GIN法在黄金坪水电站坝基覆盖层帷幕灌浆试验中的应用

2010-09-14罗永葵程超元柳鹤赵志强张永光

地质装备 2010年4期

关键词：覆盖层帷幕浅层

罗永葵程超元柳鹤赵志强张永光

（1.四川准达岩土工程有限责任公司四川成都 610072）

（2.四川省威成工程技术开发有限公司四川成都 610072）

（3.吉林大学建设工程学院吉林长春 130061）

GIN法在黄金坪水电站坝基覆盖层帷幕灌浆试验中的应用

罗永葵1程超元2柳鹤3赵志强3张永光3

（1.四川准达岩土工程有限责任公司四川成都 610072）

（2.四川省威成工程技术开发有限公司四川成都 610072）

（3.吉林大学建设工程学院吉林长春 130061）

本文结合黄金坪水电站坝基防渗帷幕灌浆工程，采用GIN法对坝基覆盖层进行了帷幕灌浆试验。介绍了GIN法在此次试验中的灌浆工艺过程，选择适宜的GIN值，控制了灌注压力与注入率之间的关系，灌注后的覆盖层防渗效果良好，达到了预期的设计要求。试验证明GIN灌浆法适宜在坝基帷幕灌浆工程上使用，验证了现行防渗设计方案的可靠性和合理性。

GIN法帷幕灌浆黄金坪水电站

1 工程概况

1.1 黄金坪水电站概况

黄金坪电站系大渡河干流水电规划“三库22级”的第11级电站，上接长河坝梯级电站，下游为泸定梯级电站。坝址区位于甘孜州康定县境内姑咱镇黄金坪村上游约2～3km河段。

初拟正常蓄水位1475m，大坝坝高81m，电站装机容量680MW；水库总库容为1.31亿立方米，正常蓄水位以下库容约1.19亿立方米，调节库容0.045亿立方米，具有日调节性能。

1.2 试验区工程地质条件

试验区地面高程1420～1425m，据地表测绘、钻孔勘探及试验，试验区覆盖层组成及物理力学性质自下而上由老至新分别为：第①层漂（块）卵（碎）砾石夹砂土（fgl Q3），分布河谷底部，厚度和顶面埋深变化较大，厚度29.44～81.57m，顶面埋深46.00～57.80m，简易注水试验渗透系数K＝7.52×10－2～2.17×10－3cm/s，表明该层具有中等～强透水性；第②层漂（块）砂卵（碎）砾石层（al Q），厚度0.70～2.78m，埋深24.05～36.37m两段钻孔标准注水试验渗透系数K＝4.16×10－3～2.39×10－3cm/s，现场渗透变形试验和钻孔抽（标准注）水试验均表明其具有中等～强透水性；第③层含漂（块）砂卵砾石层（al Q），厚度1.41～7.40m，埋深3.60～17.00m，钻孔抽水试验渗透系数一般K＝5.39×10－3～3.17× 10－2cm/s，现场渗透试验渗透系数K＝5.26×10－2～3.17×10－2cm/s，表明该层总体具有强透水性、局部具有中等透水性的特点。

2 GIN法灌浆试验内容

2.1 GIN法简介

GIN灌浆法由瑞士灌浆专家隆巴迪（Lombardi）等人提出。要对岩体灌浆，就必须消耗一定的能量。单位孔段上消耗的灌浆能量，即灌浆强度值（GIN－Grouting Intensity Number），用灌浆孔段的最终灌浆压力P（MPa）和单位灌段注浆量V（L/m）的乘积表示：GIN＝P·V（MPa·L/m）；在灌浆过程中保持GIN为常数，可以对较大孔隙限制其灌注量，而对可灌性较差的微细孔隙则提高了灌浆压力，既避免了导致地面抬动或水力劈裂的高压力与大灌注量的组合，又同时避免了灌注微细孔隙不合适的低压力与小灌注量的组合。在灌注过程中，尽可能使用单一配比的具有宾汉流体特性的稳定浆液，以稳定的中低流速进行灌注，随着注入量的增加，压力逐渐上升，当注入量达到预定的限制值，或压力达到预定的限制值，或者虽然压力和注入量小于限制值，但二者的乘积达到GIN值时，即可结束灌浆。

2.2 试验目的及要求

由于在较开阔河谷、高地震烈度区、深厚不均匀覆盖层上建造高土石坝的复杂性，坝基防渗处理成为本大坝工程设防的重点和难点。结合坝址区河床覆盖层特性，初拟坝基防渗采用上部悬挂式防渗墙接下部灌浆帷幕为主的防渗形式，其中，河床防渗墙最大深度89 m，主要穿过基础第③、第②层；帷幕灌浆处理深度75～140 m，主要穿过第①层。

为验证现行设计方案的安全可靠、施工可行和经济合理性，进行现场帷幕灌浆试验。覆盖层帷幕灌浆试验按浅层灌浆试验、深层灌浆试验分步实施。通过浅层灌浆试验选择浆液材料、确定灌浆分段长度及检查灌浆效果；通过深层灌浆试验了解灌浆地层的透水性、调整灌浆材料及吃浆量，以达到预期灌浆效果。试验要求：经过灌浆，帷幕的渗透系数应不大于1×10－4cm/s，破坏水力坡降不小于12，灌浆帷幕总厚度大于6m。

2.3 灌浆浆液及GIN灌浆方法

在浅层灌浆试验中，选择水泥—膨润土稳定浆液，水灰比0.7∶1，膨润土3%（水泥重量），减水剂0.5%；在深层灌浆试验中，根据起灌排渣需要，经过现场试验，考虑浆液的流动性，选择：①水泥—膨润土稳定浆液配比：水灰比0.7∶1，膨润土3%（水泥重量），减水剂0.5%；②1∶1水泥—膨润土浆液配比：水灰比1∶1，膨润土10%（水泥重量）；③2.5∶1水泥—膨润土浆液配比：水灰比2.5∶1，膨润土100%（水泥重量）。

灌注方法：采用GIN法，孔口封闭、自上而下分段、孔内循环喷射灌浆。

3 现场灌浆试验

3.1 浅层灌浆试验

3.1.1 GIN参数选择

根据黄金坪覆盖层地质情况及GIN灌浆法特点，选取GIN值及相关控制参数，如表1所示。

表1 浅层灌区GIN参数表

3.1.2 GIN灌浆参数调整

（1）在后次序孔施工过程中，根据单位注入量的降低程度判断前序孔所选用GIN值的适宜性，为GIN值的调整提供依据。

（2）在灌浆过程中，注意观测，避免压力过大或GIN值过大引起地层的破坏性变形。

3.1.3 GIN灌注过程控制

1）控制原则

GIN法灌浆的灌浆强度值GIN一旦选定，对于低压力、大耗浆量容易灌注的较大孔隙和高压力、小耗浆量的微细孔隙的灌浆都采用这个值，以保持该灌浆段在整个灌浆过程中GIN值是一个常数，避免出现高压力、大灌注量或低压力、小灌注量的不利组合。

2）控制手段

（1）GIN灌注技术主要是利用计算机控制灌浆过程，随时监控灌浆压力和注入量，监视P－V灌浆过程曲线再选定的GIN曲线图上的运作趋势，根据可灌性曲线（Q/P－V）的变化趋势，判断灌浆完成情况。

GJ－1000型自动化灌浆操作系统，其GIN灌浆法功能模块和压力自动调节系统能顺利地完成GIN法灌浆过程的自动控制。

（2）灌浆过程中，计算机绘制P－V曲线、可灌性曲线Q/P－V及P－T曲线、V－T曲线、Q－T曲线、Q/P－T曲线，同时在屏幕上显示压力P、注入率Q和时间T等。

（3）根据压力P、注入率Q大小情况，注意匹配控制注入率与灌浆压力，如表2所示。

表2 注入率与灌浆压力控制表

3）控制方法

（1）细微孔隙地层灌浆过程。在这种情况下，注入率很小，压力升高很快，当压力达到最大值后，保持稳定至结束标准。如图1所示，灌浆曲线①落在0－2－3－6区域，灌浆结束点在2－3线上。

图 GIN灌浆过程控制示意图

（2）中等发育孔隙区的灌浆过程。在这种情况下，压力随注入量的增加平稳上升，当P－V过程曲线逼近或达到GIN曲线时，降低灌浆压力，P－V过程曲线沿GIN包络线下滑，直至达到结束标准。如下图所示，灌浆曲线②落在0－3－4区域，灌浆结束点在3－4包络线上或GIN曲线a上。

（3）较大孔隙地层的灌浆过程。在这种情况下耗浆量大，难以升压，有时甚至呈无压自流状态。此时的灌浆曲线落在0－1－4－5区域。按规定（注入量规定值）采取限流、限量及间歇等措施，直至达到规定的结束标准，或达到累计单位注入量规定值，即可结束灌浆。

3.1.4 浅层GIN法灌浆结束标准

根据被灌地层的地质条件，GIN法灌浆结束标准如下：

（1）当灌浆达到最大压力Pmax或达到GIN值，注入率小于2L/min时持续30min结束，或达到最大压力值，注入率小于1L/min延续10min结束。

（2）达到GIN值，但流量较大时，调整压力，使之沿GIN曲线下滑，直至流量小于2L/min，再持续10min结束，但压力不得小于最低压力值。

（3）流量较大，但压力达不到最低压力时，采取限流、限量及间歇等措施，直至达到规定的结束标准或达到累计单位注入量规定值可结束灌浆。

3.1.5 特殊情况处理

（1）对较大孔隙地层或溶蚀地层等耗浆量大的孔段，采取先堵后灌、限制最大注入量、限流、间歇、待凝等措施。

（2）对涌水孔段，测定涌水压力和涌水量，根据涌水压力和涌水量，采取短的段长、高压、先堵后灌、待凝等措施。

（3）冒浆、漏浆发生时，根据具体情况采取封堵、低压、限流、限量、间歇灌浆等方法。

3.2 深层灌浆试验

3.2.1 灌浆压力选择

（1）根据浅层灌浆试验成果，结合设计建议，后次序孔的灌浆压力较前序孔提高15%左右，深层灌浆孔采用的灌浆压力值如表3所示。

表3 深层帷幕灌浆孔灌浆压力

（2）深层帷幕灌浆孔三排孔灌浆压力为最大灌浆压力，并不是最终灌浆压力，在实际试验过程中，如果地层灌注量很大，或者在某一压力下，灌浆能达到结束标准，但在压力稍微增大的情况下，吸浆量增大很多，则停止升高压力，并以该压力作为最终灌浆压力。反之，灌浆压力即使达到表中的灌浆压力时，浆液注入量不大，而且在继续升高压力的情况下，吸浆量变化不明显，则将压力提高15～20%。

3.2.2 灌浆压力与注入率的协调控制

深层试验孔灌浆压力与注入率的协调控制参见浅层灌浆试验相应部分。

3.2.3 深层GIN法灌浆结束标准

在浅层试验的基础上，根据压迫滤水论“浆液中的多余水分会在饱和压力（最高压力）下被压入到另外的微小孔隙里，以便充分排水固结”，采用了以下结束标准：

1）灌浆结束条件

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1L/min后，继续灌注60min，可结束灌浆。

2）灌浆结束后处理措施

（1）在灌浆结束后，将射浆管向上提至被灌段以上3m左右的部位，继续使用该灌浆段最大灌浆压力灌注30min后结束。在较长时间持续压力作用下，促使水泥颗粒在被灌段沉淀并加速排水凝固过程，以及增强浆液对地层的预加应力效应，有效减小地下水流对浆液的影响。

（2）上述屏浆结束后，将射浆管上提至孔口，进行闭浆处理，闭浆时间不低于60min。即屏浆结束后立即关闭回浆管阀门和进浆管阀门，使灌入的浆液仍暂时处于受压状态，待孔口压力消除时结束。

4 灌浆效果

4.1 浅层灌浆效果分析评价

采用GIN法灌注水泥—膨润土稳定浆液，尽管该区的平均单位注入量最小，但平均渗透系数最大，说明GIN法在此覆盖层灌浆效果稍差。

检查孔渗透系数为0.05×10－4～9.90×10－4cm/s，其中小于1×10－4cm/s（设计要求值）占8.3%，与灌前渗透系数10.2×10－4～120.4×10－4cm/s相比，灌浆效果明显，但与设计要求1×10－4cm/s尚有差距，因此，有必要对灌浆参数进行调整。

4.2 深层灌浆效果分析评价

从钻孔常水头注水试验、疲劳压水试验、耐压压水试验、水泥结石充填情况直观检查等成果可知：灌浆试验区覆盖层经过灌浆后，渗透系数降低明显，防渗效果达到或基本达到了设计要求，如下：

（1）SJ1－2、SJ1－4检查孔植物胶取心表明，覆盖层中多处可见水泥结石或水泥膜，水泥、粘土与卵石和砂胶结良好。

（2）防渗效果

深层试验区覆盖层灌浆前后的渗透系数情况如表4所示。

表4 深层试验区渗透性指标改善情况

从上表可知，深层试验区灌前的渗透系数均大于1×10－4cm/s，其中大于10×10－4cm/s的孔段占63%；灌后渗透系数小于1×10－4cm/s的孔段占89%，大于×10－4cm/s的孔段约占11%。灌后覆盖层SJ1－1、SJ1－3、SJ1－5检查孔的平均渗透系数分别为0.71×10－4cm/s、0.58×10－4cm/s、0.68× 10－4cm/s，区域平均渗透系数为0.66×10－4cm/s，较灌前平均渗透系数13.5×10－4cm/s降低1～2个数量级。说明深层试验区覆盖层具有可灌注性，灌浆效果明显。