豐滿電站混凝土大壩壩體帷幕灌漿施工技術(shù)研究

盧洪彥，張發(fā)林，李 明，高文玉，孫 鶴

（中國水利水電第一工程局有限公司基礎(chǔ)分局，遼寧大連 116041）

1 工程概況

豐滿水電站大壩溢流壩降低滲水壓力工程范圍包括：對溢流壩段壩體進行壩體防滲帷幕灌漿，在上游原基礎(chǔ)廊道內(nèi)新鉆設(shè)三排扇形排水孔，同時對原有導(dǎo)流底孔和中孔進行加強封堵灌漿處理。

壩體防滲灌漿在堰頂施工，均采用垂直鉆孔、雙排孔布置，第一排為基本帷幕灌漿孔，軸線樁號為壩軸線下0+002.1 m，第二排為加強帷幕灌漿孔，軸線樁號為壩軸線下0+002.4 m（見圖1）。設(shè)計圖紙中兩排灌漿孔孔距均采用1.0 m，上、下排錯孔布置，壩體帷幕灌漿合格設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為:灌后壩體混凝土透水率不大于 0.15 Lu（1 Lu≈1.3×10-5cm/s,參見DL/T5200-2004《水電水利工程高壓噴射灌漿技術(shù)規(guī)范》條文說明10.1.7；呂榮值和滲透系數(shù)K值從計算公式的計算聯(lián)系角度，沒有直接的換算關(guān)系，為實踐參考值）。

2 主要施工參數(shù)以及指標(biāo)的確定

2.1 水泥漿液顆粒細度控制參數(shù)的選擇

國內(nèi)目前水利工程灌漿施工中采用的超細水泥有兩種：濕磨與成品超細水泥。濕磨水泥是利用可調(diào)固定間隙的磨齒工作，水泥漿液原料流經(jīng)磨齒，形成對顆粒的磨細作用。濕磨機（GSM-1型）工作機理：水泥顆粒被粉碎的細度取決于濕磨機磨頭兩磨盤的相對角度、齒形設(shè)計以及兩磨盤間隙的控制。GSM濕磨機的單機基本性能指標(biāo)：電機功率：5.5 kW，電源電壓380 V，電機轉(zhuǎn)速3 000 rpm，出料最大粒徑＜40 μm，生產(chǎn)能力（0.6∶1水泥漿）＞120 L/min。為了獲得D50≤10 μm的超細水泥漿液，本次施工進行了濕磨機串聯(lián)現(xiàn)場濕磨試驗，以保證濕磨超細水泥工藝形成穩(wěn)定的超細水泥漿液，滿足D50指標(biāo)的要求。

豐滿降滲工程濕磨機現(xiàn)場磨細試驗，磨細次數(shù)和對應(yīng)的平均粒徑曲線顯示：隨著磨細次數(shù)的增加，平均顆粒直徑隨之變小，在投入3臺濕磨機串聯(lián)后，平均顆粒直徑-磨細次數(shù)曲線趨于平緩，參見圖2；在磨細3遍以后，漿液的平均顆粒直徑繼續(xù)提高空間已不大。

項目施工期間通過光透式粒度測試儀（NSKC-1）進行漿液細度控制檢測，定期（14 d/次）進行檢驗。

圖1 豐滿水電站溢流壩段降低滲水壓力工程典型壩段壩體剖面圖Fig.1 Profile of dam body in typical overflow sections in seep-age pressure reduction project of Fengman dam

圖2 水泥漿液濕磨次數(shù)和平均直徑的關(guān)系曲線Fig.2 Relation of average diameter and wet milling times

2.2 灌漿壓力的驗證性試驗和試驗確定的結(jié)果

在灌漿試驗段中，選擇各種既定灌漿壓力的灌漿孔段，在灌漿水灰比（圖3中兩灌漿段水灰比分別為1或0.6）按照由稀到濃正常施工程序進行的同時，在密切監(jiān)測抬動變形（安全限值抬動值≤0.2 mm）和大壩上游壩面變形等以保證大壩安全的前提下，提升并選擇灌漿壓力。試驗結(jié)果見圖3。

由壓力-注入率對應(yīng)變換曲線變化規(guī)律可知，在灌漿壓力為第3級別升級壓力前，曲線梯度變化相對明顯，而在3～4級別壓力附近乃至以上灌漿壓力，注入率變化相對更不明顯，且注入率曲線趨于緩和。因此，在全過程監(jiān)測壩體抬動和上游壩面變形的同時，對各個灌漿孔4段以前（約20～25 m，壩體總孔深約61 m）孔段，均加大灌漿壓力0.2～0.3 MPa；5段（含5段）以下灌漿壓力不變，Pmax達到2.0 MPa。但以上壓力調(diào)整不含溢流壩中墩帷幕孔，中墩上帷幕孔空間上位于閘墩兩側(cè)凌空高程的灌漿段，最大灌漿壓力為1.7 MPa。

圖3 同一灌漿段同一水灰比不同灌漿壓力的對應(yīng)注入率曲線Fig.3 Respective injection rates with same grouting section,same water-cement ratio but different grouting pressures

2.3 灌漿水灰比的選擇和驗證性灌漿試驗結(jié)果

（1）關(guān)于灌漿開灌水灰比的選擇：第一次帷幕灌漿試驗，灌漿水灰比和相應(yīng)試驗段的注入率（漿液體積）對應(yīng)關(guān)系試驗的段數(shù)為12段。試驗建議成果：在灌漿前試段透水率q≤3 Lu的孔段，開灌水灰比采用2∶1開灌；透水率區(qū)間3 Lu＜q≤10 Lu的孔段，采用水灰比1∶1漿液開始灌注；透水率區(qū)間q＞10 Lu的孔段，采用較濃比級的漿液灌注，即開灌就采用0.8∶1或者0.6∶1漿液灌注，并輔助以特殊灌漿形式，如間歇式灌漿等措施，直到達到結(jié)束屏漿標(biāo)準(zhǔn)。

（2）二次灌漿試驗開灌水灰比試驗：根據(jù)灌漿段不同灌漿水灰比-灌漿單耗的頻率曲線分布情況分析，取得指導(dǎo)實際施工的開灌水灰比施工參數(shù)。在8號壩段試驗段部位和溢流堰面部分壩段，選擇多段透水率區(qū)間為q≤3 Lu的試驗段，進行1∶1、0.8∶1、0.6∶1三個比級的單一水灰比灌漿試驗，進行單一水灰比灌漿段的單耗比較；二次試驗中，水灰比-單耗試驗段數(shù)量為72段，建議結(jié)果見表1。

經(jīng)對試驗段對比結(jié)果進行分析，二次試驗報告中建議的水灰比施工參數(shù)調(diào)整為：當(dāng)灌漿段灌漿前壓水試驗透水率q≤3 Lu時,選擇水∶灰=0.8∶1（重量比）的超細水泥漿液灌漿，變漿標(biāo)準(zhǔn)仍應(yīng)控制為50 L，但考慮到灌漿通常規(guī)律和規(guī)范的規(guī)定，建議在漿量達到50 L，若注入率有降低或壓力有升高的情況下，仍不改變水灰比。當(dāng)灌漿段灌漿前壓水試驗透水率q＞3 Lu時,選擇水∶灰=0.6∶1(重量比)的超細水泥漿液灌漿。

表1 二次帷幕灌漿施工試驗建議的控制參數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)對應(yīng)表Table 1:Control parameters and standards proposed by the second curtain grouting construction test

（3）二次試驗報告后補充數(shù)據(jù)和資料分析：在q≤1 Lu情況下,為繼續(xù)驗證0.6∶1和0.8∶1兩種水灰比漿液究竟采用哪種灌漿段單耗更高,繼續(xù)增加其他壩段20段灌漿試驗（0.8∶1水灰比10段,0.6∶1水灰比10段），對比結(jié)果見表2。

表2 溢流堰面單耗和試驗段單耗對比情況表（相同透水率區(qū)間和相同開灌水灰比）Table 2:Comparison of the unit consumptions on overflow weir surface and test sections(with same permeability rate and same water cement ratio)

（4）國家電力監(jiān)管委員會大壩安全監(jiān)察中心據(jù)有關(guān)試驗內(nèi)容和報告，分析后認為為了獲得較高的漿液結(jié)石密度，豐滿溢流壩段壩體灌漿均采用單一水灰比（水∶灰=0.6∶1）灌漿。

2.4 孔口封閉灌漿工藝的應(yīng)用

據(jù)現(xiàn)有灌漿手段與技術(shù)能力、工程實例及要求豐滿大壩混凝土灌后質(zhì)量達到q≤0.15 Lu的高標(biāo)準(zhǔn)，在壩體帷幕灌漿施工工藝設(shè)計上，設(shè)計階段確定采用孔口封閉工藝進行施工。

混凝土壩體帷幕灌漿采用單一的0.6∶1的水灰比，采用“自上而下”分段灌漿，則在帷幕灌漿20 m深以后，灌漿塞以及射漿管在屏漿后經(jīng)常無法利用人力再次疏通。自上而下卡塞灌漿頻繁產(chǎn)生孔內(nèi)事故并影響帷幕施工質(zhì)量：

（1）產(chǎn)生繞塞、鑄塞事故，造成廢孔；

（2）發(fā)生鑄“灌漿內(nèi)管”事故；

（3）發(fā)生繞塞現(xiàn)象，采用間歇、降壓甚至中停灌漿等方法處理，影響灌漿質(zhì)量；

（4）如發(fā)生孔內(nèi)鑄“灌漿內(nèi)管”情況，無法處理后，產(chǎn)生多次移孔的問題。

2.5 帷幕灌漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)的變更和確定

降滲灌漿施工開始，施工方和設(shè)計工程師協(xié)商，提出將招標(biāo)設(shè)計和施工圖設(shè)計灌漿段的結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)：“灌漿段在最大設(shè)計壓力下，注入率不大于1 L/min，繼續(xù)灌注30 min結(jié)束”提高到“灌漿段在最大設(shè)計壓力下，注入率不大于0.1 L/min，繼續(xù)灌注30 min結(jié)束”。也只有提高到這個結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)，降低滲水壓力工程的期望標(biāo)準(zhǔn)（灌后透水率q≤0.15 Lu）才可能實現(xiàn)。多個類似工程和本次工程實踐證明，采用孔口封閉自上而下灌漿才能實現(xiàn)這種深孔孔內(nèi)循環(huán)式長屏漿時間的濃漿超細水泥灌漿。

現(xiàn)行規(guī)范灌漿段透水率計算公式為：

式中，q：試驗段透水率；Q：壓水試驗流量；P：試驗段實際水頭壓力；L：試驗段長。

若按照混凝土壩體防滲帷幕的質(zhì)量目標(biāo)：灌漿后q≤0.1 Lu的壓水試驗透水率標(biāo)準(zhǔn)，在段長和試驗壓力一定的情況下，需要滿足Q≤0.1*（L*P）。本次降滲工程的設(shè)計灌漿段長以5 m段長居多，且相應(yīng)壓水試驗壓力為灌漿壓力的80%（采用1.0 MPa），因此，合格段的壓水試驗Q≤0.1*（L*P）流量至少應(yīng)滿足Q≤0.5 L/min。若想灌漿后帷幕體上檢查孔壓水試驗段壓水流量達到以上指標(biāo)，超細水泥灌漿的結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)定為“灌漿段在最大設(shè)計壓力下，注入率不大于1 L/min，繼續(xù)灌注30 min結(jié)束”，顯然結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)的注入率過高。結(jié)合灌漿分段有的段長較短、采用的壓水試驗水頭壓力較小以及采用超細水泥灌漿而必需的保證系數(shù)，在本次工程試驗之初就將結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)提高為：“灌漿段在最大設(shè)計壓力下，注入率不大于0.2 L/min，繼續(xù)灌注30 min結(jié)束”。從理論上和實際結(jié)果上，這必將對提高超細水泥灌漿效果起到積極促進作用。

這個灌漿段結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)，即便在較小的段長和較小的壓水試驗壓力情況下，考慮到超細水泥漿灌漿和壓水試驗的差別，從理論上也可以大幅度提高灌漿段灌后壓水試驗透水率q≤0.15 Lu合格的可能性，此結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)也在記錄儀監(jiān)測的精度范圍之內(nèi)。結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)完全是根據(jù)豐滿大壩溢流壩段特定的灌漿環(huán)境和降低滲水壓力工程透水率合格標(biāo)準(zhǔn)（q≤0.15 Lu）而制定的，是具有理論依據(jù)和符合實際標(biāo)準(zhǔn)的探索性指標(biāo)，當(dāng)然這要求更切合實際的施工工藝和漿液材料來進行保障。

2.6 溢流壩中墩灌漿試驗參數(shù)（灌漿壓力）的選取

混凝土壩中墩鉆孔和灌漿等技術(shù)涉及壩體變形安全。漿液水灰比和水泥細度參數(shù)與溢流堰相同。為了摸索最大“許可”灌漿壓力，以獲得“最大注入量”，選取中墩進行試驗?！白畲笞⑷肓俊笔窃诜治鲆呀?jīng)施工的壩段注入量基礎(chǔ)上提出指標(biāo)；豐滿大壩壩段分縫處于中墩中間位置，考慮帷幕體銜接問題，壩段分縫兩側(cè)帷幕孔設(shè)計成與鉛垂線夾角5°以內(nèi)的斜孔，傾向分縫側(cè)。中墩斜孔灌漿時，充分利用斜孔距中縫距離不同的條件，最大限度提高灌漿壓力?？紤]中墩鉆孔平面孔位的布置情況和鉆孔沿豎向上距離橫縫的寬度，灌漿段壓力提升幅度區(qū)間在 0.1～0.7 MPa不等，最大達到 1.7 MPa。中墩施工過程中，大壩上游面變形安全監(jiān)測和水下電視監(jiān)測未發(fā)生變形和漿液滲出情況。

3 混凝土壩體帷幕灌漿效果的檢查與綜合評價

壩體降滲工程灌前透水率和檢查孔壓水試驗透水率對比表見表3。

混凝土壩體降滲工程超細水泥灌漿綜合統(tǒng)計表見表4。

豐滿水電站17個溢流壩段，共使用水泥1 207 t，其中：灌入壩體內(nèi)水泥408 t（不含檢查孔灌漿灌入量），棄漿水泥340 t，檢查孔灌漿、灌漿孔封孔以及損耗約459 t；壩體帷幕平均單耗13.8 kg/m。

表3 溢流壩段降滲工程灌前透水率和檢查孔壓水試驗分析Table 3:Permeability rate of the overflow sections before grouting and results of water pressure test

表4 混凝土壩體降滲工程超細水泥灌漿綜合統(tǒng)計表Table 4:Statistics of superfine cement grouting for concrete dam body

全部47個單元工程灌漿施工中，灌漿前的平均透水率q=1.15 Lu，檢查孔平均透水率q=0.08 Lu；檢查孔透水率q≤0.15 Lu的段數(shù)占總段數(shù)比例為95.5%，0.15 Lu＜q≤0.5 Lu的段數(shù)占檢查孔總段數(shù)比例為4.5%；灌漿后沒有透水率q＞0.5 Lu的孔段（僅1段為0.43 Lu），可以按照現(xiàn)行水工驗收規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)驗收。

3.1 分部工程透水率、注入率頻率曲線和累計頻率曲線

本次降滲工程溢流壩段壩基廊道以上是最大的兩個分部工程，其分部工程量占到總工程量的70%以上，以其為例繪制灌漿前分序透水率頻率曲線和累計頻率曲線圖，可以形象地描述出灌漿效果的漸變過程，該部位壩體帷幕以“排”為單位，其統(tǒng)計成果見圖4和圖5。

頻率曲線圖的規(guī)范和條理清晰，說明本次工程的設(shè)計參數(shù)、施工參數(shù)控制是合理的，符合工程的實際灌漿條件和壩體條件。

圖4 WF-01和WF-02分部一排合并后各次序孔透水率頻率曲線和頻率累計曲線Fig.4 Frequency curve of permeability rate and frequency ac-cumulative curve of each sequence holes after combination of the first row of WF-01 and WF-02

3.2 聲波測試和孔內(nèi)電視檢測以及壩體變形資料成果

全部12個壩段24對聲波測試孔，壩體帷幕灌漿前后波速測試對比提高范圍為3%～10%；壩體帷幕檢查孔孔內(nèi)電視檢測裂隙充填率在91.1%以上；施工期（1 a）上游壩面變形監(jiān)測和壩體平面位移變形資料顯示，沒超過設(shè)計允許限值范圍現(xiàn)象發(fā)生。

3.3 壩體帷幕灌漿降低滲水壓力工程其他有關(guān)綜合評價

3.3.1 溢流壩段新、舊排水孔排水量目測對比分析

基礎(chǔ)廊道以上原壩體排水孔（每壩段4孔）均在本次灌漿帷幕線下游，灌漿前廊內(nèi)觀測有約50%的老排水孔有滴水、排水情況；在基礎(chǔ)廊道以上帷幕灌漿結(jié)束以后，原排水孔仍有滴水和少量排水的孔數(shù)比例約為20%。灌漿過程中有約23%的原排水孔發(fā)生串漿和掃孔現(xiàn)象，串漿孔在掃孔后目測均未見排水。

圖5 WF-01和WF-02分部二排合并后各次序孔透水率頻率曲線和頻率累計曲線Fig.5 Frequency curve of permeability rate and frequency ac-cumulative curve of each sequence holes after combination of second row of WF-01 and WF-02

大壩壩頂新增豎向排水孔（連通于壩頂和基礎(chǔ)廊道頂部之間）在帷幕灌漿之后施工，基礎(chǔ)廊道以上每壩段4孔，目前肉眼觀察，沒有發(fā)現(xiàn)明顯排水的排水孔。壩基廊道內(nèi)新增散射狀下游壩體排水孔，共242孔，大約5%（12孔）施工后有排水現(xiàn)象，最大流量約0.5 L/min。

3.3.2 降滲工程實施前、后溢流壩段滲透壓力觀測孔監(jiān)測值對比分析

30%左右溢流壩段滲壓觀測孔施工期間發(fā)生串漿或者堵塞；根據(jù)運行單位的資料顯示，廊道內(nèi)的未淤塞壩基滲透壓力監(jiān)測孔的同期監(jiān)測值有所降低。

3.4 工程驗收

壩體帷幕竣工驗收共47個單元工程，單元工程評定除WD-01單元（生產(chǎn)性試驗段）評定為“合格”以外，其余46個單元均評定為“優(yōu)良”，單元優(yōu)良率98%；全部7個分部工程均評定為“優(yōu)良”，分部工程優(yōu)良率100%。壩體帷幕灌漿施工質(zhì)量可以達到現(xiàn)行國家水工驗收規(guī)程的驗收標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié) 語

（1）灌漿形成壩體帷幕是改善老壩混凝土抗?jié)B性不夠的有效手段之一。實際試驗表明，濃漿灌注是提高結(jié)石強度和抗?jié)B性的主要手段，宜根據(jù)灌漿前壓水試驗的結(jié)果來微調(diào)灌漿水灰比，變漿標(biāo)準(zhǔn)宜根據(jù)試驗灌漿段單耗數(shù)值折算為漿量來控制。

（2）施工圖設(shè)計前，宜盡可能詳細調(diào)查壩體內(nèi)部結(jié)構(gòu)、預(yù)埋件以及水工結(jié)構(gòu)、壩體內(nèi)隱蔽補強設(shè)施，實施必要的勘察工作，減少工程施工階段因不明確的壩體施工環(huán)境影響到工程正常進行。

（3）對于混凝土壩體帷幕施工，采用孔深超過50 m、小孔徑（?76 mm孔徑）、濃漿（0.6∶1）灌漿，須采用孔口封閉工藝進行帷幕灌漿工藝選擇，利于控制施工質(zhì)量、減少孔內(nèi)事故。

（4）濕磨超細水泥帷幕灌漿作為混凝土大壩壩體防滲措施，工藝可靠，是可行的、可供選擇的技術(shù)措施。根據(jù)灌前和灌后檢查孔壓水試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計對比分析、灌前和灌后聲波CT檢測對比、檢查孔孔內(nèi)電視的檢測結(jié)果分析可以認為：混凝土壩體濕磨超細水泥帷幕灌漿施工技術(shù)是可行的。國內(nèi)類似水工大壩建筑物較多，混凝土壩體帷幕灌漿降滲技術(shù)應(yīng)用范圍較廣闊。本次項目的成功實踐對運行中的混凝土大壩降低滲水壓力工程的設(shè)計和實施起到了良好的借鑒作用。

[1]DL/T5200-2004,水電水利工程高壓噴射灌漿技術(shù)規(guī)范[S].中華人民共和國國家發(fā)展與改革委員會.

[2]DL/T5148-2001,水工建筑物水泥灌漿施工技術(shù)規(guī)范[S].中華人民共和國國家經(jīng)濟貿(mào)易委員會.

[3]孫釗.大壩基巖灌漿(第二版)[M].