三峡工程坝基岩体固结灌浆现场优化设计

吴金球

1、工程概况

三峡大坝坝顶高程185m，最大坝高181m，顺水流向最大底宽136m。坝基为闪云斜长花岗岩，建基面基岩为弱风化带及微风化、新鲜岩体。裂隙率2%，变形模量14.7～43.1GPa，声波测试纵波速度Vp＝4.3～5.3km/s，动弹模18～87GPa；80%的地段属于微弱或极微弱透水岩体，是良好的建坝基础岩体。

坝基因结灌浆的目的是对坝基浅层爆破松动及地质缺陷部位的岩体进行补强加固，以提高坝基岩体的均匀性和整体性，减少坝基不可恢复变形，增强浅层岩体的抗渗能力。固结灌浆的范围包括：坝踵、坝趾各1/4坝基宽度的区域，地质缺陷部位和基础开挖、结构设计有特殊要求的部位。

固结灌浆孔：一般地段孔排距2.5m×2.5m，灌浆深度5m；地质缺陷或有特殊要求的部位孔排距2m×2m，灌浆深度10～20m。均为梅花型布孔，分两序在3m混凝土盖重条件下施工，I、II序各占50%。二期工程设计工程量钻灌36.2万延米。

2、 施工干扰和矛盾

三峡工程永久建筑物固结灌浆钻灌工程量达36.2万延米，单个坝块钻灌施工需占用直线工期0.5～1个月，在有盖重的条件下的固结灌浆施工，必然造成大坝基础混凝土在强约束区的长间歇，从而增加混凝土裂缝的可能性；而且存在固结灌浆造孔与盖重混凝土的冷却水管、基础安全监测仪器的干扰，致使固结灌浆施工与混凝土浇筑的矛盾非常突出。三峡二期工程混凝土在大面积开挖结束后，开始浇筑基础的当年浇筑强度即达448万m3/年，最高月强度约50万m3/月，都是世界水电工程混凝土施工之最。为减少固结灌浆的长间歇而造成的混凝土裂缝并达到缓解其工期矛盾的目的，需要对固灌浆进行优化设计。

大面积的常规固结灌浆只能根据建筑物结构的需要作系统布置，与受灌区的地质条件和可灌性没有直接联系，所以灌浆效果不甚理想。以左非12～18坝段实际灌浆资料为例，优化设计前后灌浆效果见下表。

由上表可知，优化设计前固结灌浆平均单耗极小，95%的孔段<10kg/m，有大量的工程量浪费。

另一方面，坝基开挖成型后，部份坝段揭露的浅层卸荷风化缓倾角裂隙，局部出现宽大爆破裂隙的处理，对固结灌浆提出了更高的要求。需要结合现场实际情况，研究专门的灌浆工艺措施，以加强重点部位的灌浆效果，满足结构设计的要求。

因此，需要结合现场的实际情况，对系统布置的固结灌浆作出调整和优化，使其更具针对性。

3、优化设计条件

三峡建基岩体q>5Lu的孔段仅占17%，分析认为：这些孔段大多与卸荷风化、爆破裂隙、建基面开挖体型，混凝土封闭条件等因素密切相关，而这些缺陷多呈成片或线状分布，具有较强的规律性和认知条件。而施工期地质编录，全面积的物探测试，为优化设计准备了详实可靠的资料，充分地利用这些资料，区别不同的地段及时地调整灌浆孔的布置，达到优化设计的目的是可行的。

一期完成的岸坡坝段3万延米，6000余孔固结灌浆施工为二期工程积累了丰富的实践经验。在建立岩体裂隙密度、连通概化模型的基础上，通过数据统计分析，得出注入率与地质模型、声波波速的相关关系从已知推未知，提出优化设计原则，用于指导和调整固结灌浆工程设计积累经验和工作基础。

现场灌浆试验完成后，邀请了国内著名专家对试验成果进行了评审，对灌浆工程提出了专家建议，有关的结论及建议意见如下：

(1)质量检查方法：以检查孔压水试验和声波测试作为质检的主要的手段。压水试验合格标准为3Lu，单孔声波测试90%

的测点，Vp≥4.5km/s，其余10%的测点≥4km/s。

(2)建议：

(a)设计单位应针对不同性状和不同部位的断层制定相应的处理措施。

(b)如为灌前检测出建基面验收单元的岩体平均的声波波速Vp≥5.0km/s时，无须大面积布置固结灌浆孔，重点加强基岩浅层和特殊要求部位的防渗。物探资料、同条件的先灌部位资料、本部位前序孔的灌浆资料是作为优化设计的依据，基础固灌工程宜作为动态优化设计工程项目予以安排。

4、优化设计内容

4.1 重点部位

一类为结构设计有特殊要求的部位，如：防渗灌浆帷幕外围的一、二排兼作辅助帐幕的深固结孔；坝踵、坝址等防渗要求高、坝基应力集中和应力标准低的部位；需要联合受力的建筑物间的陡直边坡(如左厂l～5坝段下游厂坝边坡等)重点部位钻灌孔深度应予确保。多面临空开挖体型突变部位的固结浆灌孔密度视地质条件、爆破情况调整或增补钻孔布置，施灌过程中根据灌浆效果作进一步调整。必要时，修改以上部位钻孔角度，倾向优势结构面，以增加其灌浆效果。

二类为地质缺陷部位：如F7、fl050断层，缓倾角裂隙面等部位是固结灌浆处理的又一重点，灌浆孔密度原则上以2.5m×2.5m孔排距为主，视现场实际情况可以调整为5.0m×5.0m。钻孔分两序施工。其灌浆效果的提高主要依赖于灌浆工艺的提高。

三类为爆破裂隙发育、岩体松动区等施工缺陷部位：以针对性布孔为主，或按5.0m×5.0m规则布置予以补强。

4.2 改进灌浆工艺

根据灌浆试验成果，三峡坝基块状岩体对灌浆压力的耐压性较强，在找平混凝土封闭或3m混凝土盖重条件下，固结灌浆I序孔设计灌浆压力采用0.3～0.50MPa，II序孔可采用0.5～0.7MPa。对地质缺陷部位的灌浆，为防止岩体的有害拾动，相应布置2.5×2.5m孔排距、L＝3m砂浆锚杆和一定量的抬动观测装置，控制变形量小于200μm。而灌浆压力视吸浆量大小决定，并通过试验建立吸浆量与灌浆压力的关系。灌浆结束时必须达到设计压力，以保证灌浆效果。

4.3 浆材

固结灌浆材料主要使用525#普通硅酸盐水泥，灌浆中尽可能使用浓浆。视现场裂隙张开情况，将开灌水灰比选择为3:1或1:1，并根据吸浆量的大小，及时变浆。对于处于结构受力部位的松散性构造岩体，为满足结构受力要求，已在研究采用高强度的化学材料灌浆的可行性和处理效果，作为贮备的技术措施。

4.4 调整施工安排和钻孔布置

在防渗灌浆帐幕前，原设计有l～2排兼辅助防渗帐幕的固结灌浆孔，孔排距2.0×2.0m，孔深10～20m，要求使用岩芯钻机造孔，分段灌浆，有盖重的条件下施工。以确保混凝土与岩体接触面的防渗效果。该类孔施工占用直线工期最长，成为三峡工程总工期关键路线上的卡关因素。为此，提出了这类孔移至基础灌浆廊道内打斜孔。这样虽然增加了少量投资，但却缩短了直线工期、缓解了基础约束区混凝土长间歇的矛盾。调整布置见图一。

1.坝轴线

2.基础灌浆排水廊道

3.混凝土纵横

4.常规固结灌浆孔

5.固结灌浆兼辅助帷幕孔 (优化设计前)

6.固结灌浆兼辅助帷幕孔(优化设计后廊道内深孔)

7.固结灌浆兼辅助帷幕孔(优化设计后廊道外浅孔)

8.基础防渗灌浆帷幕

图1 基础结构灌浆兼辅助帷幕灌浆孔优化设计

4.5 封闭式无盖重灌浆

通过多年的摸索，结合其它工程经验和三峡工程现场试验论证，三峡工程固结灌浆施工推荐找平混凝土灌浆施工法，不仅可缩短工期、充分利用不宜开浇基础混凝土的空隙时间进行因灌施工。减少建基面污染，避免固结灌浆造孔与基础埋件的干扰等问题，还节省了3m厚的混凝土造孔工程量，从而节省投资。

4.6 减少钻孔工程量

有条件地选择帐幕后，坝址部位上游一定范围当地质条件优良、岩体完整、声波波速Vp>5000m/s的地段取消其全部I、II序固结灌浆孔。

利用固结灌浆分序施工的条件，密切跟踪钻灌施工的过程,实施动态设计。根据I序孔的施工情况，当I序孔压水试验吸水量较小、可灌性差、灌浆效果不明显时，取消II序灌浆孔施工。

根据II序孔施工情况，当II序孔压水试验满足设计检查标准时，则免予布置检查孔，可直接允许后续工程施工。

5、结束语

三峡工程基础因结灌浆工作在业主单位的支持下成立多专业的优化设计小组，形成了以基本资料收集，到数据分析优化设计决策一条龙的动态设计体制，确保了优化设计工作的及时和有效，收到了较好的工程效益。

(1)根据已进行的部分坝段实际优化设计统计，减少钻灌工程1/4，测算三峡工程可减少钻灌工程量约5万m，节省投资2000万元。

(2)固结灌浆工艺、施工安排调整及大面积钻孔布置调整，缩短了直线工期，解决了基础约束区薄层混凝土的长间歇问题，避免了固结灌浆造孔与基础处理埋件的干扰和影响。

(3)根据现场实际的地质资料布置固结灌浆孔，有更好的针对性，对提高岩体的完整性、均匀性、抗渗性，确保工程质量，加强固结灌浆效果更为有利。

6、致谢

本文在写作过程中得到了中国工程院郑守仁院士、林文亮教授级高工的指导，一并致谢!