雅礱江兩河口水電站大壩灌漿技術(shù)

楊培洲，孫起軍，李豐年，劉國(guó)泰

(1.雅礱江流域水電開(kāi)發(fā)有限公司，四川 成都 610051； 2.四川森嶸建設(shè)工程股份有限公司，四川 成都 610073； 3.中國(guó)水利水電建設(shè)工程咨詢西北有限公司，陜西 西安 710100)

0 引 言

土石壩工程施工簡(jiǎn)便，適應(yīng)性強(qiáng)，成本較低，是水電工程較為常用的一種壩型，但同時(shí)也對(duì)大壩基礎(chǔ)防滲提出了更高要求。壩基滲透穩(wěn)定性與大壩安全密切相關(guān)，合理的防滲結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與可靠的施工質(zhì)量是大壩安全的重要保障。國(guó)內(nèi)外統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，因滲流破壞而引發(fā)的事故或垮壩案例占所有事故案例總數(shù)的30%～40%，可見(jiàn)防滲處理對(duì)土石壩安全具有重要影響[1]。目前，中國(guó)已規(guī)劃且在建壩高大于200 m的土石壩已不下數(shù)十座，其中不乏壩高大于300 m的土石壩。超高土石壩的建設(shè)對(duì)設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)行管理帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)[2]。國(guó)內(nèi)如小浪底[3]、長(zhǎng)河壩[4]、糯扎渡[5]、瀑布溝[6]、苗尾[7]、瀘定[8]等同類型水電站在基礎(chǔ)防滲方面具有不同的特點(diǎn)和難點(diǎn)。兩河口水電站是中國(guó)高海拔地區(qū)300 m級(jí)土石壩建設(shè)的里程碑，在借鑒其他電站成功經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，不斷探索與改進(jìn)大壩基礎(chǔ)處理技術(shù)，取得了良好的灌漿處理效果。

1 工程概況

雅礱江兩河口水電站礫石土直心墻堆石壩最大壩高295 m，壩頂高程2 875.00 m，樞紐防滲帷幕由河床基礎(chǔ)防滲帷幕、左右岸壩肩基礎(chǔ)防滲帷幕及地下廠房防滲帷幕組成。帷幕灌漿通過(guò)沿心墻基礎(chǔ)面布設(shè)的河床基礎(chǔ)灌漿廊道和左、右兩岸分層設(shè)置的灌漿平洞進(jìn)行。左、右兩岸各設(shè)置了6層帷幕灌漿平洞，上下層平洞軸線位于同一豎直斷面內(nèi)。地下廠房采用壩廠聯(lián)合的防滲類型，下游側(cè)與大壩防滲帷幕銜接，共5層灌漿平洞[9]。

大壩基礎(chǔ)基巖固結(jié)灌漿布置在心墻基礎(chǔ)范圍內(nèi)，心墻基礎(chǔ)厚1 m的混凝土蓋板兼做固結(jié)灌漿蓋重?；A(chǔ)固結(jié)灌漿按照間排距2.5 m的梅花形布置，左壩肩、河床段及右壩肩高程2 640 m以下固結(jié)灌漿孔深8 m，右壩肩高程2 640.00～2 700.00 m固結(jié)灌漿孔深12 m，右壩肩高程2 780.00～2 875.00 m固結(jié)灌漿孔深15 m。左、右壩肩心墻基礎(chǔ)局部弱風(fēng)化、弱卸荷深度較深，固結(jié)灌漿須在這些部位適當(dāng)作加深處理，最大深度分別為左岸15 m、右岸20 m[10]。

2 壩肩地質(zhì)條件

兩河口水電站壩址為橫向谷，巖層陡傾向下游，巖層由三疊系上統(tǒng)兩河口組下段(T3lh1)及中段(T3lh2)地層組成，地層巖性總體為變質(zhì)砂巖夾板巖及砂巖板巖互層。巖層產(chǎn)狀為N60°～75°W/SW∠60°～75°，與河流近垂直相交。右壩肩邊坡部位斷層相對(duì)較發(fā)育，規(guī)模較大的斷層主要有f 8，f 9，f 10，f 11，f 12，f 4等。開(kāi)挖后大壩建基面巖體以Ⅲ2類和Ⅳ類為主，右岸中高高程建基面主要為V類巖體。巖體卸荷程度相對(duì)較高，且傾向坡外的中緩傾角節(jié)理較發(fā)育。壩區(qū)巖體普遍發(fā)育北偏東走向的裂隙，形成左右岸的順坡和反坡裂隙，順坡裂隙組發(fā)育程度高于反坡裂隙組，其中左岸建基面主要發(fā)育5組優(yōu)勢(shì)裂隙，有兩組為陡傾角順坡向裂隙(分別為N65°W/SW∠70°～80°和N30°～75°E/NW(SE)∠65°～85°)，開(kāi)挖揭示右岸主要發(fā)育4組優(yōu)勢(shì)裂隙，有一組為陡傾角順坡向裂隙(N75°～90°W/SW(NE)∠75°～80°)。由于裂隙的相互切割，壩基巖體完整性較差，需要進(jìn)行固結(jié)灌漿處理，以提高巖體完整性、滿足壩基承載要求[9]。

3 壩肩卸荷基礎(chǔ)固結(jié)灌漿

3.1 抬動(dòng)變形問(wèn)題

壩基固結(jié)灌漿在混凝土蓋板基礎(chǔ)上進(jìn)行，灌漿孔垂直蓋板，分兩序施工，總體按先低后高、先周邊后中間的順序進(jìn)行。施工中出現(xiàn)的主要問(wèn)題包括：巖體順坡向卸荷裂隙發(fā)育，完整性較差，灌漿易發(fā)生抬動(dòng)變形或劈裂，質(zhì)量控制難度大；砂板巖地層各向異性明顯，灌漿壓力與巖石條件難以匹配，抬動(dòng)控制難度大；發(fā)生過(guò)抬動(dòng)的灌漿單元無(wú)法同時(shí)進(jìn)行多個(gè)孔的施工，施工進(jìn)度受制約。

3.2 抬動(dòng)機(jī)理分析及預(yù)防措施

灌漿壓力對(duì)灌漿效果有重要影響。在條件允許的情況下，以采用較大的灌漿壓力為好，但較大的灌漿壓力往往易造成完整性較差巖石的破壞。岸坡卸荷巖體裂隙發(fā)育，巖體完整性較差，巖體側(cè)向抗抬動(dòng)能力不足，灌漿壓力與巖石條件不匹配，是抬動(dòng)產(chǎn)生的主要原因。各類巖體都有對(duì)應(yīng)的臨界灌漿壓力，如果超過(guò)臨界壓力，巖體就會(huì)發(fā)生抬動(dòng)變形或劈裂破壞，且抬動(dòng)劈裂一般從巖體中的薄弱結(jié)構(gòu)面形成并擴(kuò)展。在軟弱巖體的灌漿施工中，當(dāng)灌漿壓力超過(guò)巖體臨界抬動(dòng)灌漿壓力，注漿率與抬動(dòng)值也隨之增大；若注入率發(fā)生突變，則基本可判斷巖體已劈裂。對(duì)于Ⅳ，Ⅴ類易抬動(dòng)巖體，采用逆向控制原理，以臨界抬動(dòng)流量控制灌漿壓力，實(shí)現(xiàn)灌漿壓力與巖石抗抬能力的匹配，既避免抬動(dòng)破壞的發(fā)生，也使裂隙得到較好的充填，達(dá)到灌漿壓力動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的效果。

為防止產(chǎn)生抬動(dòng)劈裂破壞，根據(jù)灌漿成果及巖石類別調(diào)整灌漿壓力，加強(qiáng)施工過(guò)程中灌漿泵的檢修與維護(hù)，始終保持灌漿泵正常工作狀態(tài)；原漿入槽需過(guò)濾水泥結(jié)塊，保持灌漿管路暢通、長(zhǎng)度適宜，進(jìn)、回漿管路安裝雙穩(wěn)壓罐，減少灌漿壓力波動(dòng)峰值；灌漿升壓按0.1～0.3 MPa/5 min進(jìn)行控制，孔口壓力表及壓力傳感器處于灌漿孔口5 m范圍內(nèi)，高程基本與孔口齊平；安排專人進(jìn)行抬動(dòng)觀測(cè)并保持通訊暢通，發(fā)生抬動(dòng)則及時(shí)降低灌漿壓力，同時(shí)需要在以下方面加強(qiáng)控制：① 對(duì)卸荷巖體采用自上而下分段鉆孔的分段灌漿方法施工；② 灌漿一般采用高壓灌漿泵，需要控制最大泵量在40 L/min左右；③ 采用分級(jí)升壓方式進(jìn)行灌前壓水、裂隙沖洗及灌漿，并加強(qiáng)抬動(dòng)監(jiān)測(cè)；④ 以臨界抬動(dòng)流量控制灌漿壓力，灌漿結(jié)束后待凝24 h，掃孔復(fù)灌。

3.3 卸荷基礎(chǔ)固結(jié)灌漿效果評(píng)價(jià)

通過(guò)采取針對(duì)性措施，完成壩基固結(jié)灌漿10.78萬(wàn)m，平均單位注入量為33.49 kg/m，Ⅰ序孔平均單位注入量為50.42 kg/m，Ⅱ序孔平均單位注入量為16.27 kg/m，Ⅱ序孔較Ⅰ序孔遞減67.7%，符合灌漿一般規(guī)律，灌漿效果良好。

單孔聲波檢測(cè)全部合格，灌后單孔聲波值普遍有不同程度的提高，提高幅度在0.3%～12.7%，檢測(cè)結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。

灌后鉆孔變形模量提高幅度：Ⅲ類巖體11.6%，Ⅳ類巖體13.5%，Ⅴ類巖體19.0%。巖體抗變形能力有較大提高。

4 壩基岸坡卸荷基礎(chǔ)帷幕灌漿

4.1 帷幕灌漿合格率問(wèn)題

壩肩卸荷基礎(chǔ)帷幕灌漿不合格單元占80%，施工過(guò)程存在下列問(wèn)題。

(1) 淺層卸荷區(qū)域抬動(dòng)變形問(wèn)題。淺層卸荷巖體抬動(dòng)孔段占8.0%～12.4%，變形范圍為6～185 μm，灌漿質(zhì)量難以保證并制約施工進(jìn)度。

(2) 高串低及高處灌漿低處抬動(dòng)問(wèn)題。上下相鄰單元平行施工時(shí)，易發(fā)生高程較高孔向高程較低孔串漿的現(xiàn)象，并伴隨抬動(dòng)劈裂，左右岸卸荷巖體劈裂占總段數(shù)的13%左右，各序孔平均單位注入量出現(xiàn)反序特征，帷幕無(wú)法正常施工。岸坡三角區(qū)位置及結(jié)構(gòu)示意見(jiàn)圖1。

圖1 岸坡三角區(qū)位置及結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Location and structure of bank slope triangle

4.2 帷幕灌漿不合格原因分析

(1) 地質(zhì)因素。該區(qū)域地層巖性總體為變質(zhì)砂巖夾板巖及砂巖板巖互層，開(kāi)挖后大壩建基面巖體以Ⅲ2類和Ⅳ類為主，右岸中高高程建基面主要為Ⅴ類巖體。壩基岸坡三角區(qū)巖體的風(fēng)化、卸荷程度相對(duì)較高，且傾向坡外的中緩傾角節(jié)理較發(fā)育，巖石裂隙組合切割，巖體完整性較差，施工過(guò)程易發(fā)生抬動(dòng)劈裂，是水泥灌漿合格率低的主要原因。

(2) 混凝土蓋重較小，巖體完整性差，灌漿壓力無(wú)法與巖石條件有效匹配，造成抬動(dòng)劈裂頻發(fā)。

(3) 施工采用孔口封閉灌漿法，孔口管入巖2～8 m，淺層巖體難以承受較大灌漿壓力，頻繁發(fā)生抬動(dòng)劈裂及“串冒漏”現(xiàn)象，嚴(yán)重影響灌漿質(zhì)量。

綜合分析認(rèn)為：左右岸三角區(qū)帷幕灌漿出現(xiàn)抬動(dòng)劈裂、水泥灌漿合格率較低等問(wèn)題，主要原因在于心墻基礎(chǔ)巖體卸荷裂隙相對(duì)發(fā)育，巖體完整性較差，灌漿參數(shù)與地質(zhì)條件不匹配；施工控制環(huán)節(jié)不是制約因素。

4.3 應(yīng)對(duì)措施及效果評(píng)價(jià)

施工過(guò)程中出現(xiàn)的抬動(dòng)劈裂及反序現(xiàn)象說(shuō)明卸荷巖體難以承受較大的灌漿壓力，灌漿反而易造成巖體破壞，必然會(huì)降低帷幕灌漿合格率。針對(duì)帷幕灌漿合格率低的問(wèn)題，采取的主要措施包括：① 降低卸荷區(qū)域灌漿壓力，確保施工參數(shù)與巖體條件相適應(yīng)；② 卸荷巖體帷幕孔口管加深到20 m以上，保護(hù)20 m以上淺層卸荷巖體不受高壓灌漿擾動(dòng)，同時(shí)保證20 m以下巖體的高壓灌漿效果；③ 采取以抬動(dòng)臨界流量控制灌漿壓力的方式，達(dá)到動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)效果；④ 排間增加兩排環(huán)氧樹(shù)脂化學(xué)補(bǔ)強(qiáng)灌漿，鉆孔深入較完整巖石約10～15 m，采用“低壓慢灌”的滲透原理對(duì)帷幕進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)處理；⑤ 淺層卸荷巖體抬動(dòng)劈裂控制措施與前述3.2節(jié)相同。

通過(guò)以上組合措施，岸坡三角區(qū)淺層卸荷區(qū)域抬動(dòng)劈裂得到有效控制，三角區(qū)帷幕壓水試驗(yàn)檢查782段，最大透水率為0.95 Lu，滿足設(shè)計(jì)要求不大于1 Lu的防滲標(biāo)準(zhǔn)。鉆孔全景圖像顯示：陡傾細(xì)微裂隙充填率達(dá)85%以上，緩傾裂隙充填率達(dá)95%以上，混凝土蓋板與巖石結(jié)合緊密，灌漿效果良好，灌漿質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)要求。

5 河床灌漿廊道及兩岸灌漿平洞帷幕灌漿

5.1 帷幕灌漿涌水問(wèn)題

(1) 鉆孔普遍存在滲涌水現(xiàn)象，涌水孔段占21.3%，最大涌水量110 L/min，涌水壓力0.2 MPa左右，為裂隙承壓水。

(2) 該部位巖體總體完整，檢查孔壓水試驗(yàn)結(jié)果合格，但仍有52.1%的孔段存在微滲水現(xiàn)象。

(3) 河床廊道及左右岸灌漿平洞正常運(yùn)行水頭為290 m，帷幕在長(zhǎng)期高壓滲流作用下，會(huì)產(chǎn)生侵蝕作用，帷幕耐久性受影響。

5.2 應(yīng)對(duì)措施

(1) 若鉆孔遇到較大涌水，則單獨(dú)對(duì)涌水點(diǎn)進(jìn)行灌漿。① 當(dāng)涌水流量不大于5 L/min或涌水壓力不大于0.10 MPa、注入率不大于1 L/min時(shí)，繼續(xù)灌注60 min以上即可結(jié)束灌漿；② 當(dāng)5 L/min<涌水流量≤15 L/min，或0.10 MPa<涌水壓力≤0.15 MPa，則繼續(xù)灌注60 min以上并閉漿待凝不少于24 h后結(jié)束灌漿；③ 當(dāng)涌水流量大于15 L/min或涌水壓力大于0.15 MPa，繼續(xù)灌注90 min以上并閉漿待凝不少于24 h后結(jié)束灌漿；④ 以上涌水段灌漿壓力為“設(shè)計(jì)壓力+涌水壓力”；⑤ 灌漿孔最后一段出現(xiàn)較大涌水時(shí)，本孔及相鄰孔可適當(dāng)加深。

(2) 砂板巖細(xì)微裂隙發(fā)育，水泥材料因顆粒的細(xì)度限制，最小可灌裂縫寬度在0.1～0.5 mm范圍內(nèi)，小于0.1 mm的細(xì)微裂隙則無(wú)法保證灌漿效果。河床廊道及兩岸灌漿帷幕檢查孔存在滲水的主要原因是水泥灌漿無(wú)法有效充填細(xì)微裂隙，造成帷幕檢查合格但仍有較強(qiáng)的滲透性。丙烯酸鹽灌漿材料黏度低，不含顆粒成分，易灌入細(xì)微裂隙，膠凝時(shí)間可以根據(jù)需要控制；對(duì)于高壓滲流地質(zhì)環(huán)境的裂隙，丙烯酸鹽材料不易被稀釋或流失，具有較好的灌漿效果。采用排間丙烯酸鹽復(fù)合高壓灌漿技術(shù)處理，孔距3 m，最大灌漿壓力4～5 MPa，鉆孔深度30～80 m。灌漿前后的滲水檢測(cè)成果見(jiàn)表1。

表1 丙烯酸鹽化學(xué)灌漿前后滲水檢測(cè)成果Tab.1 Seepage observation results before and after acrylate chemical grouting

5.3 水泥化學(xué)復(fù)合灌漿效果評(píng)價(jià)

通過(guò)采用丙烯酸鹽灌漿材料排間復(fù)合高壓灌漿技術(shù)處理，檢查孔壓水試驗(yàn)結(jié)果全部合格，孔內(nèi)全景圖像顯示細(xì)微裂隙充填率85%以上，灌后滲水孔段及單段最大滲水量大幅減少。大壩基礎(chǔ)廊道幕后測(cè)壓管折算水位介于2 574.95～2 595.64 m之間，測(cè)壓水頭平穩(wěn)，灌漿效果良好。河床基礎(chǔ)廊道處理效果見(jiàn)圖2。

圖2 河床基礎(chǔ)廊道效果Fig.2 Effect of riverbed foundation corridor after treatment

6 廠區(qū)AGR5灌漿平洞陡傾巖層帷幕灌漿

兩河口水電站引水發(fā)電系統(tǒng)為首部式大型地下洞室群；樞紐區(qū)地形地質(zhì)條件較復(fù)雜且有多條斷層穿過(guò)主帷幕，斷層以順層擠壓類型為主，破碎帶寬度較小；地層中陡傾順層裂隙發(fā)育，影響帷幕形成。廠區(qū)帷幕斷層分布見(jiàn)圖3。

圖3 廠區(qū)帷幕斷層位置示意Fig.3 Location of curtain fault in the plant area

6.1 橫向陡傾順層斷層及細(xì)微裂隙影響

(1) 多條順層陡傾斷層及擠壓帶等不利結(jié)構(gòu)面穿過(guò)帷幕，滲徑短，不利于廠區(qū)防滲；巖層陡傾且走向近似垂直河床，不利于帷幕形成閉合。

(2) 順層陡傾角細(xì)微裂隙發(fā)育，灌漿過(guò)程有漿液回濃現(xiàn)象，各序0注入量孔段占總段數(shù)的87%，巖體可灌性差，不利于帷幕形成。

(3) 帷幕檢查合格，但檢查孔存在失水現(xiàn)象，說(shuō)明水泥對(duì)細(xì)微裂隙的灌漿效果有限，帷幕仍有一定滲透性，帷幕耐久性受影響。

6.2 陡傾細(xì)微裂隙及斷層處理措施

廠區(qū)AGR5主帷幕灌漿檢查合格，但檢查孔存在失水現(xiàn)象，主要原因是斷層及其影響帶、擠壓破碎帶及裂隙密集帶存在細(xì)微裂隙，充填效果不明顯；帷幕長(zhǎng)期在高水頭條件下運(yùn)行，高壓滲流會(huì)擊穿帷幕造成滲漏，影響主廠房安全。改性環(huán)氧樹(shù)脂材料具有黏度低、流動(dòng)性好、不含顆粒成分、形成結(jié)石的強(qiáng)度高、灌漿可操控時(shí)間較長(zhǎng)、可灌性好等優(yōu)點(diǎn)，其可通過(guò)高壓充填或滲透方式進(jìn)行灌漿，適合斷層及其影響帶、陡傾細(xì)微裂隙及其裂隙密集帶等地質(zhì)缺陷部位的處理。廠區(qū)AGR5帷幕補(bǔ)強(qiáng)灌漿，采用排間復(fù)核高壓化學(xué)灌漿技術(shù)，單排布置，孔距3 m，化學(xué)灌漿孔深65 m，最大灌漿壓力4～5 MPa。共完成化學(xué)灌漿7 143 m，平均單位注入量0.97 kg/m。

6.3 水泥化學(xué)復(fù)合灌漿效果評(píng)價(jià)

廠區(qū)地形地質(zhì)條件較復(fù)雜且有多條斷層穿過(guò)主帷幕，灌后布置檢查孔18個(gè)，壓水檢驗(yàn)237段，最大透水率0.19 Lu，滿足設(shè)計(jì)要求。檢查孔全景圖像顯示：灌后大部分陡傾細(xì)微裂隙得到有效充填，結(jié)石致密飽滿，斷層部位鉆孔變形模量平均提高13.4%。監(jiān)測(cè)成果顯示：廠區(qū)AGR5灌漿廊道幕后測(cè)壓管監(jiān)測(cè)水位介于2 615.42～2 632.77 m之間，幕后水頭平穩(wěn)且處于較低水平，說(shuō)明帷幕阻水效果良好。廠區(qū)AGR5灌漿廊道幕后測(cè)壓管折算水位歷時(shí)過(guò)程曲線見(jiàn)圖4。

圖4 廠區(qū)AGR5灌漿廊道幕后測(cè)壓管水位歷時(shí)過(guò)程曲線Fig.4 Water level duration curve of piezometer behind AGR5 grouting gallery in the plant area

7 結(jié) 論

兩河口電站樞紐區(qū)地層巖性為砂巖板巖，巖石總體可灌性較差；施工中出現(xiàn)岸坡卸荷基礎(chǔ)抬動(dòng)劈裂頻繁的現(xiàn)象，固結(jié)灌漿無(wú)法正常進(jìn)行，三角區(qū)帷幕合格率低；高外水頭條件下，帷幕難以形成和閉合；廠區(qū)多條陡傾順層斷層穿過(guò)廠房，帷幕形成的難度大；河床及兩岸帷幕鉆孔涌水，細(xì)微裂隙水泥灌漿效果差，導(dǎo)致幕體仍有一定透水性，影響帷幕耐久性等。通過(guò)采取針對(duì)性措施及合理的灌漿材料，有效解決了該工程施工中出現(xiàn)的技術(shù)難題。經(jīng)過(guò)大壩二期蓄水考驗(yàn)，基礎(chǔ)廊道總滲水量1 L/s左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)允許指標(biāo)；監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，帷幕運(yùn)行正常?？梢?jiàn)，該工程的相關(guān)技術(shù)問(wèn)題分析合理，采取的措施得當(dāng)、有效。