小中甸水利樞紐帷幕灌漿生產(chǎn)性試驗與分析

王畢剛

淵小中甸水利樞紐工程開發(fā)投資有限責任公司袁674499袁香格里拉冤

一、工程地質(zhì)情況及處理措施

1.工程地質(zhì)情況

（1）主壩壩基工程地質(zhì)

小中甸水利樞紐主壩壩區(qū)巖石為玄武巖夾灰?guī)r，受區(qū)域構(gòu)造運動及區(qū)域動力作用影響，巖石內(nèi)隱含微裂隙發(fā)育，原生及次生節(jié)理裂隙較發(fā)育，斷層亦發(fā)育，導致巖體完整性較差，淺部巖體透水性較強?；A開挖結(jié)果顯示，河床部位地質(zhì)較好，兩岸岸坡較破碎。壩址區(qū)共發(fā)現(xiàn)有13條小斷層，節(jié)理裂隙比較發(fā)育。裂隙產(chǎn)狀在各部位差異較大。樞紐區(qū)節(jié)理裂隙按其走向、傾向和傾角可分為12組，以前7組最為發(fā)育，樞紐區(qū)各部位一般發(fā)育其中的2～6組。

（2）副壩壩基工程地質(zhì)

副壩壩址基巖為二疊系上統(tǒng)下段巖層，巖性為玄武巖夾灰?guī)r。副壩壩基巖石透水性強，相對不透水層埋藏較深，壩區(qū)淺表部巖體節(jié)理裂隙較發(fā)育，完整性差，致使淺表部巖體透水性強。基礎開挖結(jié)果顯示，河床部位及兩岸坡巖體較破碎。

（3）主副壩間山體工程地質(zhì)

主壩左岸至副壩之間的山包比較單薄，厚120～250 m，巖體為玄武巖，全、強、弱風化巖體均有分布，節(jié)理裂隙較發(fā)育，存在一定的滲漏風險。蓄水位以下中等透水帶厚度在16.9～29.6 m 之間，寬度約 220 m(除去主、副壩防滲范圍)。該滲漏帶為強～弱風化狀玄武巖巖體，由節(jié)理裂隙透水所致，其節(jié)理多呈閉合～微張狀，無充填，部分節(jié)理充填鐵質(zhì)氧化膜或巖屑。

2.主要問題及處理措施

壩基強、弱風化玄武巖透水率一般在1.5～28.3 Lu之間，屬弱～中等透水巖體；灰?guī)r巖體透水率在4.4～17.6 Lu之間，屬弱～中等透水性，存在壩基及壩肩滲漏問題。特別是主壩2號和3號壩段存在順巖層溶蝕帶滲漏問題，針對該地段將分布在建基面以下的溶蝕破碎帶應盡可能全部挖除，再采用混凝土回填，并進行帷幕灌漿處理。主壩左岸至副壩之間的山包比較單薄，水庫正常蓄水位以下巖體為強～弱風化狀，透水率一般在0.3～28.4 Lu之間，屬弱～中等透水，存在一定的滲漏風險。根據(jù)水庫滲漏量計算公式，經(jīng)分析剖面成果計算，滲漏量較小，屬輕微滲漏，不存在滲透變形問題。該地段須進行帷幕灌漿防滲處理。

二、帷幕灌漿生產(chǎn)性試驗設計

1.試驗目的

通過帷幕灌漿生產(chǎn)性試驗，進一步了解小中甸水利樞紐的工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件，了解其可灌性和灌漿效果，以確定灌漿具體方案，確定帷幕灌漿采用灌漿方法處理在技術上的可行性、效果上的可靠性及經(jīng)濟上的合理性。整理分析各序孔的透水率、單注量等試驗資料，提出合理的排距、孔距、孔深和有關施工定額參數(shù)，選定灌漿分段、灌漿壓力、漿液配比等試驗參數(shù)；確定施工材料、施工方法和施工工藝及最優(yōu)的灌漿配合比；確定合理的工效和資源配置，為后續(xù)施工的工期計劃、質(zhì)量控制提供可靠依據(jù)。

2.試驗區(qū)選擇與布置

根據(jù)防滲帷幕地質(zhì)剖面圖和現(xiàn)場壩基開挖揭露的地質(zhì)狀況，主壩河床部位地質(zhì)較好，兩岸坡較破碎，壩基持力層左岸及河床為玄武巖，右岸為玄武巖夾灰?guī)r條帶。副壩河床中間及兩岸均為砂卵礫石層，滲透系數(shù)大。壩基為玄武巖，巖層風化較深，裂隙較發(fā)育。

根據(jù)擋水工程帷幕灌漿設計及施工現(xiàn)場條件，選取主壩左岸及副壩右岸具有一定代表性地段作為生產(chǎn)性試驗區(qū)。

第Ⅰ試驗區(qū)布設在主壩左岸觀景臺帷幕線上 （壩橫向為Z0+150.00～Z0+166.00)。該區(qū)域節(jié)理裂隙等構(gòu)造發(fā)育，地下水水位低，壩基巖體透水率變化較大。按單排孔布設，帷幕灌漿孔9個，檢查孔2個，孔距為2.0 m。所有鉆孔均為鉛直孔。

第Ⅱ試驗區(qū)布設在副壩右岸帷幕線上 （壩橫向 Z1-025.744.00～Z1-09.744.00)。該區(qū)域上部地層為砂卵石層，間或含黏性土夾層，透水性較強；下部地層為基巖，基本不透水。按單排孔布設，設帷幕灌漿孔9個，檢查孔2個，孔距為2.0 m。所有鉆孔均為鉛直孔。

3.灌漿試驗實施過程

（1）施工方法

第Ⅰ、Ⅱ試驗區(qū)均采用自上而下孔內(nèi)循環(huán)分段灌漿施工。灌漿孔按逐序加密的原則分3個次序施工，即Ⅰ序→Ⅱ序→Ⅲ序。為了縮短施工工期，在嚴格按照灌漿次序施工的同時進行交叉施工，但需滿足以下條件：先后兩個次序的灌漿在鉛直方向上始終保持前一次序孔度超過后一次序孔深度15 m以上(即兩個次序保持3個灌漿段的高差)，以防止鄰孔串漿。

（2）工藝流程

第Ⅰ試驗區(qū)灌漿段的施工程序按下列順序施工：鉆孔→沖洗→壓水試驗→灌漿 （特殊孔段復灌）→下一段鉆孔……最后一段鉆孔→測斜→終孔。

第Ⅱ試驗區(qū)灌漿段的施工程序均按下列順序施工：鉆孔→沖洗→壓水試驗→灌漿 （特殊孔段復灌）→下一段鉆孔……鉆孔壓水至相對隔水層5 m→測斜→灌漿→封孔。

（3）施工要點

①造孔。根據(jù)該工程的地質(zhì)條件,采用150型回轉(zhuǎn)地質(zhì)鉆機、200型回轉(zhuǎn)地質(zhì)鉆機鉆進。帷幕灌漿孔鉆進過程中要提供合理的水量和鉆進壓力，并且配置足夠的供水鋼管、閥門、水表、壓力表以及壓力膠管等材料。

②沖洗。當鉆完一孔段后，用壓力清水進行脈沖式洗孔，沖洗至回水變清后10分鐘結(jié)束；鉆孔沖洗后，進行孔深校核，然后下鉆桿進行壓水試驗和灌漿施工。灌漿孔（段）應在裂隙沖洗后立即連續(xù)進行灌漿施工，若存在中斷時間超過24小時的情況，應在灌漿前重新沖洗裂隙。

③壓水試驗。各次序灌漿孔在灌漿前采用“單點法”進行簡易壓水試驗。簡易壓水試驗結(jié)合裂隙沖洗進行，安排在裂隙沖洗后進行，壓力為灌漿壓力的80%且不大于1 MPa。

④灌漿。

a.帷幕灌漿方法采用孔口封閉，孔內(nèi)循環(huán)，自上而下分段灌漿，分Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ序孔施工，本著逐序加密的原則進行。

b.帷幕灌漿分段段長為5 m。遇特殊情況可以適當縮減或加長，但最大長度不得超過10 m。破碎地層、大裂隙地層可結(jié)合施工實際情況適當縮減至3～4 m。

c.灌漿壓力。按下式計算：

式中，P為允許灌漿壓力值（MPa）；P0為巖基表面地段灌漿的允許壓力；M為表層段以下每深入巖基1 m，可增加的壓力值；D為灌漿段以上巖石厚度（m）。

其中初步確定P0=0.3 MPa，M=0.03 MPa/m，終孔孔段壓力不大于1.5 MPa。最終值由灌漿試驗確定。

在灌漿施工過程中，從小到大對M區(qū)間值進行試驗。通過觀察耗漿量情況，特別是觀察灌漿臨界壓力值，以及觀察地表冒漿、地表巖石裂縫、抬動等現(xiàn)象，確定出適合于該工程帷幕灌漿的壓力值。

d.漿液使用及變換標準。帷幕灌漿采用P.O 42.5普通硅酸鹽純水泥漿進行生產(chǎn)性灌漿試驗。根據(jù)設計及監(jiān)理要求, 漿液水灰比采用 3∶1、2∶1、1∶1、0.8∶1、0.6∶1、0.5∶1 六個比級。 開灌水灰比3∶1，遵循由稀至濃、逐級變換的原則。

當灌漿壓力保持不變，注入率持續(xù)減小時，或當注入率不變而壓力持續(xù)升高時，不改變水灰比；當某一級漿液的注入量已達到300 L以上或灌漿時間已達到30分鐘，而灌漿壓力和注入率均無改變或改變不明顯時，改濃一級水灰比進行灌注；當注入率大于30 L/min，可根據(jù)實際情況越級變濃。若變濃一級水灰比灌漿后，引起孔內(nèi)吃漿突然減少或不吃漿。馬上恢復原灌的水灰比進行灌注，或沖洗孔再由稀到濃重灌。漿液變換的綜合控制,原則上做到漿液變換利于順利灌漿,多灌進漿和灌好漿。

e.灌漿結(jié)束標準及封孔。在設計壓力下，當注入率小于1 L/min時，繼續(xù)灌注60分鐘以上即可結(jié)束灌漿。采用0.5∶1的濃漿進行置換和壓力封孔相結(jié)合，以封密實為準。

⑤檢查孔施工。試驗區(qū)灌漿施工結(jié)束14天后,根據(jù)灌漿成果布設兩個檢查孔，檢查孔孔段作單點法壓水試驗，全孔取巖芯并進行巖芯編錄。

表1 帷幕灌漿檢查孔壓水試驗成果

三、試驗成果分析

1.灌漿注入量

（1）第Ⅰ試驗區(qū)

第Ⅰ試驗區(qū)帷幕灌漿分序灌漿成果統(tǒng)計顯示：Ⅰ序孔注入水泥量18 185.3 kg,平均單位注入量為165.3 kg/m；Ⅱ序孔注入水泥量11 027.2 kg，平均單位注入量147.0 kg/m；Ⅲ序孔注入水泥量11 040.2 kg，平均單位注入量為78.9 kg/m；各序孔最大、最小及平均單位注入量隨孔序呈逐序遞減，完全符合灌漿孔序間單位注入量變化規(guī)律?？梢娫O計灌漿區(qū)域基巖有較好的可灌性，說明通過帷幕灌漿達到了防滲效果。

（2）第Ⅱ試驗區(qū)

第Ⅱ試驗區(qū)帷幕灌漿分序灌漿成果統(tǒng)計顯示：Ⅰ序孔注入水泥量23 444 952.4 kg,平均單位注入量為262.8kg/m；Ⅱ序孔注入水泥量15369.8 kg，平均單位注入量227.3 kg/m；Ⅲ序孔注入水泥量24 044.2 kg，平均單位注入量為212.0 kg/m；各序孔最大、最小及平均單位注入量雖有逐序遞減的規(guī)律，但不明顯。

2.平均透水率與單位注入量

（1）第Ⅰ試驗區(qū)

第Ⅰ試驗區(qū)帷幕灌漿分序灌漿成果統(tǒng)計顯示：Ⅰ序、Ⅱ序、Ⅲ序的灌前平均透水率分別為28.60 Lu、20.66 Lu、11.36 Lu；Ⅰ序、Ⅱ序、Ⅲ序的平均單位注入量分別為165.3 kg/m、147.0 kg/m、78.9 kg/m。

數(shù)據(jù)表明，第Ⅰ試驗區(qū)各序孔的透水率較大，說明該部位基巖較破碎，透水性強，平均透水率Ⅰ序、Ⅱ序、Ⅲ序逐序遞減，反映出灌漿規(guī)律，體現(xiàn)良好的灌漿效果。各序孔的平均單耗較大，說明該部位基巖較破碎，可灌性較好，平均透水率Ⅰ序、Ⅱ序、Ⅲ序逐序遞減，反映出灌漿規(guī)律，體現(xiàn)良好的灌漿效果。

（2）第Ⅱ試驗區(qū)

第Ⅱ試驗區(qū)帷幕灌漿分序灌漿成果統(tǒng)計顯示：Ⅰ序、Ⅱ序、Ⅲ序的灌前平均透水率分別為51.95 Lu、51.16 Lu、31.72 Lu；Ⅰ序、Ⅱ序、Ⅲ序的平均單位注入量分別為262.8 kg/m、227.3 kg/m、212.0 kg/m。

數(shù)據(jù)表明，各序孔的透水率較大，說明該部位基巖較破碎，透水性強，平均透水率Ⅰ序、Ⅱ序、Ⅲ序逐序遞減，反映灌漿規(guī)律，體現(xiàn)良好灌漿效果。各序孔的平均單耗較大，說明該部位基巖較破碎，可灌性較好，但平均透水率Ⅰ序、Ⅱ序、Ⅲ序逐序遞減并不明顯。

3.質(zhì)量檢查

灌后按灌漿孔數(shù)10%在灌漿透水率和注入量大部位布設取芯壓水檢查孔。第Ⅰ試驗區(qū)布置2個檢查孔，壓水15段。檢查孔的各段透水率均小于5.0 Lu，最大透水率為3.2 Lu，完全滿足設計要求。第Ⅱ試驗區(qū)布置2個檢查孔，壓水12段。最大透水率為35.41 Lu，透水率達到防滲標準（防滲標準透水率q≤5Lu）的有4段，占總段數(shù)的33.3%。檢查孔壓水試驗成果見表1。

4.存在問題的處理

第Ⅱ試驗區(qū)中灌漿壓力及漿液的使用較為科學，但試驗區(qū)檢查孔的孔段壓水合格率僅達33%。為保證副壩帷幕灌漿能有效達到防滲效果，最終，經(jīng)過參建四方會議確定：在原先相鄰孔中間新增6個孔，加上2個檢查孔共8個孔作為灌漿孔進行補灌處理。其余部位不再進行調(diào)整，以Ⅰ序先導孔指導施工，現(xiàn)場施工中隨時跟進，最終以檢查孔壓水結(jié)果為準。

5.質(zhì)量評價

帷幕灌漿材料各項主要技術、質(zhì)量指標均符合規(guī)范與設計要求；壓水及灌漿等主要工序采用自動記錄儀進行記錄，儀器均檢測率定合格，其記錄的數(shù)值真實、可靠；帷幕灌漿分序統(tǒng)計顯示，隨著鉆孔分序加密施工，透水率和水泥單位注入量均呈遞減趨勢，各項指標均符合合同及設計要求，帷幕灌漿施工質(zhì)量符合設計要求?！?/p>