三峡泄洪坝段特殊地质条件下的帷幕灌浆施工

杨锡银　杨振峰

摘要：三峡泄洪坝段坝基地质条件较为特殊，总体来看岩体中陡倾角网络状细微裂隙发育，且具有一定的连通性，水泥浆液可灌性较差，易失水回浓，局部范围内涌水较为普遍，部分孔段浆液注入量较大。水泥灌浆施工完毕后，部分坝段仍存在浅层透水率超标现象，采用丙烯酸盐进行补充灌浆后，帷幕的防渗能力可以满足设以计要求。

关键词：帷幕灌浆；施工特点；三峡泄洪坝段

三峡二期工程泄洪坝段位于长江枯水河床及右岸漫滩中堡岛部位，建基面高程为4～50m，其中1～3坝段位于枯水河床深槽区，是三峡大坝最高部位，最大坝高181m。坝基岩体为闪云斜长花岗岩，其中含有细粒闪长岩和片岩包裹体、花岗岩脉及伟晶岩脉。基岩构造裂隙属细微裂隙，从总体看，透水性微弱，在断裂发育带、卸荷带及岩脉与断裂接触面透水性强。

三峡泄洪坝段坝基帷幕分为上游主帷幕和下游封闭帷幕，上游主帷幕为两排，第一排为竖直孔，第二排为倾向上游1.5°～5°斜孔，孔距均为2m，孔径 60mm；下游封闭帷幕为单排竖直孔，孔距为2.5m，孔径个60mm。帷幕灌浆采用“小口径钻孔，孔口封闭，自上而下分段，高压孔内循环法”灌浆。上、下游帷幕第3段以下设计压力分别为6MPa和4MPa。前3段段长分别为2m、1m、2m，灌浆压力分别为上游主帷幕：1.5MPa、3MPa、4.5MPa，下游封闭帷幕：lMPa、1.5MPa、2MPa；第3段以下一般段长为5m，最长不大于10m，第一段采用传统阻塞法进行灌浆，灌浆结束后埋入孔口管，待 其终凝后开始继续钻进。

在帷幕水泥灌浆完工后，经过对灌浆的成果资料进行分析发现，部分孔段浅层存在透水率大或有涌水，且在灌浆压力已升至2倍设计水头的情况下，灌浆单耗依然较小；在帷幕检查孔压水时也发现部分坝段的浅层透水率仍然超标，因此又进行了丙烯酸盐补充灌浆。丙烯酸盐灌浆主要针对浅层透水率大或有涌水而灌浆单耗较小以及检查孔压水时浅层透水率超标的部位。

丙烯酸盐灌浆孔均为垂直孔，采用纯压式灌浆，分两序加密，孔深5m；分2段压水检查，第1段段长2m，第2段段长3m，全孔作1段灌浆，主帷幕压水压力2.0MPa，灌浆压力2.5MPa；封闭帷幕压水压力1.0MPa，灌浆压力1.5MPa，灌浆压力均低于相应部位的水泥灌浆压力。

2施工特点

2.1部分坝段失水回浓现象较为普遍

造成浆液失水回浓的主要原因是地层中的细微裂隙只有水和部分细水泥颗粒可以通过，而粗水泥颗粒不能通过。三峡泄洪坝段帷幕灌浆采用的是湿磨水泥，湿磨后水泥粒径为d50≤10s。≤10 m且d97〈40 m，也就是说平均粒径为10 m的水泥颗粒也只有部分能灌人裂隙。一般认为当水泥粒径小于裂隙 宽度的1／3～1／5时，可灌性较强，因此基本可以判定吸水不吸浆孔段的地层中裂隙宽度小于30～50m。

现场为了便于操作，制定如下方法判定失水回浓是否达到了吸水不吸浆的程度：当小循环灌浆过程中，20～30min内回浆比重超过一个比级且注入率在1～2L／min，此时换原比级的新鲜浆液，若不发生回浓或回浓不明显，则正常结束灌浆；若继续发生回浆比重超过一个比级的现象，则判为吸水不 吸浆，按吸水不吸浆标准结束灌浆，但总灌注时间仍要求不小于120min。

根据现场的实际情况，笔者认为下面的判断方法更科学、更准确：三峡二期泄洪坝段坝基帷幕灌浆要求在小循环(图1)达到稳定状态30min后，打开大循环(图2)灌注。所谓小循环就是回浆管的浆液直接回到灌浆泵，再由泵压入进浆管而不经过搅拌桶及流量计。小循环过程中，自动记录仪能准确记录注浆量。而大循环则是指回浆管的浆液回到搅拌桶后，通过流量计再进入灌浆泵压入进浆管。大循环过程中，自动记录仪已不能有效的记录注浆量，人工记录的注浆量有一定的误差，因此透水不透浆现象在小循环状态下进行判断比较准确。

在小循环过程中，假设该孔段已达到透水不透浆的程度，孔内(包括进、回浆管)浆液将逐渐变浓，因为对于某一个孔段，孔容(包括进、回浆管容)是一定的，则孔内浆液由稀变浓的需灰量L1应与同一时段内所注入浆液的含灰量L2相等(因为这一时段内，浆液中的水完全灌人裂隙，而灰仍留在孔内)。

为了计算方便，根据试验结果得出湿磨普通525＃水泥浆液灰水比与比重及灰水比与含灰量关系曲线，如图3所示。

现举例说明上述判定方法：

1X13一Ⅱ—1#孔第7段：孔容162L，进浆比重1.21kg/L(进浆比重指搅拌桶内浆液比重)，30min内注浆量为61L。回浆比重(回浆比重指回浆管内浆液比重)从1.21kg/L变浓为1.3kg/L。根据图3，查得：

r＝1.21 kg／L。对应的浆液含灰量为0.3kg／L，

r＝1.3 kg／L。对应的浆液含灰量为0.43kg／L，

30min内孔内浆液比重由1.21kg／L。变为1.3kg／L，所需灰量：L1＝1 62X (0.43-0.3)＝21.1kS

此时段内所注入浆液的含灰量：L2＝61X0.3＝18.3kz

两者相差仪2.8kg，后者已达前者的86.7％。考虑到管容测量误差、比重测量误差以及计时开始时孔内浆液比重没有完全置换至1.21kg／L,可以认为该孔段为典型的透水不透浆现象，按照吸水不吸浆处理。

按照上述方法，对帷幕灌浆中透水不透浆现象进行分析发现：计算出的L2与L1相差均在2e％以内。

此外，对于L2小于L1的20％以上时，可以认为孔内浆液置换不充分，孔内仍存留有部分浓浆，不能判为透水不透浆，而应重新置换出孔内浓浆，灌人一定比重的稀浆。

若L2>L1，则说明孔内仍在吸浆，按正常情况对待。

上述判断方法的缺点是需要查表计算，不便于现场操作，但就准确性而言，笔者认为这种判断方法值得推广。

从现场的实际情况来看，很少发生换新浆后町灌性增强的现象，一般是继续回浓，发生失水回浓后换新浆对于泄洪坝段的地质情况效果不明显。经过孔内高压循环一段时间后，浆液流动性降低、粘度增大，而新浆流动性较强、粘度较小，故可灌性较好，但在三峡泄洪坝段，裂隙宽度过小、水泥粒径过大已成为浆液失水回浓的主要原因，而浆液的流动性和粘度是次要原因，要降低失水回浓发生的频率，提高细微裂隙的可灌性，采用粒径更小的超细水泥是一种有效途径，但这无疑会增加灌浆成本，而从检查孔的压水结果来看，发生失水回浓频率较高的坝段灌后防渗能力基本可以满足设计要求。

泄洪坝段7～9主帷幕发生失水回浓的频率较高且大部分在开灌30min内迅速回浓，同时注入率在1～2L／min，按吸水不吸浆标准结束，既缩短了灌浆时间义避免了发生孔内浓浆埋钻的危险，该部位的帷幕检查孔除X8一Jl最后两段压水结果超标外，其余孔段压水结果均满足设计要求。

2.2数量较少的大注入率孔段是帷幕防渗的关键部位

因深槽段基础下分布有顺河向断裂构造，故大漏量孔段较多。对于压水时发现注入率、透水率较大的孔段，首先查找有无外漏点，如有外漏点则对外漏点进行嵌缝、表面封堵，在确认无外漏时，开灌前对制浆站、灌浆泵、搅拌桶、储浆桶及输浆管道等设施进行检查，以确保灌浆的连续性，不发生人为的灌浆中断。

因为压水压力较低，而灌浆压力较高，因而压水时无外漏的孔段，灌浆时不一定没有外漏，灌浆过程中当浆液注入率较大时，首先查找有无外漏，特别是当已经变浓一级浆液而注入率没有明显减少时，更要加强查找。当发现外漏时首先降低灌浆压力，对外漏点进行嵌缝、表面封堵，当上述措施无效时，采取间歇灌浆，待所灌入水泥浆液初凝后，扫孔复灌。

在灌浆注入率较大而无外漏时，需控制灌浆压力使之与注入率相匹配，因为注入率较大说明裂隙比较发育，地质条件较差，因而浆液与基岩的接触面较大，这时如果升至高压会产生较大的抬动力，很可能会导致抬动破坏。在浆液注入率较大时，需加强抬动观测，以便控制适当的灌浆压力。在浆液比级相同的情况下，裂隙比较发育的地层中浆液压力衰减较慢，故较小的灌浆压力也能得到较大的扩散半径，因而在浆液注入率较大时不必升高灌浆压力也能得到理想的灌浆效果。此时需采取措施降低浆液的流动性，例如采用浓浆灌注，以避免不必要的浪费浆材。三峡泄洪坝段坝基帷幕灌浆采用部颁94规范中推荐的与注入率相匹配的灌浆压力，如下所示。

2.3部分坝段涌水较为普遍

泄洪坝段涌水孔段较多主要是因为水位差较大及基岩中沿断层脉状透水较丰富，而以深槽段尤为突出。对于涌水孔段在正常灌浆结束后再屏浆lh，视灌入量情况决定待凝时间，一般为12～48h，待凝后扫孔到底，若仍有涌水则需重复灌浆，否则继续钻进。

涌水孔段屏浆的作用是使灌人裂隙的水泥浆液在高压作用下充分排水固结，防止其被涌水顶回。有涌水且浆液灌人量较大的孔段，说明该孔段裂隙比较发育，裂隙中浆液压力衰减较慢，先按照灌浆压力与注人率相匹配原则灌注，当注入率降到10L／mln以下时升至设计压力加孔口涌水压力进行灌 注。这种情况下，能取得足够的扩散半径，得到理想的灌浆效果。

有涌水而浆液灌人量较小的孔段，说明该孔段裂隙不发育，裂隙中涌水压力衰减较快，所测灌浆段涌水压力小于裂隙中实际涌水压力，距孔中心线距离愈大，所测涌水压力与裂隙中实际涌水压力相差愈大，而灌浆时因浆液的粘度大于水的粘度，故裂隙中浆液压力衰减更快，但衰减方向与涌水压力衰减方向相反，故裂隙中浆压与水压很快将达到平衡状态，因此浆液的扩散半径很有限。对于这种情况，要得到合适的扩散半径，需提高浆液的流动性，施工时可以采取以下几条措施：①提高灌浆压力，使裂隙中浆压与水压在所需要的扩散半径以外达到平衡状态，但灌浆压力的提高要受到 抬动观测值的限制；②增加布孔密度，使各序孔以较小的扩散半径连成完整的幕体；③延长灌浆时间。

从灌后帷幕检查孔的情况看，灌前涌水孔段较多的坝段灌后检查孔仍有少量涌水，但压水结果表明其防渗能力已满足设计要求。

3水泥灌浆结束后的处理措施

在水泥帷幕灌浆结束后，检查孔压水时发现部分坝段的浅层透水率仍然超出设计要求，通过分析认为：在现有的湿磨条件下，水泥颗粒粒径依然过大，不能满足这些部位的灌浆要求，而基岩浅层的灌浆效果却是控制帷幕幕体防渗效果的关键部位，在蓄水后将承受较大的水压，在这种情况下有必要进行化学灌浆，以确保幕体的防渗效果。

经分析、比较后，化灌材料选用胶凝后基本无毒的丙烯酸盐。丙烯酸盐浆液的粘度一般小于2MPa·s，且为溶液，因此具有较强的可灌性，能够灌入湿磨水泥无法灌入的细微裂隙，对水泥灌浆遗漏的部分进行必要的补充。丙烯酸盐凝胶的渗透系数一般小于5X10-7cm／s，满足设计要求。

在水泥帷幕灌浆结束后，检查孔压水时还发现上游主帷幕的透水率较下游封闭帷幕小，这反映出上游主帷幕经过高压和加密后，水泥灌浆质量明显好于封闭帷幕，因此决定加大下游封闭帷幕丙烯酸盐灌浆的布孔密度。

4几点认识及建议

(1)若临界压力小于该孔段的设计压力，灌浆过程中当升压至临界压力时，浆液注入率将突增，此时如果按注入率较大情况下与注入率相匹配的压力进行控制，则应降压，而降压的结果是压力低于临界压力，浆液注入率大幅下降或基本不吸浆，说明裂隙周围的岩体发生了弹性张裂变形，当外力撤消后，裂隙又恢复原状。这种情况在右纵坝段下游封闭帷幕灌浆过程中曾出现过，这种情况下灌浆压力该如何控制，则需进一步探讨。

(2)帷幕检查孔全孔灌浆压力为相应部位第一段灌浆压力，在注入率小于1 L／min的情况下稳定30min后打开大循环灌至结束，这些技术要求导致检查孔全孔灌浆时间过长，例如X18一J一2全孔灌浆历时5h27min。检查孔采用传统阻塞法灌浆，作为射浆管的内管一般无法活动，长时间灌注极易埋内管，根据现场实际情况，大部分机组不采用6分铁管作为内管，而采用塑料管作为内管，若被埋则舍弃顺便封人孔内。经过长时间灌注孔内水泥浆容易凝结，很可能导致塑料内管从阻塞器下部脱落，这样在灌浆结束后封孔时回浆比重将迅速达到标准，而孔内稀浆并未被完全置换出来，造成封孔质量难以保证。而压水合格的检查孔的主要矛盾是封孔质量，并非灌浆质量，这样做便造成了本末倒置。

鉴于上述原因，可考虑对检查孔灌浆技术要求进行修改。帷幕灌浆孔一般段长为5m，小循环稳定标准为注入率小于1L／min，考虑到段长因素可以改写为注入率小于0.2L／m·min这个稳定标准应该也可以在检查孔全孔灌浆时采用。因检查孔每段都进行过稳定压水，故压水全部合格的检查孔孔内不可能存在较大裂隙，只可能存在多条细微裂隙，这些细微裂隙是造成灌浆时存在注入率的主要原因，经改写后的稳定标准既能控制不发生大裂隙欠灌的情况，又能保证灌浆质量，而且可以大大缩短灌浆时间，避免发生内管被埋，确保封孔质量。