帷幕灌漿技術(shù)在某水電站補(bǔ)強(qiáng)加固中的應(yīng)用

肖力群

（云南大唐國(guó)際電力有限公司，云南 昆明，650011）

1 工程簡(jiǎn)介

某水電站為Ⅱ等大（2）型水電工程，大壩為碾壓混凝土重力壩，壩軸線采用折線布置，壩頂長(zhǎng)度466.0 m，最大壩高113.0 m，總裝機(jī)容量為450 MW，工程以發(fā)電為主，水庫(kù)正常蓄水位456.0 m，死水位446.0 m。2008年水庫(kù)開始蓄水以來(lái)，左岸3～8號(hào)壩段壩基排水孔出水量相對(duì)偏大，其中出水量相對(duì)集中的6號(hào)壩段（岸坡壩段）11～14號(hào)4個(gè)主排水孔基本滿管排放，單孔最大出水量超過0.4 L/s，該壩段合計(jì)排水量2.4 L/s。庫(kù)水位與6號(hào)壩段壩基揚(yáng)壓力相關(guān)性較好。

長(zhǎng)期滲漏可能造成大壩壩基局部脫空，對(duì)壩段安全穩(wěn)定構(gòu)成潛在威脅。為保證大壩長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行和降低壩基滲漏量，減輕大壩基礎(chǔ)廊道排水泵抽排壓力，研究決定對(duì)大壩左岸6號(hào)壩段進(jìn)行帷幕灌漿。

2 灌前穩(wěn)定復(fù)核

此次帷幕補(bǔ)強(qiáng)灌漿要在大壩高水頭運(yùn)行工況下進(jìn)行，為確保補(bǔ)強(qiáng)加固處理期間壩體的穩(wěn)定性，在灌漿前對(duì)壩段進(jìn)行穩(wěn)定復(fù)核。

2.1 壩段三維有限元穩(wěn)定復(fù)核

通過建立三維有限元計(jì)算模型，采用實(shí)體單元模擬壩體及地基，結(jié)合壩體混凝土、基巖巖體、擬實(shí)施帷幕灌漿力學(xué)參數(shù)、特征水位及相應(yīng)靜力、動(dòng)力荷載，計(jì)算正常蓄水位、設(shè)計(jì)洪水位、校核洪水位和地震等工況下壩段的抗滑穩(wěn)定安全性。通過計(jì)算，在靜力工況下，6號(hào)壩段沿建基面順?biāo)鞣较虻目够€(wěn)定安全系數(shù)最小值為4.21，出現(xiàn)在校核洪水位工況，大于規(guī)范規(guī)定的允許值2.5。在各工況下，6號(hào)壩段抗滑穩(wěn)定均滿足規(guī)范要求。

2.2 壩段應(yīng)力復(fù)核

采用材料力學(xué)法，按承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)對(duì)壩體應(yīng)力進(jìn)行分析計(jì)算。通過分析計(jì)算，承載能力極限狀態(tài)下，各工況壩趾處混凝土的抗壓強(qiáng)度滿足要求；正常使用極限狀態(tài)，壩段壩踵垂直應(yīng)力均為壓應(yīng)力，無(wú)拉應(yīng)力出現(xiàn)。

3 帷幕補(bǔ)強(qiáng)灌漿實(shí)施方案

3.1 實(shí)施灌漿的前提條件和要求

（1）同一壩段所有排水孔、測(cè)壓管等閥門均處于常開狀態(tài)并記錄。

（2）灌漿前應(yīng)測(cè)量并記錄涌水壓力和涌水量。

3.2 壩段抬動(dòng)觀測(cè)

壩段灌漿前，為防止大壩混凝土在灌漿壓力下發(fā)生抬裂破壞，安裝抬動(dòng)觀測(cè)裝置進(jìn)行抬動(dòng)監(jiān)測(cè)，設(shè)置一個(gè)孔深50 m的抬動(dòng)觀測(cè)孔監(jiān)測(cè)灌漿（深孔固結(jié)及帷幕補(bǔ)強(qiáng)）過程中的壩體抬動(dòng)情況，為確保施工安全，要求大壩混凝土抬動(dòng)值不大于0.1 mm。

3.3 深孔固結(jié)灌漿

對(duì)6號(hào)壩段壩基滲漏量較大部位的排水孔（6-11～6-14號(hào)）進(jìn)行掃孔做深孔固結(jié)灌漿。其目的是利用已有排水孔對(duì)壩基深層可能存在的集中滲水通道進(jìn)行處理，切斷壩基下的水力聯(lián)系通道，減少壩基滲漏量。

3.4 帷幕補(bǔ)強(qiáng)灌漿

（1）原有壩基帷幕灌漿設(shè)計(jì)為兩排帷幕灌漿孔，孔距3.0 m，排距0.7 m，最大灌漿壓力為3 MPa，采用分序加密、自上而下、孔內(nèi)循環(huán)法，分三序孔布置施工，防滲標(biāo)準(zhǔn)為q＜3 Lu。

（2）此次帷幕補(bǔ)強(qiáng)灌漿孔的布置共分兩排：第一排布置在原主帷幕線處，與原主帷幕孔位錯(cuò)開；第二排布置在原副帷幕線處，與原副帷幕孔位錯(cuò)開。第一排孔為主帷幕，孔深37～50 m，比原主帷幕灌漿孔深5 m，傾向上游，傾角6°，孔距3 m，分三個(gè)次序灌注。第二排孔為副帷幕，孔深32～42.5 m，垂直孔，比原副帷幕孔深5 m，孔距3 m，分三個(gè)次序灌注。兩排灌漿孔呈梅花形布置。

3.5 灌漿試驗(yàn)

在全面實(shí)施灌漿前，結(jié)合先灌漿的孔進(jìn)行生產(chǎn)性灌漿試驗(yàn)，通過試驗(yàn)確定不同巖性等條件下的灌漿工藝、參數(shù)和效果檢查。通過試驗(yàn)確定的灌漿參數(shù)如下：

（1）水泥采用強(qiáng)度等級(jí)為42.5的普通硅酸鹽水泥；

（2）灌漿的初始水灰比以2∶1開灌，漿液變換為2∶1、1∶1、0.8∶1、0.5∶1四個(gè)比級(jí)。

（3）灌漿分段：2 m、3 m、5 m、5 m至終孔；灌漿壓力：第一段，1.5 MPa；第二段，2.0 MPa；第三段，2.5 MPa；第四段及以下，3.0 MPa。

4 帷幕補(bǔ)強(qiáng)灌漿施工

4.1 帷幕灌漿施工技術(shù)要求

（1）灌漿分為兩排，先灌下游排副帷幕再灌主帷幕,按三個(gè)次序孔施工。灌漿段灌漿時(shí)，射漿管管口距孔底距離小于50 cm，射漿管外徑與鉆孔孔徑之差小于20 mm。采用鉆桿作射漿管，使用平接頭連接鉆桿。

（2）進(jìn)行帷幕灌漿時(shí)，壩體混凝土和基巖的接觸段先行單獨(dú)灌漿并待凝，接觸段在巖石中的長(zhǎng)度不得大于2 m。完成帷幕孔接觸段灌漿后埋入?90 mm的孔口管，并導(dǎo)正孔口管。

（3）采用自上而下分段灌漿法時(shí)，灌漿塞塞在已灌段段底以上0.5 m處，防止漏灌?？卓跓o(wú)涌水的孔段，灌漿結(jié)束后可不待凝。在斷層、破碎帶等地質(zhì)條件復(fù)雜地區(qū)待凝，待凝時(shí)間根據(jù)地質(zhì)條件和現(xiàn)場(chǎng)情況確定。

（4）出現(xiàn)串漿時(shí)封閉串漿孔并適當(dāng)降低壓力，必要時(shí)屏漿、閉漿、待凝?？卓诜忾]器應(yīng)具有良好的耐壓性和密封性能，在灌漿過程中灌漿管應(yīng)能靈活轉(zhuǎn)動(dòng)和升降。灌漿過程中經(jīng)常轉(zhuǎn)動(dòng)和上下活動(dòng)射漿管，回漿管確保有15 L/min以上的回漿量，以防射漿管在孔內(nèi)因水泥漿凝固而造成孔內(nèi)事故。深孔段灌漿時(shí)，每隔2～3 min轉(zhuǎn)動(dòng)并上下活動(dòng)一次射漿管。

（5）漿液變換和灌漿壓力。

①本次灌漿的初始水灰比以2∶1開灌，漿液變換為2∶1、1∶1、0.8∶1、0.5∶1四個(gè)比級(jí)，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)情況調(diào)整水灰比。

②灌漿應(yīng)控制在無(wú)抬動(dòng)、巖體無(wú)劈裂情況下進(jìn)行；在可能情況下采用相對(duì)較大灌漿壓力。灌漿自動(dòng)記錄儀測(cè)記間隔時(shí)間內(nèi)灌漿壓力的平均值和最大值。

③灌漿過程中以監(jiān)測(cè)儀器和注入率控制為主，輔以灌漿周邊巡視。監(jiān)測(cè)及控制標(biāo)準(zhǔn)值如下：

a.滲壓計(jì)及測(cè)壓管監(jiān)測(cè)過程始于鉆孔沖洗，終止于該部位（段）灌漿結(jié)束，整個(gè)過程設(shè)專人觀測(cè)，并定時(shí)對(duì)周圍灌漿范圍進(jìn)行巡視觀察、做詳細(xì)記錄。

b.灌漿過程中如發(fā)現(xiàn)壓力突然降低或注入率突然升高時(shí)，應(yīng)立即檢查測(cè)壓管和周邊排水及灌漿孔口出水串漿情況，觀測(cè)是否發(fā)生壓力突變和串漿。如存在以上現(xiàn)象，應(yīng)立即降低灌漿壓力繼續(xù)灌注。在測(cè)值恢復(fù)達(dá)到30 min后，可逐級(jí)提高灌漿壓力，直至結(jié)束。專門記錄測(cè)壓管觀測(cè)值，每30 min進(jìn)行一次。

④灌漿過程中，如灌漿壓力或注入率突然改變較大時(shí)，應(yīng)立即查明原因，采取相應(yīng)的處理措施。

⑤發(fā)現(xiàn)其他孔、地面或廊道漏稀漿時(shí)可繼續(xù)灌注；漏濃漿時(shí)則應(yīng)降低壓力灌注直至上述現(xiàn)象停止、逐漸升壓至原來(lái)壓力后繼續(xù)灌注，如降壓無(wú)效且漏漿量接近注入量時(shí)，可停灌待凝。待凝時(shí)間要大于4 h，之后應(yīng)恢復(fù)?；謴?fù)灌漿后如注入率突然降低為0，應(yīng)詳細(xì)記錄，并研究重新補(bǔ)灌等處理措施。

⑥灌漿過程中應(yīng)定時(shí)測(cè)記漿液密度，并做好詳細(xì)記錄。當(dāng)發(fā)現(xiàn)漿液性能與規(guī)定指標(biāo)偏差較大時(shí)，應(yīng)查明原因，及時(shí)處理。對(duì)有串、冒、漏漿的孔段，也應(yīng)做詳細(xì)記錄，記錄準(zhǔn)確部位，研究制訂處理措施。

（6）漿液變換標(biāo)準(zhǔn)：當(dāng)灌漿壓力保持不變，注入率持續(xù)減少，或當(dāng)注入率不變而灌漿壓力持續(xù)升高時(shí)，不得改變水灰比；當(dāng)某一比級(jí)漿液的注入量已達(dá)300 L以上或灌注時(shí)間已達(dá)30 min，而灌漿壓力和注入率均無(wú)改變或改變不顯著時(shí)，應(yīng)變濃一級(jí)；當(dāng)注入率大于30 L/min時(shí)，可根據(jù)具體情況越級(jí)變濃。

（7）灌漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)：在該灌漿段最大設(shè)計(jì)壓力下，當(dāng)注入率不大于0.4 L/min時(shí)，繼續(xù)灌注60 min，或不大于1 L/min時(shí)，繼續(xù)灌注90 min，灌漿即可結(jié)束。

（8）帷幕防滲標(biāo)準(zhǔn)：透水率q＜3 Lu。

4.2 鉆孔

鉆孔分Ⅲ序加密、自上而下分段進(jìn)行。壩基帷幕灌漿孔采用XY-2型地質(zhì)鉆機(jī)造孔，第一段孔徑不小于90 mm，以便埋設(shè)孔口管，第二段及以下各段孔徑不小于56 mm。帷幕先導(dǎo)孔、灌后檢查孔均采用XY-2型地質(zhì)鉆機(jī)造孔，第二段及以下各段孔徑不小于76 mm。

4.3 孔口管埋設(shè)

第一段基巖段長(zhǎng)為2 m，第一段灌漿完畢后埋設(shè)孔口管。注漿前，對(duì)方位角及頂角進(jìn)行校正；埋設(shè)待凝72 h后，可進(jìn)行下一段鉆灌。

4.4 鉆孔沖洗及裂隙沖洗

（1）鉆孔沖洗：所有鉆孔每段鉆終（抬動(dòng)孔全孔終）后，采用鉆桿或六分管插入孔底后上提20 cm，通過鉆桿或六分管采用大流量清水對(duì)鉆孔進(jìn)行沖洗，直至回水澄清10 min、孔底淤積厚度不大于20 cm后結(jié)束。

（2）裂隙沖洗：所有灌漿孔段均需進(jìn)行裂隙沖洗，沖洗壓力采用80%的灌漿壓力，當(dāng)80%灌漿壓力≥1 MPa時(shí)，沖洗壓力采用1 MPa，裂隙沖洗至回水澄清10 min止，且總沖洗時(shí)間單孔不少于30 min。

（3）其他要求：①當(dāng)鄰近孔正在灌漿或灌漿結(jié)束不足24 h，不得進(jìn)行裂隙沖洗；②同一孔段的裂隙沖洗與灌漿作業(yè)保持連續(xù)作業(yè)，因故中斷時(shí)間間隔超過24 h，灌前重新洗縫。

4.5 壓水試驗(yàn)

先導(dǎo)孔和檢查孔采用五點(diǎn)法進(jìn)行壓水試驗(yàn)，其他孔采用單點(diǎn)法進(jìn)行壓水試驗(yàn)。單點(diǎn)法壓水試驗(yàn)應(yīng)在裂隙沖洗后或結(jié)合裂隙沖洗進(jìn)行。壓力為灌漿壓力的80%，該值若大于1 MPa時(shí)，采用1 MPa；壓水20 min后，每5 min測(cè)讀一次壓水流量，取最后的流量值作為計(jì)算流量，其成果以透水率表示。

4.6 灌漿

（1）灌漿方法：帷幕灌漿采用自上而下、孔口封閉、循環(huán)式逐段灌漿。

（2）灌漿設(shè)備：采用ZJ-400A型高速制漿機(jī)、JS-300水泥攪拌機(jī)、3SNS灌漿泵，配套使用JT-Ⅱ型灌漿自動(dòng)記錄儀。

（3）灌漿材料：用于灌漿的水泥應(yīng)采用強(qiáng)度等級(jí)42.5的普通硅酸鹽水泥。

4.7 制漿

制漿材料必須稱量，稱量誤差應(yīng)小于5%。水泥等固相材料宜采用重量稱量法。純水泥漿液的攪拌時(shí)間，使用普通攪拌機(jī)時(shí)應(yīng)大于3 min；使用高速攪拌機(jī)時(shí)應(yīng)大于30 s。漿液在使用前應(yīng)過篩，漿液從制備到用完時(shí)間小于4 h。

4.8 封孔

全孔終孔并經(jīng)檢查確認(rèn)合格后，采用全孔灌漿封孔法，進(jìn)行純壓式灌漿封孔，封孔壓力不宜小于l.0 MPa,使用水灰比0.5∶1的濃漿置換孔內(nèi)稀漿或積水，灌漿持續(xù)時(shí)間不小于60 min。

5 灌漿效果檢查

5.1 灌后檢查孔透水率值分析

6號(hào)壩段壩基補(bǔ)強(qiáng)帷幕灌漿，共布置3個(gè)壓水檢查孔。灌后檢查孔透水率最大值為4.80 Lu（WM-J1孔，終孔段透水率），透水率最小值為1.22Lu，透水率平均值為2.22 Lu，透水合格率96.7%（壓水共30段，1段＞3 Lu），灌后透水率滿足防滲標(biāo)準(zhǔn)（q＜3 Lu），表明灌漿效果符合設(shè)計(jì)要求。

5.2 灌漿耗灰量分析

6號(hào)壩段壩基補(bǔ)強(qiáng)帷幕灌漿完成灌漿進(jìn)尺1 097.3 m，總耗灰量40.438 1 t，平均單位耗灰量36.85 kg/m，Ⅰ序孔單位耗灰量為48.60 kg/m、Ⅱ序孔單位耗灰量為35.93 kg/m、Ⅲ序孔單位耗灰量為29.30 kg/m。根據(jù)灌漿耗灰量和單位注灰量頻率曲線圖，Ⅱ序孔平均單耗較Ⅰ序孔平均單耗減少26.07%，Ⅲ序孔平均單耗較Ⅱ序孔平均單耗減少18.45%，單耗隨孔序的遞增出現(xiàn)遞減趨勢(shì)，符合灌漿規(guī)律，灌漿效果明顯。

5.3 帷幕補(bǔ)強(qiáng)灌漿前、后排水孔涌水量測(cè)量數(shù)據(jù)比較

施工前后對(duì)6號(hào)壩段排水孔進(jìn)行涌水量測(cè)量，考慮到補(bǔ)強(qiáng)灌漿后，相鄰排水孔滲水量可能會(huì)增大，在測(cè)量排水孔涌水量時(shí)，向5號(hào)、7號(hào)壩段各延伸5個(gè)孔，作為測(cè)量區(qū)段。從表2中可以看出，涌水量從灌前的2.2 L/s減少至灌后的0.85 L/s，減少了61.4%。

表1 6號(hào)壩段壩基補(bǔ)強(qiáng)帷幕灌漿檢查孔壓水試驗(yàn)透水率值統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of permeability value of grouting inspection hole at section 6 during packer test

表2 帷幕補(bǔ)強(qiáng)灌漿前、后排水孔涌水量測(cè)量數(shù)據(jù)比較表Table 2 Comparison of measured flow data at drainage holes before and after treatment

6 結(jié)語(yǔ)

灌漿后檢查孔透水率合格率為97%，6號(hào)壩段壩基排水從2.4 L/s減小至0.85 L/s，降幅達(dá)61.4%；灌漿后壩段揚(yáng)壓力折減系數(shù)最大值為0.12，小于設(shè)計(jì)值0.3；帷幕補(bǔ)強(qiáng)灌漿增強(qiáng)了帷幕防滲能力，提高了壩基抗滑穩(wěn)定性，達(dá)到了補(bǔ)強(qiáng)灌漿的目的，促進(jìn)了大壩長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行。

[1]DL/T 5148-2012,水工建筑物水泥灌漿施工技術(shù)規(guī)范[S].

[2]DL/T 5108-1999,混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3]張軍勞,耿振云,張春英,等.滲水分析及6號(hào)壩段灌前穩(wěn)定復(fù)核報(bào)告[R].天津:中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司,2013.

[4]張軍勞,耿振云,張春英,等.大壩左岸6號(hào)壩帷幕補(bǔ)強(qiáng)灌漿設(shè)計(jì)報(bào)告[R].天津:中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司,2013.