泥岩层状破碎带特大涌水处理方法

2010-08-08崔雪玉万翔鸿张迪迪

东北水利水电 2010年9期

崔雪玉，万翔鸿，张迪迪，张磊

（中国水利水电第一工程局有限公司，吉林长春130062）

1 工程概况

哈达山水利枢纽工程位于第二松花江（简称二松）干流下游河段，坝址距二松与嫩江汇合口处约60 km，在松原市东南约20 km处，枢纽是二松干流最后一级控制性水利工程，是“北水南调”的主要水源工程之一，担负着向吉林西部提供生活和工农业用水、生态环境保护供水和发电等任务。

枢纽总平面布置从右至左为：挡水土坝、16孔溢流坝、河床式水电站、左岸连接坝段（混凝土重力坝）及坝上公路（桥）等。坝线全长2 485 m，最低建基高程为116.00 m，坝顶高程为145.7 m。水库正常蓄水位140.5 m，总库容为6.08亿m3，电站装机容量27.6 MW。工程等级为Ⅰ等。主要建筑物挡水土坝、溢流坝（泄水闸）、河床式电站、重力坝、渠首闸为1级，其他建筑物为3级。洪水设计标准为500年一遇，校核洪水标准为2000年一遇。

坝址区内河谷两岸地形不对称，大坝基础坐在微、弱风化灰绿色或紫红色夹粉砂岩薄层的泥岩上。根据基岩的埋深、风化情况，混凝土坝的最大坝高29.7 m，微、弱风化岩体强度差别不大，单轴抗压强度13.20～13.04 MPa，允许承载力R=0.8 MPa，静弹性模量3.6～7.1 GPa。变形模量Ec=1 GPa，岩性较均一。但在建基岩以下7～8 m处层状发育面状破碎带，其宽0.5 m左右，由破碎岩块组成，影响带宽1～2 m左右，设计称P7。由于P7的存在，将严重影响坝基的抗滑稳定性，并可能造成不均匀沉陷，无法满足坝基承载力和变形要求，对枢纽安全造成潜在威胁。特别是在厂房集水井开挖揭露P7时，沿P7破碎带及其影响带出现了特大涌水，并将其中的颗料充填物也带出，地基中形成不均匀分布的空腔，使原本发育不良的坝基更加恶化。为此设计对此进行变更处理，要求对P7及集水井的涌水单独处理。

2 处理方案的分析与选定

针对上述不良地层特性，对发电厂房和溢流坝段基础中存在的P7破碎带进行如下处理：

1）在距P7破碎带特大涌处出漏较远、又具备P7破碎带特性的坝区内，进行P7破碎带灌浆处理方法与工艺试验，确定适合泥岩特性和破碎带部位的施工参数，如孔距、灌浆压力、灌浆分段、灌浆材料及结束标准等。

2）为不影响厂房混凝土施工，在集水井右侧设一5 m×3 m×2 m的临时泵坑，把厂房集水井处的特大涌水引导至临时泵坑。

3）在集水井混凝土施工完成后，集水时具备抽水功能，且临时泵坑及其周围混凝土浇筑一定盖厚后，具备封盖条件时，对临时泵坑实行封堵灌浆。封堵方法为：边抽水边浇筑速凝混凝土，在短时间内迅速用速凝混凝土进行封堵。为防止特大涌水在短时间内封堵后压力过大，对坝基及集水井附近凝期未达到28 d的混凝土造成影响，在集水井处设3个与临时泵坑相连通的四寸钢管，钢管处设2道阀门，把临时泵坑中的P7涌水有控制地引导到永久集水井中。为防止在抽水过程中将混凝土中的水泥及细颗料带出，在刚下料时可停止临时泵坑抽水，适当打开通往集水井处的阀门，以控制涌水量和涌水压力。

4）对距集水井较远部位的P7破碎带进行固结。灌浆方法通过专项固结灌浆工艺试验确定。试验时采取两组预案：一是水泥泵浆的灌注方法，另一种是水泥、水玻璃双液的灌注方法。通过专项试验确定的施工参数为：自上而下分段、接触段及P7吸浆量大的孔段待凝、灌注水泥砂浆的方法。在灌注过程中勤观察集水进涌水部位的串、漏浆情况。由于水泥、水玻璃双液在地层中凝结速度快，且很难控制。施工难度大，更重要的是这种方法灌注后，地层中会形成不连续的凝结体，会影响后期各次序灌浆时水泥浆液的有效扩散。因而灌注双液的方法在工艺试验初期被否定。先灌注距集水井处较远的部位主要是为封堵周边的渗水通道，集水井处的排水有利于水泥砂浆灌注过程中能够较远的扩散和浆液凝结过程中的泌水排泄。

5）集水井部位灌浆处理。在临时泵坑顶部的混凝土浇筑达一定厚度后，对集水井预埋的3根四寸钢管的涌水进行灌浆封堵。封堵灌浆时采用稳定浆液，以使地层中充填更多的水泥，也使浆液扩散更远。

6）集水井周边混凝土及P7破碎带灌浆补强处理。采取补强帷幕与补强固结灌浆的形式，围绕集水井环形布孔，排距1 m，孔距2 m，且靠里侧（环形帷幕）孔距集水井边线为0.5 m。

方案确定后，通过各方论证，经业主、设计、监理会议研究，报文批复后进行实施。

3 P7破碎带特大涌水处理试验与涌水封堵实施

3.1 P7破碎带灌浆处理试验及成果

1）试验过程。在P7破碎带特大涌水处理实施方案确定后，首先进行工艺可行性试验。对于灌注水泥砂浆方案，在坝区内2号溢流坝段进行P7破碎带灌浆处理专项试验。试验分3组进行，梅花型布孔，水平、垂直间、排距均为3 m。第一组I序孔6孔，II序孔1孔，计7孔；第二组I序孔5孔，II序孔1孔，计6孔；第三组I序孔7孔，II序孔1孔，计8孔。各组均成正六边形。试验孔孔深入岩9～11 m，即进行P7破碎带底线1～2 m。

由于孔底P7破碎夹层强透水，且漏浆量大，为防止在该部位绕塞影响灌浆质量，采用阻塞式孔内循环自上而下分段灌浆方法，即每钻完一段后先进行本段灌浆，灌浆结束后进行以下各孔段的钻孔灌浆。灌浆塞塞在已灌段底以上0.5 m处，接触段塞位在混凝土与基岩接缝处以上0.5 m处，射浆管距孔底的距离不大于0.5 m。试验孔施工过程中，当钻孔经过P7时出现岩石破碎，钻孔不返水，灌浆不回浆等特殊情况。P7部位的地质情况与试验前的分析基本相符，砂浆灌注发挥了很好的作用。灌后各组检查孔施工中均取出水泥砂浆结石，I序孔灌后II序孔钻孔及灌浆均较正常，出现漏水、不回浆等吸浆量的特殊情况，灌后检查孔压水达到小于5×0.01 L/(min·m·m)的设计标准，充分说明在P7部位灌注水泥砂浆是可行的。由于泥岩的地质特性，在灌浆压力的选用上应慎重，最高灌浆压力为 0.4，0.5，0.6 MPa。根据灌后资料分析和检查孔取芯、压水成果等综合分析，认为最高0.5 MPa的灌浆压力适合当时的岩石条件和地层结构及混凝土盖厚情况。

2）试验成果。采用自上而下分段灌浆工艺，接触段及吸浆量大的P7部分待凝24 h，吸浆量大的P7部位采用砂浆灌浆；灌浆压力I序孔0.3～0.5 MPa，II序孔 0.4～0.6 MPa；灌浆分段自上而下分别为2 m，5～7 m，不大于4 m，共3段；砂浆采用水∶灰∶砂=0.8∶1∶1 及 1∶1∶1 两个比级。

3.2 P7破碎带涌水封堵

1）集水井较远处的灌浆处理。根据设计图纸，对枢纽溢流坝段及发电厂房基础实行固结灌浆。由于地层7～8 m处层状发育一透水性极强的P7破碎带，为此设计将固结灌浆孔加深至P7破碎带底线以下1～2 m。按处理方案先对集水井较远处进行灌浆封堵。P7破碎带处理长度为4 m，单独灌浆，灌浆压力为I序孔0.3 MPa，II序孔0.5 MPa。溢流坝段共施工1 175孔，P7灌浆处理4 700 m，灌入水泥628.08 t，灌入砂子76.9 t，平均基岩单位水泥注入量133.63 kg/m。发电厂房共施工410孔，P7灌浆处理1 640 m，灌入水泥246.8 t，灌入砂子68.2 t，平均基岩单位水泥注入量150.5 kg/m。在集水井外围灌浆处理过程中，集水井处及临时泵坑处的水泵抽水逐渐减少，投入的水泵数量由原6台到后期2台，表明灌浆处理取得了明显效果。

2）临时泵坑回填处理。

①模板支立。在临时集水坑116.00 m高程铺设普通钢模板，底部采用[8槽钢做支撑，模板铺设时，预留8寸水泵位置、4寸水泵排水管位置、φ300钢管（后期注混凝土管道）和2根φ75钢管位置。

②回填混凝土施工。混凝土采用与底板同标号混凝土，振捣时禁止振捣棒触及底部模板和水泵排水管，保证埋设管道的位置，同时为减少水泥浆大量流入底部泵坑，在模板表面铺设塑料布。在混凝土浇筑时采用加早强、促凝剂的特殊混凝土。临时泵坑可停止抽水，由于来不及拿出水泵，故水泵及泵管均埋在混凝土中。

3）二次回填级配骨料。利用水泵抽除临时集水坑和永久集水坑内积水，并封堵115.00 m和117.00 m高程处预埋钢管。再通过预埋的各管道进行水泥砂浆回填，见图1。

4）灌浆处理。

①灌注集水井处的3个引管。首先清理泵坑，人工将前期施工时串入井内的水泥浆及P7透水夹层中的泥质充填物清理干净，使井壁渗漏点和引管完全外漏；在高程较低的引水管管口焊接法兰接口，连接变径作为灌浆进浆接口；采用纯压式灌浆方式，用0.6：1水泥稳定浆液灌注，如有串浆情况则改用砂浆进行灌注。直到耗浆量不大于1 L/min时，继续灌注30 min结束灌浆。

②灌浆压力。灌前测得涌水压力为0.1 MPa，灌浆压力为涌水压力加上0.3 MPa，即0.4 MPa。在灌浆过程中根据注入流量控制压力，并设专人观测集水井及周边串冒浆情况。为防止灌浆过程中出现管口突水事件，井内施工人员均穿救生服，并准备绳索置于井内。按上述流程共灌入水泥17.75 t。

③临时泵坑灌浆处理。首先利用预埋的钢管往临时泵坑灌注1：1：1水泥砂浆，待各个预埋管灌满后方可结束。在集水井内部灌注引水管时该部位的预埋管出现串浆情况，一部分被水泥浆充填，只有2个管子可灌性较好，灌入水泥浆1 859 L。

④集水井P7封堵帷幕灌浆和集水井外围混凝土补强灌浆。待混凝土浇筑至118.00 m并达到一定强度后，进行集水井P7封堵帷幕灌浆及外围混凝土补强灌浆。孔距均为2.0 m，孔深至P7层底线以下2 m。补强灌浆孔距集水井边墙0.5 m，帷幕灌浆孔距补强孔1 m。具体布置见图2。灌浆时采用孔内循环、一段灌浆法，三序分序施工。共完成帷幕灌浆609.59 m，注入水泥63.66 t，混凝土补强灌浆钻孔646.7 m，注入水泥16.85 t。集水井P7部位灌浆处理孔位布置见图2。