淺談豐寧抽水蓄能電站夾層風(fēng)化下帷幕灌漿試驗(yàn)

陳建平

（中國電建集團(tuán)華東勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 311122）

1 工程概況

豐寧抽水蓄能電站位于河北省豐寧滿族自治縣境內(nèi)，上水庫總庫容為4 814萬m3，工程分2期建設(shè)，工程規(guī)劃總裝機(jī)容量為3 600 MW。工程上水庫由I、II、III號(hào)3條沖溝形成相對封閉的水庫區(qū)地貌構(gòu)成，改建豐寧一級(jí)水電站水庫作為下水庫，并在庫尾設(shè)置攔沙壩形成攔沙庫，在上、下水庫之間山體內(nèi)布置輸水發(fā)電系統(tǒng)。

抽水蓄能電站滲漏問題與防滲形式的選擇是工程建設(shè)過程中的重點(diǎn)課題之一[1]。本工程上水庫庫區(qū)地表大面積被第四系坡殘積、洪積、崩積物覆蓋，基巖出露較少，巖性主要為侏羅系張家口組火山巖。工程通過結(jié)合前期工程地質(zhì)勘探數(shù)據(jù)成果，進(jìn)一步展開工程區(qū)滲流場計(jì)算分析后。結(jié)果表明上水庫在正常蓄水后，庫區(qū)滲漏主要有壩基滲漏、左右壩肩繞壩滲漏、Ⅰ號(hào)溝埡口分水嶺滲漏、Ⅱ號(hào)溝埡口分水嶺滲漏、水道系統(tǒng)通過庫岸分水嶺部位滲漏。其中Ⅰ號(hào)支溝埡口部位地勢最低，山體單薄，基巖較深、巖體風(fēng)化程度最為強(qiáng)烈。此外，上水庫天然徑流小，庫容較大，參照相關(guān)抽水蓄能電站工程建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，Ⅰ號(hào)溝滲漏與防滲形式的選擇是更需要關(guān)注的重點(diǎn)。

2 灌漿生產(chǎn)性試驗(yàn)

帷幕灌漿是水工建筑物防滲處理的重要手段之一，而合理施工參數(shù)及科學(xué)施工工藝的選擇直接關(guān)系到帷幕灌漿的防滲質(zhì)量[1-2]。根據(jù)規(guī)范要求，在大規(guī)模帷幕灌漿施工之前需進(jìn)行帷幕灌漿生產(chǎn)性試驗(yàn)，確保選取的施工參數(shù)及工藝能夠使灌后基巖透水率達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

2.1 試驗(yàn)參數(shù)

孔距、孔深：設(shè)置單排帷幕，孔距為2.00 m；孔深根據(jù)終孔段灌前壓水透水率確定，灌后各孔段透水率應(yīng)滿足q≤3 Lu。

灌 漿 段 長： 灌 漿 段 長 為 2.00，3.00，5.00，5.00，……，5.00 m，終孔段段長不大于8.00 m。

灌漿壓力：灌漿壓力采用分級(jí)升壓法，第1段接觸段0.5 MPa，第2段0.7 MPa，第3段0.9 MPa，第4段1.0 MPa，第5段及以下各段均為1.2 MPa，進(jìn)漿管安裝在空氣儲(chǔ)能器下部1/3處。

灌漿水灰比：帷幕灌漿采用5個(gè)漿液水灰比分別為：5.0∶1，2.0∶1，1.0∶1，0.8∶1，0.5∶1，漿液的濃度應(yīng)由稀到濃，逐級(jí)變換。

灌漿方式：灌漿材料采用P.O42.5普通硅酸鹽水泥，灌漿方式采用“卡塞自上而下分段循環(huán)灌漿”的無蓋重帷幕灌漿；灌漿方法按分序加密的原則施灌，先灌Ⅰ序孔，再灌Ⅱ序孔，后灌Ⅲ序孔。

3 施工難點(diǎn)及處理

試驗(yàn)段侏羅系張家口組火山巖由階段性火山噴發(fā)形成，在噴發(fā)間歇期，暴露于地表的巖體受一定程度的風(fēng)化作用，形成古風(fēng)化殼，又被其后的火山噴發(fā)物覆蓋，因此張家口組火山巖體中存在夾層風(fēng)化現(xiàn)象，夾層狀風(fēng)化在空間分布上無規(guī)律性，規(guī)模不一，全、強(qiáng)風(fēng)化深度為15.00 ～ 23.00 m，弱風(fēng)化深度為35.00 ～ 66.00 m。

巖性主要包括灰紫色、灰白色流紋巖、熔凝灰?guī)r、凝灰熔巖、凝灰?guī)r夾薄層粗安巖等，各類巖性間相互過渡，標(biāo)志不十分清楚，橫向變化大?；鶐r裂隙以陡傾角為主，多微張，裂隙中充填巖粉、巖片、白色泥質(zhì)，裂隙貫通性較好。地表層為厚度小于0.50 m的黑色腐植土，下部組成成分為基巖風(fēng)化砂、碎石土等，結(jié)構(gòu)松散。地下水位埋深為31.27 ～ 72.17 m，高程為 1 476.07 ～ 1 493.02 m，均低于正常蓄水位1 505.00 m，存在滲漏問題。分析認(rèn)為，主要是由于該段巖體較深，全、強(qiáng)風(fēng)化、夾層風(fēng)化及裂隙密集帶J2造成的，具體見圖1、圖2。

地質(zhì)條件的復(fù)雜不但給灌漿施工帶來極大的難度，而且對灌漿施工質(zhì)量提出了更高的要求。

圖1 Ⅰ號(hào)溝埡口部位地質(zhì)剖面圖

圖2 前期鉆孔孔深56.90 ～ 63.00 m巖芯風(fēng)化圖

3.1 孔內(nèi)事故的處理與預(yù)防

試驗(yàn)區(qū)域巖層節(jié)理發(fā)育密集，巖石較為破碎，在鉆孔過程中經(jīng)常發(fā)生卡鉆、埋鉆等孔內(nèi)事故，導(dǎo)致施工進(jìn)尺緩慢，耗工耗時(shí)。因此預(yù)防和減少鉆孔事故，顯得尤為重要。

為杜絕鉆孔過程中孔內(nèi)事故的發(fā)生，鉆孔前必須檢查鉆桿具變形、磨損情況，發(fā)現(xiàn)不合格不得下入孔內(nèi)使用；鉆孔通過巖層節(jié)理發(fā)育密集區(qū)域時(shí)，鉆進(jìn)時(shí)需及時(shí)提動(dòng)鉆具、減壓慢鉆，同時(shí)結(jié)合鉆進(jìn)情況，隨時(shí)準(zhǔn)備操縱離合器；以及每段鉆孔完成后，及時(shí)進(jìn)行灌漿施工等措施，避免事故的發(fā)生。

試驗(yàn)段夾層風(fēng)化嚴(yán)重，且存在裂隙密集帶。鉆孔過程中常發(fā)生塌孔、卡鉆、埋鉆事故，當(dāng)發(fā)生塌孔現(xiàn)象時(shí)本工程采取灌漿待凝措施，待凝12 h后掃孔鉆進(jìn)，或通過縮短灌漿段長，減小鉆孔進(jìn)尺長度；出現(xiàn)卡鉆時(shí)，通過反復(fù)上下提拉鉆桿、吊錘震打、千斤頂提拔等方法，消除卡塞物；埋鉆情況發(fā)生時(shí)，需先進(jìn)行泥漿強(qiáng)力沖孔，再結(jié)合吊錘沖打、千斤頂提拔、擴(kuò)孔套取等手段處理。當(dāng)采取上述方式均失效時(shí)，可在原孔旁補(bǔ)打1孔，與原孔失事部位搭接一段繼續(xù)往下施工。

此外，灌漿過程中使用卡塞自上而下分段循環(huán)灌漿，漿液通過裂隙通道繞到卡塞上方，時(shí)間一長常出現(xiàn)繞塞、卡塞情況。且使用卡塞存在漏灌的風(fēng)險(xiǎn)，后決定改用孔口封閉器進(jìn)行灌注，一方面從工藝源頭上避免繞塞、卡塞現(xiàn)象發(fā)生，另一方面可以不斷地對上一段進(jìn)行補(bǔ)灌，孔內(nèi)整體承壓能力得到提升。

3.2 孔斜控制

地質(zhì)變層中單排深孔帷幕在鉆孔過程中，除孔深、孔徑、段長要符合設(shè)計(jì)要求外，一定要控制鉆孔方向準(zhǔn)確，從而確保各孔灌漿的擴(kuò)散半徑能相互搭接，形成連續(xù)阻水幕，避免留有滲漏水通道。試驗(yàn)區(qū)域各灌漿孔深度均在85.00 m左右，加上試驗(yàn)區(qū)內(nèi)巖性分布不均，鉆頭鉆進(jìn)過程中容易改變方向，因此孔斜極不易控制。

為確?？仔辈怀^規(guī)定范圍，試驗(yàn)區(qū)采用XY - 2回轉(zhuǎn)式鉆機(jī)，鉆機(jī)使用地錨固定，鉆機(jī)立軸和孔口管的方向必須與設(shè)計(jì)孔向一致；試驗(yàn)區(qū)非灌段孔口管的埋設(shè)，對鉆孔也具有一定的導(dǎo)向作用；鉆具要選用剛度好、長而直的鉆桿，在鉆機(jī)鉆進(jìn)軟硬交替地層時(shí)，采用低鉆速、低壓鉆進(jìn)；規(guī)范要求鉆機(jī)應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)灌漿段前20.00 m的測量，本工程采用鉆進(jìn)一段測量一段，20.00 m后采用每10.00 m測量1次；當(dāng)鉆孔出現(xiàn)偏斜時(shí)，在孔深較淺、偏斜不大的情況下，將鉆桿適當(dāng)向鉆孔偏斜的相反方向偏轉(zhuǎn)，若發(fā)現(xiàn)鉆孔偏斜超過規(guī)定時(shí)，采用灌注水泥待凝24 h后，重新鉆進(jìn)糾偏處理。當(dāng)糾偏無效時(shí)，通過在其旁布置檢查孔或補(bǔ)打灌漿孔解決，消除孔斜缺陷。

3.3 裂隙處理

從試驗(yàn)區(qū)域先導(dǎo)孔取芯情況來看，試驗(yàn)段巖石裂隙極為發(fā)育，且大多為陡傾角細(xì)微裂隙。鉆孔過程中經(jīng)常出現(xiàn)不返水、灌漿時(shí)不起壓、地表冒漿等現(xiàn)象。針對上述情況，灌漿過程中采取低壓、限流、間歇、封堵、待凝等常規(guī)處理方法，但是個(gè)別孔段需要復(fù)灌、待凝多次方能結(jié)束，其中NGWMS - S1 -Ⅰ第二孔段復(fù)灌5次才結(jié)束、NGWMS - S5 -Ⅰ第五孔段復(fù)灌9次才結(jié)束、NGWMS -S9 - Ⅰ第二孔段復(fù)灌5次才結(jié)束。

為確保能更有效的堵住裂隙，試驗(yàn)段灌前采用孔內(nèi)循環(huán)脈動(dòng)沖洗，通過水壓升降將巖層中裂隙的填充物、巖粉等沖洗出來。灌漿過程中出現(xiàn)灌漿孔漿液注入量大而難以結(jié)束時(shí)，本工程采用純水泥耗漿量單耗達(dá)到500 kg/m進(jìn)行待凝，待凝時(shí)間不少于12 h，待凝孔再次掃孔灌注時(shí)不沖洗、不壓水。復(fù)灌采用待凝時(shí)的水灰比開灌，二次復(fù)灌如果壓力一直還不能上升，耗漿量達(dá)到300 kg/m時(shí)，可同時(shí)加入膏狀漿液進(jìn)行灌漿。膏狀漿液適用于Ⅰ序孔灌漿，其配合比為0.5∶1∶0.1（水∶水泥∶膨潤土），灌注300 L后未明顯發(fā)生變化，及時(shí)變換漿液至0.5∶1∶0.2，若再未發(fā)生變化繼續(xù)變漿為0.5∶1∶0.25的膏狀漿液進(jìn)行灌注，當(dāng)膏狀漿液耗漿量達(dá)到500 kg/m，采用待凝措施，待凝時(shí)間不少于24 h。但是結(jié)果表明，當(dāng)采用此配合比膏狀漿液灌注時(shí)，漿液比重會(huì)達(dá)到2.1 g/cm3以上，會(huì)經(jīng)常發(fā)生堵塞管路的現(xiàn)象；另外灌注高濃度的膏狀漿液，會(huì)使?jié){液擴(kuò)散半徑達(dá)不到要求，同時(shí)過多膨潤土的摻入對強(qiáng)度也會(huì)存在一定的影響。

為此，后改用二次復(fù)灌純水泥灌注達(dá)300 L，且仍存在無明顯流量減小或不起壓現(xiàn)象時(shí)，采用0.5∶1∶0.1、0.5∶1∶0.2、0.5∶1∶0.3（水 ∶水泥 ∶細(xì)砂）3 個(gè)比級(jí)砂漿逐級(jí)變漿灌注，砂漿灌注需配合砂漿泵使用，直至孔內(nèi)開始升壓后待凝，待凝18 h后掃孔繼續(xù)使用水泥灌注。結(jié)果表明，采用砂漿灌注效果較好。

4 結(jié)果分析

試驗(yàn)段灌前壓水成果統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 試驗(yàn)段灌前壓水成果統(tǒng)計(jì)表

從表1可以看出，試驗(yàn)段III序孔灌前平均透水率較Ⅱ序孔遞減50.32%，Ⅱ序孔灌前平均透水率較Ⅰ序孔遞減62.92 %，符合灌漿的一般規(guī)律。但是Ⅲ孔灌前透水率表明：10.00 ～ 100.00 Lu、100.00 Lu以上的變化區(qū)間提升至5.00 ～10.00 Lu變化區(qū)間效果明顯，而透水率5.00 ～ 10.00 Lu變化區(qū)間提升至5.00 Lu以下效果不甚明顯。

據(jù)灌前鉆孔五點(diǎn)法壓水試驗(yàn)資料顯示，灌前壓水多為無壓無回，即壓水不起壓，且流量大。壓水試驗(yàn)P - Q曲線類型多為沖蝕型，曲線表現(xiàn)為在壓水試驗(yàn)過程中，隨著壓力提升，達(dá)到某一壓力后，流量突然增大，說明裂隙狀態(tài)發(fā)生了變化，巖石劈裂或者裂隙中的充填物被沖蝕、移動(dòng)等使巖體滲透性增大，并且這種變化是不可逆的。灌后檢查孔灌后最大透水率為4.14 Lu，最小透水率為0.82 Lu，平均透水率為1.55 Lu，合格孔段占總檢查段數(shù)的93.75%，灌漿質(zhì)量剛好達(dá)到合格的要求。同時(shí)結(jié)合檢查孔五點(diǎn)法壓水曲線顯示，16段中充填型占12.50%，紊流型占50.00%，層流型占37.50%。其中充填型集中在11.30 ～ 21.30 m（包含非灌段11.30 m）范圍內(nèi)，曲線表現(xiàn)為隨著壓水壓力的增加，未被漿液填充的細(xì)微裂隙在水壓力的上升過程中細(xì)微張開，裂隙中夾雜的充填物被水沖蝕，流量逐漸增加，在壓力回降階段，巖體變形又隨著壓力的下降回彈，流量逐漸降低且較壓力上升階段稍?。辉?1.30 m以下直至孔底段，層流型和紊流型交替出現(xiàn)，曲線都是隨水壓力的增加流量逐漸增加，但裂隙在壓水前后均未發(fā)生變化，不同的是出現(xiàn)紊流型孔段孔壁完整性較差。灌后孔內(nèi)聲波、電視成像也顯示檢查孔局部存在較破碎、膠結(jié)較差情況。

上述情況說明基巖長、大裂隙灌漿效果理想，而基巖短小微細(xì)裂隙灌漿效果不理想。可能是由于高頻率復(fù)灌、待凝，灌漿孔出現(xiàn)了“假性屏漿”現(xiàn)象，然而實(shí)際上小開度裂隙并未被水泥漿液完全填充[3-4]；另外試驗(yàn)段多為陡傾角的細(xì)微裂隙，在陡傾角裂隙施工過程中，孔距過大會(huì)使鉆孔接觸裂隙機(jī)會(huì)減小，也易出現(xiàn)壓力外泄的情況，導(dǎo)致孔內(nèi)受壓不均對細(xì)微裂隙起不到劈裂效果，漿液擴(kuò)散半徑達(dá)不到要求；此外，一方面地層變層中有泥質(zhì)物填充，微細(xì)裂隙閉合性好，較低的灌漿壓力根本打開不了細(xì)微的裂隙通道，另一方面普通硅酸鹽水泥細(xì)度也偏大，從而導(dǎo)致細(xì)微裂隙得不到很好的填充。

5 結(jié) 語

（1）通過灌后各種檢測手段，試驗(yàn)段采用的施工參數(shù)、灌漿方式及特殊情況下處理措施基本能夠滿足要求。但是夾層風(fēng)化下設(shè)置單排深孔帷幕對施工質(zhì)量要求極高，灌漿檢查孔壓水也表明只是剛好滿足要求，指導(dǎo)該地段大規(guī)模灌漿施工存在一定的風(fēng)險(xiǎn)。因此為保證后期施工過程中帷幕灌漿的質(zhì)量，針對該地段復(fù)雜的地質(zhì)條件，應(yīng)該重新增設(shè)一段生產(chǎn)性試驗(yàn)段充分論證施工參數(shù)的可行性。

（2）該部位巖體夾層風(fēng)化嚴(yán)重、裂隙密集且多為陡傾角，灌后檢查發(fā)現(xiàn)細(xì)微裂隙未得到漿液很好的填充。建議生產(chǎn)性試驗(yàn)孔距可以調(diào)整為1.50 m、灌漿壓力可以提升至2.0 MPa、Ⅲ序孔灌漿材料可以嘗試采用磨細(xì)水泥等，其他施工參數(shù)、施工工藝可保持不變。當(dāng)所選取的試驗(yàn)參數(shù)均不能滿足施工要求時(shí)，應(yīng)當(dāng)考慮進(jìn)行加排處理。

（3）此外，灌后除檢查孔壓水、灌后聲波檢測及孔內(nèi)電視檢測手段外，建議可增加耐久性壓水、破壞性壓水進(jìn)行檢測，對灌后帷幕線的能夠抵御水壓最大水壓力進(jìn)行測量，從而充分論證試驗(yàn)參數(shù)的合理性。