深水抛石围堰防渗帷幕设计与施工探讨

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(辽宁省水利水电勘测设计研究院， 沈阳 110003)

深水抛石围堰防渗帷幕设计与施工探讨

范远东，郭青春

(辽宁省水利水电勘测设计研究院， 沈阳 110003)

东湖电站进水口施工采用岩坎加围堰的挡水方案，由于其堰体为块石架空结构，孔隙率较大，无法进行常规水泥灌浆形成防渗帷幕。根据该工程围堰特点，采用膏状浆液灌浆与水泥浆液灌浆相结合办法进行防渗。经灌浆后质量检查，围堰灌浆帷幕防渗性能满足设计要求，为其他工程提供了借鉴和参考。

东湖电站； 岩坎围堰； 膏状灌浆； 水泥灌浆

1 概 述

1.1 工程概况

东湖电站取水口施工围堰长81.7m，堰顶高程307.6m，顶宽为6m，最大堰高31.6m(轴线处)，围堰上游边坡为1∶1.5，下游边坡为1∶1.75，堰体由钻爆法洞挖石渣料填筑而成。堰体防渗采用4排灌浆帷幕形成，排距1.5m，上下游2排为膏状浆液灌浆帷幕，中间2排为水泥浆液灌浆帷幕，膏状浆液灌浆孔距1m，水泥浆液灌浆孔距2m。

围堰横剖面见下页图1。

1.2 围堰特点

该工程采用岩坎加围堰挡水方案，岩坎位于底部，高度为13.5m，岩坎上部修建施工围堰，围堰挡水高度31m。由于当地缺乏筑坝材料，围堰只能由洞挖石渣料填筑而成。堰体成为块石架空结构，因部分块石体积较大，造成孔隙率较大，达到了30%，无法进行常规水泥灌浆进而形成防渗帷幕。根据该工程围堰特点，采用膏状浆液灌浆与水泥浆液灌浆相结合的办法进行防渗。

图1 东湖电站取水口围堰横剖面

2 工程地质条件

基岩岩性较单一，均为元古界二长花岗岩，分布面积大。水下沟底基本无松散堆积物。水下表层岩体为弱风化，其下限埋深约为10～30m，起伏较大，呈现上游高下游低的规律。两岸岩体表层以弱风化为主，其下限埋深为10～30.5m，起伏较大，呈现两岸高谷底低的规律。

弱风化岩完整性系数值为0.07～0.75，弱风化岩单轴饱和抗压强度建议值为40MPa。微风化岩完整性系数值为0.57～0.79，单轴饱和抗压强度建议值为60MPa。

根据钻孔压水试验成果，该区弱风化二长花岗岩，透水率一般为4～14Lu，为弱～中等透水。其中埋深0～10.5m段，透水率14Lu左右，为中等透水。埋深10.5m至孔底(34.50m)透水率4～6.80Lu，为弱透水。

3 帷幕灌浆设计

3.1 膏浆凝结体强度要求

3天设计强度大于5MPa，7天设计强度大于7.5MPa，28天设计强度大于10MPa。

3.2 灌浆帷幕防渗标准

帷幕厚度δ=3～5m；透水率q≤7～10Lu；允许渗流梯度[J]≥6。

3.3 灌浆孔布置

围堰防渗帷幕孔按4排布置，上下游2排为膏状浆液灌浆帷幕，中间2排为水泥浆液灌浆帷幕，从上游至下游排距依次为1m，1.5m和1m。膏状浆液灌浆孔距为1m，泥浆液灌浆孔距为2m。灌浆孔布置见图2。

图2 东湖电站取水口围堰灌浆孔布置

4 膏状浆液灌浆施工参数确定

4.1 施工顺序

施工时，按照先下游排，再上游排，最后中间排的顺序进行施工，每排灌浆孔分两序进行加密灌浆施工。

4.2 灌浆工艺

先选择Ⅰ区、Ⅱ区作为试验区进行灌浆试验。Ⅰ区采用套管跟进水压塞封闭自下而上分段灌浆法，II区采用下射浆管至孔底封闭料封闭自下而上分段灌浆法。分段长1.5～3m。根据灌浆试验效果，最后选择套管跟进水压塞封闭自下而上分段灌浆法。膏浆灌浆孔参考灌浆压力为0.20～0.50MPa，粉煤灰水泥浆灌浆孔参考灌浆压力为0.30～0.80MPa。围堰下部采用较大灌浆压力，上部采用较小灌浆压力。

4.3 浆液配合比

4.3.1 膏状浆液配合比

围堰膏浆灌浆采用纯膨润土水泥浆灌注，灌浆水灰比采用1∶1.11，浆液配比水：水泥：膨润土浆：偏侣酸纳实际比值按1∶1∶0.11∶0.002进行。浆液配比见表1。

采用ZJ-400A型高速搅拌机集中制浆，按要求水灰比调配好后送至现场低速搅拌槽。

表1 膏浆灌浆水泥浆液现场配合比

4.3.2 水泥浆液配合比

围堰帷幕灌浆采用粉煤灰水泥浆灌注，灌浆水灰比0.60∶1，实际各项比值为0.60∶0.80∶0.60∶0.01进行配比。水∶水泥∶粉煤灰∶膨润土浆，浆液配比见表2。

表2 帷幕灌浆水泥浆液现场配合比

4.4 结束标准

4.4.1 膏浆结束标准

孔口返浆且灌浆压力达到要求的灌浆压力后即可结束。

a.当灌浆注入率不大于1L/min时，持续灌注10min。

b.每米耗灰量达1.80t时，灌浆仍不能正常结束，则按照灌浆注入量较大的情况处理。

4.4.2 水泥灌浆结束标准

灌浆孔(段)满足下列条件之一时，即可结束灌浆：

a.当灌浆注入率不大于1L/min时，持续灌注10min。

b.每米耗灰量达500kg时，结束该段灌浆。

对不能正常结束的孔段，按排内逐步加密的原则，在该孔左右两边各补一孔，最终必须达到正常结束标准。

4.4.3 封孔

在最上一段灌浆结束后可采用0.5∶1的普通硅酸盐水泥浆液进行灌浆，封孔灌浆压力以地表不抬动来控制该孔最大的灌浆压力，闭浆后即可结束该孔灌浆。

5 施 工

5.1 钻孔

a.堰体钻孔采用KLEMM全液压履带式钻机跟管钻进，钻孔径133mm，中间排基岩采用冲击钻进。检查孔采用XY-2钻机，孔径76mm。

b.钻机安装前应保证平整稳固，在每个钻孔前进行简单设计，以确保工程质量。

c.灌浆孔位与设计孔位偏差不大于10cm,孔深不小于设计孔深，实际孔位、孔深做好记录。

5.2 施工工艺

采用套管跟进水压塞封闭自下而上分段灌浆法，工艺流程见图3。

图3 东湖电站取水口围堰灌浆工艺流程

5.3 灌浆过程中特殊情况处理

5.3.1 灌浆中断

0.156 5 Hz的状态是直线塔和导、地线发生耦合振动,共振频率为0.305 9 Hz，是耐张塔和导、地线发生耦合振动.与单塔模态分析的共振频率相比,体系的耦合振动频率明显小很多.在对单塔的模态振动分析时,在前10阶中没有出现单塔的垂直向共振,说明在单塔模态时的垂直向1阶共振频率要高于水平向的2阶共振频率,但从塔-线体的耦合振动分析可以看出(见表3),垂直向的模态频率为0.858 6 Hz时是小于2阶横向共振频率0.958 8 Hz.由此说明,与单塔模态频率相比,塔-线体系中单塔的垂直向共振频率值比水平向共振频率值降低得多.

灌浆宜连续进行，灌浆过程中因故造成长时间灌浆中断的，立刻用清水冲洗灌浆孔段，然后进行复灌。

5.3.2 串浆处理

采取多序次加密方式进行施工，尽可能避免发生串浆现象。如发生串浆应立即停止钻孔，并拔出孔内套管，对串浆孔孔口进行封堵处理，严防串浆导致钻孔内套管被“固死”。

5.3.3 冒浆处理

堰体灌浆在无盖重的条件下进行，在进行孔口段灌浆过程中不可避免地出现地表或孔口冒浆情况，导致灌浆效果不佳。上述情况发生后，采用间歇待凝或浆液变浓方法进行处理。

5.3.4 灌浆注入量较大的处理

灌浆过程中，当灌注浆液出现吸浆量大、长时间不能结束灌浆时，采用间歇30min左右时间、掺加速凝剂的方法进行处理。

当灌浆达不到设计压力，而注入量达到5t/m时，待凝后(时间经现场试验确定)进行复灌，复灌水灰比逐级由稀变浓。吸浆量过大孔段，增大浆液密度，掺加外加剂等；也可间歇灌浆，以2.5t/m、1.5t/m逐渐减量控制，间歇时间30～60min。

5.3.5 灌浆注入量偏小的处理

灌浆过程中，如出现吸浆量过小，根据实际情况并报监理批准后，调整浆液配比，增加浆液流动性，确保灌浆效果。

6 防渗效果评价

6.1 灌浆注入量分析

围堰灌浆试验共完成膏浆试验孔2排，完成钻孔工程量1021.5m，灌入水泥量1803.61t。膏浆灌浆试验区共计28孔，共计659段，Ⅰ序孔共计333段，平均单位注入量2089.38kg/m，Ⅱ序孔共计326段，平均单位注入量1427.6kg/m。

水泥灌浆孔6个，完成钻孔工程量282m，灌入水泥量141.37t。帷幕灌浆试验共计147段，Ⅰ序孔共计72段，平均单位注入量589.82kg/m，Ⅱ序孔共计75段，平均单位注入412.87kg/m。

6.2 岩芯分析

现场取出的最长岩芯为0.7m，堰体不同填筑料与膏浆胶结在一起，胶结和结石情况较好，证明在堰体空腔部位膏浆可以保证充填。在堰体与下部沉积体和基岩部位取出部分短柱状膏浆结石，结石情况密实，证明堰体与基岩结合部位充填效果良好。

6.3 压水试验分析

现场共布置20个检查孔，压水试验结果为2～3Lu，满足设计要求。

6.4 无损声波测试

围堰无损声波测试采用声波透射法，目的是检测钻孔声波的波速。现场采用跨孔方法，共检测深度47m，检测波速范围为1.86～4.67km/s，满足要求。检测仪器设备采用数字超声仪，包括双孔换能器、数据自动连续采集。仪器设备及现场联接如图4所示。

图4 基桩超声波检测示意图

6.5 实际运行检验

围堰灌浆结束后，开始挡水，并进行基坑抽水。基坑抽干后，围堰未发现较大漏水通道，整体漏水量为50～60m3/d，完全在可控范围之内，围堰灌浆的设计和施工取得了预期的效果。

7 结 论

东湖电站取水口抛石围堰采用膏状浆液结合水泥浆液灌浆取得了成功，从工程实践看，获得了以下几个方面有益经验。

a.通过检查孔取芯和压水试验的整体结果分析，各项灌浆参数对堰体的大孔隙的封堵效果是明显的。采用两排膏浆和中间排的帷幕灌浆相结合的方式是可以达到预定效果的。

b.灌浆孔深按照现场钻孔情况实际确定，以进入岩石不透水线(5Lu)以下深度1～1.5m为宜。

c.围堰顶面应设置混凝土盖板压重，盖板厚度应不小于0.5m，防止产生围堰顶层8m灌浆由于达不到设计压力影响灌浆质量。

[1] DL/T 5148—2012 水工建筑物水泥灌浆施工技术规范[S].

[2] SL 62—94 水工建筑物水泥灌浆施工技术规范[S].

Discussion on Deepwater Riprap Cofferdam Seepage-proof Curtain Design and Construction

FAN Yuan-dong, GUO Qing-chun

(Liaoning Water Conservancy and Hydropower Survey and Design Institute, Shenyang 110003, China)

Water retaining plan of rock bank and cofferdam is adopted for Donghu Power station water inlet construction. Since the cofferdam is in stone overhead structure with large porosity, conventional cement grouting cannot be conducted for forming seepage proof curtain. Cream slurry grouting and cement slurry grouting are combined for preventing seepage according to cofferdam characteristics of the project. After the quality check after grouting, seepage-proof performance of cofferdam grouting curtain can meet the design requirements, thereby providing reference for other projects.

Donghu Power Station; rock bank cofferdam; cream grouting; cement grouting

TV543

A

1005-4774(2014)12-0006-04