蜀河水電站防滲帷幕灌漿技術

劉三虎，丁永波

(1.北京振沖工程股份有限公司，北京100102;2.白浪河水庫管理局，山東 濰坊261052)

1 工程概況

蜀河水電站位于陜西省旬陽縣境內(nèi)漢江干流上，距上游已建成的安康水電站約120 km，距下游已建成的丹江口水電站約200 km，是漢江上游梯級開發(fā)規(guī)劃中的第六個水電站，裝有6臺46 MW貫流機組，總容量276 MW，水庫庫容1.76億m3，工程規(guī)模為二等大(2)型，樞紐布置采用廠頂溢流式方案，從右至左依次為:右副壩、垂直升船機兼泄洪閘壩段、泄洪閘壩段、電站廠房壩段、安裝間壩段、左副壩等建筑物，壩頂總長度290 m，最大壩高72 m。

2 工程地質條件

壩址區(qū)漢江河谷為斜向谷，谷底寬140～160 m，橫向呈較開闊的不對稱V字形，兩岸山勢總體是右陡左緩，壩址區(qū)出露的地層巖性主要有:志留系下統(tǒng)(S1)炭泥質板巖(S1－S1)、絹云母千枚巖(S1－Ph1)、白云母石英片巖(S1－Sc)，局部穿插石英巖脈;第四系全新統(tǒng)(Q4)沖積、洪積、崩坡積、滑坡堆積等。

斷層、裂隙較為發(fā)育，局部地段還發(fā)育小褶皺。出露的斷層多順層發(fā)育，為逆斷層，破碎帶寬度一般小于0.5 m，以中、陡傾角為主。裂隙按其走向特征大致可劃分為4組:①組層面裂隙，是壩址區(qū)最為發(fā)育的一組裂隙;②組裂隙在兩壩肩均較發(fā)育，左岸以傾向SE者為主，右岸以NW居多，與不甚發(fā)育的④組裂隙共同為岸坡巖體穩(wěn)定的控制性結構面;③組裂隙在壩區(qū)零星發(fā)育、斷續(xù)延伸，與②組夾角大于50°，多互切形成“菱形”巖塊(體)。

右岸岸坡斷層F33、F32之間為炭泥質板巖、F32、F4之間為白云石英片巖，①、②組裂隙互切發(fā)育，且②組裂隙多呈張開狀，局部張開寬10～20 cm。左壩肩發(fā)育規(guī)模較大的F32、F33、F4斷層，壩址區(qū)①、②組裂隙亦較為發(fā)育，該段巖體破碎，為CⅤ類巖體。

3 灌漿帷幕布設

根據(jù)工程地質條件，由于斷層、裂隙發(fā)育，為了有效減少水庫水量的流失和確保大壩的穩(wěn)定，在大壩壩基主廊道和左右岸灌漿平洞布置防滲帷幕進行防滲處理，在消力池下游尾坎和左右導墻內(nèi)設有基礎灌漿廊道，左、右側廊道分別與上游壩基主廊道和下游尾坎廊道相連通，使閘室、消力池基礎形成封閉區(qū)域，帷幕灌漿孔設置均為鉛垂孔。

左岸在廠房壩段壩下0+007.50和壩下0+008.40處布置了2排防滲帷幕，帷幕灌漿廊道底板高程為167.50 m，灌漿帷幕伸入3 Lu以下巖層，最低處高程為133.00 m，最大深度為34.5 m。

沿壩軸線基礎設計2道防滲帷幕。主帷幕底線深入到基巖相對不透水層(巖體透水率q＜3 Lu)下3 m，即主排帷幕孔的底高程為132.00～164.00 m，副排帷幕孔的底高程為156.00～175.00 m，孔距均為2.5 m。

左側和下游廊道內(nèi)設2道防滲帷幕，左廊道主排孔底高程左側廊道為156 m，副排孔底高程165 m，下游廊道主排孔底高程156.00～162.0 m，副排孔底高程 165.00～168.0 m，主、副排孔間距均為2.5 m。右側廊道內(nèi)設單道防滲帷幕，帷幕孔底高程為165 m，孔間距為2.0 m。

從壩右0+101.50 m～右壩肩灌漿平硐末端壩右0+165.50 m范圍內(nèi)，防滲帷幕布設單排，深入巖體相對不透水層內(nèi)4 m，帷幕孔的底高程為164.00～209.50 m?？拙?.5 m。

4 帷幕灌漿施工

鉆孔采用回轉地質鉆機小口徑金剛石鉆頭鉆進，開孔孔徑75 mm，終孔孔徑56 mm，高壓灌漿泵灌注，灌漿記錄儀對灌漿全過程進行監(jiān)控。自上而下分段，孔口封閉、孔內(nèi)循環(huán)法灌漿的施工工藝，按先進行抬動觀測孔→先導孔→灌漿孔→檢查孔，灌漿孔嚴格按“先Ⅰ序、后Ⅱ序、再Ⅲ序”的原則進行鉆孔和灌注。

4.1 帷幕灌漿孔布置和施工次序

防滲帷幕在不同部位分為單排和雙排布置，分三序孔進行灌漿，按分排分序加密原則施工，先施工下游排，再施工上游排，排內(nèi)按Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ次序，按次序分段進行鉆孔灌漿。帷幕灌漿按“同次序等孔距”布置，“……—①—③—②—③—①—③—②—③—①—……”(其中①表示一序孔，其它依此類推)。

4.2 施工工藝

帷幕灌漿孔第一段采用孔口卡塞循環(huán)塞式注漿。第二段及以下各段采用“孔口封閉灌漿法”灌注，用孔口封閉器封閉，要確保封閉器密封的可靠性，灌漿管在孔口封閉器中心部位能靈活轉動和升降，經(jīng)常轉動和升降灌漿管，以防止灌漿管在孔內(nèi)被水泥漿凝住，射漿管距孔底距離≯50 cm［1］。

4.2.1 孔口管施工

孔口管在第一段灌漿結束后鑲注，埋設深度一般按入巖石2 m控制，其頂部高出孔口10 cm，用灌漿的方法向孔內(nèi)壓入水灰比為0.5的水泥漿，待孔口管與孔壁之間返出同一濃度水泥漿時，導正孔口管，待凝72 h后，方可鉆灌第二段。

4.2.2 鉆孔

(1)采用回轉式地質鉆機配合金剛石鉆頭回轉鉆進，混凝土部位通過灌漿預埋管(91 mm)鉆進，以下鉆孔孔徑為75 mm。

(2)灌漿孔的施鉆按施工次序，分序分段進行。鉆孔孔位偏差小于10 cm，孔深20.0 m以淺每鉆進5.0 m調校鉆機一次;20.0 m以深每鉆進10.0 m調校鉆機一次，以保證鉆進孔向準確。

(3)所有灌漿孔均全孔測斜，在施工中經(jīng)常采取可靠的措施，保證鉆孔的垂直度符合設計要求。

4.2.3 漿液的選擇

本工程為巖石地基帷幕灌漿，灌漿漿液采用袋裝PO.42.5普通硅酸鹽水泥制成的純水泥漿。遇到特殊地質條件時，根據(jù)實際情況需要，經(jīng)監(jiān)理人批準，可在水泥漿液中摻入砂和水玻璃等摻合料。

4.2.4 灌漿

本工程采用3SNS型高壓泥漿泵灌漿，配備三參數(shù)大循環(huán)灌漿自動記錄儀實時記錄。

4.2.4.1 灌漿段長及灌漿壓力的劃分

通過帷幕灌漿試驗及成果優(yōu)化選擇的段長及壓力參數(shù)見表1。

4.2.4.2 漿液變換

(1)根據(jù)試驗孔的灌漿情況，施工區(qū)的基礎巖石可灌性較差，漿液水灰比采用5∶1、3∶1、2∶1、1∶1、0.8∶1和0.5∶1六個級別，漿液由稀至濃逐級變換。

(2)當某一比級漿液的注入量已達300 L以上或灌注時間已達30 min，灌漿壓力和注入率均無改變或改變不顯著時，改濃一級。

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(3)當注入率＞30.0 L/min時，根據(jù)具體情況越級變濃。

4.2.4.3 灌漿結束標準

(1)在該段最大設計壓力下，注入率≯1 L/min，繼續(xù)灌注60 min，可結束灌漿。

(2)灌漿過程中如出現(xiàn)回漿變濃，換用相同水灰比的新漿灌注，若效果不明顯，繼續(xù)灌注30 min，結束本段灌漿，不再進行復灌。

4.2.4.4 封孔

封孔采用全孔灌漿封孔法，用新鮮的水灰比0.5的水泥漿液，采用置換壓力灌漿法封孔，封孔時間≮1 h，孔口未滿則用水泥砂漿進行二次封孔。

5 特殊情況及處理措施

5.1 對吃漿量大，難以按灌漿技術要求結束孔段的處理措施

在本工程灌漿過程中，尤其是在下游排Ⅰ序孔的施工過程中，經(jīng)常遇到一些注入量大且不起壓，灌漿難以結束的孔段，工程地質條件差是主要原因，從巖體巖性分析，基巖巖性為白云母片巖、絹云母千枚巖、炭泥質板巖，發(fā)育 L45裂隙及 F5、F32、F33、F4斷層，各斷層基本向上游傾斜，傾角30°～38°岸貫穿，強風化帶厚一般6～9 m，弱風化帶厚10～11 m，巖體破碎、裂隙較發(fā)育、透水性較強，斷層的跨灌區(qū)的影響明顯。

對于這一情況的孔段，可采取的處理方法是采用低壓濃漿灌注，當?shù)蛪簼鉂{灌注仍無法達到結束標準時，采用限流、限量灌注［2］，使其注入率控制在15 L/min左右，灌入水泥限量為3.0 t/m。如仍無法達到結束標準時，再采用間歇待凝、掃孔復灌，或采用摻加速凝劑的方法進行灌注，直至達到灌漿結束標準。間歇待凝時間一般為2～4 h，速凝劑的摻加量根據(jù)現(xiàn)場實驗情況確定，一般為水泥質量的3% ～7%。

5.2 對串漿情況的處理措施

(1)具備灌漿條件的串漿孔，采用一孔一泵對灌漿孔和串漿孔同時灌注。

(2)不具備灌漿條件的串漿孔，則將串漿孔堵塞，待灌漿孔灌漿結束后，再對串漿孔進行掃孔、沖孔、繼續(xù)鉆進和灌漿。

(3)正在鉆進的串漿孔，立即停機起鉆，防止因串漿而埋鉆。并將串漿孔從孔口封堵，待灌漿孔灌漿結束后，再對串漿孔進行掃孔、繼續(xù)鉆進和灌漿。

5.3 對孔口有涌水情況的處理措施

由于多條斷層跨越灌漿區(qū)域，特別是F32(影響帶寬8 m以上)、F33(斷層寬4 m以上，影響帶寬超過10 m)等大型斷層帶，巖石透水性很強，因此涌水現(xiàn)象是蜀河電站灌漿的一個普遍現(xiàn)象，甚至個別孔涌水噴出孔口高達1 m高。如何解決好涌水孔的灌漿問題，是本工程的最主要的難題。為此主要采取以下3項措施進行處理。

(1)提高灌漿壓力。涌水孔段灌漿壓力采用該段設計灌漿壓力+涌水壓力，保證在足夠大的灌漿壓力下進行灌漿。

(2)閉漿和待凝。對于涌水量＜40 L/min的孔段，先用常規(guī)循環(huán)式灌漿1.5 t后提起射漿管，再用卡塞純壓式灌0.5∶1的水泥濃漿灌注0.5 t后，閉漿待凝24 h，然后掃孔、復灌。涌水量＞40 L/min的孔段，先用0.5∶1的濃漿純壓式灌漿，灌2.0 t后閉漿待凝24 h，然后掃孔、復灌。待凝后掃孔至灌漿段底，觀測若仍涌水，則再測涌水量和壓力后進行復灌，若無涌水，鉆灌下一段［3］。

(3)嚴格控制灌漿壓力，起始壓力要小，避免使用大壓力和過快升高壓力;采用濃漿，少用或不用稀漿。起始注入率要小，防止過快和突然增大注入率，始終保持中等偏小的注入率。采取限流、限量灌漿，即當灌注水泥量達到1.5 t時，待凝、再掃孔、復灌［4］。

6 灌漿成果資料分析

6.1 巖體可灌性分析

帷幕灌漿共劃分為24個單元，827個孔，灌漿長深度 18787.66 m，注入水泥 5099.29 t，平均單位注入量271.42 kg/m(見表2)，特殊地質情況下個別孔段的注入量大導致平均單耗高。

表2 帷幕灌漿成果統(tǒng)計分析表

在本工程中Ⅰ序孔單位注入量399.68 kg/m;Ⅱ序孔單位注入量284.21 kg/m，單位注入量較Ⅰ序孔遞減29%;Ⅲ序孔單位注入量179.60 kg/m，單位注入量較Ⅱ序孔遞減36.8%，說明Ⅰ序孔、Ⅱ序孔的灌漿對Ⅲ序孔有一定的影響。隨灌漿次序增進單位注入量逐漸降低，符合灌漿的一般規(guī)律。

6.2 灌漿質量檢查

6.2.1 灌前壓水試驗

各序孔在灌漿前均進行壓水試驗，了解灌漿前巖石透水率，透水率統(tǒng)計情況見表3。

表3 灌漿前壓水試驗資料分析

總體上分析，經(jīng)Ⅰ、Ⅱ序孔灌漿后巖體透水性下降顯著，表明在灌漿孔逐步加密的過程中，基巖中的裂隙、漏水和滲水通道逐步的被水泥漿液充填，裂隙中的充填物得到了擠密，這使得基巖的防滲能力逐步地得到提高，在一定程度上反映了灌漿的效果，符合一般灌漿規(guī)律。

6.2.2 灌后檢查孔壓水

為了檢查幕體在灌漿后的透水性情況，在各個單元工程灌漿完工14天后，在相應的單元鉆檢查孔進行壓水試驗，共布置檢查孔69個，進行壓水試驗418段。

其中小于或等于1 Lu為24段占6%，大于1 Lu小于3 Lu有305段占73%，大于3 Lu有89段占21%，其最大透水率為11.24 Lu。檢查孔壓水試驗成果分析見表4。

表4 檢查孔壓水試驗成果分析表

右岸泄洪壩段帷幕灌漿有5個單元27個孔帷幕灌后檢查孔壓水透水率＞3 Lu，最大透水率為11.24 Lu，不能滿足設計要求，最終設計通知帷幕由單排孔變更為雙排孔，透水率標準由3 Lu變?yōu)? Lu，仍有5個孔的透水率＞5 Lu，后采取了補孔灌漿后再作壓水檢查，最終透水率1.49 ～4.4 Lu，平均透水率2.91 Lu，小于設計規(guī)定5 Lu，滿足設計要求。通航段帷幕灌后檢查孔壓水分別有1段透水率＞3 Lu，但小于設計規(guī)定3 Lu的150%的值，滿足設計要求。

其它部位灌后檢查孔壓水試驗透水率均小于3 Lu，滿足設計要求。

6.2.3 巖心檢查

在灌漿巖心和檢查孔巖心中，發(fā)現(xiàn)多處裂隙充填水泥結石，膠結良好，常見厚1～3 mm。由此可見帷幕灌漿達到了封堵滲水通道的目的。

7 結論和存在的問題

施工實踐表明，在蜀河水電站采用孔口封閉高壓灌漿法的施工工藝是可行和有效的。從耗灰量的遞減規(guī)律、灌前壓水試驗及灌后壓水試驗數(shù)據(jù)來看是符合灌漿規(guī)律的，在一定程度上反映出了灌漿所取得的效果。

但同時，在本工程的施工過程中，尚存在以下問題尚待商酌。

(1)本工程最大壩高72 m，灌漿采用了最大4 MPa的壓力，相當于5倍多的水頭，壓力過大，導致地層多處被劈裂，耗漿量增大，類似工程灌漿壓力可按2～3倍壩高水頭控制即可［5］。

(2)由于地質條件的不均一性，斷層、裂隙發(fā)育部位個別孔段注漿量大，其它部位孔段注漿量較小，可灌性不均衡，在這種情況下，布孔應考慮縮小孔距或按雙排布孔，從右岸泄洪壩段帷幕灌漿質量檢查和后期處理情況也說明了這一點。

［1］DL/T 5148－2001，水工建筑物水泥灌漿施工技術規(guī)范［S］.

［2］李焰，余常茂.三峽壩基灌漿施工主要技術問題及解決措施［J］.水利水電科技進展，2007，(1):31－35.

［3］李建濤.蜀河水電站高水頭、大涌水帷幕灌漿施工技術分析應用［J］.西北水電，2011，(5):27 －29.

［4］王福平，藺剛，王立民，等.通化桃園水利樞紐工程特殊壩段帷幕灌漿工藝技術［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程)，2009，36(8):64－65.

［5］孫釗.大壩基巖灌漿［M］.北京:中國水利水電出版社，2004.