蓄水條件下的壩基帷幕灌漿試驗研究

王　雍　陳冠軍

（1.中電投云南國際電力投資有限公司　昆明市　650228；2.湖南宏禹水利水電巖土工程有限公司　長沙市　410123）

蓄水條件下的壩基帷幕灌漿試驗研究

王雍1陳冠軍2

（1.中電投云南國際電力投資有限公司昆明市650228；2.湖南宏禹水利水電巖土工程有限公司長沙市410123）

甲巖水電站建成下閘蓄水后，由于壩基砂巖內(nèi)構(gòu)造裂隙發(fā)育，巖體在高水頭作用下滲漏較為嚴重、為有效形成壩基帷幕，保證大壩安全運行，針對性地選取代表性的區(qū)域進行帷幕灌漿生產(chǎn)性試驗。研究帷幕灌漿工藝參數(shù)、灌漿量、防滲效果，借以指導(dǎo)帷幕灌漿施工。

構(gòu)造裂隙帷幕灌漿高水頭灌漿壓力

1　工程概況

甲巖水電站位于云南省祿勸縣境內(nèi)，為普渡河下游河段水電規(guī)劃的7個梯級電站的最后一個梯級電站，上游與魯基廠電站銜接，下游為金沙江干流上的白鶴灘水電站。電站于2013年12月29日開始蓄水發(fā)電。

水電站下閘蓄水后，導(dǎo)流洞出現(xiàn)明顯滲水，量水堰測量滲漏量隨著庫水位的快速抬升而明顯增大。針對蓄水而出現(xiàn)的壩基滲漏問題，在左、右岸新增了帷幕灌漿。帷幕灌漿施工期間庫水位保持在EL. 920～EL.968之間運行，灌漿在高水頭、動水頭情況下施工。由于帷幕灌漿是在150 m左右（孔底）水頭的動水條件下進行，灌漿段內(nèi)構(gòu)造裂隙受地下水高水頭滲流作用的影響，注入的漿液會被不斷稀釋、滲流沖刷或反向擠出，帷幕的形成將十分困難。

新增上層帷幕灌漿洞位于原灌漿洞底部，帷幕部位地層為震旦系澄江組（Zac）紫紅色中厚層狀長石石英砂巖夾薄層狀砂質(zhì)泥巖，長石石英砂巖堅硬、強度高，薄層砂質(zhì)泥巖破碎、強度低。層面裂隙較發(fā)育，主要結(jié)構(gòu)面為層面及兩組陡傾角結(jié)構(gòu)面，巖層產(chǎn)狀與河道大角度相交，此外受地質(zhì)構(gòu)造和卸荷作用影響，巖體內(nèi)沿構(gòu)造裂隙卸荷嚴重，卸荷裂隙埋深大，巖體完整性差。面板壩趾板下的防滲問題以及兩岸卸荷巖體繞滲問題是本工程蓄水后急須處理的工程難題。

2　帷幕灌漿試驗?zāi)康?/h2>

通過選取有代表性的區(qū)域作為現(xiàn)場帷幕灌漿生產(chǎn)性試驗區(qū)，選定施工參數(shù)進行試驗施工，根據(jù)試驗區(qū)灌漿效果，進一步了解甲巖電站大壩新增上層帷幕灌漿施工區(qū)域的地質(zhì)特性、可灌性及灌漿技術(shù)參數(shù)的可行性、可靠性，通過試驗成果分析確定帷幕灌漿施工參數(shù)，指導(dǎo)下一步帷幕灌漿的全面施工。

3　試驗場地選擇

本次試驗場地選擇主要考慮帷幕灌漿的代表性。場地選擇在上層帷幕灌漿洞壩縱0+402.030～壩縱0+418.14部位，具體生產(chǎn)性帷幕灌漿試驗孔布置見圖1。

4　灌　漿

4.1灌漿方法

帷幕灌漿采用孔口封閉自上而下分段孔內(nèi)循環(huán)的灌漿方法。

灌漿工藝流程:采用孔口封閉灌漿法時，對孔口段用灌漿栓塞封閉進行首段灌漿后，埋設(shè)孔口管，而后自上而下分段鉆進，安設(shè)孔口封閉器進行灌漿，如此循環(huán)鉆灌直至結(jié)束。

圖1　生產(chǎn)性帷幕灌漿試驗孔布置圖

4.2漿液制備

灌漿現(xiàn)場嚴格按照設(shè)計配比進行按需配漿。配漿參見表1、圖2。

表1　漿液比重（參考）

圖2　水泥漿液配料

4.3灌漿段長與壓力

灌漿段長與壓力按表2所示。

表2　帷幕灌漿壓力建議值

4.4灌漿壓力與注入率的協(xié)調(diào)控制

（1）灌漿壓力和注漿率在施工過程中的控制原則：

①當?shù)貙映詽{量很大，在低壓或“無壓”下即能順利地注入漿液時，控制注入率不能太大，不宜大于20 L/min。

②當?shù)貙游鼭{量較小，盡快將壓力升到規(guī)定值，不能長時間在低壓下灌漿。

（2）在灌漿過程中，灌漿壓力與注入率的協(xié)調(diào)關(guān)系參見表3。

表3　灌漿壓力與注入率關(guān)系（參考）

（3）當?shù)乇戆l(fā)生抬動時，及時分析引起抬動的原因（如灌漿壓力過高或注入率過大），采取降低灌漿壓力、降低注入率等措施。

4.5特殊情況處理

4.5.1高水頭動水條件下灌注漿液的處理措施

由于灌漿于150 m左右的動水條件下施工，在裂隙連通性較好的條件下漿液被稀釋、滲流沖刷或反向壓出的可能性極大，影響防滲帷幕形成。為此，采取以下主要措施：

（1）選擇較濃水灰比漿液進行灌注，局部結(jié)合純壓式灌注。

（2）裂隙細小且密集發(fā)育透水率較大漿液易回漿返濃的灌漿孔段，采用添加膨潤土、穩(wěn)定劑，改善水泥漿液失水過快而變濃的情況。一旦回漿返濃，立即采用新漿進行置換后，繼續(xù)灌注，直至達到結(jié)束標準。

4.5.2大吸漿量孔段

右岸Ⅱ區(qū)斜趾板部位巖層滲透性非常強，多數(shù)孔段單耗較大，待凝次數(shù)較多。且在KⅡ-99、KⅡ-103、KⅡ-107、KⅡ-111、KⅡ-115、KⅡ-123等孔第10～14段（孔深45 m～65 m）灌注過程中有部分孔段存在與下層灌漿排水洞連通，灌漿時在下層灌漿排水洞靠大壩側(cè)掌子面附近漏漿，難于灌注結(jié)束，采用加水玻璃速凝劑處理措施。

灌漿段注入量大而難以結(jié)束時，綜合選用下列措施處理：

（1）暫停灌漿作業(yè)，對灌漿影響范圍內(nèi)的地下洞井、岸坡、結(jié)構(gòu)分縫等進行徹底檢查，如有串通，采取措施后再恢復(fù)灌漿。

（2）綜合采用低壓、濃漿、限流、間歇灌漿、待凝等措施處理。

①遇有大量耗漿孔段時，首先降低灌漿壓力，采用濃漿，減少并限制其注入率（15～25）L/min。待漿液流動性降低后，逐漸升高壓力，按正常灌漿進行。

②如果壓力仍升不上去，且耗漿量達到2 000 kg/m以上，采取待凝措施，待凝時間為（8～12）h，以促使?jié){液在靜止狀態(tài)下沉積，將通道堵住，待凝后重新掃孔復(fù)灌。

4.5.3大量涌水孔段

下層帷幕灌漿存在大量孔口有涌水的灌漿孔段，灌漿前測記涌水壓力和涌水量，根據(jù)涌水情況，采用縮短段長；提高灌漿壓力；進行純壓式灌漿；灌注濃漿；灌注速凝漿液；屏漿；閉漿；待凝掃孔復(fù)灌等措施處理。

5　灌漿效果分析

5.1可灌性分析

5.1.1單位注入量分析

（1）Ⅰ序孔、Ⅱ序孔、Ⅲ序孔單位注入量分別為1 641.5 kg/m、1 062.6 kg/m、470.3 kg/m，Ⅱ序孔單位注入量比Ⅰ序孔遞減35.3%，Ⅲ序孔單位注入量比Ⅱ序孔遞減55.7%。各次序孔的單位注灰量隨灌漿次序的增進而迅速遞減，而且遞減量很大，符合灌漿一般規(guī)律。充分說明前序孔灌漿有效地充填和密實了較大裂隙（或破碎斷層）。

（2）Ⅰ序孔單位注入量大于1 000 kg/m的孔段占78%；Ⅱ序孔單位注入量大于1000 kg/m的孔段占57%；Ⅲ序孔單位注入量大于1 000 kg/m的孔段占13%；隨著灌漿次序的增加，單位注入量的分布區(qū)間逐序向較小單位注入量方向顯著移動，前序孔的灌漿是有效的。

5.1.2巖體可灌性分析

試驗區(qū)巖石為震旦系澄江組（Zac）紫紅色中厚層狀長石石英砂巖夾薄層狀砂質(zhì)泥巖，弱風(fēng)化。主要發(fā)育順層結(jié)構(gòu)面及兩組陡傾角結(jié)構(gòu)面，平均單位耗灰量為953.7 kg/m，可灌性極好。造成可灌性極好的主要原因，通過對鉆孔、灌漿過程分析認為：

（1）鉆孔過程中，灌段經(jīng)常出現(xiàn)卡鉆、掉鉆、不返水現(xiàn)象，巖體破碎，裂隙連通性強。

（2）灌漿時，多數(shù)段次出現(xiàn)長時間無回漿，一旦有回漿，在進行灌漿升壓過程中又出現(xiàn)擊穿，導(dǎo)致很多孔段要多次重復(fù)灌漿才能滿足結(jié)束標準。

5.2防滲效果分析

透水率改變情況分析如下：

（1）Ⅰ序孔、Ⅱ序孔、Ⅲ序孔灌前透水率平均值分別為136.1 Lu、50.1 Lu、18.2 Lu。Ⅱ序孔平均透水率比Ⅰ序孔遞減了63.2%，Ⅲ序孔平均透水率比Ⅱ序孔遞減了63.7%；充分說明透水率發(fā)生次序遞減關(guān)系，前序孔的灌漿是有效的。

（2）Ⅰ序孔灌前透水率大于50 Lu的孔段占64%，Ⅱ序孔灌前透水率大于50 Lu的孔段占21%，Ⅲ序孔灌前透水率大于50 Lu的占3%；隨著灌漿次序的增加，透水率分布趨勢向較小值方向顯著移動，也說明了前序孔的灌漿是有效的。

（3）灌前透水率大于3 Lu的孔段占92%，其中大于10 Lu的孔段占79%，區(qū)域平均透水率為60.4 Lu；灌后透水率全部孔段小于5 Lu，其中小于3 Lu的孔段為42%，最大值4.76 Lu，區(qū)域平均透水率為3.29 Lu，灌漿效果顯著。

（4）參照前述帷幕灌漿工程質(zhì)量的評定標準，帷幕灌漿試驗區(qū)的灌漿效果滿足設(shè)計要求5 Lu。

6　結(jié)論

生產(chǎn)性灌漿試驗成果表明：后序孔鉆進過程中，巖芯上發(fā)現(xiàn)大量水泥結(jié)石充填物，透水率明顯遞減，下層灌漿廊道內(nèi)原滲漏水點和滲漏量減少十分明顯。試驗選擇的灌漿方法、工藝參數(shù)可應(yīng)用于本工程新增帷幕灌漿施工。但對于構(gòu)造破碎段、不返水段、多次重復(fù)灌注段等地質(zhì)條件差的部位，建議適當增加補強灌漿孔，加強新增帷幕的防滲效果和安全性。

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王雍（1969-），男，武漢大學(xué)工學(xué)碩士，教授級高工，主要從事水工設(shè)計與研究及工程建設(shè)管理。

（2015-10-12）