高德樹(shù)

（甘肅省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，蘭州730000）

1 引言

隨著我國(guó)水利建設(shè)向縱深的發(fā)展，縣域功能水庫(kù)建設(shè)取得長(zhǎng)足進(jìn)步。這些水庫(kù)壩體不高，庫(kù)容也多在幾百萬(wàn)立方米的級(jí)別，壩址工程地質(zhì)要求略低。但是，對(duì)于干旱地區(qū)，庫(kù)壩的滲透性問(wèn)題尤為重要。甘肅莊浪一個(gè)小型水庫(kù)遇到的工程地質(zhì)問(wèn)題就比較特殊。

2 庫(kù)壩工程地質(zhì)概況

莊浪花崖水庫(kù)為一年調(diào)節(jié)縣域供水水源工程，它包括壤土心墻砂礫石壩、泄水建筑物（泄洪洞、溢洪道）及取水管道。選定壩址最大設(shè)計(jì)壩高41.8 m，總庫(kù)容為2×106m3。

庫(kù)區(qū)區(qū)域構(gòu)造屬于祁呂賀“山”字形構(gòu)造體系，處在西南馬蹄形盾地與隴西六盤山旋回褶皺帶內(nèi)店峽向斜的西南翼，主體為白堊系地層，呈單斜產(chǎn)狀，主構(gòu)造線呈北西西向、北北東向。

庫(kù)、壩巖體屬于白堊系下統(tǒng)（K12），巖性為砂礫巖、砂巖夾泥巖。砂礫巖呈厚層，泥質(zhì)、輕鈣質(zhì)膠結(jié)，一般巖芯采取率達(dá)90%以上，巖體完整性較好。巖層平緩，產(chǎn)狀NW310°～345°NE∠10°～15°，砂礫巖傾向上游，構(gòu)造簡(jiǎn)單，無(wú)斷層。壩基巖體飽和抗壓強(qiáng)度最大值27MPa，最小值8MPa，均值17.8MPa，屬較軟巖～軟巖。弱風(fēng)化帶基巖透水率一般小于5Lu，為弱透水至微透水地層。

3 壩基微薄透鏡體的發(fā)現(xiàn)

3.1 壩基滲透異常性與補(bǔ)充勘探

水文地質(zhì)與工程地質(zhì)勘察對(duì)壩基巖體的認(rèn)識(shí)如下：

地下水為基巖裂隙水。在落選壩址岸坡有一處泉水溢出，水量較小，附近花崖斷層勘探到承壓水，透水率約4.1Lu，地下水沒(méi)有腐蝕性。

初步設(shè)計(jì)階段的勘察均按照常規(guī)勘察程序進(jìn)行。共在壩基延伸線左右布置了6 個(gè)勘探孔，其中唯有鉆孔ZK03 的壓水試驗(yàn)出現(xiàn)異常，在10～35m 孔深段，巖芯提取率低，透水率20.92～26.8Lu，達(dá)到中等滲透率，局部試驗(yàn)段還出現(xiàn)壓水不起壓的情形，與其他鉆孔背景巖體普遍小于5Lu 形成較大差異。

在初設(shè)審查時(shí)，專家結(jié)合壩址的巖體水文地質(zhì)表象，分析鉆孔異常，決定在ZK03 旁補(bǔ)充鉆孔勘探1 孔（ZK07）。

補(bǔ)充勘探改變了方法，采取了半合套管取芯的雙套管鉆進(jìn)新工藝，以期能完整地取出原狀巖芯半合套管鉆進(jìn)。

3.2 微薄透鏡體

實(shí)際半合雙套管鉆進(jìn)取芯全部成功。

補(bǔ)充勘探鉆孔揭露出壩基局部含有多層微弱膠結(jié)的微薄砂礫透鏡體，如圖1 所示。分析所取各個(gè)透鏡體巖芯可知這些透鏡體有以下特征：（1）厚度僅有 3～17cm；（2）最下層者與覆壓巖體有弱不整合接觸；（3）含有磨圓度高至卵礫的1～3cm 礫石，松散無(wú)膠結(jié)，孔隙度很高；（4）灰綠色重，與前期巖相比偏向于形成環(huán)境具還原特點(diǎn)；（5）多達(dá)6 層；（6）其微含水層都具微承壓性，局部承壓水頭高27～28m。

3.3 成因分析

從透鏡體的結(jié)構(gòu)組成推斷，其成因?yàn)樾⌒秃恿鞯暮勇┏练e，水徑流小，在面上某個(gè)方向不見(jiàn)得連續(xù)延伸，但卻是彼此能夠串聯(lián)的。多期的河流洪積與河漫灘沉積交互出現(xiàn)，形成了多個(gè)分層。

因?yàn)楹勇┏练e的基礎(chǔ)空隙率就高，經(jīng)歷后期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)后，通過(guò)裂隙能得到補(bǔ)給水，巖層緩傾10°～15°，既創(chuàng)造了賦存條件，又提供了充足的水動(dòng)力，容易形成排泄，使地下水活動(dòng)保持持續(xù)活躍，鈣質(zhì)膠結(jié)就形成不起來(lái)，加之具備管涌條件而使得細(xì)顆粒隨地下水遷移流失。

3.4 微薄透鏡體的強(qiáng)滲透性

鉆孔壓水試驗(yàn)顯示，這些微薄透鏡體具有強(qiáng)透水性。ZK07孔在30～35m 試段，在0.1MPa 壓力下透水量 61L/min，透水率達(dá)到92Lu。這種強(qiáng)透水性微薄透鏡體構(gòu)成比較罕見(jiàn)的庫(kù)壩水文地質(zhì)現(xiàn)象。

4 壩基帷幕灌漿試驗(yàn)條件

經(jīng)過(guò)反復(fù)查明，壩基局部存在微薄透鏡體強(qiáng)透水層，構(gòu)成壩基滲漏和滲透穩(wěn)定問(wèn)題。

在壩基滲透性改良方面，工程上已經(jīng)積累了很多帷幕灌漿的經(jīng)驗(yàn)[1～3]。施工圖設(shè)計(jì)決定對(duì)花崖水庫(kù)壩基進(jìn)行帷幕灌漿處理。針對(duì)微薄透鏡體的賦存區(qū)域，設(shè)計(jì)3 排帷幕進(jìn)行灌漿，其余普通裂隙巖體區(qū)域采用一排帷幕灌漿。

4.1 灌漿試驗(yàn)分區(qū)

根據(jù)壩基巖體裂隙發(fā)育的特征、微薄透鏡體含水層發(fā)育情況，將壩基分成2 個(gè)特征滲透改良區(qū)域。在2 個(gè)特征滲透區(qū)域各選定一個(gè)試驗(yàn)區(qū)，分別是右壩下游3 排帷幕區(qū)，中壩段單排帷幕區(qū)，另加凹槽試驗(yàn)區(qū)。試區(qū)布置落在帷幕灌漿軸線上，以便試驗(yàn)灌漿結(jié)果將作為防滲帷幕的組成部分。

4.2 灌漿試驗(yàn)孔布置

微薄透鏡體含水層發(fā)育區(qū)帷幕按照梅花形布置，孔距1.5m，排距1.5m，共15 個(gè)孔，鉆孔頂角垂直于水平線，設(shè)計(jì)頂角0°。灌漿孔深入基巖5m。

4.3 灌漿試驗(yàn)孔沖洗、波速測(cè)試、壓水試驗(yàn)

試驗(yàn)孔先進(jìn)行低壓洗孔，再以設(shè)定灌漿最大壓力的80%進(jìn)行高壓洗孔。配套的波速檢測(cè)采用單孔法，從孔底向孔口方向，間距0.2m，一發(fā)雙收測(cè)試。

洗孔后采用一級(jí)壓力單點(diǎn)循環(huán)壓水試驗(yàn)，弱風(fēng)化頂面基巖封閉，全孔段壓水。

4.4 灌漿

4.4.1 漿液配比

依據(jù)規(guī)范和灌漿施工技術(shù)的要求，灌漿試驗(yàn)的水灰比定為 2∶1、1∶1、0.7∶1、0.5∶1 4 個(gè)配比級(jí)，不管每個(gè)孔實(shí)測(cè)巖體透水率的大小，開(kāi)灌水灰比一律以2∶1 進(jìn)行，漿液濃度由稀到濃逐級(jí)增加。漿液在使用前對(duì)＞80μm 的粗顆粒予以過(guò)濾。

4.4.2 灌漿壓力

適宜的灌漿壓力既不至于造成混凝土蓋重抬動(dòng)和漿力劈裂巖體，又能形成較大的擴(kuò)散半徑。參照相似巖體水庫(kù)帷幕灌漿的實(shí)踐，厚層塊狀鈣質(zhì)膠結(jié)砂礫巖發(fā)生漿力劈裂的臨界壓力為1MPa。試驗(yàn)孔混凝土蓋重厚1m，試驗(yàn)灌漿壓力取為0.5MPa。吸漿量較小時(shí)采用一次升壓法。遇到巖體透水性強(qiáng)、吸漿量較大時(shí)，采用分級(jí)升壓法。

5 微薄透鏡體帷幕灌漿反應(yīng)

5.1 背景滲透次序性

微薄透鏡體試驗(yàn)區(qū)各孔位透水率較大的情況多集中在23m 以上深度試段，甚至部分孔段出現(xiàn)過(guò)無(wú)壓、無(wú)回現(xiàn)象。再次驗(yàn)證了微薄透鏡體的強(qiáng)透水能力。

從表1 數(shù)據(jù)反映，與普通裂隙巖體相比，微薄透鏡體的強(qiáng)滲透性表現(xiàn)得更加充分。盡管一次灌漿后平均滲透性大幅度衰減約1/2，仍然個(gè)別段透鏡體層段二次灌漿滲透性沒(méi)有衰減，在上游排孔局部試段還有增加。這說(shuō)明一些微博透鏡體有超出預(yù)想但仍然與成因吻合的帶狀延展度。

5.2 灌漿抬動(dòng)

在微薄透鏡體試驗(yàn)區(qū)的15 個(gè)鉆孔內(nèi)，共完成110 段灌漿，結(jié)果產(chǎn)生抬動(dòng)的孔段共58 段，占比53%；在孔深5～25m顯示抬動(dòng)頻率較高。有3 個(gè)孔試段依次累計(jì)抬動(dòng)值達(dá)到154μm、154μm、192μm，接近抬動(dòng)控制范圍值。

5.3 冒漿、漏漿

相比在基巖裂隙處淺孔位出現(xiàn)過(guò)一處冒漿，劈裂裂隙長(zhǎng)度2m。在微薄透鏡體區(qū)域上游排孔出現(xiàn)過(guò)漏漿，二次灌漿注灰量不降反增。實(shí)際操作時(shí)采用間歇1h 即收到了先期灌漿凝漿效果。

5.4 微薄透鏡體注灰量

微薄透鏡體試驗(yàn)區(qū)平均單注灰量達(dá)到491.9kg/m，單注灰大于500kg/m 的共35 段，占總灌漿段的32%，其中下游排19 段，同排占比50%，上游排11 段，同排占比32%，中間排5 段，同排占比13%。出現(xiàn)次序孔注灰量大于前序孔注灰量的情況。各排單注灰量有明顯遞減規(guī)律。

6 微薄透鏡體帷幕灌漿效果檢驗(yàn)

6.1 微薄透鏡體灌漿試驗(yàn)效果檢驗(yàn)

灌漿試驗(yàn)完成14d 后，在微薄透鏡體試區(qū)布置了2 個(gè)檢驗(yàn)孔，檢驗(yàn)巖芯，測(cè)定聲波，與之前對(duì)比。

灌漿壓力為0.4MPa 時(shí)，在檢驗(yàn)孔巖芯的裂隙中發(fā)現(xiàn)水泥結(jié)石，說(shuō)明漿液沿裂隙方向擴(kuò)散半徑大于2m。從每個(gè)孔的漿液注入率變化趨勢(shì)來(lái)看，灌漿前后孔內(nèi)波速測(cè)試結(jié)果顯示，在微薄透鏡體試驗(yàn)區(qū)原強(qiáng)滲透段最小波速值均有15%以上的提高。

灌漿前后孔內(nèi)波速測(cè)試結(jié)果顯示，在微薄透鏡體試驗(yàn)區(qū)原強(qiáng)滲段最小波速值均有15%以上的提高。

6.2 微薄透鏡體灌漿

在壩基開(kāi)挖后，施工帷幕灌漿中采納了灌漿試驗(yàn)取得的微薄透鏡體參數(shù)，對(duì)于大吸漿或無(wú)壓無(wú)回的情況下加入水玻璃、細(xì)沙、粉煤灰或其他外加劑材料，在灌注時(shí)間較長(zhǎng)情況下加入了緩凝劑等材料，成功限制了漿液擴(kuò)散范圍，灌漿達(dá)到了滲透率設(shè)計(jì)要求。截至2016 年9 月，花崖水庫(kù)大壩建成臨近驗(yàn)收。

7 結(jié)論

厚層洪積成因的弱滲透性軟巖存在微薄沖積相松散透鏡體，宜采用半合管雙套管鉆進(jìn)取芯?；ㄑ滤畮?kù)壩基勘察灌漿實(shí)踐，揭示了即便厚僅3～17cm 的微薄透鏡體，在小于5Lu 背景裂隙巖體中，也可以表現(xiàn)出100Lu 以上的滲透性。不過(guò)，采用在0.43MPa 壓力下限流、限量、增加漿液方向度、間歇灌漿，微薄透鏡體的可灌性仍然是比較好的。