斐济南德瑞瓦图水电站灌浆施工与国内之异同

2012-08-15钟永兵习书田钟林

四川水力发电 2012年4期

钟永兵，习书田，钟林

(中国水利水电第十工程局有限公司，四川成都610072)

1 工程概述

斐济南德瑞瓦图水电站大坝位于Qaliwana和Nukunuku河流交汇处，为混凝土重力坝，最大坝高40 m，坝顶宽8.5 m，坝顶长71.7 m，活库容1 009 000 m3。基础高程490 m，坝顶高程530.5 m，坝基采用帷幕灌浆进行防渗处理。

该工程为EPC合同，项目业主为斐济当地FEA电力公司，咨询工程师是世界大坝委员会成员，工程师为全球MWH在新西兰的分公司成员，设计单位为中水北方勘测设计研究有限责任公司，采用的技术标准和规范主要参照澳大利亚、新西兰或美国标准。帷幕灌浆主要执行美国陆军工程师团1984年颁布的EM1110－2－3506技术标准，施工时段为2009年10月至2011年8月。

2 工程地质条件

通过前期勘探及后期补充勘探发现，坝址区地层为N1－N2Mba组的火成岩，主要为玄武岩，按产状有4种岩性:枕状玄武岩、块状玄武岩、柱状玄武岩、火山角砾岩(或火山集块岩)。玄武岩中气孔比较发育，裂隙内部分充填有矿物晶体、铁质矿物和粘土矿物，单层厚0.5～1 m。Mba组与下伏的N1层Ra组沉积岩为不整合接触，有沉积间断，局部夹有红色的粘土夹砾石，为风化侵蚀产物;Ra组沉积岩岩性有砂岩、泥质砂岩和砂质泥岩，其不整合面埋深在现河床底以下约36 m的深度。勘探孔压水试验结果表明其透水性较大。

3 灌浆工程设计

根据设计图纸及技术要求，需要对坝基进行固结灌浆和帷幕灌浆，固结灌浆孔间距3 m，基础在509 m高程以上时孔深4 m，在509 m以下时孔深6 m。帷幕灌浆设计为单排，间距1.5 m，分三序施工，深度为基础以下2/3水头深，平均灌注深度30 m，河床中部在廊道内施工，两岸在坝体上施工。

4 施工工艺流程

(1)固结灌浆。

布置孔位→设备就位→钻孔→冲洗→简易压水试验(选择有代表性的孔)→固结灌浆→封孔→验收。

(2)帷幕灌浆。

孔位布置→设备就位→首段钻孔→首段裂隙冲洗→简易压水试验→首段灌浆→待凝→钻孔到设计深度→孔底段简易压水试验→自下而上分段灌浆→全孔一次性封孔→验收。

5 主要施工方法之异同

5.1 钻孔

根据美国技术标准和规范，灌浆孔允许使用冲击式或回转式钻机钻进。但本工程HSE工程师要求，不能采用以风为介质的冲击钻进技术，其原因是采用以风为介质的冲击钻进，钻进过程要产生大量的粉尘，对施工环境与作业人员的健康产生污染和危害;咨询工程师则认为在采用冲击钻(比如潜孔锤、风钻)钻进过程中，微细粉尘在风的作用下容易堵塞微细裂隙以及对原地质条件产生破坏，使得灌浆孔的可灌性差，灌浆质量得不到保障。从这一点上看，与国内《水工建筑物水泥灌浆施工技术规范》(DL/T5148－2001，以下简称国内灌规)也是相吻合的。

基于上述因素，最终决定固结和帷幕钻孔均采用中国重庆探矿机械厂生产的XY－2PC地质岩芯钻机，钻具为小口径牙轮钻头或金刚石复合片全断面钻头，钻孔直径76 mm，采用清水循环钻进。检查孔采用金刚石钻头配单动双管钻具取芯钻进，孔径91 mm。

5.2 裂隙冲洗与压水试验

国内灌规认为灌浆孔在灌浆前必须采用压力水进行裂隙冲洗。但本工程工程师则认为水作为冲洗液在造孔过程中就已经把钻屑、岩粉携带出了孔外，成孔后待孔内返水澄清，可不必进行灌浆前的裂隙冲洗，按照工程师意见，本工程大坝帷幕灌浆孔一般情况下没有进行专门的冲洗。

关于灌前压水试验的要求，与国内灌规相比有较大的差别，国内灌规规定灌前压水试验是选择灌浆孔的5%进行，目的主要是了解岩石的渗透性和可灌性。但本工程按照工程师的要求，每个灌浆孔灌前必须进行压水试验，压力为1bar(0.1 MPa)，通过每段压水试验的吕荣值(Lu)选择开灌水灰比，对于吕荣值大于或等于10的，开灌水灰比为1∶1;对于吕荣值小于10的，开灌水灰比为2∶1(后改为1.5∶1)。

通过本工程工程师对压水试验的要求可以看出，国外规范对灌前压水试验不单是要达到了解岩石渗透性和可灌性的目的，最重要的是确定开灌水灰比，以达到最优灌浆的目的。

5.3 灌浆材料

根据美国陆军工程师团灌浆技术标准(EM1110－2－3506)和工程师现场指示，本工程对灌浆材料的要求和规定与国内规范或设计要求有一定出入，主要体现在对水泥细度指标要求特别高。

本工程采用斐济当地水泥厂生产的火山灰水泥，要求比表面积不小于3 500 cm2/g(ASTM C204)，通过No.200目(0.075)美国标准筛的筛余量为0;而国内灌规中对普通硅酸盐水泥细度的要求是通过80μm方孔筛的筛余量不大于5%。此标准低于美国规范要求。

此外，本工程灌浆还提出可灌度(指能灌入地层中最小裂隙的能力，用N表示，N=D15/D85)，它要求N值大于25。N值的大小主要取决于灌浆材料，尤其是水泥的物理性能指标，类似于国内大坝灌浆对水泥颗粒粒径与地层裂隙宽度的匹配要求，国内一般按照浆材粒径需小于裂隙宽度的1/3～1/5的原则选择灌浆材料，一般情况下，国内普通水泥能灌入岩石裂隙的宽度在0.25～0.4 mm范围内;而按照美国标准和本工程监理工程师指示，要求所采用的水泥能灌入极其细微的裂隙，这一要求实际上已经达到了国内采用磨细或超细水泥灌浆的技术要求。

5.4 灌浆方式与方法

国外灌浆对灌注方式、方法并无特殊要求，采用自下而上或自上而下的方式由承包商自行确定，对灌注方法工程师也没有做出硬性规定，采用纯压式还是循环式全由承包商自行确定。为方便施工，大大提高施工效率，本工程全部采用自下而上分段卡塞纯压式灌注。只对由于地质原因无法钻至孔底的孔段才先灌注，待凝后继续钻进至孔底，然后再回到自下而上的灌浆方法上来。从这一点看，与国内普遍推行的大坝帷幕灌浆采用小口径、孔口封闭、自上而下循环式灌浆有较大不同，而且按照国内规范中的规定，帷幕灌浆是不能采用纯压式的。

5.5 灌浆水灰比及灌注段长的划分

国内规范规定的固结和帷幕灌浆水灰比一般采用5∶1、3∶1、2∶1、1∶1、0.8∶1、0.6∶1、0.5∶1等七个比级，开灌水灰比可视地层透水率情况确定，固结灌浆一般不超过2∶1，帷幕灌浆原则上从5∶1开始。在本工程中，通过前期的灌浆试验并取得工程师和业主方咨询工程师的认可，最终确定固结和帷幕灌浆的水灰比均只采用2∶1、1∶1、0.6∶1三个比级。灌浆过程中，通过对2∶1的水泥浆液进行析水试验得出，水灰比为2∶1的浆液通过2 h的沉淀后析水率高达70%，工程师认为这样不利于形成致密的水泥结石。通过分析论证，最终将帷幕灌浆开灌水灰比改为1.5∶1。

国内灌规认为帷幕灌浆的灌浆段长宜为5～6 m，但根据美国标准和工程师现场指示，本工程帷幕灌浆第Ⅰ序孔自上到下依次采用6 m、7 m和8 m，第Ⅱ、Ⅲ序孔则根据前序孔灌浆情况进行调整，最大段长超过10 m。混凝土盖重与基岩间国内称之为接触段，段长一般控制在基岩内2～3 m。而国外没有这一说法，与下部基岩灌浆段长基本一致进行划分。按照这样的段长控制，减少了单孔灌注总段数，缩短了单孔总灌浆时间，大大提高了工效，完工后的质量检查全部满足要求，由此证明这是一种切实可行的施工方法。

5.6 浆液变换原则

按照国内灌规要求，浆液变换是由稀浆开始，在浆液注入率大、灌浆压力无变化时，逐级或越级换浆。但本工程的工程师则不认同这种换浆方式，他认为应按照美国灌浆标准要求多灌浓浆，所以，每级浆液都有一个灌浆量的要求，当水灰比为2∶1的浆液灌注水泥干料消耗量累计达到100 kg时变换成水灰比为1∶1的浆液;在该比级浆液下灌注时，当水泥消耗量达到400 kg时变换成0.6∶1的浆液，最终直至灌浆结束。

从以上分析可以看出，浆液变化的主要目的是为了控制灌浆量(水泥消耗量)，在达到灌浆渗透范围内尽量灌注浓浆，从而不使浆液无限制的扩散而浪费水泥。这种浆液变换方式好操作、易监控，同时也能达到较好的灌浆效果。

5.7 灌浆压力控制

按照国内灌规要求，一般是逐级升压直到设计压力，采用孔口封闭法灌浆施工时还要严格控制每级压力下的注入率，以免引起地层或混凝土盖重抬动。而美国标准则不这样认为，它要求采用浓浆、高压灌注并且尽快提升到设计压力。采用稠度很大的浆液灌注可以避免或大大降低地层发生抬动可能性的发生，因此提倡尽快升压但又不允许超过岩石临界压力。他们认为:超出岩石临界压力进而将岩石劈裂进行灌浆是不必要的，甚至很危险。因此一般情况下确定的压力不会太高。本工程帷幕灌浆最大压力为1.5 MPa，这一点与国内设计理念也有所不同，国内大型水电工程由于特殊地质条件，往往采用高压帷幕灌浆，最大压力已经有超过6 MPa的例子，这在国外是很少见的。

5.8 灌浆结束标准

国内灌规规定的灌浆结束标准为:采用自下而上分段帷幕灌浆施工，在达到设计压力下、注入率不大于1 L/min的条件下，持续灌注30 min，可结束灌浆。

工程师认为国内的这种灌浆结束标准是没有必要的，如果是在灌注稀浆结束的情况下，这种方法是可行的;但如果是在灌注浓浆结束的条件下，采用这种方式灌注，很容易造成管路堵塞而出现灌浆事故，进而影响灌浆质量。本工程采用的美国标准和规范基本以灌注浓浆为主。通过对灌浆试验进行分析总结，工程师批准执行的的灌浆结束标准为:在达到设计压力、注入率不大于1 L/min的条件下，持续灌注15 min即可结束灌浆。在实际施工中，按照此法灌注很少出现堵管事故，每段次可节约15 min时间，这对整个工程来说却不是一个小数。在本工程工期要求非常紧、质量标准要求特别高的的情况下能够缩短灌浆施工周期是一件很不容易的事情，虽然灌浆工期缩短了，但灌浆质量同样满足要求。

5.9 质量检查

国内灌规中帷幕灌浆一般采用钻孔取芯结合压水试验进行检查，压水试验吕荣值满足要求即认为质量合格。根据工程师要求，本工程帷幕灌浆质量评定通过第Ⅲ序孔的单耗和压水试验吕荣值进行综合分析评判，在地质条件差、岩石破碎、存在较大裂隙的孔(段)，第Ⅲ序孔的吸浆量相对于其它岩层较好孔(段)要高得多，因此，要在这些孔(段)周围增加第Ⅳ序加密灌浆孔进行补强灌注，这一点与国内灌浆规范上的要求也是不一样的。

笔者也认为仅仅通过灌后压水试验来确定灌浆质量是否合格是不完全准确的。由于灌浆属于隐蔽工程，岩石裂隙的发育、走向及地层情况都是通过地质勘查来大致判定的，在某些大吸浆孔(段)，灌后通过个别检查孔压水虽然能达到设计要求，但并不代表该部位或区域的所有灌浆孔质量都合格，帷幕质量均满足要求。通过在大吸浆量孔(段)增设第Ⅳ序灌浆孔，并对其灌浆资料统计和成果绘图进行对比分析后，如能得出第Ⅳ孔的每m耗灰量比第Ⅲ序孔显著下降，并通过检查孔压水试验确定压水吕荣值合格，则帷幕质量的可靠性才能得到大大提高。