帷幕灌漿回漿變濃孔段水泥灌入量計(jì)量研究
——以桐子林水電站為例

(雅礱江流域水電開發(fā)公司 桐子林工程建設(shè)管理局，四川 攀枝花 617100)

1 研究背景

桐子林水電站系雅礱江下游最末一個(gè)梯級(jí)電站，是一座以發(fā)電為主的綜合利用水利樞紐，屬Ⅱ等大(二)型工程。大壩壩頂軸線長439.73 m，壩頂高程1 020.00 m，最大壩高69.50 m。河床式電站共裝4臺(tái)ZZ-LH-1020型水輪發(fā)電機(jī)組，單機(jī)容量150 MW，總裝機(jī)600 MW，多年平均發(fā)電量29.75 億kW·h。水庫正常蓄水位為1 015.00 m，死水位為1 012.00 m。壩基防滲采用平行大壩軸線布置的懸掛式帷幕，分別布置于左右岸灌漿平洞及壩基1號(hào)灌漿排水廊道，閘壩護(hù)坦區(qū)域防滲帷幕沿3號(hào)灌漿排水廊道及下游2號(hào)灌漿排水廊道布置，形成半圍合格局。帷幕灌漿設(shè)計(jì)防滲標(biāo)準(zhǔn)為灌后巖體透水率q≤5 Lu，幕后揚(yáng)壓力折減系數(shù)α≤0.25。

桐子林水電站壩基帷幕灌漿工程施工中，河床壩基大部分灌漿孔段出現(xiàn)了涌水及“回漿變濃”等現(xiàn)象，后經(jīng)多次灌漿試驗(yàn)并采取調(diào)整漿材細(xì)度(采取濕磨細(xì)水泥和干磨細(xì)水泥灌注)、提高灌漿壓力、縮小孔排距、漿液置換、屏漿待凝等措施后，帷幕灌漿施灌效果滿足設(shè)計(jì)要求。

目前，國內(nèi)已建或在建的水電站壩基帷幕灌漿工程中出現(xiàn)“回漿變濃”現(xiàn)象的工程實(shí)例不少，如20世紀(jì)90年代建成發(fā)電的湖南五強(qiáng)溪水電站、皂市水電站[1]，近期建成發(fā)電的湖南托口水電站[2]、四川大崗山水電站[3]、錦屏一級(jí)水電站[4]、溪洛渡水電站[5]等，業(yè)界同仁對出現(xiàn)“回漿變濃”現(xiàn)象的產(chǎn)生原因、判定標(biāo)準(zhǔn)、施工技術(shù)處理措施及其實(shí)施效果均有不少研究成果與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)[6-8]，但在灌漿孔段水泥灌入量的計(jì)量中如何考慮“回漿變濃”影響的相應(yīng)計(jì)量方法未見論述，國家及行業(yè)的相關(guān)規(guī)程規(guī)范也沒有明確規(guī)定。本文擬就桐子林水電站壩基帷幕灌漿工程“回漿變濃”孔段水泥灌入量計(jì)量方法的研究與確定過程與業(yè)界同仁共同探討分享。

2 問題的提出

在桐子林水電站壩基帷幕灌漿工程實(shí)施過程中，項(xiàng)目業(yè)主、工程監(jiān)理、項(xiàng)目承包單位就 “回漿變濃”孔段水泥灌入量如何計(jì)量展開過多次討論，并各持己見。項(xiàng)目承包單位和監(jiān)理單位認(rèn)為，“回漿變濃”孔段灌漿施工時(shí)，雖然灌漿自動(dòng)記錄儀記錄的水泥灌入量中包含有部分水，但水的灌入同樣存在人工消耗與設(shè)備損耗成本，要求將灌漿自動(dòng)記錄儀記錄的水泥灌入量當(dāng)成“回漿變濃”孔段的水泥灌入量；灌漿管路中密度計(jì)記錄的密度變化包含人工配漿等施工操作及設(shè)備運(yùn)行等原因產(chǎn)生的施工誤差。項(xiàng)目業(yè)主認(rèn)為，雖然工程合同文件及現(xiàn)行國家和行業(yè)的規(guī)程規(guī)范沒有明確規(guī)定“回漿變濃”孔段水泥灌入量如何計(jì)量，但業(yè)界同仁都認(rèn)為水泥灌入量的定義已經(jīng)相當(dāng)明確，即“灌入地層中的水泥量”，而灌入地層中的水是不應(yīng)予以計(jì)量的。至于灌漿施工時(shí)因地層“回漿變濃”的影響而造成人工消耗與設(shè)備損耗，這是任何一個(gè)有經(jīng)驗(yàn)的合格承包單位在投標(biāo)時(shí)應(yīng)該考慮到的風(fēng)險(xiǎn)?！盎貪{變濃”孔段的水泥灌入量必須將灌漿自動(dòng)記錄儀記錄的灌入巖體漿液體積所含的水泥量扣減因灌漿孔段“回漿變濃”的影響量，具體計(jì)算時(shí)，考慮灌漿過程中人工操作與設(shè)備運(yùn)行的施工誤差所產(chǎn)生的影響[9-10]。

3 解決方案

本著以事實(shí)為基礎(chǔ)、以合同為準(zhǔn)繩、有利于問題解決的原則，參建各方經(jīng)共同討論與研究，形成了桐子林水電站壩基帷幕灌漿工程“回漿變濃”孔段水泥灌入量計(jì)算方法解決方案：即將灌漿系統(tǒng)密度計(jì)的施工誤差作為灌漿孔段“回漿變濃”判定標(biāo)準(zhǔn)。帷幕灌漿孔段施灌過程中的某一灌漿時(shí)段內(nèi)，當(dāng)灌漿系統(tǒng)回漿密度增加的變化率小于系統(tǒng)的施工誤差，則判定該孔段屬于正常灌漿孔段，其實(shí)際的水泥灌入量即灌漿自動(dòng)記錄儀記錄的水泥灌入量；若灌漿系統(tǒng)回漿密度增加的變化率大于系統(tǒng)的施工誤差時(shí)，則判定該孔段屬于“回漿變濃”孔段，其實(shí)際的水泥灌入量為灌漿自動(dòng)記錄儀記錄的灌入巖體漿液體積所含水泥量扣減灌漿孔段因“回漿變濃”的影響量。并以灌漿孔段灌漿過程中同級(jí)水灰比的灌注過程作為一個(gè)計(jì)算階段來計(jì)算灌漿孔段各級(jí)水灰比灌注過程的實(shí)際水泥灌入量，然后累計(jì)求和來計(jì)算孔段灌漿全過程的實(shí)際水泥灌入量。

3.1 灌漿系統(tǒng)的施工誤差確定

桐子林水電站帷幕灌漿工程自開工之初即形成了利用灌漿施工設(shè)備、計(jì)量器具等定期校驗(yàn)的質(zhì)量管理制度，工程監(jiān)理單位每周定期或在灌漿系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)場時(shí)組織相關(guān)人員對灌漿系統(tǒng)中的自動(dòng)記錄儀、流量計(jì)、密度計(jì)及壓力計(jì)進(jìn)行配套校驗(yàn)率定并簽字貼封條，以保證灌漿系統(tǒng)施工設(shè)備與計(jì)量器具施工誤差在規(guī)程規(guī)范規(guī)定的允許范圍內(nèi)[11-12]。全面統(tǒng)計(jì)帷幕灌漿工程自開工到施工完成時(shí)段內(nèi)灌漿系統(tǒng)配套校驗(yàn)率定時(shí)密度計(jì)正誤差的統(tǒng)計(jì)平均值(負(fù)誤差不計(jì)入統(tǒng)計(jì)范圍)，將其作為灌漿系統(tǒng)密度計(jì)的施工誤差。

3.2 水泥灌入量計(jì)算方法

3.2.1分析思路

灌漿孔段產(chǎn)生“回漿變濃”現(xiàn)象的主要原因是巖體中廣泛存在細(xì)微劈理帶、裂隙密集帶，漿液中的水分自孔壁的節(jié)理裂隙進(jìn)入巖體，而顆粒較粗的水泥顆粒無法通過細(xì)微節(jié)理裂隙進(jìn)入巖體而滯留于灌漿系統(tǒng)內(nèi)，致使灌漿系統(tǒng)回漿密度隨灌注時(shí)間增加而逐漸增大，灌注時(shí)間越長，漿液變濃越明顯。

目前，國內(nèi)灌漿自動(dòng)記錄儀記錄的水泥灌入量是通過累積單位時(shí)間段內(nèi)漿液密度與注入漿液體積的乘積來計(jì)算的，因此，自動(dòng)記錄儀記錄到的水泥灌入量不能代表“回漿變濃”孔段的實(shí)際水泥灌入量，但帷幕灌漿過程中同一施灌時(shí)段內(nèi)灌入地層中的水泥量與灌漿系統(tǒng)內(nèi)水泥量之和是恒定不變的, “回漿變濃”孔段的實(shí)際水泥灌入量可據(jù)此進(jìn)行計(jì)算確定。即：自動(dòng)記錄儀記錄到的灌入巖體漿液體積所含水泥量+開灌時(shí)灌漿系統(tǒng)漿液中的水泥量=實(shí)際水泥灌入量+灌漿結(jié)束時(shí)灌漿系統(tǒng)留存漿液中的水泥量。

3.2.2計(jì)算方法

現(xiàn)以壩基帷幕灌漿孔段的一般施工工況來推導(dǎo)“回漿變濃”孔段水泥灌入量計(jì)算公式。壩基帷幕灌漿某一灌漿孔段鉆孔灌漿基本參數(shù)包括：鉆孔孔深H，鉆孔半徑R，灌漿系統(tǒng)采取“小循環(huán)”方式布置，灌漿進(jìn)回漿管路長度L，進(jìn)回漿管內(nèi)徑r，灌漿用水泥密度為ρ，帷幕灌漿采取孔口封閉、自上而下分段、孔內(nèi)循環(huán)施工工藝。灌漿施工于T1i時(shí)刻開灌，漿液開灌水灰比Nai，漿液密度Dai，灌注至某一時(shí)刻Tix時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)漿液密度為Dix，發(fā)現(xiàn)漿液回漿變濃很明顯，利用新鮮漿液置換一次(置換新鮮漿液水灰比與原開灌漿液水灰比一致)，灌注至T2i時(shí)灌漿達(dá)到水灰比變換條件，變換為下一級(jí)水灰比繼續(xù)灌注，此時(shí)(T2i)系統(tǒng)內(nèi)漿液密度為Dbi，自動(dòng)記錄儀記錄到的灌入巖體漿液體積為Vi。

則該“回漿變濃”孔段在同一水灰比級(jí)(Ni∶1)灌注過程中實(shí)際水泥灌入量(Wi)=自動(dòng)記錄儀記錄到的灌入巖體漿液體積(Vi)所含水泥量(Qi)+T1i時(shí)灌漿系統(tǒng)中漿液的水泥量(Gai)-T2i時(shí)灌漿系統(tǒng)留存漿液的水泥量(Gbi)+換漿后開始灌漿時(shí)系統(tǒng)漿液中的水泥量(Gai)-替換漿液產(chǎn)生的廢棄漿量中的水泥量(Gix)。Gai、Gix、Gbi、Qi均可由水泥漿液的水泥重量與水泥漿液密度的關(guān)系計(jì)算得到：

(1)

(2)

(3)

(4)

桐子林水電站壩基帷幕灌漿施工時(shí)，因河床壩段大量灌漿孔段存在涌水現(xiàn)象而需采取屏漿待凝等措施處理，為減少射漿管堵塞事故并降低事故處理難度，提高施工工效，采取Φ20 PVC管替代鉆桿作為射漿管，因其管壁很薄(小于0.5 mm)，射漿管體積占比很少，計(jì)算時(shí)忽略了射漿管體積的影響：

V0=πr2L+πR2H

同一級(jí)水灰比灌漿過程中系統(tǒng)內(nèi)灌注漿液密度(Dai、Dix、Dbi)及水灰比(Nai)均可在自動(dòng)記錄儀打印的原始記錄表中查得，因此，“回漿變濃”孔段某一級(jí)水灰比灌注過程中實(shí)際水泥灌入量可以通過如下公式直接計(jì)算得到：

(5)

(6)

式中，m為漿液置換次數(shù)。

“回漿變濃”孔段實(shí)際水泥灌入量(W)則為各級(jí)水灰比灌注過程中實(shí)際水泥灌入量的累計(jì)總量：

(7)

式中，n為灌漿施工的水灰比級(jí)數(shù)。

桐子林水電站壩基帷幕灌漿施工灌漿水灰比一般采用3∶1，2∶1，1∶1，0.8∶1，0.5∶1共5級(jí)，其變化因子i取1，2，3，4，5時(shí)，Nai分別對應(yīng)取值為3.0，2.0，1.0，0.8，0.5。Dix、Dbi、Vi、Dai可在對應(yīng)的原始灌漿記錄表中查得。據(jù)現(xiàn)場帷幕灌漿施工經(jīng)驗(yàn)，每一個(gè)灌漿孔段很少采用多級(jí)水灰比灌注結(jié)束的，一般采取1～2級(jí)水灰比即可灌注結(jié)束，但漿液置換次數(shù)最多達(dá)4次?！盎貪{變濃”孔段實(shí)際水泥灌入量(W)的計(jì)算公式看似復(fù)雜繁瑣，但在現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用時(shí)利用Excel表格的計(jì)算功能使得計(jì)算操作既簡單又快捷。只要將灌漿孔段的鉆孔及灌漿系統(tǒng)進(jìn)回漿管的基本參數(shù)、每級(jí)水灰比灌漿參數(shù)、每次漿液置換時(shí)的灌漿參數(shù)及相應(yīng)的計(jì)算公式分別輸入預(yù)先定制的Excel表格進(jìn)行自動(dòng)計(jì)算，即可得到每級(jí)水灰比灌注、每次漿液置換因孔段“回漿變濃”影響的扣減量及灌漿孔段的實(shí)際水泥灌入量。

3.2.3計(jì)算實(shí)例

現(xiàn)以4號(hào)壩段1單元WM-1-102號(hào)孔第3段的灌漿施工記錄來計(jì)算該孔段的實(shí)際水泥灌入量。其鉆孔灌漿基本參數(shù)為：鉆孔孔深16.9 m，鉆孔半徑0.028 m，灌漿系統(tǒng)采取“小循環(huán)”方式布置，管路占漿量為2.48×10-2m3，灌漿用水泥密度為3.15×103kg/m3，帷幕灌漿采取孔口封閉、自上而下分段、孔內(nèi)循環(huán)的施工工藝。灌漿施工于2014年6月24日9：50：05開灌，開灌時(shí)水灰比為3∶1，漿液密度為1.20×103kg/m3，灌注至12：25：15時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)漿液密度為1.51×103kg/m3，漿液置換一次(置換新鮮漿液水灰比為3∶1)，繼續(xù)灌注至13：17：00時(shí)達(dá)到灌漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)條件，結(jié)束該孔段灌漿。此時(shí)系統(tǒng)內(nèi)漿液密度為1.32×103kg/m3，自動(dòng)記錄儀錄到的灌入巖體漿液體積為0.506 m3，自動(dòng)記錄儀記錄到的水泥灌入量為179.1 kg。根據(jù)公式(7)可計(jì)算出該孔段實(shí)際水泥灌入量為113.5 kg，僅占本孔段自動(dòng)記錄儀記錄到的水泥灌入量179.1 kg的63.4%。

該孔段因“回漿變濃”的影響而核減的工程量(水泥灌入量)為65.6 kg，占實(shí)際水泥灌入量的57.7%，占自動(dòng)記錄儀記錄到的水泥灌入量的36.6%。

3.3 應(yīng)用結(jié)果

桐子林水電站壩基帷幕灌漿工程共施工完成1 302個(gè)孔，其中灌漿孔1 161個(gè) ，檢查孔141個(gè)；總計(jì)完成混凝土鉆孔4 865.00 m，基巖鉆孔33 064.09 m，水泥灌入總量(鉆孔封孔灌漿用水泥量未予統(tǒng)計(jì))3 870 408.65 kg。考慮到水灰比大于2∶1的水泥漿液中水泥含量少，漿液因“回漿變濃”對灌漿孔段實(shí)際水泥灌入量的影響更少；帷幕灌漿工程“回漿變濃”孔段實(shí)際水泥灌入量的計(jì)算過程中，對于灌漿結(jié)束水灰比大于2∶1孔段的實(shí)際水泥灌入量計(jì)算時(shí)沒有考慮孔段 “回漿變濃”的影響。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，帷幕灌漿孔中175個(gè)孔的627段因出現(xiàn)“回漿變濃”現(xiàn)象而進(jìn)行了工程量(孔段水泥灌入量)核減計(jì)算，其各孔段灌漿自動(dòng)記錄儀記錄到的水泥灌入量為395 869.50 kg，其各孔段實(shí)際水泥灌入量為178 591.60 kg，僅占自動(dòng)記錄儀記錄到的水泥灌入量的45.1%；因“回漿變濃”原因核減的工程量為217 277.90 kg，占自動(dòng)記錄儀記錄到的水泥灌入量的54.9%，占桐子林水電站壩基帷幕灌漿工程水泥灌入總量的5.6%。

4 結(jié) 語

桐子林水電站壩基帷幕灌漿工程“回漿變濃”孔段水泥灌入量計(jì)量時(shí)采取核減 “回漿變濃”影響的計(jì)算方法符合客觀實(shí)際、工程合同及現(xiàn)行規(guī)程規(guī)范要求，在不損害項(xiàng)目承建單位正當(dāng)利益的同時(shí)，有利于工程項(xiàng)目計(jì)量工作的進(jìn)一步規(guī)范管理及合理減少工程項(xiàng)目業(yè)主的工程建設(shè)成本。

對于大壩基礎(chǔ)存在細(xì)微裂隙密集帶較發(fā)育且有可能出現(xiàn)“回漿變濃”的類似工程項(xiàng)目，帷幕灌漿施工時(shí)建議采取“小循環(huán)”方式布置灌漿系統(tǒng)，以免因工程計(jì)量考慮“回漿變濃”的影響而增加灌漿操作人員的工作量；并嚴(yán)格落實(shí)灌漿系統(tǒng)自動(dòng)記錄儀、流量計(jì)、密度計(jì)及壓力計(jì)等施工計(jì)量設(shè)備定期配套校驗(yàn)、率定并簽字貼封條的定期檢驗(yàn)制度。