中梁一级电站库区防渗帷幕灌浆工艺的研究

王 伟

（中国水电基础工程局有限公司，天津301700）

1 前言

1.1 工程概况

中梁水电站位于重庆市巫溪县境内大宁河干流西溪河上，中梁一级电站坝址位于中梁乡青岩洞桥上游约200.0m处，距巫溪县城49.0km。坝址控制流域面积525km2，多年平均流量17.1m3／s，多年平均径流量5.39亿m3。中梁一级电站采用水库式开发，属Ⅲ等中型工程，工程枢纽由混凝土面板堆石坝、左岸岸边溢洪道、左岸输水放空隧洞、右岸引水隧洞、地下厂房及开关站等组成。混凝土面板堆石坝最低建基面高程512.00m，坝顶高程630.50m，最大坝高118.5m，坝顶长243.0m，宽8.0m，上下游坝坡均为1∶1.4。水库正常蓄水位为625.0m，相应库容为9 300万m3，总库容9 859万m3，调节库容6 730万m3，具有年调节能力。

中梁一级电站库区防渗工程防渗轴线位于坝址上游6.4km的星溪沟下游约200m处，平行于星溪沟布置，灌浆平洞分上下2层，上层灌浆平洞为PD7勘探平洞扩挖而成，下层灌浆平洞可以通过星溪沟出口附近212m长的斜洞进入，斜洞洞口高程为585m。上层灌浆平洞底板高程626.00m，全长517.00m，设计帷幕灌浆桩号范围为0＋101.00～0＋513.00m，帷幕底线高程535m。

1.2 工程地质条件

水库防渗勘探线位于龙潭河右岸，与岸坡近垂直，该段河流流向近东西向，河水位575.20m。库岸坡度约50°，高程650.00m以上坡度变缓。

防渗区位于天元背斜北翼（倒转翼），岩层走向280°～285°，倾SW，倾角65°～88°。背斜核部地层为志留系砂页岩，南翼岩层倾向SW，倾角约45°。防渗不涉及南翼地层。防渗勘探洞（PD7号平洞）洞口高程626.20m，洞向约189°，与河岸及岩层走向近垂直，洞深552m，洞内各段勘探地质情况分述如下：

80.0 ～137.0m：“中梁隔水层”，其中80 ～117m为“中梁段”灰至深灰色薄层泥质灰岩与页岩互层，无溶蚀现象，洞壁有滴水；117～37m为大隆组黑色薄层钙质页岩、炭质页岩。岩层倾角67°，在129.5m下游洞壁上有一出水点，流量约0.5～1L／s。130m处地下水位在607.00m以上。该段地层为水库防渗北端接头。

137.0 ～487.0m：为漏水的二叠系地层，本段应为灌浆防渗重点。

137.0 ～217.5m：为长兴组与吴家坪组灰色厚层含燧石灰岩，底部王坡段为3m黑色炭质页岩、铝土岩夹煤层。岩层倾角由67°逐渐过渡到80°，倾向SW。平洞揭露2个溶洞：137m处沿裂隙（走向25°，倾向 NW，倾角85°）发育一扁平溶洞，宽0.5～1m，长3m，高约10m，洞中充填有蜂窝状次生黄泥；165m处有一顺层面的溶蚀带，宽度1m，为次生黄泥包碎块石全充填，块径5～15cm，黄泥呈软塑状态，本段及两侧交界处应为溶洞处理重点。

217.5 ～369.0m：为中统茅口组浅灰、灰黑色厚至巨厚层灰岩，易溶蚀。在363m发育有逆冲断层F3，走向275°，倾向 NE，倾角45°～55°，破碎带宽度约1.5m，上盘完整，下盘挤压破碎，并有泥质物充填。该段岩溶发育，281.6～283.7m下游洞壁可见扁平式落水洞，长（垂直于平洞，沿岩层走向）约5m，宽约2.5m，高约30m，洞壁有灰华，较光滑。洞下游壁可见宽约2～5cm的缝隙。286.0～293.0m段上游壁及洞顶发育有全充填溶洞，宽度可达1m，黄泥充填密实，裹有磨圆度极好的卵砾石，粒径0.5～5cm。本段应为灌浆及溶洞处理重点部位。

369.0 ～487.0m：为中统栖霞组深灰、灰黑色中厚层至巨厚层灰岩夹炭质页岩。在洞深370、398、400、402.5、486.5m 夹有30～100cm 厚的炭质页岩。走向280°～310°，倾向 NE，倾角60°～70°的节理非常发育，充方解石脉。该段岩溶发育比茅口组地层弱，多处洞壁有滴水现象。本段应为灌浆重点。

487.0 ～552.0m：为非岩溶的不透水地层，490.0m处ZK108孔深120.20m，全孔段压水试验透水率都小于1Lu，地下水位612.70m；洞深548.5m处ZK107孔深120.10m，压水试验透水率都小于1Lu，地下水位608.90m。该段为水库防渗漏良好的帷幕接头。

2 帷幕灌浆试验

2.1 试验目的

由于防渗区域工程地质复杂，为论证灌浆材料可灌性和浆液配合比的可行性；确定灌浆孔排数、孔距、灌浆材料、浆液配合比、灌浆压力等能否达到灌浆效果，从而选择符合工程地质条件的灌浆工艺和灌浆技术措施，于施工现场进行现场灌浆试验[1－2]，灌浆试验地段的地质情况应具有代表性[3－4]。试验区布置在帷幕桩号0＋301～0＋309。

2.2 试验灌浆孔布置

帷幕灌浆试验段布设双排帷幕灌浆孔，灌浆孔分3排孔布置，孔距2.0m，排距1.3m，分三序施工，如图1所示。由于裂隙较为发育，灌浆采用孔口封闭、自上而下分段灌浆方法[3－4]。浆液拌制采用集中制浆方式，灌浆采用自动记录仪记录。

图1 试验区灌浆孔布置图

2.3 灌浆参数

帷幕灌浆分段长度按表1中执行，第4段及以下各段遇特殊情况时，可适当缩短或加长灌浆段长，但最大段长不得大于8m。各灌浆段的最大灌浆压力按表1中规定的各孔序、段次压力值并结合注入率参考表2中的压力与注入率对应数值执行，灌浆过程中应根据实际情况及时进行调整。灌浆压力控制采用一次升压法，即尽快达到设计压力，但灌浆过程中注入率较大时，采用分级升压法或间歇升压法，并使灌浆压力与注入率相适应。

表1 灌浆压力及分段表

表2 压力与注入率关系表

2.4 灌浆浆液

水泥灌浆材料采用宜昌华鑫水泥厂产的华鑫牌P.O42.5级普通硅酸盐水泥。根据现场地层条件，灌浆浆液水灰比采用3、2、1、0.8、0.5这5个比级，开灌水灰比采用3。灌浆浆液由稀至浓逐级变换，在灌浆过程中变换浆液水灰比时，以测定回浆管的水灰比为准。

2.5 灌浆顺序

帷幕灌浆按分序加密的原则进行施工，并按先C排、后A排、再B排，每排先Ⅰ序孔，后Ⅱ序孔，再Ⅲ序孔的施工顺序进行。

2.6 试验结果及分析

灌浆检测项目主要为钻孔取芯和压水试验，并结合灌浆成果资料进行综合分析。检查孔压水试验合格标准为：帷幕灌浆的质量要求透水率q≤3Lu；检查孔的第1段和第2段的合格率为100%，以下合格率在90%以上，且吕荣值不得超过设计值的100%，且为不集中，认为合格。

试验区每段灌浆之前的压水透水率如表3所示，透水率小于3Lu的段次占了75.6%，透水率大于10Lu的段次占了9.2%，个别段次有升不起压力的现象。从表中可以看出，各灌浆孔透水率基本遵循各次序孔透水率递减的规律，说明灌浆效果良好。

灌浆试验区布设了2个检查孔XJ－1、XJ－2，如表4所示，XJ－1和XJ－2各20段，所有段次的透水率均小于3Lu，最大透水率为2.74Lu，最小透水率为0.03Lu，平均透水率为0.51Lu，合格率100%，其中透水率小于1Lu的占92.5%，说明地层经灌浆处理后，其渗透性能得到极大改善，试验灌浆帷幕布置满足设计防渗要求，按灌浆试验确定的灌浆参数施工能达到灌浆效果。

表3 灌浆试验区透水率表

3 灌浆施工工艺

3.1 施工工艺流程

帷幕灌浆试验工艺流程如图2所示。

图2 施工工艺流程图

钻孔采用金刚石钻头清水循环回转钻进成孔和风动冲击回转钻进成孔（搭接帷幕上部3排孔）2种方式，帷幕孔终孔孔径为Φ76mm，检查孔终孔孔径为Φ91mm，抬动观测孔终孔孔径为Φ76mm。钻孔分段与灌浆分段一致。钻孔孔斜测量采用上海地质仪器厂生产KXP－1型轻便测斜仪，施工中，重点控制孔深20m内的孔斜，终孔进行全孔侧斜。

每段灌浆开始前，要对即将进行灌浆孔段进行裂隙冲洗和简易压水试验，灌浆孔段的冲洗采用大流量水冲洗，裂隙冲洗采用压力水冲洗，冲洗压力为灌浆压力的80%，但不大于1MPa，冲洗时间为回水澄清10min且总冲洗时间不少于30min结束，对回水达不到澄清要求的孔段，需继续冲洗，孔内残存沉积物厚度不得超过20cm。灌浆按灌浆试验确定的灌浆技术参数灌浆。

3.2 溶洞处理

鉴于上、下层平洞遇到的岩溶主要是以充填型和半充填型溶洞，且其充填物以细砂、黏土及未完全溶蚀的小碎石为主。对于这类溶洞，在处理过程中采取了以下具体处理措施：

首先根据充填物性质，判断是否进行高压冲洗、高喷冲洗，灌浆过程中结合限流、限压、间歇等综合处理措施。对于充填型溶洞关键是冲洗及复灌2个工序，即：冲洗一定要干净，在复灌时，一是要控制好段长，二是要控制好压力与注入率。

其主要工艺细化为：高压冲洗或高压喷射冲洗（压力控制在5～20MPa）→灌浆（以灌注水泥浆为主，如灌砂浆，压力以2.0MPa为限，注入量大且灌注了一定量的浆液之后可按比例掺水玻璃等外加剂，再灌注水泥浆，结束时灌注水泥—水玻璃）→待凝（待凝时间一般以24～48h）→扫孔（缩短段长，段长以2.5～3m控制）→灌浆，在处理过程中一定要采取“限压、限流、间歇”等处理措施，其中“间歇”可与外加剂配合（一般，灌完水泥—水玻璃浆液后要停泵清洗，可利用此段时间进行间歇，间歇时间按24～36h控制），直至达到设计压力。

遇到溶洞段和涌水孔等特殊情况，根据实际情况及外部条件，采取了缩短段长、降低灌浆压力的措施。如上层灌浆平洞桩号0＋201.00～0＋221.00，上部45m灌浆压力降低至2MPa；开灌比一般为2︰1或更浓比级，同时也采取了回填混凝土、灌注砂浆、水泥—水玻璃浆液等特殊措施等。

灌注砂浆不采用固定比级，而是根据实际情况，灵活调整砂浆比级，即在遇到特殊洞段后，直接在灌浆作业面低速搅拌机上部的搅拌槽内掺加入水灰比为0.5的水泥浆，然后掺入砂子进行现场拌制，掺砂比例是水泥量的10%、20%、30%。

水泥—水玻璃浆液的水灰比为0.5∶1，水玻璃波美度为40，具体配比在施工中根据现场情况选用，水泥—水玻璃浆液性能见表5。

表5 水泥—水玻璃浆液性能

灌注方式有2种，一种是在浆液灌注的同时在回浆筒内倒入水玻璃。第二种就是将水玻璃直接加入搅拌槽内，随浆液一起灌入地层中。在施工过程中，2种方式都有一定的风险，需要控制好加量，否则会把灌浆泵铸死，损坏设备。

4 灌浆质量检查

从灌浆试验检测结果可以看出，地层经灌浆处理后，其渗透性能得到极大改善，灌浆帷幕满足设计防渗要求。

检查孔压水结束后，为了验证幕体可靠性，对部分检查孔进行了耐久性压水试验，历时2d，从耐久性压水试验情况看，压力和压入流量在全过程中均非常稳定，没有出现异常现象，说明幕体在高压力水头的长期作用下是稳定的，如表6所示。

表6 灌浆试验区XJ－2检查孔耐压情况

从灌浆后取得的岩芯情况看，岩芯中可以见到水泥结石。另外，从原溶洞部位钻出的芯样可以明显看出，溶洞部位水泥砂浆或混凝土结石体凝结状态良好，黄泥已被充分挤密，或与水泥结合，如图3所示。

图3 灌浆后钻孔岩心

5 结语

（1）通过灌浆试验证实试验采取的灌浆工艺和灌浆技术参数可行。通过灌浆后的压水试验检查，灌浆后渗透性能得到极大改善，灌浆帷幕满足设计防渗要求。通过钻孔取心观察，水泥结石充填裂隙良好。

（2）针对岩溶采用的灌浆处理措施可行，通过压水试验和取样检查可知，泥砂部分冲洗排出，溶洞灌注充分，未排出部分与水泥结合良好或被充分挤密。

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