高水頭施工環(huán)境下帷幕灌漿施工質(zhì)量控制技術(shù)

劉紅玉，郎發(fā)育

(中國(guó)水利水電第四工程局有限公司，青海 西寧 810007)

1 工程概況

黃登水電站攔河大壩為碾壓混凝土重力壩，壩頂高程1 625 m，建基面最低高程1 422 m，最大壩高203 m，為目前在建最高碾壓混凝土重力壩。大壩基礎(chǔ)帷幕灌漿設(shè)計(jì)壩高大于70 m的壩段上游設(shè)雙排帷幕，其余壩段上游設(shè)單排帷幕，上游主帷幕最大孔深148 m，主、副帷幕孔之間排距1.0 m，所有帷幕孔孔距均為2 m，采用梅花形布置。下游在建基面高程低于左1 520 m/右1 506 m的壩段壩趾附近設(shè)置單排封閉帷幕，下游封閉帷幕的底線按下游校核水深的1/2及帷幕孔深不小于25 m進(jìn)行雙控制，孔距2 m。灌漿工程量約11萬m。

壩基巖性以變質(zhì)火山角礫巖、變質(zhì)火山細(xì)礫巖為主，變質(zhì)凝灰?guī)r呈夾層狀產(chǎn)出，變質(zhì)凝灰?guī)r夾層巖石相對(duì)較軟弱，巖體相對(duì)較破碎。厚度較大變質(zhì)凝灰?guī)r夾層，厚度性狀變化大，層劈理化現(xiàn)象明顯，此外尚有一些厚度較小或透鏡狀變質(zhì)凝灰?guī)r夾層分布。巖層橫河展布，傾向下游，傾角70°～90°。河床壩段變質(zhì)火山角(細(xì))礫巖巖體完整，一般呈塊狀～整體塊狀，RQD值為一般為70%～90%?；鶐r面以下3～6 m范圍內(nèi)巖體中有近水平的緩傾角裂隙相對(duì)較發(fā)育，6～10 m可見零星的近水平的緩傾角裂隙發(fā)育，10m以下少見近水平的緩傾角裂隙發(fā)育，壩基巖層主要以陡傾角裂隙為主。巖體透水率q一般小于10 Lu，但微透水巖體頂界變化大，位于基巖面以下15～70 m。

2 施工環(huán)境

黃登水電站計(jì)劃于2017年11月初下閘蓄水，設(shè)計(jì)要求大壩帷幕灌漿在2017年10月中旬前全部施工完成，總灌漿工程量約11萬m，最高月生產(chǎn)強(qiáng)度達(dá)到12 000 m。受混凝土蓋重及岸坡接觸灌漿等因素制約，黃登大壩帷幕灌漿開始施工時(shí)間為2015年6月，當(dāng)時(shí)正值黃登水電站汛期，兩岸岸坡地下水位高程在1 490 m左右，壩前天然降水水位保持在1 470 m左右，河床壩段帷幕灌漿最早施工，施工建基面高程1 422 m，混凝土厚3～4 m，帷幕灌漿施工時(shí)承受水頭在50～70 m之間，開始施工時(shí)，絕大多數(shù)孔段均出現(xiàn)不同程度的涌水，最大涌水量36 L/min，涌水壓力達(dá)到0.25 MPa。按照原設(shè)計(jì)技術(shù)要求對(duì)涌水孔段處理措施，每個(gè)孔段灌漿歷時(shí)將達(dá)到48 h以上，每月單臺(tái)灌漿泵灌漿工程量不足70 m，月強(qiáng)度不足700 m/月，生產(chǎn)進(jìn)度為月生產(chǎn)計(jì)劃的1/5，嚴(yán)重制約黃登水電站業(yè)主確定的發(fā)電蓄水工期要求。因此，高水頭施工環(huán)境下帷幕灌漿施工最大的困難就是孔口涌水問題。

3 涌水孔段的質(zhì)量控制

3.1 現(xiàn)狀調(diào)查

大壩河床壩段上游10～12號(hào)壩段基礎(chǔ)帷幕灌漿于2016年6月22日開始施工，建基面高程為1 422 m，壩前水位和岸坡地下水位約1 490 m，圍堰擋水。其中11、12號(hào)壩段抬動(dòng)孔(入巖20 m)施工時(shí)，抬動(dòng)孔均出現(xiàn)涌水現(xiàn)象，抬動(dòng)裝置無法正常安裝，帷幕灌漿I、II序孔大多孔段也有涌水，涌水量最大為38 L/min，涌水壓力0.25 MPa。按照相關(guān)規(guī)范和黃登水電站工程設(shè)計(jì)技術(shù)要求以及類似工程經(jīng)驗(yàn)，涌水孔段正常灌漿結(jié)束后需閉漿待凝24～48 h，再進(jìn)行二次復(fù)灌、待凝等措施，這導(dǎo)致每段灌漿歷時(shí)超過48 h，嚴(yán)重制約帷幕灌漿施工進(jìn)度。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2015年6月22日至7月30日完成灌漿700 m，僅占當(dāng)月計(jì)劃的3 000 m的23%。

3.2 涌水孔段灌漿處理流程

涌水孔段處理過程為：①發(fā)現(xiàn)涌水；②安裝孔口封閉器；③安裝壓力表、水表；④測(cè)涌水壓力和流量；⑤洗孔、壓水；⑥灌漿；⑦待凝；⑧掃孔后檢查是否有涌水；⑨若無涌水進(jìn)行下一階段鉆灌，若有涌水重復(fù)以上工序。

3.3 涌水孔段常規(guī)處理措施用時(shí)統(tǒng)計(jì)

選取幾個(gè)典型涌水孔段，對(duì)工序處理用時(shí)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，見表1。從表1可知，涌水孔段處理用時(shí)最長(zhǎng)55.33 h，最短19.14 h，平均用時(shí)38.76 h；而無涌水孔段處理時(shí)間僅3 h。其中待凝用時(shí)占比為31.5/38.75=81%。

3.4 工藝改進(jìn)對(duì)策

黃登大壩帷幕灌漿設(shè)計(jì)技術(shù)要求中對(duì)涌水孔段處理措施提出9條措施，主要措施是待凝、閉漿和添加速凝劑等，但對(duì)于不同涌水量、壓力情況未詳細(xì)說明，可操作性差。上網(wǎng)查閱類似工程涌水孔段的處理措施，未見有具體的可操作性的論文或作業(yè)指導(dǎo)書。

結(jié)合向家壩水電站帷幕灌漿涌水待凝試驗(yàn)：涌水量小于10 L/min、涌水壓力在0.1～0.3 MPa的孔段待凝8 h后即可進(jìn)行下段施工，涌水量大于30 L/min、涌水壓力在0.4 MPa以內(nèi)的孔段待凝24 h后即可進(jìn)行下一段施工，待凝時(shí)間一般在8～24 h之內(nèi)。

根據(jù)帷幕灌漿采用孔口封閉自上而下分段灌漿、不待凝的工藝?yán)碚摚?dāng)灌漿注入率達(dá)到結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)繼續(xù)帶壓屏漿階段是加速漿液固化階段，防止已灌進(jìn)裂隙的漿液倒流的主要措施。因此，黃登水電站工程帷幕灌漿工藝科研攻關(guān)小組依據(jù)灌漿理論，從工藝方面進(jìn)行創(chuàng)新，變被動(dòng)等待漿液固化轉(zhuǎn)為人為加速漿液固化因?yàn)槠翝{階段是漿液在裂隙中不斷凝結(jié)固化過程，故以延長(zhǎng)屏漿時(shí)間為出發(fā)點(diǎn)人為縮短漿液固化時(shí)間，減少待凝時(shí)間，降低灌漿總歷時(shí)。針對(duì)延長(zhǎng)帶壓屏漿時(shí)間進(jìn)行了試驗(yàn)。

江西茶葉出口企業(yè)應(yīng)積極將傳統(tǒng)外貿(mào)模式與跨境電商模式結(jié)合起來，進(jìn)駐國(guó)際交易網(wǎng)站（如亞馬遜、速賣通、WISH等）平臺(tái)，推廣電子商務(wù)交易模式，投入大量的人力與物力進(jìn)行平臺(tái)的管理建設(shè)。使更多的國(guó)外客戶了解江西茶葉，通過網(wǎng)上的信息和直接交流更多地了解江西茶葉，直接可以在網(wǎng)上訂購(gòu)和支付直接購(gòu)買茶葉。以此拓寬江西茶葉銷售渠道和方式，推動(dòng)江西茶葉走向國(guó)際平臺(tái)。

3.5 工藝改進(jìn)試驗(yàn)研究

成立現(xiàn)場(chǎng)工藝試驗(yàn)攻關(guān)小組，制訂試驗(yàn)大綱，除沿用閉漿待凝傳統(tǒng)工藝外，結(jié)合灌漿理論，突破常規(guī)手段采取待凝、閉漿等措施，重點(diǎn)在延長(zhǎng)屏漿時(shí)間方面進(jìn)行不同工況工藝試驗(yàn)。

各道工序嚴(yán)格按工藝試驗(yàn)大綱方案、作業(yè)指導(dǎo)書執(zhí)行，工藝試驗(yàn)攻關(guān)小組成員全程參與，選取前期所有I序孔涌水孔段進(jìn)行不同工況下工藝試驗(yàn)，取得階段性成果后，后續(xù)其他部位施工或在II、III序孔遇到涌水孔段進(jìn)行驗(yàn)證。不斷完善工藝措施，為以后類似工程提供借鑒。

(1)選取涌水量在5 L/min以下孔段，按照設(shè)計(jì)技術(shù)要求屏漿60 min進(jìn)行正常灌漿，灌漿完成后，掃孔至該段底20 cm停鉆停水，觀測(cè)涌水情況。

表1 涌水處理流程涌水孔段處理工序用時(shí)統(tǒng)計(jì) h

(2)選取涌水量在6～10 L/min范圍內(nèi)孔段，按照設(shè)計(jì)技術(shù)要求屏漿60 min和屏漿90 min進(jìn)行兩種工況灌漿，灌漿完成后，掃孔至該段底20 cm停鉆停水，觀測(cè)涌水情況。

(3)選取涌水量在11～30 L/min范圍內(nèi)孔段，按照設(shè)計(jì)技術(shù)要求屏漿90 min和屏漿120 min進(jìn)行兩種工況灌漿，灌漿完成后，閉漿待凝8 h和12 h后，掃孔至該段底20 cm停鉆停水，觀測(cè)涌水情況。

(4)選取涌水量大于31 L/min范圍內(nèi)孔段，按照設(shè)計(jì)技術(shù)要求屏漿90 min和閉漿待凝12 h和24 h后進(jìn)行兩種工況灌漿，灌漿完成后，掃孔至該段底20 cm停鉆停水，觀測(cè)涌水情況。

3.6 試驗(yàn)成果

通過屏漿時(shí)間延長(zhǎng)和閉漿待凝試驗(yàn)，基本掌握了涌水特性，取得以下階段性成果，具體如下:

(1)涌水量小于5 L/min、涌水壓力小于0.1 MPa的孔段總計(jì)10段，正常灌漿即屏漿60 min后，掃孔至該段底20 cm處，停鉆停水觀測(cè)，均無涌水發(fā)生。

(2)涌水量在6～10 L/min、涌水壓力在0.1～0.2 MPa之間的孔段總計(jì)有15段，按照屏漿60 min和屏漿90 min兩種工況進(jìn)行灌漿，掃孔至該段底20 cm處，停鉆停水觀測(cè)，屏漿60 min孔段有5段仍有少量涌水，但涌水量均很小(≤3 L/min)；屏漿90 min孔段均無涌水發(fā)生。

③ 涌水量在11～30 L/min、涌水壓力在0.15～0.25 MPa的孔段總計(jì)15段，選擇其中2段按照屏漿90 min和屏漿120 min兩種工況進(jìn)行灌漿，灌漿完成后，掃孔至該段底20 cm停鉆停水，觀測(cè)涌水情況。試驗(yàn)成果表明，屏漿90 min和屏漿120 min兩種工況灌后仍有涌水，但涌水量減少很多(基本小于5 L/min，對(duì)該類孔段進(jìn)行了二次復(fù)灌。另外，選擇13段按照屏漿90 min后再閉漿待凝8 h和12 h待凝試驗(yàn)，掃孔至該段底20 cm處后，停鉆停水觀測(cè)均未見涌水。

(4)涌水量大于30 L/min、涌水壓力在0.2 MPa以上孔段共有6段，該類孔段采用按照屏漿90 min、閉漿待凝12 h和24 h兩種工況灌漿試驗(yàn)，二次掃孔至該段底后觀測(cè)涌水情況，灌后掃孔觀測(cè)兩種工況均無涌水。

上述4種情況，重點(diǎn)對(duì)設(shè)計(jì)技術(shù)要求屏漿時(shí)間延長(zhǎng)進(jìn)行工藝試驗(yàn)，試驗(yàn)表明，延長(zhǎng)灌漿屏漿時(shí)間對(duì)涌水孔段的處理措施非常有效，但屏漿過程中要增加鉆桿的活動(dòng)頻次，原30 min活動(dòng)一次鉆桿，屏漿過程中須10～15 min活動(dòng)一次，以防抱鉆事故發(fā)生，另外，屏漿過程中漿液濃度應(yīng)調(diào)整為1∶1或以下，減少孔內(nèi)事故的幾率。

4 其他工藝控制措施

(1)鉆孔。鉆孔施工前由測(cè)量單位放控制點(diǎn)。所有鉆孔應(yīng)按設(shè)計(jì)圖紙統(tǒng)一編號(hào)、放點(diǎn)，開孔孔位偏差不得大于10 cm。應(yīng)故變更孔位需征得監(jiān)理人同意，并記錄實(shí)際孔位。為保證帷幕灌漿孔鉆孔的孔斜要求，開孔前鉆機(jī)必須進(jìn)行固定，水平段鉆機(jī)地錨固定，斜坡段鉆機(jī)與施工臺(tái)車同步固定。帷幕灌漿孔全孔測(cè)斜。特別是嚴(yán)格控制孔深20 m以內(nèi)的偏差，每5 m測(cè)量一次孔斜，孔深20 m以下及其余部位灌漿孔每10～15 m測(cè)量一次孔斜?？仔笨刂戚^同類工程相比質(zhì)量要求嚴(yán)格。

(2)孔口管埋設(shè)?？卓诠苈裨O(shè)作為質(zhì)量控制的首要重點(diǎn)，孔口管埋設(shè)長(zhǎng)度=混凝土厚度+基巖段2 m+孔口10 cm外露?？卓诠苈裨O(shè)深度是保證混凝土不被抬動(dòng)的主要措施之一。

(3)灌漿。灌漿壓力及段長(zhǎng)。一般情況下，灌漿壓力應(yīng)盡快達(dá)到設(shè)計(jì)值，但所有接觸段、壩基灌漿廊道先灌排Ⅰ序孔2～10 m灌漿段和其他注入率大于30 L/min的孔段，應(yīng)采用分級(jí)升壓方式逐級(jí)升壓至設(shè)計(jì)壓力，升壓速度宜控制在0.5 MPa/10 min以內(nèi)，分級(jí)升壓時(shí)每級(jí)壓力的純灌時(shí)間不少于15 min。灌漿過程中，為防止混凝土及巖石發(fā)生抬動(dòng)，必須協(xié)調(diào)控制灌漿壓力與注入率，灌漿最大注入率不得大于30 L/min是該工程有別于其他工程的主要亮點(diǎn)之一。對(duì)注入量較大、灌漿難以正常結(jié)束的孔段，查明原因，對(duì)灌漿影響范圍內(nèi)的地下洞井、岸坡、結(jié)構(gòu)分縫、冷卻水管等進(jìn)行徹底檢查，如有串通應(yīng)采取措施后再恢復(fù)灌漿。否則，灌漿時(shí)采取低壓、濃漿、限流、限量、間歇灌漿措施，當(dāng)灌注量接近1 t/m時(shí)采用待凝措施，防止灌漿范圍過大造成不必要的投入，該措施為黃登大壩帷幕灌漿新創(chuàng)。

(4)動(dòng)態(tài)調(diào)整灌漿參數(shù)。物探監(jiān)測(cè)作為黃登大壩帷幕灌漿輔助質(zhì)量控制手段之一，是本工程業(yè)主、設(shè)計(jì)有別于其他工程所采取的主要措施。先導(dǎo)孔取芯、灌前壓水檢查和水位觀測(cè)等過程中發(fā)現(xiàn)異常情況時(shí)、以及其他孔段在灌漿過程中或質(zhì)量檢查中發(fā)現(xiàn)異常情況時(shí)，進(jìn)行全孔壁孔內(nèi)數(shù)字成像檢測(cè)。提供清晰可見的地層結(jié)構(gòu)詳細(xì)資料，便于及時(shí)調(diào)整帷幕參數(shù)、動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)。

5 結(jié) 論

黃登水電站帷幕灌漿工藝攻關(guān)小組通過對(duì)46段涌水孔段采取不同工藝現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，取得了豐富的試驗(yàn)成果，得出了重要的結(jié)論：延長(zhǎng)屏漿時(shí)間對(duì)涌水孔段灌漿處理非常有效，這一試驗(yàn)成果，拋棄了傳統(tǒng)的純閉漿、待凝理念，另辟蹊徑，變被動(dòng)為主動(dòng)，大大縮短了涌水孔段灌漿歷時(shí)，加快了施工進(jìn)度。自采取上述措施后，涌水孔段的灌漿總歷時(shí)由原先的平均38.76 h減少到目前平均不到13 h，灌漿月計(jì)劃由原來單月不足700 m到最高完成12 000 m，施工進(jìn)度明顯加快，按期保證了蓄水發(fā)電的節(jié)點(diǎn)控制目標(biāo)。

黃登水電站自2017年11月下閘蓄水至2018年4月，壩前水位在1 559 m運(yùn)行半年有余，水頭達(dá)到137 m，從第三方檢測(cè)單位數(shù)據(jù)檢測(cè)可以看出，幕后揚(yáng)壓力和漏水量遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)值，其中壩基排水孔的總漏量為2.6 L/s，不足設(shè)計(jì)流量的1/10，幕后揚(yáng)壓力數(shù)據(jù)在0～0.2 MPa。黃登大壩帷幕灌漿工程贏得了業(yè)主和行業(yè)業(yè)內(nèi)專業(yè)人士的高度評(píng)價(jià)，在瀾滄江流域電站首個(gè)被評(píng)為樣板工程，同行各專業(yè)人士多次觀摩和學(xué)習(xí)。黃登水電站大壩帷幕灌漿取得的成果及成功的經(jīng)驗(yàn)，可為后續(xù)同類工程提供可借鑒的寶貴經(jīng)驗(yàn)。