提高高水頭下軟弱破碎巖體帷幕防滲性能

劉要來 周紅波 陳安重中國電建集團(tuán)中南勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司向家壩滲控工程QC小組

(中國電建集團(tuán)中南勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南長沙 410014)

1 引言

向家壩水電站壩址區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，河床壩基分布有以撓曲核部破碎帶為代表的不良地質(zhì)體，壩基滲控問題是該工程的關(guān)鍵性技術(shù)問題之一。大壩初期蓄水后壩基監(jiān)測資料及滲控檢查資料顯示，撓曲核部破碎巖體中的防滲帷幕局部未達(dá)到預(yù)期效果。蓄水后高水頭、動(dòng)水條件下，常規(guī)的灌漿工藝對以撓曲核部破碎帶為代表的軟弱破碎巖體既不適用也難以奏效。為了很好地解決這一關(guān)鍵性技術(shù)問題，成立了向家壩滲控工程現(xiàn)場攻關(guān)型QC小組。

2 小組簡介

結(jié)合小組所面對的問題，細(xì)致分析面臨的困難與挑戰(zhàn)，合理確定小組的人員構(gòu)成。小組成員共有13人，平均年齡40歲，既有經(jīng)驗(yàn)豐富的老專家，又有年富力強(qiáng)、與時(shí)俱進(jìn)的青年人。成員涵蓋工程設(shè)計(jì)、現(xiàn)場施工、質(zhì)量管理三大工作部門，專業(yè)領(lǐng)域包含水利工程、地質(zhì)工程、工程管理等。

3 現(xiàn)狀調(diào)查

3.1 地質(zhì)背景

壩址區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，壩基自左岸至右岸不同程度分布有以擠壓破碎帶和撓曲核部破碎帶為代表的不良地質(zhì)體，節(jié)理裂隙發(fā)育。撓曲核部破碎帶主要呈碎塊結(jié)構(gòu)和碎屑結(jié)構(gòu)，尤其是其中的碎屑結(jié)構(gòu)物質(zhì)的顆粒細(xì)，具有原位條件下含水率低(4%左右)、密實(shí)度高(2.3g/cm3)、可灌性差、強(qiáng)度低、滲透系數(shù)小(10－5cm/s)、允許水力坡降低、在高水頭條件下難以長期穩(wěn)定安全運(yùn)行等特點(diǎn)。詳見圖1。

圖1 破碎帶內(nèi)的碎屑狀物質(zhì)

3.2 工程設(shè)計(jì)

向家壩壩基采用灌漿帷幕和排水孔幕相結(jié)合的滲流控制方案，根據(jù)《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(DL 5108—1999)中的有關(guān)規(guī)定，并參考其他工程建設(shè)經(jīng)驗(yàn)及實(shí)際運(yùn)行情況，通過綜合分析確定大壩壩基上游主帷幕設(shè)計(jì)防滲標(biāo)準(zhǔn)均為灌后基巖透水率q≤1Lu。

3.3 帷幕現(xiàn)狀調(diào)查

撓曲核部破碎帶及其影響帶帷幕質(zhì)量存在缺陷，透水率特別大，檢查成果見表1，最大透水率12.83Lu，存在集中滲漏和滲透失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)。

表1 泄水壩段帷幕檢查孔壓水試驗(yàn)成果

3.4 結(jié)論

通過對工程地質(zhì)條件分析、工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)研究和帷幕現(xiàn)狀調(diào)查，表明向家壩壩基滲控工程存在的主要問題是壩基帷幕防滲性能達(dá)不到工程設(shè)計(jì)要求的標(biāo)準(zhǔn)，具體為:

a.河床撓曲核部破碎帶部位局部帷幕防滲性能不滿足工程設(shè)計(jì)要求，存在集中滲漏及滲透失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)。

b.大壩蓄水后，高水頭、動(dòng)水條件下，軟弱破碎巖體灌漿沒有工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，常規(guī)灌漿工藝、方法難以奏效，需要研究新工藝、新方法。

4 目標(biāo)設(shè)定

課題目標(biāo):通過對灌漿方法的改進(jìn)與優(yōu)化，形成一套高水頭下針對軟弱破碎巖體灌漿的新方法;通過帷幕補(bǔ)強(qiáng)灌漿，提高壩基軟弱破碎巖體中帷幕的防滲性能，消除壩基集中滲漏和滲透失穩(wěn)的隱患。

具體目標(biāo):灌漿完成后，撓曲破碎帶巖體帷幕主要性能指標(biāo)應(yīng)達(dá)到如下目標(biāo)值:?灌后基巖透水率不大于0.5Lu;?灌后基巖滲透坡降不小于100。

5 原因分析

小組成員采用頭腦風(fēng)暴法對壩基撓曲破碎帶巖體帷幕防滲性能達(dá)不到設(shè)計(jì)要求的原因進(jìn)行分析。見圖2。

圖2 因果分析

6 要因確認(rèn)

小組成員對19條末端因素逐項(xiàng)進(jìn)行分析，要因確認(rèn)見表2。

表2 要因確認(rèn)

經(jīng)過對所有末端因素的逐條確認(rèn)，確定影響軟弱破碎巖體帷幕防滲性能的四大要因是:

a.灌漿段過長，針對性不強(qiáng)。

b.巖體破碎，成孔差。

c.高水頭，孔內(nèi)承壓涌水返漿。

d.巖體致密，可灌性差。

7 制定對策

QC小組針對上述要因進(jìn)行了認(rèn)真的討論分析，分別制定了相應(yīng)的對策，詳見表3。

表3 制定對策

8 對策實(shí)施

8.1 固孔止水鉆灌

采用一種“自上而下，鉆灌一體，間隔屏灌，高壓沖擠”鉆灌新工藝。即把鉆孔、灌漿、護(hù)壁合為一體，鉆灌時(shí)采用灌漿液作為沖洗液，鉆頭上部連接螺旋封阻高壓沖擠灌漿頭，鉆灌過程中在螺旋封阻高壓沖擠灌漿頭與單缸脈沖灌漿泵組合作用下，進(jìn)行隨鉆隨灌、護(hù)灌結(jié)合、鉆灌一體。見圖3。

圖3 “固孔止水”鉆灌工法示意圖

8.2 高壓沖擠灌漿

“高壓沖擠灌漿”采用“自下而上，雙塞分段，高壓沖擠”灌漿工藝。即在固孔止水完成后，掃孔至孔底，下入水壓雙栓塞自下而上依次進(jìn)行脈沖超高壓(大于6MPa)劈楔式擠密與壓滲灌注。見圖4。

圖4 “高壓沖擠灌漿”工法示意圖

“高壓沖擠灌漿”采用小段長(0.5m)、小脈沖量(0.2L/沖次)、小注入率(3L/min)三個(gè)小參數(shù)，實(shí)施控制性無抬動(dòng)灌注。在螺旋封阻高壓沖擠灌漿頭單向接頭控制下，“高壓沖擠灌漿”為“高壓沖擠、中壓穩(wěn)壓”灌注。灌漿壓力動(dòng)穩(wěn)兼顧、高低結(jié)合，灌漿更充分有效。

9 效果檢查

9.1 固孔止水鉆孔

固孔止水后鉆孔孔壁穩(wěn)定性得到明顯改善。灌前抬動(dòng)觀測孔(先導(dǎo)取樣孔)鉆孔時(shí)，塌孔、卡鉆、裹鉆、埋鉆現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，壓水試驗(yàn)封閉困難。灌漿后從抬動(dòng)觀測孔(先導(dǎo)孔)情況看，灌前涌水量12L/min，涌水壓力0.65MPa，孔底沉渣較厚(約1m);經(jīng)固孔止水和復(fù)灌升壓階段后，孔內(nèi)涌水流量0.5～1.5L/min，平均1.1L/min，涌水壓力0.45～0.55MPa，孔壁光滑穩(wěn)定，壓水試驗(yàn)封閉可靠，孔底基本無沉渣，可以確保高壓沖擠階段不卡塞不繞塞，并達(dá)到較高灌漿壓力。詳見表4。

表4 固孔止水后各試驗(yàn)孔簡易試驗(yàn)觀測情況分析

9.2 高壓沖擠灌漿

9.2.1 鉆孔取芯

通過高壓沖擠灌漿后，從檢查孔取出的芯樣可見，芯樣層面、裂隙、塊間孔隙明顯見水泥結(jié)石，其中撓曲核部破碎帶碎屑結(jié)構(gòu)體基本改性為高壓沖擠灌漿復(fù)合結(jié)構(gòu)體，取出的芯樣基本成型，密實(shí)性與完整性較灌漿前顯著提高。見圖5。

圖5 破碎帶補(bǔ)強(qiáng)灌漿前后芯樣對比

9.2.2 鉆孔壓水試驗(yàn)檢查

試驗(yàn)成果見表5。

表5 檢查孔壓水試驗(yàn)成果

9.2.3 水力坡降試驗(yàn)分析

按照J(rèn)1與J2兩個(gè)試驗(yàn)孔1.5m間隔、J2有效試驗(yàn)壓力1.5MPa(壓力水頭150m)理論計(jì)算分析，本次試驗(yàn)撓曲核部破碎帶原位高壓沖擠灌漿形成的復(fù)合結(jié)構(gòu)體水力坡降i大于100。

9.2.4 工藝分析

表6 “固孔止水、高壓沖擠灌漿”組合新工法同常規(guī)工法比較

經(jīng)方案比較，比常規(guī)的化學(xué)灌漿方案節(jié)省投資5300萬元，縮短建設(shè)工期約6個(gè)月，并且很好地解決了高水頭下軟弱破碎巖體帷幕灌漿問題，這對于裝機(jī)6400MW、多年平均發(fā)電量307.47億kW·h的向家壩水電站而言，產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益是巨大的。

10 成果總結(jié)與鞏固

a.“固孔止水+高壓沖擠”很好地解決了向家壩高水頭下軟弱破碎巖體帷幕灌漿的問題，實(shí)施后確保大壩壩基滲透穩(wěn)定及安全運(yùn)行。

b.編寫向家壩撓曲破碎帶及其影響帶帷幕灌漿技術(shù)要求，作為向家壩工程壩基帷幕補(bǔ)強(qiáng)施工圖設(shè)計(jì)的依據(jù)。

c.整理研究報(bào)告及附屬報(bào)告等資料及其電子文件，歸口到向家壩項(xiàng)目經(jīng)理部管理，并于公司信息管理中心歸檔，為其他工程提供經(jīng)驗(yàn)。

d.根據(jù)陸佑楣院士、鄭守仁院士、張超然院士、馬洪琪院士、譚靖夷院士等金沙江質(zhì)量檢查專家組評審意見，“高壓脈動(dòng)擠壓灌漿技術(shù)對泄水壩段撓曲核部破碎帶上下分支及其影響帶的處理具有較好的效果，經(jīng)進(jìn)一步總結(jié)完善后，可作為主要處理手段推廣應(yīng)用”，對工藝進(jìn)行進(jìn)一步完善、推廣。

11 結(jié)語

通過小組一系列的活動(dòng)，成功解決了常規(guī)工藝無法滿足高水頭下軟弱破碎巖體帷幕防滲性能設(shè)計(jì)要求的技術(shù)難題，節(jié)省了工程投資、縮短了建設(shè)工期，經(jīng)濟(jì)效益十分顯著;成果受到金沙江質(zhì)量專家組的一致好評，社會(huì)效益十分顯著。本小組已被評為“國家工程建設(shè)(勘察設(shè)計(jì))優(yōu)秀QC小組”。

QC小組成員在本次活動(dòng)中，都普遍提高了質(zhì)量意識和質(zhì)量管理水平，對QC科學(xué)的活動(dòng)程序和方法有了更深刻的認(rèn)識，在以后的活動(dòng)中應(yīng)逐步提高小組成員分析問題、解決問題的能力，為企業(yè)創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)效益。

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