巴基斯坦卡洛特水電站大壩帷幕灌漿抬動控制分析

姚飛雄 侯欽禮

摘要：為控制巴基斯坦卡洛特水電站大壩帷幕灌漿過程中發(fā)生的頻繁抬動，從基巖特性、設(shè)計參數(shù)和施工工藝等方面分析了緩傾角軟巖互層地質(zhì)特征下帷幕灌漿抬動的影響因素，并有針對性地采取了控制措施。結(jié)果表明：地質(zhì)因素、灌漿壓力因素、蓋重因素、灌漿方法、觀測方案、人為因素是發(fā)生帷幕灌漿抬動的影響因素。壓水試驗表明，幕體施工滿足設(shè)計要求，基巖裂隙得到有效充填。

關(guān)鍵詞：帷幕灌漿;抬動控制;卡洛特水電站;巴基斯坦

中圖法分類號：TV543文獻標志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.11.011

文章編號：1006 - 0081（2021）11 - 0048 - 04

0引 言

帷幕灌漿是將漿液灌入巖體或土層的裂隙、孔隙，形成連續(xù)的阻水幕，以減小滲流量和降低滲透壓力的灌漿工程[1]。土石壩壩基灌漿一般在心墻基座或趾板上實施，灌漿蓋重小，由于帷幕灌漿一般壓力較大，灌漿過程中發(fā)生抬動，可能造成灌漿注入量大，難以正常結(jié)束，或造成上部結(jié)構(gòu)裂縫等，影響巖體灌漿質(zhì)量及上部結(jié)構(gòu)質(zhì)量[2]。因此，采取適宜的抬動控制措施及工藝，是土石壩帷幕灌漿的技術(shù)難題。國內(nèi)土石壩，如水布埡、紫坪鋪等帷幕灌漿一般采用錨固、限壓限流等措施控制抬動[3-4]。緩傾角軟巖互層是卡洛特水電站大壩基巖典型的地質(zhì)特征，加之灌漿蓋重小，在該類地層上進行帷幕灌漿，如何控制抬動，避免結(jié)構(gòu)或基巖破壞、保證正常升壓灌注尤為重要。本文通過實踐總結(jié)了該地質(zhì)特征下帷幕灌漿抬動的影響因素以及抬動控制的一系列措施，可為同類型工程提供借鑒。

1 工程概況

卡洛特水電站是巴基斯坦境內(nèi)吉拉姆（Jhelum）河規(guī)劃的5個梯級電站的第4級，工程為單一發(fā)電任務(wù)的水電樞紐，水庫正常蓄水位461.00 m，設(shè)計洪水位461.13 m，水庫總庫容1.88億m3，正常蓄水位以下庫容1.52億m3，電站裝機容量72萬kW（720 MW），多年平均年發(fā)電量32.06億kW·h[5]。該工程為Ⅱ等大（2）型工程，樞紐工程主體建筑物由擋水建筑物、泄水建筑物、引水發(fā)電建筑物等組成。大壩為瀝青混凝土心墻堆石壩，壩頂高程469.5 m，最大壩高95.5 m（圖1）。瀝青混凝土心墻、心墻混凝土基座（趾板）、防滲帷幕一同構(gòu)成了大壩的防滲體系，防止庫水滲漏對壩體造成破壞，為大壩安全運行提供保障。

大壩基巖帷幕在混凝土基座上實施，基座為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，梯形斷面，底寬4.0 m、頂寬8.0 m、高2.0 m，基座內(nèi)不設(shè)置廊道?；话忝? m設(shè)置一道永久橫縫，橫縫內(nèi)嵌1 cm厚瀝青木板，并設(shè)置1.2 mm厚止水銅片?；^桿呈梅花形布置，錨桿直徑32 mm，長9 m，間距2 m×2 m，深入基巖7.4 m，上部彎折段與鋼筋網(wǎng)焊接。

大壩壩基445 m以下布置雙排帷幕灌漿孔，孔距2.5 m，排距0.8 m，上游淺排帷幕孔入巖25 m，下游深排帷幕孔入巖超35 m，合格標準為灌后基巖透水率q≤3 Lu;壩基445 m以上及兩岸壩肩山體布置單排帷幕灌漿孔，孔距2 m，入巖超25 m，合格標準為灌后基巖透水率q≤5 Lu。

2 帷幕灌漿試驗

為驗證設(shè)計參數(shù)的適應(yīng)性，探索合適的灌漿材料和施工工藝，選擇了壩基386 m以下范圍開展了帷幕灌漿試驗，采用孔口封閉法灌漿。先期試驗的34～36號壩段包含19個帷幕灌漿孔，共計135個灌段;施工過程中有11個帷幕灌漿孔的38個灌段發(fā)生了抬動，抬動最大值700 μm，最小值10 μm，有7段達到或超過抬動限定值200 μm，抬動率28.14%，超限抬動率5.19%。超限抬動孔段中，有1段復(fù)灌時注漿量異常增大，疑為基巖發(fā)生劈裂，導(dǎo)致復(fù)灌注漿量增加。

3 抬動頻發(fā)原因

3.1 地質(zhì)因素

壩址區(qū)分布地層為新生界磨拉石建造的陸源碎屑沉積巖地層，基巖地層主要為上第三系中新統(tǒng)納格利（Nagri）組（N1na）以及多克帕坦（Dhok Pathan）組（N1dh）地層，巖性主要為中砂巖、細砂巖、泥質(zhì)粉砂巖及粉砂質(zhì)泥巖等，巖性較為復(fù)雜，勘探范圍內(nèi)不同巖性所占大致比例分別為：泥巖、粉砂質(zhì)泥巖23.8%;泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖32.3%;中粗砂巖38.0%;細砂巖6.2%。泥巖砂巖呈互層狀產(chǎn)出，層間接觸面主要為較平直型、波狀起伏型，巖層傾角7°～10°，砂巖層中夾有透鏡狀分布的疏松砂巖，裂隙多為卸荷裂隙，多為陡傾角發(fā)育。

大壩基巖巖層傾角較緩，建基面開挖過程中，巖體爆破和卸荷作用使淺層巖體裂隙進一步發(fā)育，灌漿漿液容易沿層間裂隙注入或劈裂層間結(jié)合面形成新的層間裂隙，當(dāng)灌漿持續(xù)注入，裂隙面持續(xù)擴大時，將引起地層抬動。

3.2 灌漿壓力因素

試驗中帷幕灌漿采用最大壓力為1.5～2.0 MPa，大壩基巖巖性較軟，當(dāng)灌漿壓力超過壩基巖體的承受極限時，繼續(xù)升壓可能劈裂巖體，引起局部的抬動。

3.3 蓋重因素

卡洛特大壩無灌漿施工廊道，帷幕灌漿施工平臺為寬4 m、厚2 m的混凝土基座，基本可以視為無蓋重灌漿?？紤]到基巖特性，無法利用壩體蓋重灌漿，進一步增加了抬動頻發(fā)的可能性。

3.4 灌漿方法

帷幕灌漿試驗采用孔口封閉灌漿，深部巖體升壓灌注時，淺部巖體也需要承受最大灌漿壓力，可能因淺層巖體承壓能力不足而抬動。

3.5 觀測方案

一般每20～25 m布置1套抬動觀測裝置，抬動觀測裝置鉆孔入巖20 m，壓水和灌漿時采用千分表進行抬動觀測。由于大壩心墻基座寬度一般約8 m，如果接觸面灌漿壓力引起基座抬動，未設(shè)抬動觀測裝置的基座則無法觀測到抬動，則難以通過觀測孔及時發(fā)現(xiàn)并處理。

3.6 人為因素

由于巴方工人對施工工藝理解不足，加之語言溝通不暢，致使施工方案難以落到實處。部分工人在灌漿升壓過程中，未能做到逐級升壓，短時間快速升至設(shè)計壓力往往會導(dǎo)致基巖劈裂，漿液大量注入劈裂的裂隙，通過抬動基巖釋放能量，導(dǎo)致基巖中原本存在的細小裂隙未能灌注充分。

4 抬動控制措施

針對上述原因分析，有針對性地采取了抬動控制措施，主要包括：

（1）錨固基巖，提升了基巖耐壓水平。在固結(jié)灌漿孔封孔時孔內(nèi)加設(shè)錨固鋼筋，鋼筋直徑與基巖錨桿一致，錨筋長度與孔深一致，并視工期進展適當(dāng)加入速凝劑。在部分陡坡壩段，除使用固結(jié)灌漿孔兼作錨固孔外，在帷幕上、下游各增加1排深12.0 m，間距2.5 m的錨固孔，進一步錨固趾板和淺層基巖。

（2）增設(shè)騎縫抬動觀測，提升了抬動觀測靈敏度。在抬動觀測孔（入巖20 m）的基礎(chǔ)上，增設(shè)壩段分縫處的抬動觀測，每個灌漿孔灌漿過程中，有3處抬動觀測點同時監(jiān)測基巖抬動與趾板抬動，為灌漿壓力的精細化操控提供支撐。

（3）調(diào)整灌漿壓力，降低了破壞性灌漿的概率。先后調(diào)整帷幕灌漿最大壓力為2.0，1.6，1.2 MPa，在后期施工中，隨著壩基高程的上升，帷幕最大工作水頭逐步降低，也可考慮將最大灌漿壓力繼續(xù)調(diào)低。

（4）調(diào)整灌漿方法，加大孔口管入巖深度，防止淺層巖體承受高壓;抬動變形較多的部位，灌漿方法由孔口封閉灌漿法調(diào)整為“自上而下分段，孔內(nèi)阻塞”灌漿法，目的是防止淺層巖體承受高壓。

（5）設(shè)置抬動分級警報，避免發(fā)生超限抬動。派有經(jīng)驗的專業(yè)人員檢查抬動監(jiān)測孔的有效性，灌漿、壓水過程中應(yīng)全程進行抬動觀測，做到“一人一表、全程值守、反饋及時、記錄準確”。當(dāng)抬動達到50 μm時，觀測人員發(fā)出初步預(yù)警，灌漿作業(yè)人員減緩升壓速度;當(dāng)抬動達到100 μm時，觀測人員發(fā)出升級預(yù)警，灌漿作業(yè)人員觀察壓力、流量變化，必要時采取降壓、限流、加濃、間歇等措施防止抬動擴大。

（6）組織施工隊伍進行多次技能培訓(xùn)，特別是對抬動觀測儀器架設(shè)、數(shù)值監(jiān)測和壓力控制等技能進行重點培訓(xùn)，制作工藝明白卡，提升作業(yè)人員技能水平，力爭做到精細化灌漿。

（7）成立灌漿小組，對灌漿施工進行扁平化管理，小組成員每日召開碰頭會，對當(dāng)天發(fā)現(xiàn)的抬動、外漏等具體技術(shù)問題進行逐一處理;每周召開周例會，對影響灌漿施工的各方面事項進行決策。

5 抬動控制成果

（1）采取上述抬動控制措施后，繼續(xù)進行386 m以下區(qū)域的帷幕灌漿試驗，剩余49個帷幕灌漿孔，共計366個灌段，發(fā)生抬動的有50個灌段，其中達到或超過200 μm限值的灌段有2段，抬動率為13.66%，超限抬動率為0.54%，較采取措施前均大幅降低。

（2）灌后質(zhì)量檢查，試驗區(qū)11個壩段完成檢查孔14個，采用單點法壓水85段，合格83段，不合格2段。不合格的2段分布在入巖15 m以內(nèi)，后續(xù)對該區(qū)域進行了針對性加密補灌，復(fù)查合格。具體壓水情況見表1。

（3）帷幕灌漿檢查孔孔內(nèi)攝像和取芯可以看到基巖裂隙中充填了致密的水泥結(jié)石，見圖2～3。從抬動頻率、壓水檢查結(jié)果和裂隙充填情況看出，上述抬動控制措施效果明顯，大壩基礎(chǔ)帷幕灌漿效果較好。

6 結(jié) 語

卡洛特水電站大壩基巖特性和壩型特點決定了大壩帷幕灌漿過程中將會頻繁發(fā)生抬動，帷幕灌漿試驗也驗證了這一事實。本文從基巖特性、設(shè)計參數(shù)和施工工藝等方面分析了產(chǎn)生抬動的原因，有針對性地采取控制措施，有效防止了破壞性抬動的發(fā)生，降低了抬動頻次，為灌漿順利施工打下了良好的基礎(chǔ)。結(jié)果表明：壓水試驗表明幕體施工滿足設(shè)計要求，基巖裂隙得到有效充填。大壩防滲體系的整體性能將在水庫蓄水后進一步驗證。

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（編輯：江 文）

Analysis of uplift control during curtain grouting of Karot Hydropower Station

YAO Feixiong1，HOU Qinli2

（1. China Three Gorges International Corporation， Beijing 101100， China;? ?2. Changjiang International Engineering Co.， Ltd.， Beijing? 100055， China）

Abstract：In order to avoid frequent uplift during curtain grouting of Karot Hydropower Station in Pakistan， we analyzed the influence factors of uplifting during curtain grouting in the light of the geological characteristics of interbedded soft rock with slow dip angle from the aspects of bedrock characteristics， design parameters， construction technologies. Also，some corresponding uplift control measures were taken. The results showed that the uplift during curtain grouting was influenced by geological factors， grouting pressure， cover weight， grouting methods， observation schemes and human factors. The packer test proved that the curtain construction met the design requirements and bedrock cracks were effectively filled.

Key words： curtain grouting; uplift control; Karot Hydropower Station; Pakistan