
罗长军
(河南大学土木建筑学院开封 475001)
摘要针对河南省方城县望花亭水库坝基水文地质与工程地质条件,对坝基渗流进行了分析,指出在桩号0+165~0+430坝段的大理岩总出露宽度为265 m,第5,7层大理岩仅占坝址区大理岩总宽度38%,但渗漏量却占坝基总渗漏量的69.7%,由此形成落水洞、大面积沼泽地、管涌和接触冲刷等隐患。分别对坝基大理岩进行封闭式帷幕和悬挂式帷幕灌浆处理。按照初步设计阶段灌浆设计要求,拟采用常规的一次灌浆法或“孔口封闭自上而下分段灌浆法”,但灌浆试验表明在钻孔中止塞困难,绕塞返浆严重,造成土坝吃浆量很大,坝顶冒浆十分严重,对坝基进行灌浆非常困难。经反复试验,摸索出“孔口及坝体封闭、基岩内自上而下分段孔内循环灌浆”的灌浆工艺和灌浆方法。灌浆试验及灌浆施工结果表明,采用新的灌浆工艺后,虽然也存在不少施工难题,但灌浆效果很好。
总结了这种新的施工方法的产生、试验情况、施工工艺、灌浆效果检查等,以便供同类工程参考。
关键词水库工程,坝基,帷幕灌浆,孔口及坝体封闭,基岩内自上而下分段灌浆,施工
分类号TU 472,TV 543+.5 文献标识码 A 文章编号1000-6915(2004)22-3910-07
APPLICATION OF CURTAIN GROUTING TO THE SOLUBLE ROCK
FOUNDATION OF EXISTING SOIL DAM OF
WANGHUATING RESERVOIR
Luo Changjun
(College of Civil Engineering and Architecture,Henan University,Kaifeng 475001 China)
Abstract The seepage of dam foundation of Wanghuating reservoir is analyzed according to the hydrogeological and engineering conditions. It is pointed out that the total width of the marble outcrop under the dam block between stake 0+165-0+430 is 265 m. The fifth and seventh layers of the marbles are 38% of the total width of dam site,but its seepage amount accounts for 69.7% of the total seepage amount. Thus there are hidden troubles of sinkholes,swamps of big area,piping of the highly permeable layer and contact erosion. Therefore,the treatments of curtain grouting and hole-top enclosure curtain grouting to the dam foundation are considered. According to the requirement for the preliminary design phase,the method of sectioned grouting from top to bottom with hole-top enclosure is adopted. But the grouting test results show that the method is difficult to carry out and the grouting effect is unsatisfying. Problems such as trouble watertight plug,serious grout-recycling in the hole,considerable emission of slurry to the dam body and out the top of dam occur. By many tests,the sectioned grouting from top to bottom in bedrock with slurry cycling within hole and enclosure at dam body and hole top is employed. The results of testing and practical grouting show that the grouting effects is excellent in spite of some difficulties in execution. The development of this new method,testing,construction techniques and quality inspection are introduced.
2004年4月2日收到初稿,2004年9月2日收到修改稿。
* 河南省自然科学科技攻关项目(001150202)和河南大学自然科学基金(XK03ZDJZ61)资助课题。
作者罗长军简介:男,1963年生,1987年毕业于武汉地质学院水文地质工程地质系水文地质专业,现任高级工程师,主要从事水文地质、工程地质和岩土工程治理等方面的研究工作。E-mail:luochangjun@henu.edu.cn。
第23卷第22期罗长军. 帷幕灌浆技术在既有土坝可溶岩坝基中的应用• 3911 •
Key words reservoir engineering,dam foundation,curtain grouting,enclosure at the dam body and hole-top,sectioned grouting from top to bottom in bedrock,construction
1 引言
我国国标[1]涉及坝基岩石帷幕灌浆的内容,是针对混凝土坝及浆砌石坝坝基岩石帷幕灌浆或土坝坝体施工前的坝基岩石帷幕灌浆而制定的[2,3],大量灌浆实践证明,这些情形的灌浆效果很好。对既有土坝坝基岩石进行帷幕灌浆施工,目前报道的仅见于文[4,5],工程实践中仍然按照文[1]方法进行施工。近十余年来,在我国已建的8万多座大中小型水库中,约40%成为病险水库[6],其防治办法已经或将更多地选择坝顶帷幕灌浆技术,这就出现了在土坝坝顶操作钻孔灌浆设备对坝基岩石进行帷幕灌浆施工的新问题。文[4]以广东省横江水库除险加固工程为例,介绍了坝体及覆盖层孔段的成孔、封孔技术与质量检查标准等问题,但对施工方法未作介绍。文[5]以河南省望花亭水库为例,通过多次试验,摸索出了“孔口及坝体封闭、基岩内自上而下分段的孔内循环”的灌浆方法,虽然灌浆效果不错,但也遇到了造孔及孔壁封闭、接触面灌浆、形成“灌浆盖帽”、风化带及岩溶灌浆、冒浆处理、坝基灌浆引起坝体劈裂、灌浆质量检查标准等一系列问题。文[5]提出了一些处理措施,但对这种新的施工方法的产生、试验情况、施工工艺、灌浆效果检查等并未详述。现对施工工艺等予以总结,以便供同类工程参考。
2 工程概况
望花亭水库位于河南省方城县城东南9 km的礓石拉河上,控制流域面积45 km2,总库容3.920×107m3,兴利库容1.750×107m3,为一中型水库。该坝为均质土坝,大坝长 1 310 m,坝顶高程为154.98 m,坝顶宽度为5.0 m,最大坝高为14.4 m。1957年兴建该坝,建坝前未进行地质勘察,施工前未清基,1958年建成并运行。
坝基大理岩出露总宽度685 m,占坝轴线总长度的52.3.%。第5,9,11层为厚层状大理岩,在层面、节理面、断层、与片岩接触带等处,溶蚀严重,地表溶沟、溶槽、溶洞发育;在库区的五神庙溶洞高4.77 m,在坝址区的溶洞高0.2~0.5 m,岩溶率达10%~30%;钻孔揭露以溶隙、溶洞为主,洞径为0.1~2.77 m,钻孔见溶洞率为8.8%~14.1%;溶洞内一般充填或半充填红褐色粘性土;1968~1986年的18 a间,在桩号0+190~0+250、高程147.35~148.50 m、大坝坝前50 m范围内,先后发现直径为2~25 cm的落水洞23个,并做了封闭处理;坝前发现的23个落水洞均位于第5层,且岩溶最为发育。第7层为中薄层大理岩,层厚5~10 cm,沿层面岩溶较发育,钻孔见溶洞率为2.1%。据多种水文地质试验,坝轴线云母石英片岩和斜长角闪片岩的透水率小于3 Lu,属弱透水,可视为相对隔水层。第5层厚层状大理岩透水率平均值为171 Lu,最大值为1 041 Lu,属强~极强透水层。第7层中薄层状大理岩透水率平均值为67 Lu,最大值为527 Lu,属中等~强透水层。根据水文地质与工程地质条件评价,在桩号0+165~0+430坝段的大理岩总出露宽度为265 m,第5,7层大理岩仅占坝址区大理岩总宽度的38%,但渗漏量却占坝基总渗漏量的69.7%,存在管涌和接触冲刷问题,所以,确定该段为大坝的隐患部位。第9,11层厚层状大理岩与第16层砂卵石、第18层砂砾石水力联系密切,前者透水率平均值为33 Lu,最大值为82 Lu,为弱~中等透水层,后两者渗透系数为36.4 m/d,属极强透水层,经计算,渗流性态安全。
至1990年,在桩号0+165~0+430坝后200 m 范围内形成大面积沼泽3处,管涌点3处,接触冲刷点5处,涌水泉点10多处。坝基中渗漏量0.375×107 m3,为死库容的2.6倍,兴利库容的22%[7]。坝基长期漏水,造成水资源的严重浪费,且产生接触冲刷和管涌等异常现象,可认为,本工程的渗流性态不安全[8],渗流安全的综合评价为C级,将直接危及大坝安全。通过坝前做粘土铺盖和坝前、坝顶、坝后灌浆等方案的优化对比,决定采用坝顶帷幕灌浆方案对桩号0+165~0+430坝基进行灌浆处理。
3 帷幕灌浆试验
3.1 试验位置选择及试验要求
在库水位正常运行情况下,选择桩号0+156~0+205、宽度为49 m的区域进行灌浆试验。梅花型布置2排灌浆孔(排距2.0 m),单排孔距2.0 m。上• 3912 • 岩石力学与工程学报 2004年
游排(坝轴线)灌浆孔进入基岩30 m,下游排灌浆孔进入基岩5 m,形成悬挂式帷幕。先灌下游排,每排分3序施工。坝体内孔径不小于90 mm,护壁套管直径不小于110 mm,基岩内孔径为55 mm,孔斜为1.25%~2%。
3.2 灌浆试验方法
灌浆试验阶段,曾采用常规[1~4]的一次灌浆法、“孔口封闭自上而下分段灌浆法”,但在钻孔中止塞困难,绕塞返浆十分严重,造成土坝吃浆量很大,坝顶冒浆十分严重。通过反复试验,摸索出“孔口及坝体封闭、基岩内自上而下分段孔内循环灌浆”的灌浆工艺和灌浆方法(图1)[5],施工工艺流程为:坝体钻孔至岩面以上2.0 m(图1(a))→下套管护壁→冲击套管至岩面(图1(b))→基岩钻孔(图1(c))→冲洗→简易压水试验→灌浆(图1(d))→下一段基岩钻孔(图1(e))及灌浆(图1(f))等→对基岩及坝体灌浆孔进行封孔。采用该法后坝体劈裂、坝顶冒浆等现象大为减少。
3.3 灌浆试验过程及工作量
1993年8月4日~1994年1月6日进行了灌浆试验,布置试验孔50个,钻进总进尺1 085.66 m(其中坝体282.43 m,基岩803.23 m),灌浆段总延米803.23 m,总耗灰量339.81 t(其中灌入水泥283.63 t,钻孔用43.83 t,封孔12.35 t),平均单位注入量353.11 kg/m,平均单位耗灰量423.05 kg/m。掺砂55.33 t,外掺剂氯化钙2.26 t、水玻璃0.15 t。
3.4 帷幕灌浆试验效果分析
(1) 钻进灌浆段过程中孔口回水情况:Ⅰ序孔为9%,Ⅱ序孔为26%,Ⅲ序孔为70%,回水情况随灌浆序次递增而增加,说明通过灌浆已充填了大部分基岩的裂隙。(2) 单位注入量的变化:与坝体接触部位的基岩(厚约 5 m)灌浆时普遍存在坝顶冒浆现象,平均单位注入量无逐序减少的规律,其下基岩单位注入量随灌浆序次递增而减少(表1)。(3) 单位注入量频率值的变化:单位注入量小的灌浆段的频率值随灌浆序次递增而增大,反之则明显减少(表1)。(4) 坝下游第5层厚层状大理岩泉流量明显减少:1993年9月10日泉流量5.2 L/s(库水位147.70 m),9月25日为2.5 L/s,11月5日为1.7 L/s (库水位147.50 m),1994年1月1日为0.08 L/s,灌浆试验结束后多数坑塘干涸,沼泽消失。(5) 坝下游第5层厚层状大理岩1#测压管水位大幅降低,1993年10月15日1#测压管水位为143.34 m,12月3日为143.04 m,1994年1月11日为142.84 m。
综上所述,灌浆试验效果明显,可进行大规模灌浆施工。
4 防渗帷幕设计
4.1 灌浆处理范围与灌浆帷幕的位置
根据坝基水文地质与工程地质条件评价,对桩号为0+156~0+442、长为286 m的坝基(即地质条件较差区、极差区)进行帷幕灌浆治理。灌浆帷幕的位置选择在坝轴线上。
4.2 帷幕灌浆的防渗标准
据规范[9]规定,Ⅲ级及以下的中低土坝,考虑到坝基岩溶发育,为安全考虑,采用透水率q≤5 Lu 作为帷幕灌浆的防渗标准。
4.3 帷幕深度的确定
帷幕深度计算公式为[2,3]:
S = H1/3 + C
式中:S为帷幕进入基岩的深度,H
1
为坝高(14.4 m),C为常数(8~25 m)。
考虑到基岩面以下25 m范围内岩溶发育,计算的最大帷幕深度为30 m。因此,在桩号0+156~0+2段形成悬挂式帷幕,在桩号0+2~0+442段形成封闭式帷幕,见图2。
图1 孔口及坝体封闭、基岩内自上而下分段孔内循环灌浆的示意图
Fig.1 The sketch of sectioned grouting from top to bottom in bedrock with slurry cycling within hole and enclosure at dam body and hole-top
第23卷 第22期 罗长军. 帷幕灌浆技术在既有土坝可溶岩坝基中的应用 • 3913 •
表1 不同灌浆段单位注入量区间段频率值
Table 1 Section frequency of unit immitting amount at different grouting area
单位注入量区间段频率值/%
部 位
坝段 桩号
灌浆 序次 平均单位 注入量
/kg·m -
1
<100
kg·m -
1
100~200
kg·m -
1
200~300
kg·m -
1
300~500
kg·m -
1
500~800
kg·m -
1
800~1 000
kg·m -
1
>1 000
kg·m -
1
地层岩性
Ⅰ
93.94 61 13 13
13
Ⅱ 9.34 100
0+156~ 0+1
Ⅲ 11.59 100
片
岩
Ⅰ
261.01 25 20 5 15 35
Ⅱ 311.44 33 3 3 22 17 14 8 接 触 段 基 岩
0+1~ 0+205
Ⅲ 234.02 40 4 19 21 9 7 大
理
岩
Ⅰ
171.15 50 50
Ⅱ 168.54 100
0+156~ 0+1
Ⅲ 105.05 67 33 片
岩
Ⅰ
802.43 3 3 10 19 26
39
Ⅱ 437.75 19 8 31 23 15 4 下 部 基 岩
0+1~ 0+205
Ⅲ
247.58 33 10 22 31 4 大
理
岩
图2 灌浆设计帷幕及施工帷幕示意图
Fig.2 The sketch map of grouting curtains by design and construction
4.4 帷幕厚度及灌浆孔排距、孔距的确定
(1) 根据灌浆试验成果,可布置单排灌浆孔,孔距2.0 m 。据规范[9]规定,一是帷幕厚度可达0.7~0.8倍孔距,即帷幕厚度为1.4~1.6 m ,计算得实际水力坡降为7.9;二是防渗帷幕的透水率q ≤5 Lu ,要求灌浆帷幕的允许水力坡降为18,实际帷幕两侧最大水力坡降为7.9,小于规范[9]要求的允许水力坡降18。所以,帷幕厚度能够满足渗流安全的要求。
(2) 由于帷幕中心线选在坝轴线的位置,所有灌浆孔都要通过坝体,因而带来2个不利因素,一是基岩顶部岩溶发育且风化严重,在无灌浆盖帽的情况下只能采用低压灌浆,难以灌好;二是为防止基岩顶部灌浆时水泥浆液严重劈裂土坝坝体并沿接触面形成接触冲刷,又要求基岩顶部的帷幕应当有足够的厚度形成“灌浆盖帽”。原设计为3排孔,后河南省水利厅批复为上、下游各1排孔,排距为2.0 m ,即在坝轴线下游增加1排浅的灌浆孔,浅孔进入基岩5 m ,故在坝体与基岩接触部位的灌浆帷幕厚度为3.4~3.6 m ,接触水力坡降达到3.48,大于国内外推荐的接触允许水力坡降2~3[2
,3]
,这就存在一
定的不安全因素。因此,在施工中应根据实际情况随时调整灌浆压力或加密灌浆孔数或增加排数。
5 灌浆施工
5.1 灌浆原则
(1) 先灌桩号0+156~0+2段厚层状大理岩,后灌桩号0+2~0+442段中薄层状大理岩;对前
者先灌桩号0+156~0+205段,再灌0+205~0+2段。(2) 先下游排浅孔后上游排深孔。(3) 单排分3序灌浆。
5.2 施工工艺
(1) 钻孔
坝体部分钻孔孔径为91~110 mm,干法回转钻进至岩面以上2.0 m,下入直径为110~127 mm的套管至岩面以上2.0 m,再冲击套管至岩面,并尽可能使套管的管靴与岩面紧密接触。基岩部分钻孔孔径为55 mm,按灌浆目的采用自上而下分段钻进法(图1)。
(2) 灌浆段段长
基岩顶部5.0 m,分2~3段灌浆,段长为1.5~2.0 m。具体来说,在桩号0+156~0+205段分2段,段长依次为2.0,3.0 m;桩号0+205~0+442段分3段,段长依次为1.5,1.5,2.0 m。以下部分段长一般5.0 m,最长不超过7.0 m,遇溶洞或大裂隙后不分段长应立即灌浆。
(3) 冲洗
每一灌浆段钻成后,用大流量清水冲洗钻孔,直至回水变清,再持续冲洗20 min。
(4) 简易压水试验
钻孔冲洗结束后,封闭孔口,用70%~80%的灌浆压力进行30 min简易压水试验;对钻进不回水且无法做压水试验的孔段,以30 min注水试验代替之;根据试验确定浆液的注入量。
(5) 灌浆
灌浆方法为孔口及坝体封闭、基岩内自上而下分段孔内循环灌浆(图1),目的是尽可能不劈裂坝体和形成接触冲刷等危害。
(6) 灌浆压力
因基岩顶部5 m岩石破碎,风化严重,大理岩岩溶发育,灌浆压力过大,易造成坝体劈裂和形成接触冲刷,根据灌浆试验取得的灌浆压力成果,在桩号0+156~0+205坝段,对第1段采用0.1~0.2 MPa的灌浆压力,第2段采用0.2 MPa的灌浆压力;对桩号0+205~0+442坝段,第1段采用0.1 MPa 的灌浆压力,第2段采用0.15 MPa的灌浆压力,第3段采用0.2 MPa的灌浆压力。对深部基岩,每增加一段,灌浆压力相应增加0.1 MPa,最大灌浆压力达到0.7 MPa。
(7) 浆液浓度的选择与变换
浆液浓度原则上要求基岩顶部5.0 m从3∶1开始,深部基岩从5∶1开始;若岩石透水率大,开灌水灰比可适当调大。之后按5∶1,3∶1,1∶1,0.8∶1,0.6∶1,0.5∶1进行浆液变换。若某一浓度浆液已灌入450 L后,灌浆压力或吸浆量无明显改变,可变浓一级;若吸浆量大于30 L/min,可越过一级进行灌注;直至在规定的灌浆压力下,灌浆段的吸浆量小于0.4 L/min,再灌注30 min即可结束。
(8) 封孔
灌浆毕,先用0.5∶1的浓浆排除基岩段孔内稀浆,后在终孔灌浆压力下用0.5∶1压灌1 h;对坝体部分,先拔出套管,再用0.5∶1∶1的水泥砂浆回填并捣实。
5.3 灌浆量
1993年7月25日~1994年1月16日进行灌浆试验(桩号0+156~0+205),1994年3月4日~10月15日对桩号0+205~0+418段进行灌浆,1996年4月16日~5月24日对桩号0+156~0+205进行补灌,并对0+418~0+442段进行灌浆。完成灌浆孔326个,总进尺7 917.98 m(其中土层3 033.55 m),基岩灌浆4 824.03 m,灌注水泥8. t,单位注入量0.19 t/m,平均单位耗灰量0.24 t/m,掺砂55.33 t,外掺剂氯化钙2.26 t、水玻璃0.15 t。
5.4 灌浆质量检查及分析
(1) 钻孔偏斜度
采用JJX型测斜仪对坝轴线144个钻孔分段检测,均合格。
(2) 灌浆帷幕质量检查成果及评价
据规范[1],在坝轴线布置检查孔25个,实施了113段常规压水试验(自上而下法),压水试验的压力为0.23 MPa(设计水头值的1.5倍),共有53段透水率大于5 Lu,占总段数的46.9%,其成果见表2。按坝段、地层岩性分为3段,不同部位灌浆合格率见表3。除片岩地层合格率达100%外,其他部位均不合格(不回水的检查段做了补灌)。这是由于当时选用的压水试验压力有误[7],所以应重做压水试验以核对之。
保持注水水位与坝顶高程相同,又做了11个检查孔的全孔注水试验,合格率为90.9%,满足规范[2]的要求,可判定灌浆帷幕质量合格。
5.5 灌浆效果
(1) 渗漏量大大减少:对应灌浆段坝下游的所
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表2 检查孔透水率成果一览表
Table 2 The results of the first test on water rate of
inspection holes
透水率q /Lu
孔号
桩号
第1段 第2段 第3段 第4段 第5段 第6段第7段
Ⅰ-4-5 0+163 3 3 1 Ⅰ-8-9 0+171 27 21 13 5 2 1 Ⅰ-9-10 0+173 2 4 21 21 32
Ⅰ-10-11 0+175 35 37 6 ▼
4 1
Ⅰ-15-16 0+185 13 5 15 3 41
Ⅰ-16-17 0+187 9 24 5 4 ▼ 22 5
Ⅰ-17-18 0+188.5
2 36 6 24 26 11
Ⅰ-17-18 0+1 34 39 1 15 12 14 Ⅰ-18-19 0+191 2 18 9 20 25 7 Ⅰ-19-20 0+193 4 34 21 3 19 10 Ⅰ28-29 0+211 7 ▼
▼
▼
▼
▼
Ⅰ-38-39 0+231 6 13 1 3 1 Ⅰ-48-49 0+251 4 3 1 1 Ⅰ-57-58 0+269 2 5 1 Ⅰ-65-66 0+285 27 1 3 Ⅰ-75-76 0+305 18 4 1 Ⅰ-84-85 0+323 3 2 4 Ⅰ-94-95
0+343 6 4 4 1
Ⅰ-100-101 0+353
3 4 2 1 Ⅰ-108-109 0+371
5 3 1 9 1 Ⅰ-113-114 0+381
39 38 12 1 Ⅰ-123-124 0+401
12 1 3 2 Ⅰ-130-131 0+413
2 2 1 Ⅰ-132-13
3 0+419
2 4
3 Ⅰ-137-138 0+429
2 1 1 注:压力水头为0.2
3 MPa ,▼表示孔口不回水。
有泉点和沼泽消失,坑塘干枯,坝基明流量减为0。
(2) 坝下游水位下降:灌浆后,1#~3#测压管水
表3 不同部位检查孔压水试验合格率一览表 Table 3 The qualification rates of water pressure tests in
the different parts of inspection holes
灌浆坝段地层岩性
检查部位
总检查段数 合格段数合格率/%
接触段及下一段
2 2 100.0
0+156~0+1
片岩
以下深部基岩
1 1 100.0 接触段及下一段 23 7 30.4 0+1~
0+2
厚层状大理岩
以下深部基岩
38 17 44.7 接触段及下一段
24 18 75.0 0+2~0+442中薄层状大理岩以下深部基岩
18 16 88.9
位比灌浆前分别下降了0.36,0.63,0.50 m ,在一定程度上仍随库水位而变化,但降幅变小。
(3) 管涌和接触冲刷消失,大坝安全得到了保证。
(4) 接触面的耐压能力大为提高:接触段基岩顶部灌浆压力为0.05 MPa 时,坝体产生劈裂并造成坝顶出现裂缝、冒浆现象;当深部基岩灌浆压力为0.70 MPa 时,仅有20%以下的灌浆段在坝顶有此现象。
(5) 岩石透水性明显降低:即使选用有误的压水试验成果进行分析,灌浆前后的透水率亦大幅度降低,这可从灌浆前后坝基渗透剖面图反映出来,如图3所示。
6 结 语
(1) 本灌浆工程采用“孔口及坝体封闭、基岩内自上而下分段孔内循环灌浆”的灌浆工艺和灌浆方法,对既有土坝可溶岩坝基灌浆是可行的。
(2) 本灌浆工程为形成“灌浆盖帽”仅布置2排灌浆孔,接触水力坡降达到3.48,对于较低的土坝来说,实践证明也是安全的。
(3) 对较低的土坝坝基灌浆帷幕质量检查标准,应严格按照规范[1]要求的方法计算压力并进行压水试验,也可采用注水试验作为检查手段,但要求注水水位与坝顶高程持平(此时即为大坝漫顶时的水位,一般来说若溢洪道等排水设施发挥正常作用,就不会出现此种险情),也是符合实际的。
(4) 对坝基灌浆造成坝体劈裂问题,应开挖探井以观察水泥结石对大坝的影响程度。
• 3916 • 岩石力学与工程学报 2004年
图3 灌浆前后坝轴线渗透强度剖面图
Fig.3 The section profile of penetrating intensity alone the dam axes before and after grouting
参考文献
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9 中华人民共和国行业标准编写组. 碾压式土石坝设计规范(SDJ21-
84)[S]. 北京:水利电力出版社,1994
桩号
(a) 灌浆前
