狮子坪水电站坝基帷幕灌浆施工工艺

蒲 洪， 王荣新

(四川二滩国际工程咨询有限责任公司，四川成都 610072)

1 工程概况

狮子坪水电站首部枢纽防渗帷幕由混凝土防渗墙下灌浆帷幕、左右岸坡与平洞灌浆帷幕及搭接帷幕组成。

(1)从2 544 m至2 410.5 m高程，左右岸各设三层灌浆廊道(平洞)，高程分别为2 544 m、2 475 m、2 410.5 m;河床廊道高程为 2 410.5 m。廊道混凝土衬砌厚度为0.5 m，净断面尺寸为3.5 m×4 m。

(2)布置了两排防渗帷幕钻孔，排距1.5 m，沿坝轴线方向水平孔距2.5 m，孔位为梅花形布置;在保证不破坏止水的前提下，灌浆钻孔距混凝土板结构缝边至少30 cm，缝边钻孔位置可根据现场情况适当调整。

(3)对于下方有廊道和平洞的防渗帷幕，采用倾向上游、倾角为5°的斜幕(伸至下层平洞底板高程以下5 m)，其余部位为铅直帷幕。铅直帷幕与倾斜帷幕的结合部位采用局部加密灌浆孔逐步过渡的处理方法。

(4)布置搭接帷幕灌浆孔3排(角度分别为下倾15°、水平、上仰15°)，孔深7 m 左右，纵向孔距2 m，梅花形布置。

(5)帷幕灌浆单孔深5～110.5 m。2 410.5 m高程廊道灌浆孔深度最大，为110.5 m。

2 帷幕灌浆施工工艺

为进一步了解岩体的情况，提供设计及各方所需的各类参数，验证机具的适宜性及工艺的合理性，确定钻孔布置方式、分序、灌注方法、孔深、灌段长度、灌浆压力、开灌水灰比、变浆原则、终灌标准等试验参数，在进行正式帷幕灌浆施工前，根据设计帷幕灌浆试验大纲，监理工程师和设计方共同选择了地质条件与实际灌浆区相似的地段作为灌浆试验区进行帷幕灌浆试验，并在灌浆过程中对一些详细控制措施进行了一定探索。最后，根据试验成果确定了本工程帷幕灌浆的施工工艺、参数及一些详细控制的方法。

2.1 帷幕灌浆工艺流程

采用“孔内循环、孔口封闭、自上而下、分段灌浆”进行灌浆施工时，在孔口段(1～2 m左右)进行首段灌浆后，埋设孔口管，而后自上而下分段钻进，其下各段安设孔口封闭器进行灌浆，如此循环钻灌直至结束。

2.2 灌浆孔分序

帷幕灌浆按分序加密的原则进行。

(1)搭接灌浆孔布置3排，帷幕灌浆孔布置两排。

(2)两排孔帷幕先灌注下游排，后灌注上游排。

(3)灌浆孔分Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ序。

(4)同排灌浆孔按分序加密的原则施灌，先灌Ⅰ序孔，再灌Ⅱ序孔，最后灌Ⅲ序孔。

(5)采用自上而下分段灌浆法或孔口封闭灌浆法进行帷幕灌浆时，同一排相邻的两个次序孔之间以及后序排的第一次序孔与其相邻部位前序排的最后次序孔之间，在岩石中钻孔灌浆的高差不小于15 m。

2.3 灌浆孔段的长度划分及调整原则

2.3.1 灌浆段长度

灌浆段长度采用2～5 m，见表1～2。

表1 搭接灌浆孔钻灌段长初拟值表

表2 帷幕灌浆孔钻灌段长初拟值

2.3.2 灌浆段长度的调整原则

灌浆段的长度根据被灌地层的裂隙发育程度、孔壁破碎与稳定情况、渗透性、钻孔过程中岩性的变化情况以及实际送浆能力等因素综合确定。

(1)地层的透水性和吸浆率愈大，灌浆段长度愈短;反之，则可适当加长。

(2)在保证设备的供浆能力大于全灌浆段的吸浆率并可使灌浆很快达到要求压力的条件下，灌浆段可适当加长。

(3)在钻遇大裂隙及严重不返水地段时，立即停止钻进并作为一段进行灌浆。

(4)灌浆段岩体尽量为同一岩性。

(5)根据地质体渗透性进行调整:①弱透水性(＜5 Lu)岩层，段长5～8 m，不大于10 m;②中等透水性(5～10 Lu)岩层，段长5 m;③透水性较大(＞10 Lu)岩层，段长＜5 m。

2.4 灌浆压力

2.4.1 灌浆压力的影响

灌浆压力是注浆扩散能量的来源，亦是控制灌浆质量的重要因素。

(1)对于孔隙发育、可灌性较好的地层配套适宜的灌浆压力，其作用为:①将浆液压入地层孔隙并使其在压力连续作用下，结石充填饱满、密实。②浆液获得较大的扩散半径，可使孔距增大、孔数减少，期望达到减少工程量的目的。

(2)对于由细小孔隙组成的可灌性差的地层，使用水灰比较大的浆液及较高的灌浆压力，期望在地层中产生下列效应:①孔隙被扩宽，使细小的岩缝也能灌入颗粒状材料并可使其渗入到较远的距离，从而有效防渗。②可灌性不好的地层受劈裂作用产生了一些新的孔隙，可接受更多的浆液，获得更好一些的灌浆效果。③水灰比较大的浆液能在孔隙内扩散，形成强度较高的结石体。④使地层获得一定程度的预加应力，此应力可以抵消一部分荷载，增强地层的抗剪强度，有助于浆液的排水固结和结石密实。

(3)灌浆压力过大的危害:①使浆液扩散半径过大，造成浪费。②超过地层的临界灌浆压力，使地层发生过量抬动，破坏地层原生结构。③对于可灌性差的岩体，高压力的水泥灌浆并不一定形成有效的防渗体系。

2.4.2 灌浆压力选择原则

(1)适宜的灌浆压力既要大到使地层孔隙得到充分的灌注，又不致给地层带来不利影响。

(2)选择合适的灌浆压力，使之既取得好的灌浆技术效果，又能获得合理的经济指标。

2.4.3 灌浆压力采用值

根据上述分析，结合本工程大坝水头影响情况，选取的帷幕灌浆孔灌浆压力值见表3。

2.4.4 灌浆压力的调整

在灌浆过程中，应尽量尽快采用大的灌浆压力并根据实际情况进行适当调整。

表3 帷幕灌浆灌浆压力表

(1)结合被灌地质体结构、埋深、透水性进行调整。灌浆深度并不完全决定灌浆压力。深部岩体浆力劈裂与否决定于钻孔周围的岩体强度，而岩体强度与岩体埋藏深度无关，因此，灌浆压力随灌浆深度增加并不一定切合实际。

(2)根据地层抬动情况进行调整。

(3)结合浆液水灰比进行调整。

(4)后次序孔的灌浆压力可较前序孔依次提高10%～15%左右。

2.5 灌浆压力与注入率的协调控制

灌浆过程中，选用适宜的浆液、适时地变换浆液配合比、合理地控制灌浆压力并使它们之间很好地配合是保证灌浆质量的重要因素。

2.5.1 灌浆压力与注浆率是互相关联、互为因果的两个参数

(1)一般规律为:灌浆压力越高，注浆率越大;当压力升高到超过岩石强度或突破软弱充填物时，会出现注浆率异常增大或压力突降。

(2)灌浆压力与注浆率的匹配原则:①当地层吃浆量很大、注入率很高时，采用低压或“无压”灌注，并及时调整浆液水灰比;②当地层吃浆量较小、注入率较低时，尽快将压力升到最大值，并适时调整浆液水灰比。

2.5.2 灌浆过程中灌浆压力和注入率的协调控制方法

灌浆压力与注入率的协调关系见表4。

表4 灌浆压力与注入率关系表

(1)地层吸浆量较小(注入率≤10 L/min)。

尽快将灌浆压力升到规定值，在规定的灌浆压力下灌注。①灌浆开始时，将压力尽快升到规定压力，单位吸浆量不限，在规定的压力下按规范要求变换浆液水灰比，逐级加浓，直至达到结束标准。②此法用于透水性不大、孔隙不甚发育地层;但对于由多组细小孔隙组成的地层和透水率较大的地层，在试验过程中也采用该法。

(2)地层吸浆量较大(10 L/min＜注入率≤30 L/min)。

将灌浆压力分为几个阶段，逐级升高到规定的压力值并严格控制升压速度。①灌浆开始，如果吸浆量大，使用最低一级的压力灌注;②当注入率减少到一定限度(20 L/min)，则将压力升高一级;③当注入率减少到10 L/min，再升高一级压力;④如此进行，直到在规定压力下灌至注入率减少到结束标准时即可结束灌浆;⑤此法拟用于孔隙发育等透水率较大地层。在使用此法过程中，避免过快变换浆液水灰比，以增强灌浆效果的可靠性。

(3)地层吸浆量很大(注入率＞30 L/min)。

采用低压或“无压”灌注较浓浆液，控制注入率≤20 L/min，单延米耗灰在一定数量时开始间歇或待凝。

2.5.3 灌浆时地表出现抬动时的处理措施

当地表发生抬动时，及时分析引起抬动的原因(如灌浆压力过高或注浆量过大)，采取降低灌浆压力、降低注浆率等措施。

2.6 浆液比级的选择及变换

2.6.1 浆液及比级

浆液水灰比初步选用 5 ∶1、3 ∶1、2 ∶1、1 ∶1、0.8 ∶1、0.6 ∶1(或 0.5 ∶1)六个比级(重量比级)。

2.6.2 开灌水灰比

开灌水灰比的大小对灌浆效果、灌浆成本有很大的影响。开灌水灰比过大，将使大量稀浆流到设计帷幕以外很远的地方而造成浪费;开灌水灰比过小，将使裂隙过早被堵塞，导致灌浆达不到理想效果。开灌水灰比根据灌前简易压水值确定，设计的基本原则为:

(1)当地层q≤5 Lu时，采用水灰比为5∶1的浆液开灌。

(2)当地层5＜q≤10 Lu时，选择水灰比为2∶1的浆液开灌。

(3)当地层q≥10 Lu时，选择水灰比为1∶1的浆液开灌。

实际开灌水灰比根据实际情况进行调整。

2.6.3 浆液变换

合理的浆液变换有利于提高灌浆质量。过早地使用浓浆，常易将细小裂缝进口堵塞，从而影响灌浆效果;灌注稀浆过多，也易延长灌注时间，导致浆液过度扩散，造成材料的浪费，而且稀浆形成的水泥结石耐久性差。

灌浆浆液由稀至浓逐级变换，其变换原则为:

(1)当灌浆压力保持不变、注入率持续减少时，或注入率不变而压力持续升高时不得改变水灰比。

(2)当某一比级浆液注入量已达300 L以上、或灌注时间已达30 min，而灌浆压力和注入率均无改变或改变不显著时，改浓一级水灰比。

(3)当注入率大于30 L/min时，可根据具体情况越级变浓。

(4)灌浆过程中，灌浆压力或注入率突然改变较大时，应立即查明原因，采取相应的措施进行处理。

2.7 回浆量控制

灌浆过程中，经常转动并上下活动灌浆管，且保持回浆量大于15 L/min，以防止灌浆管在孔内被水泥凝住，造成灌浆中断。

2.8 灌浆结束标准

帷幕灌浆各灌浆段的结束条件为:

帷幕灌浆采用自上而下分段灌浆法时，灌浆段在最大设计压力下、注入率不大于1 L/min后，继续灌注60 min后可结束灌浆。

2.9 特殊情况处理

2.9.1 冒浆、漏浆

灌浆过程中发现冒浆、漏浆时，根据具体情况采用嵌缝、表面封堵、低压、浓浆、限量、间歇灌浆等方法进行处理。

2.9.2 串 浆

灌浆过程中发生串浆时，如串浆孔具备灌浆条件，可一泵一孔同时进行灌浆。否则，塞住串浆孔，待灌浆孔灌浆结束后，再对串浆孔进行扫孔、冲洗，而后继续钻进或灌浆。

2.9.3 灌浆中断

灌浆须连续进行。若因故中断，按下述原则处理:

(1)尽快恢复灌浆，否则立即冲洗钻孔，而后恢复灌浆。若无法冲洗或冲洗无效则扫孔后复灌。

(2)恢复灌浆时，使用开灌比级的水泥浆灌注。若注入率与中断前的相近，采用中断前的比级水泥浆灌注，如注入率较中断前减少较多，则逐级加浓浆继续灌注;如注入率较中断前减少很多，且在短时间内停止吸浆，则采取补救措施。

(3)涌水孔段。对于孔口有涌水的灌浆孔段，灌浆前测记涌水压力和涌水量，根据涌水情况，综合选用纯压式灌浆、提高灌浆压力、浓浆、闭浆、待凝等措施进行处理。

(4)灌浆段注入量大而难以结束时，可采用下列措施进行处理:①低压、浓浆、限流、限量、间歇灌浆;②加速凝剂。

(5)灌浆孔段遇特殊情况时，无论采用何种措施进行处理，其复灌前都应进行扫孔，复灌后都应达到规定的结束条件。

2.10 封 孔

灌浆孔灌浆结束后，采用“全孔灌浆封孔法”封孔。

(1)全孔灌浆完毕，先采用灌浆管将孔内余浆置换成水灰比为0.5∶1的浓浆，而后将灌浆塞塞在孔口，继续使用这种浓浆进行纯压式灌浆封孔。封孔灌浆的压力可使用该孔最大灌浆压力，灌浆持续时间不小于1 h。

(2)待孔内水泥浆液凝固后，对钻孔空余部位使用干硬性水泥砂浆封填密实。

3 结语

作为地下隐蔽工程，帷幕灌浆的质量控制一直以来都较为困难。本工程监理工程师主要采用编制质量控制点和全过程旁站的监理方法进行质量控制。

对于孔位、孔径、孔斜、孔深、分序分段、裂隙冲洗、灌浆结束标准、封孔等必须进行严格量化或有明确标准的控制项目，严格按照规范和设计的要求进行控制;对于灌浆中需要灵活控制的如灌浆初始压力(升压控制)、初始浆液选择和变换、注入率控制、注入率与压力的协调控制、灌浆间歇或待凝时间选择、特殊情况处理等，原则上均按上述参数确定的原则进行控制。

通过帷幕灌浆检查孔压水试验检查、取芯以及大坝的初期蓄水检验，狮子坪水电站大坝帷幕灌浆效果明显，无渗漏，达到了大坝防渗的设计要求，论证了狮子坪水电站帷幕灌浆所采用的施工工艺、灌浆参数是合理的，工程质量控制达到了预期目标。