中梁一級電站庫區(qū)防滲帷幕灌漿工藝的研究

王 偉

（中國水電基礎工程局有限公司，天津301700）

1 前言

1.1 工程概況

中梁水電站位于重慶市巫溪縣境內(nèi)大寧河干流西溪河上，中梁一級電站壩址位于中梁鄉(xiāng)青巖洞橋上游約200.0m處，距巫溪縣城49.0km。壩址控制流域面積525km2，多年平均流量17.1m3／s，多年平均徑流量5.39億m3。中梁一級電站采用水庫式開發(fā)，屬Ⅲ等中型工程，工程樞紐由混凝土面板堆石壩、左岸岸邊溢洪道、左岸輸水放空隧洞、右岸引水隧洞、地下廠房及開關(guān)站等組成。混凝土面板堆石壩最低建基面高程512.00m，壩頂高程630.50m，最大壩高118.5m，壩頂長243.0m，寬8.0m，上下游壩坡均為1∶1.4。水庫正常蓄水位為625.0m，相應庫容為9 300萬m3，總庫容9 859萬m3，調(diào)節(jié)庫容6 730萬m3，具有年調(diào)節(jié)能力。

中梁一級電站庫區(qū)防滲工程防滲軸線位于壩址上游6.4km的星溪溝下游約200m處，平行于星溪溝布置，灌漿平洞分上下2層，上層灌漿平洞為PD7勘探平洞擴挖而成，下層灌漿平洞可以通過星溪溝出口附近212m長的斜洞進入，斜洞洞口高程為585m。上層灌漿平洞底板高程626.00m，全長517.00m，設計帷幕灌漿樁號范圍為0＋101.00～0＋513.00m，帷幕底線高程535m。

1.2 工程地質(zhì)條件

水庫防滲勘探線位于龍?zhí)逗佑野叮c岸坡近垂直，該段河流流向近東西向，河水位575.20m。庫岸坡度約50°，高程650.00m以上坡度變緩。

防滲區(qū)位于天元背斜北翼（倒轉(zhuǎn)翼），巖層走向280°～285°，傾SW，傾角65°～88°。背斜核部地層為志留系砂頁巖，南翼巖層傾向SW，傾角約45°。防滲不涉及南翼地層。防滲勘探洞（PD7號平洞）洞口高程626.20m，洞向約189°，與河岸及巖層走向近垂直，洞深552m，洞內(nèi)各段勘探地質(zhì)情況分述如下：

80.0 ～137.0m：“中梁隔水層”，其中80 ～117m為“中梁段”灰至深灰色薄層泥質(zhì)灰?guī)r與頁巖互層，無溶蝕現(xiàn)象，洞壁有滴水；117～37m為大隆組黑色薄層鈣質(zhì)頁巖、炭質(zhì)頁巖。巖層傾角67°，在129.5m下游洞壁上有一出水點，流量約0.5～1L／s。130m處地下水位在607.00m以上。該段地層為水庫防滲北端接頭。

137.0 ～487.0m：為漏水的二疊系地層，本段應為灌漿防滲重點。

137.0 ～217.5m：為長興組與吳家坪組灰色厚層含燧石灰?guī)r，底部王坡段為3m黑色炭質(zhì)頁巖、鋁土巖夾煤層。巖層傾角由67°逐漸過渡到80°，傾向SW。平洞揭露2個溶洞：137m處沿裂隙（走向25°，傾向 NW，傾角85°）發(fā)育一扁平溶洞，寬0.5～1m，長3m，高約10m，洞中充填有蜂窩狀次生黃泥；165m處有一順層面的溶蝕帶，寬度1m，為次生黃泥包碎塊石全充填，塊徑5～15cm，黃泥呈軟塑狀態(tài)，本段及兩側(cè)交界處應為溶洞處理重點。

217.5 ～369.0m：為中統(tǒng)茅口組淺灰、灰黑色厚至巨厚層灰?guī)r，易溶蝕。在363m發(fā)育有逆沖斷層F3，走向275°，傾向 NE，傾角45°～55°，破碎帶寬度約1.5m，上盤完整，下盤擠壓破碎，并有泥質(zhì)物充填。該段巖溶發(fā)育，281.6～283.7m下游洞壁可見扁平式落水洞，長（垂直于平洞，沿巖層走向）約5m，寬約2.5m，高約30m，洞壁有灰華，較光滑。洞下游壁可見寬約2～5cm的縫隙。286.0～293.0m段上游壁及洞頂發(fā)育有全充填溶洞，寬度可達1m，黃泥充填密實，裹有磨圓度極好的卵礫石，粒徑0.5～5cm。本段應為灌漿及溶洞處理重點部位。

369.0 ～487.0m：為中統(tǒng)棲霞組深灰、灰黑色中厚層至巨厚層灰?guī)r夾炭質(zhì)頁巖。在洞深370、398、400、402.5、486.5m 夾有30～100cm 厚的炭質(zhì)頁巖。走向280°～310°，傾向 NE，傾角60°～70°的節(jié)理非常發(fā)育，充方解石脈。該段巖溶發(fā)育比茅口組地層弱，多處洞壁有滴水現(xiàn)象。本段應為灌漿重點。

487.0 ～552.0m：為非巖溶的不透水地層，490.0m處ZK108孔深120.20m，全孔段壓水試驗透水率都小于1Lu，地下水位612.70m；洞深548.5m處ZK107孔深120.10m，壓水試驗透水率都小于1Lu，地下水位608.90m。該段為水庫防滲漏良好的帷幕接頭。

2 帷幕灌漿試驗

2.1 試驗目的

由于防滲區(qū)域工程地質(zhì)復雜，為論證灌漿材料可灌性和漿液配合比的可行性；確定灌漿孔排數(shù)、孔距、灌漿材料、漿液配合比、灌漿壓力等能否達到灌漿效果，從而選擇符合工程地質(zhì)條件的灌漿工藝和灌漿技術(shù)措施，于施工現(xiàn)場進行現(xiàn)場灌漿試驗[1－2]，灌漿試驗地段的地質(zhì)情況應具有代表性[3－4]。試驗區(qū)布置在帷幕樁號0＋301～0＋309。

2.2 試驗灌漿孔布置

帷幕灌漿試驗段布設雙排帷幕灌漿孔，灌漿孔分3排孔布置，孔距2.0m，排距1.3m，分三序施工，如圖1所示。由于裂隙較為發(fā)育，灌漿采用孔口封閉、自上而下分段灌漿方法[3－4]。漿液拌制采用集中制漿方式，灌漿采用自動記錄儀記錄。

圖1 試驗區(qū)灌漿孔布置圖

2.3 灌漿參數(shù)

帷幕灌漿分段長度按表1中執(zhí)行，第4段及以下各段遇特殊情況時，可適當縮短或加長灌漿段長，但最大段長不得大于8m。各灌漿段的最大灌漿壓力按表1中規(guī)定的各孔序、段次壓力值并結(jié)合注入率參考表2中的壓力與注入率對應數(shù)值執(zhí)行，灌漿過程中應根據(jù)實際情況及時進行調(diào)整。灌漿壓力控制采用一次升壓法，即盡快達到設計壓力，但灌漿過程中注入率較大時，采用分級升壓法或間歇升壓法，并使灌漿壓力與注入率相適應。

表1 灌漿壓力及分段表

表2 壓力與注入率關(guān)系表

2.4 灌漿漿液

水泥灌漿材料采用宜昌華鑫水泥廠產(chǎn)的華鑫牌P.O42.5級普通硅酸鹽水泥。根據(jù)現(xiàn)場地層條件，灌漿漿液水灰比采用3、2、1、0.8、0.5這5個比級，開灌水灰比采用3。灌漿漿液由稀至濃逐級變換，在灌漿過程中變換漿液水灰比時，以測定回漿管的水灰比為準。

2.5 灌漿順序

帷幕灌漿按分序加密的原則進行施工，并按先C排、后A排、再B排，每排先Ⅰ序孔，后Ⅱ序孔，再Ⅲ序孔的施工順序進行。

2.6 試驗結(jié)果及分析

灌漿檢測項目主要為鉆孔取芯和壓水試驗，并結(jié)合灌漿成果資料進行綜合分析。檢查孔壓水試驗合格標準為：帷幕灌漿的質(zhì)量要求透水率q≤3Lu；檢查孔的第1段和第2段的合格率為100%，以下合格率在90%以上，且呂榮值不得超過設計值的100%，且為不集中，認為合格。

試驗區(qū)每段灌漿之前的壓水透水率如表3所示，透水率小于3Lu的段次占了75.6%，透水率大于10Lu的段次占了9.2%，個別段次有升不起壓力的現(xiàn)象。從表中可以看出，各灌漿孔透水率基本遵循各次序孔透水率遞減的規(guī)律，說明灌漿效果良好。

灌漿試驗區(qū)布設了2個檢查孔XJ－1、XJ－2，如表4所示，XJ－1和XJ－2各20段，所有段次的透水率均小于3Lu，最大透水率為2.74Lu，最小透水率為0.03Lu，平均透水率為0.51Lu，合格率100%，其中透水率小于1Lu的占92.5%，說明地層經(jīng)灌漿處理后，其滲透性能得到極大改善，試驗灌漿帷幕布置滿足設計防滲要求，按灌漿試驗確定的灌漿參數(shù)施工能達到灌漿效果。

表3 灌漿試驗區(qū)透水率表

3 灌漿施工工藝

3.1 施工工藝流程

帷幕灌漿試驗工藝流程如圖2所示。

圖2 施工工藝流程圖

鉆孔采用金剛石鉆頭清水循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆進成孔和風動沖擊回轉(zhuǎn)鉆進成孔（搭接帷幕上部3排孔）2種方式，帷幕孔終孔孔徑為Φ76mm，檢查孔終孔孔徑為Φ91mm，抬動觀測孔終孔孔徑為Φ76mm。鉆孔分段與灌漿分段一致。鉆孔孔斜測量采用上海地質(zhì)儀器廠生產(chǎn)KXP－1型輕便測斜儀，施工中，重點控制孔深20m內(nèi)的孔斜，終孔進行全孔側(cè)斜。

每段灌漿開始前，要對即將進行灌漿孔段進行裂隙沖洗和簡易壓水試驗，灌漿孔段的沖洗采用大流量水沖洗，裂隙沖洗采用壓力水沖洗，沖洗壓力為灌漿壓力的80%，但不大于1MPa，沖洗時間為回水澄清10min且總沖洗時間不少于30min結(jié)束，對回水達不到澄清要求的孔段，需繼續(xù)沖洗，孔內(nèi)殘存沉積物厚度不得超過20cm。灌漿按灌漿試驗確定的灌漿技術(shù)參數(shù)灌漿。

3.2 溶洞處理

鑒于上、下層平洞遇到的巖溶主要是以充填型和半充填型溶洞，且其充填物以細砂、黏土及未完全溶蝕的小碎石為主。對于這類溶洞，在處理過程中采取了以下具體處理措施：

首先根據(jù)充填物性質(zhì)，判斷是否進行高壓沖洗、高噴沖洗，灌漿過程中結(jié)合限流、限壓、間歇等綜合處理措施。對于充填型溶洞關(guān)鍵是沖洗及復灌2個工序，即：沖洗一定要干凈，在復灌時，一是要控制好段長，二是要控制好壓力與注入率。

其主要工藝細化為：高壓沖洗或高壓噴射沖洗（壓力控制在5～20MPa）→灌漿（以灌注水泥漿為主，如灌砂漿，壓力以2.0MPa為限，注入量大且灌注了一定量的漿液之后可按比例摻水玻璃等外加劑，再灌注水泥漿，結(jié)束時灌注水泥—水玻璃）→待凝（待凝時間一般以24～48h）→掃孔（縮短段長，段長以2.5～3m控制）→灌漿，在處理過程中一定要采取“限壓、限流、間歇”等處理措施，其中“間歇”可與外加劑配合（一般，灌完水泥—水玻璃漿液后要停泵清洗，可利用此段時間進行間歇，間歇時間按24～36h控制），直至達到設計壓力。

遇到溶洞段和涌水孔等特殊情況，根據(jù)實際情況及外部條件，采取了縮短段長、降低灌漿壓力的措施。如上層灌漿平洞樁號0＋201.00～0＋221.00，上部45m灌漿壓力降低至2MPa；開灌比一般為2︰1或更濃比級，同時也采取了回填混凝土、灌注砂漿、水泥—水玻璃漿液等特殊措施等。

灌注砂漿不采用固定比級，而是根據(jù)實際情況，靈活調(diào)整砂漿比級，即在遇到特殊洞段后，直接在灌漿作業(yè)面低速攪拌機上部的攪拌槽內(nèi)摻加入水灰比為0.5的水泥漿，然后摻入砂子進行現(xiàn)場拌制，摻砂比例是水泥量的10%、20%、30%。

水泥—水玻璃漿液的水灰比為0.5∶1，水玻璃波美度為40，具體配比在施工中根據(jù)現(xiàn)場情況選用，水泥—水玻璃漿液性能見表5。

表5 水泥—水玻璃漿液性能

灌注方式有2種，一種是在漿液灌注的同時在回漿筒內(nèi)倒入水玻璃。第二種就是將水玻璃直接加入攪拌槽內(nèi)，隨漿液一起灌入地層中。在施工過程中，2種方式都有一定的風險，需要控制好加量，否則會把灌漿泵鑄死，損壞設備。

4 灌漿質(zhì)量檢查

從灌漿試驗檢測結(jié)果可以看出，地層經(jīng)灌漿處理后，其滲透性能得到極大改善，灌漿帷幕滿足設計防滲要求。

檢查孔壓水結(jié)束后，為了驗證幕體可靠性，對部分檢查孔進行了耐久性壓水試驗，歷時2d，從耐久性壓水試驗情況看，壓力和壓入流量在全過程中均非常穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)異?，F(xiàn)象，說明幕體在高壓力水頭的長期作用下是穩(wěn)定的，如表6所示。

表6 灌漿試驗區(qū)XJ－2檢查孔耐壓情況

從灌漿后取得的巖芯情況看，巖芯中可以見到水泥結(jié)石。另外，從原溶洞部位鉆出的芯樣可以明顯看出，溶洞部位水泥砂漿或混凝土結(jié)石體凝結(jié)狀態(tài)良好，黃泥已被充分擠密，或與水泥結(jié)合，如圖3所示。

圖3 灌漿后鉆孔巖心

5 結(jié)語

（1）通過灌漿試驗證實試驗采取的灌漿工藝和灌漿技術(shù)參數(shù)可行。通過灌漿后的壓水試驗檢查，灌漿后滲透性能得到極大改善，灌漿帷幕滿足設計防滲要求。通過鉆孔取心觀察，水泥結(jié)石充填裂隙良好。

（2）針對巖溶采用的灌漿處理措施可行，通過壓水試驗和取樣檢查可知，泥砂部分沖洗排出，溶洞灌注充分，未排出部分與水泥結(jié)合良好或被充分擠密。

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