冲蚀）型，说明湿磨水泥灌浆对疏松砂砾岩地层和粘土岩、砂质粘土岩地层的胶结结构状况有明显改善；湿磨水泥灌浆对粉砂岩地层可提高一定的抗渗能力，但在水压力作用下有冲蚀现象，强度效果不是很好，但有幸的是主灌区中粉砂岩地层尖灭明显，出露很少，对地基影响不大。
2.2.5.3灌浆前后测试地层岩体弹性波速成果对比分析：
（1）在灌浆前、后用同样的方法对试验区P-1~P-2和P-3~P-4两个剖面，作跨孔弹性波速测试，测点距为0.2m，先自上而下，然后自下而上测量两次，以测读的声波平均值计算波速Vp成果（见表6）。
（2）从表6中看出，在灌浆孔距为2.5m部位的P-1~P-2剖面，灌后最低波速2310 m/s，最高波速2690m/s，波速提高6.25~9.5%，灌浆孔距为2.0m部位的P-3~P-4剖面，灌后最低波速2300 m/s，最高波速2510m/s，波速提高5.6~11.6%，其中砂砾石地层段P-1~P-2剖面提高9.5%，P-3~P-4剖面提高11.6%，说明通过湿磨水泥灌浆后地层性能获得较大改善，且2.0m孔距优于2.5m孔距。
表7各部位施工第一段灌浆压力值表
3. 湿磨水泥在主体帷幕灌浆施工中的应用
在湿磨水泥帷幕灌浆试验的基础上，设计在电厂区布置了双排帷幕，孔距2.0m，排距2.0m，船闸及重力坝布置了单排帷幕，孔距2.0m，防渗线总长457.5m，最大钻孔深度30.5m，，采用与帷幕灌浆试验同样的施工工艺，只是根据不同部位调整了各孔第一段的灌浆压力值(见表7)，浆液水灰比调整为3:1、1:1、0.6:1三个比级。于1997年开始施工，1998年底基本结束，共完成基岩钻孔242个，岩基钻灌4063.12m，检查孔压水试验72段次，防渗面积超过6000m2。经分部分项工程验收，评定为优良工程，于1999年11月通过国家电力部专家组对下闸蓄水前的安全鉴定后，已安全运行至今。
4. 结语
（1）王甫洲水电站厂区防渗帷幕灌浆工程，通过湿磨水泥浆液在工程主要施灌地层（疏松砂砾岩地层）中的帷幕灌浆试验，证明了以疏松砂砾岩为主的坝基采用湿磨水泥灌浆方法在技术上的可行性，效果上的可靠性，从中获得了必要的技术经济数据，合理的施工程序和施工工艺，为设计和施工提供了依据，经本工程施工实际应用，湿磨水泥灌浆已形成预计的防渗帷幕体，投入运行五年多来，工况良好。
（2）实际证明，湿磨水泥浆液采用适当的配比和灌注方法，在疏松砂砾岩地层中是可灌的、有效的，应推广应用；在粉砂岩地层中具有一定的可灌性，但胶结程度有限，在压力水头作用下，有冲蚀现象，有待于在以后的类似工程中研究改进，达到可靠改良地基目的。
（3）在往后的施工中，对湿磨水泥浆液的颗粒细度，需寻找一套简单准确的检测方法，才能满足更进一步的研究和施工的要求。
（4）湿磨水泥浆液的应用，操作过程简单，对工人没有粉尘污染、腐蚀等危害，注入地层后不会导致地层和地下水污染，是人类可持续发展，值得进一步研究应用的灌注方法。
［文章编号］1006-7619（2014）12-02-770
［作者简介］ 熊新（1970.02.27-），男，籍贯：贵州人，职称：工程师，从事水利水电工程基础处理技术与管理工作。