锦屏二级水电站引水隧洞高压固结灌浆试验

漆巨彬

(中国水利水电第七工程局成都水电建设工程有限公司，成都，611130)



锦屏二级水电站引水隧洞高压固结灌浆试验

漆巨彬

(中国水利水电第七工程局成都水电建设工程有限公司，成都，611130)

锦屏二级水电站东端1#、2#引水隧洞工程，因边界条件及各种原因影响，导致C4标关键线路实际施工进度大幅滞后主合同约定进度计划。其中1#引水隧洞TBM掘进滞后12个月，2#引水隧洞混凝土衬砌滞后21个月，导致灌浆滞后约21个月。为缓解后期工程强度与工期压力，引水隧洞工程进行了无盖重高压固结灌浆试验，取得了满意的成果。

锦屏二级水电站 无盖重 高压固结灌浆试验

1 工程概况

锦屏二级水电站位于四川省凉山彝族自治州境内的雅砻江锦屏大河弯处雅砻江干流上，系利用雅砻江锦屏150km长U形大河弯的天然落差，截弯取直凿洞引水发电。工程枢纽主要由首部低闸、引水系统、尾部地下厂房三大部分组成，采用“4洞8机”布置，引水隧洞共四条，电站装机容量为4800MW，单机容量600MW。该电站是雅砻江上水头最高、装机规模最大的水电站，为埋深大隧洞长的特大型地下水电工程。引水隧洞洞线平均长度约16.67km，上覆岩体一般埋深1500m～2000m，最大埋深约为2525m，具有埋深大、洞线长、洞径大的特点，其设计、施工技术水平均处于世界前列。

本工程引水隧洞高压固结灌浆，目的是通过灌浆在周边形成一定深度的灌浆加固圈，使其成为隧洞承载和防渗阻水的主要结构。

东端1#、2#引水隧洞在技施阶段，合同条件发生了巨大变化，虽然灌浆工程量大幅减少，但其开挖支护、衬砌、灌浆、混凝土消缺等多工序呈多点、密集、交叉、高强作业，施工难度和施工强度世所罕见，需对施工方案、设备等及时进行优化，以提高功效。

2 无盖重防渗固结灌浆试验设计

根据设计文件及设计图纸要求，固结灌浆试验分为两个单元，每个单元均为30m洞段长度，其中引(1)13+750m～780m布孔形式每断面16个灌浆孔，排距3m，共布置10排；引(1)13+780m～13+810m布孔形式每断面20个灌浆孔，排距3m，共布置11排。0～4m段不进行灌浆，4m～8m、8m～12m灌浆压力均采用6MPa，其断面形式如图1所示。

图1 试验区孔位布置断面示意

3 施工工艺设计

3.1 灌浆工艺

3.1.1 灌浆顺序。引(1)13+780m～13+810m的固结灌浆孔，先施工各排的Ⅰ序孔，待各排Ⅰ序孔施工完成后，再进行各排Ⅱ序施工；引(1)13+750m～13+780m的固结灌浆孔按环间分序，环内加密原则进行施工，即环间分Ⅰ、Ⅱ序，环内逐步加密，先灌奇数孔，后灌偶数孔。

3.1.2 灌浆方法。主要采用自浅而深分段卡塞灌浆法。引(1)13+750m～13+780m采用循环式灌浆，引(1)13+780m～13+810m采用纯压式灌浆。为验证循环式与纯压式灌浆在同一区域的灌浆效果，引(1)13+780m～13+810m试验段在施工部分孔后，全部改为孔内循环式灌浆工艺。

3.2 钻孔

3.2.1 钻孔施工顺序。先施工抬动孔和灌前声波孔，再施工固结灌浆孔，最后施工检查孔和灌后声波孔。施工前由监理工程师根据现场实际情况，定出抬动孔位置和灌前声波孔位置。抬动观测装置安装和灌前声波测试在灌浆施工前进行。引(1)13+750m～13+780m的固结灌浆孔按环间分序，环内加密原则进行施工，即环间分I、II序，环内逐步加密，先施工奇数孔，后施工偶数孔；引(1)13+780m～13+810m的固结灌浆孔按先施工各排的Ⅰ序孔，待各排Ⅰ序孔施工完成后，再进行各排Ⅱ序施工。引(1)13+750m～13+780m洞段按先施工底板，再施工边顶拱的顺序施灌；引(1)13+780m～13+810m洞段按先施工边顶拱，再施工底板的顺序施灌。

3.2.2 孔口管镶铸。由于底板有积水及淤泥，厚度约1m左右，为确保底板覆盖层段成孔及防止灌浆过程中有污水进入孔内，在底板孔钻进时先进行孔口管镶铸，孔口管孔径为φ91mm，长度1m～2m不等。

3.3 钻孔冲洗及压水试验

3.3.1 钻孔冲洗。灌浆孔钻孔结束后，利用钻杆作为导管，通入大量的压力水进行孔壁冲洗，至孔口回水澄清即可。

3.3.2 单点法压水试验。灌前压水试验孔布设在Ⅰ序孔，试验孔数为所有的Ⅰ序孔，布孔位置应能较全面反映地质情况，并尽量沿洞周、洞段长度均匀布置。采用单点法压水，压水试验压力为灌浆压力的80%，并不大于1.0MPa；压入流量稳定标准，在稳定压力下每隔5min测读一次压入流量，连续4次读数中最大值与最小值之差小于最终值的10%，或最大值与最小值之差小于1L/min时，即可结束压水，以最终值作为计算值。

3.3.3 简易压水。除需进行单点法压水试验的孔外，其余孔均结合裂隙冲洗进行简易压水，压力为灌浆压力的80%，并不大于1.0MPa；压水时间20min，每5min测读一次压入流量，取最后的流量作为计算流量，其成果以透水率q表示，单位为吕荣Lu。

3.4 灌浆材料

灌浆使用的水泥品种为“乃托”牌水泥，水泥强度等级为P.O42.5MPa；水泥细度通过80μm方孔筛的筛余量不大于5%。灌浆用水泥按批号进行物理和力学性能试验，主要测定水泥强度、细度、初凝和终凝时间以及水泥体积的安定性等。灌浆使用纯水泥浆，灌浆用水泥均符合规定的质量标准，检验合格，方投入使用。

3.5 灌浆

试验孔灌浆方法采用自浅而深卡塞循环式灌浆法，配备三参数灌浆自动记录仪进行记录，最大灌浆压力为6MPa。

本次防渗固结灌浆生产性试验水灰比主要采用1∶1、0.8∶1、0.5∶1三个比级，开灌水灰比根据现场实际压水情况，灵活采用3∶1或2∶1。

3.5.1 砂浆灌注

当灌浆孔出现下列情况之一：①钻孔过程中发现掉钻或孔口不返水现象；②孔段压水试验透水率大于100Lu。且经探明，溶蚀发育，溶蚀宽度大于10cm，可直接采用水泥砂浆灌注。砂浆采用纯压铁打塞卡在孔口灌注，最大灌浆压力为1.0MPa(一因砂浆灌注的目的是回填空腔或溶蚀宽缝，1.0MPa的压力足以充填密实；二因灌注砂浆为纯压式灌注，且砂浆泵为螺杆泵，在灌注砂浆的过程中不能自动卸压，安全隐患较大)。

3.5.2 大耗浆孔段统计

采用低压、浓浆、限流、限量、间歇的处理措施，灌浆压力与注入率必须相适应，短时间内压力升幅不得过大，灌浆压力与注入率控制如表1。

表1 大耗浆孔段灌浆压力与注入率对应参数

当流量大于30L/min，压力低于1.2MPa，灌注时间已大于30min，且灌注压力和注入率均无改变或改变不显著，采取每灌注30min间歇10min，每灌注5t干灰待凝8h后扫孔复灌。

在采取上述处理措施孔段累计耗灰量达到15t后效果仍不明显时，则灌注稳定浆液(即在水泥浆中掺入一定比例的膨润土，具体掺量根据试验确定)或速凝浆液(即在最稠水灰比的水泥浆液中掺加速凝剂，如氯化钙等促使尽快凝结)等。

当流量小于30L/min，压力大于1.2MPa后，不采取间歇和待凝措施，按上述灌浆压力与注入率对应参数进行分级升压灌注，达到设计灌浆压力后屏浆结束。

4 灌浆成果分析

4.1 灌浆工程量

试验共历时44d，钻孔4560m，灌浆760段，总灌注水泥686288.9kg，平均钻孔功效103.6m/d，灌浆17.3段/d，总平单耗225.8kg/m(不包括声波孔、检查孔、砂浆、封孔水泥)。完成情况见表2。

表2 13+750m～13+810m试验段完成情况统计

4.2 13+750m～13+780m灌浆资料分析

本单元共完成160个基本灌浆孔，5个灌后声波测试孔灌浆，16个灌后检查孔压水及灌浆；共计完成钻孔2204m，基本孔灌浆370段，灌注水泥316.5t。单元完成情况见表3，各次序孔单位注入量频率分布见表4。

表3 13+750m～13+780m试验单元完成情况统计

单元孔序孔数灌浆米数(m)注灰量(kg)单位注灰量(kg/m)平均透水率(Lu)13+750m～13+780mⅠ序孔40320148242.1463.313.24Ⅰ序孔加密孔40320101203.5316.310.19Ⅱ序孔4032045013.1140.73.57Ⅱ序孔加密孔4032012817.240.11.86检查孔及灌后声波孔21152157.71.040.11

表4 13+750m～13+780m试验单元各次序孔单位注入量频率分布区间统计

从对本试验单元的单位注入量频率区间统计成果来看，Ⅰ序孔中注入量频率最大的是300kg/m～500kg/m的段次，占比46.9%；其次是100kg/m～300kg/m的段次，占比31.2%；而大于1000kg/m以上的段次仅占3.7%。由此可以反映出，T2y6洞段岩层大理岩主要以网状的中、小裂隙发育为主，少有溶蚀发育现象，而溶蚀及断层又是浆液的主要消耗地方，也是水流渗透的主要通道，因此必须将溶洞及断层等薄弱部位处理好。

从单位注入量的统计情况看，随着灌浆分序的增加，各次序的单位注入量值分布上遵循递减规律。灌浆孔中单位注入量≥300kg/m的频率，Ⅰ序孔占63.7%，Ⅱ序孔占6.3%，说明随着灌浆次序的增进，地层逐渐被灌注密实，地层的渗透性得到明显的改变。

从单位注入量均值的对比情况看，随着灌序的增进，各次序孔的单位注入量呈明显递减规律。Ⅰ序孔的单位注入量为390kg/m，Ⅱ序孔的单位注入量为90.4kg/m，Ⅱ序孔比Ⅰ序孔递减76.8%。

4.3 13+780m～13+810m灌浆资料分析

本单元共完成220个基本灌浆孔，5个灌前声波测试孔，5个灌后声波孔测试灌浆，3个抬动孔的钻孔与安装，22个灌后检查孔压水及灌浆、16个浅层封闭灌浆孔。共计完成钻孔3002m，灌浆504段，灌注水泥417.3kg。单元完成情况统计见表5，各次序孔单位注入量频率分布见表6。

表5 引(1)13+780m～13+810m试验单元完成情况统计

表6 引(1)13+780m～13+810m试验单元各次序孔单位注入量频率分布区间统计

从各区间的单位注入量频率分布区间统计情况来看，在注入量为0～100kg/m的分布区间上，Ⅰ序孔为22.2%，Ⅱ序孔为73.2%，提高率为229.7%；在注入量大于300kg/m的分布区间上，Ⅰ序孔为48.2%，Ⅱ序孔为1.4%，递减率为97.1%，说明随着灌浆次序的增进，地层逐渐被灌注密实，地层的渗透性得到显著的改变。

从单位注入量均值的对比情况看，随着灌序的增进，各次序孔的单位注入量呈明显递减规律。Ⅰ序孔的单位注入量为348.7kg/m，Ⅱ序孔的单位注入量为82.0kg/m，Ⅱ序孔比Ⅰ序孔递减76.5%。

5 灌浆效果检查

5.1 灌前压水检查

13+750m～13+780m单元Ⅰ序孔大于5Lu的孔段占Ⅰ序孔总数的84.4%，Ⅱ序孔透水率大于5Lu的占Ⅱ序孔总数的13.1%。由于Ⅰ序孔的透水率基本反应了原始地层的透水率情况，而Ⅱ序孔透水率是在Ⅰ序孔已灌注完毕的情况下进行的透水率测试，反应出的透水率是地层被改善后的透水率。

13+780m～13+810m单元Ⅰ序孔在5Lu～10Lu的孔段占Ⅰ序孔总数的42.0%，其次为10Lu～100Lu的孔段占Ⅰ序孔总数的32%；Ⅱ序孔透水率在1Lu～5Lu的占Ⅱ序孔总数的74.5%。由此可以看出，环间分序的施工顺序，随着Ⅰ序孔的灌注，地层逐步被浆液充填密实，异环间的Ⅰ序孔也逐步向异环间的Ⅱ序孔渗透，故地层改善效果明显，Ⅱ序孔的整体透水性较Ⅰ序孔下降，从表7、表8和以上分析可以看出：(1)试区频率较高的透水率Ⅰ序孔均集中在5Lu～10Lu区间，Ⅱ序孔集中在1Lu～5Lu区间；(2)从频率集中的区间来看，随着孔序的增加灌前透水率有逐渐降低，即低透水率区间频率增加，大透水率区间频率减小；(3)随着排序的增加灌前透水率有逐渐降低的趋势。

表7 13+750m～13+780m试验单元各序孔透水率区间段数和频率

表8 引(1)13+780m～13+810m试验单元各序孔透水率区间段数和频率

5.2 灌后检查孔压水检查

检查孔压水试验压力为灌浆压力的70%，在压水试验压力下，85%以上试段的透水率不大于3.0Lu，其余试段的透水率值不超过4.5Lu，且分布不集中时为合格。本试区灌后检查孔压水透水率频率值见表9。

表9 引(1)13+750m～13+810m试验检查孔压水透水率频率

从检查孔压水情况来看,13+750m～13+780m试验单元共布置16个灌后压水检查孔，5个灌后声波测试孔，压水检查孔全部满足设计要求，合格率100%；13+780m～13+810m试验单元共布置22个灌后压水检查孔，5个灌后声波测试孔，压水检查孔除JC-21#检查孔002段压水第一次不合格外(补灌后为3.75Lu)，其余段全部合格，合格率97.7%。

5.3 部分检查孔取芯情况

灌后对两个试验单元的部分检查孔进行了钻探取芯，共对15个检查孔进行了取芯。其中，引(1)13+750m～13+780m单元有6个检查孔进行了取芯素描，引(1)13+780m～13+810m单元有9个检查孔进行了取芯素描，总体灌后检查孔采取率为89.5%，获得率83.6%，RQD值67.1%。

5.4 物探测试检查

灌浆前和灌浆后均进行了声波测试并进行对比，13+750m～13+780m洞段无盖重防渗固结灌浆声波检测资料分析，所有检测孔灌浆检测质量均合格，灌浆后5个检测孔4.0m～12.0m段纵波波速均大于4500m/s，灌后VP平均值略高于灌前，平均增长率为3.7%。

13+780m～13+810m洞段无盖重防渗固结灌浆声波检测资料分析，所有检测孔灌浆检测质量均合格，灌浆后5个检测孔4.0m～12.0m段纵波波速均大于4500m/s；灌后VP平均值略高于灌前，平均增长率为2.0%。

6 结语

6.1 采用如试验中所用的施工工艺、灌浆参数及钻灌设备，可以将固结灌浆防渗能力提高到透水率满足设计技术标准。防渗固结能力是稳定的，主要技术参数是合适的；

6.2 适当加大开灌水灰比，以稀浆来灌注岩层细微裂隙，进一步保障受灌岩体达到设计防渗标准，在本次防渗固结灌浆试验中得到了很好的验证。灌浆前后透水率改善明显，后期大规模施工均采用2∶1开灌，个别孔段调整至3∶1；

6.3 根据试验工程实践，若采用自上而下分段灌浆，在设计规定的稳定灌浆压力(6MPa)下，当注入率不大于1L/min，继续灌注30min，可结束灌浆。若采用自下而上分段灌浆，在设计规定的稳定灌浆压力下，当注入率不大于1L/min时，灌浆孔深部段继续灌注10min，可结束灌浆。孔口段，吸浆量不大于1L/min，继续灌注30min，可结束灌浆，结束标准能够满足技术要求；

6.4 本次试验灌浆施工顺序采用了两种方案：(1)按环间分序、环内加密的顺序施工；(2)按环内分两序、环间不分序的顺序施工。从施工效率来看，环内分两序的施工顺序节约了钻机搬迁时间，提高了钻孔效率。从试验结果来看，两种方案的灌后质量均能达到合格标准。鉴于此，在大规模的灌浆施工中，采用环内分两序、环间不分序的方案进行施工，可极大缓解后期施工强度与工期压力，为锦屏二级水电站首台机组发电奠定了坚实基础。

〔1〕熊 进，祝 红，董建军等.长江三峡工程灌浆技术研究.北京：中国水利水电出版社，2003.

〔2〕孙 钊.大坝基础灌浆.北京：中国水利水电出版社，2004.

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2095-1809(2015)05-0001-05

漆巨彬(1970-)，男，重庆市江津区人，高级工程师，主要从事水利水电地基与基础工程施工技术管理工作。