提高高水头下软弱破碎岩体帷幕防渗性能

刘要来 周红波 陈安重中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司向家坝渗控工程QC小组

(中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，湖南长沙 410014)

1 引言

向家坝水电站坝址区地质条件复杂，河床坝基分布有以挠曲核部破碎带为代表的不良地质体，坝基渗控问题是该工程的关键性技术问题之一。大坝初期蓄水后坝基监测资料及渗控检查资料显示，挠曲核部破碎岩体中的防渗帷幕局部未达到预期效果。蓄水后高水头、动水条件下，常规的灌浆工艺对以挠曲核部破碎带为代表的软弱破碎岩体既不适用也难以奏效。为了很好地解决这一关键性技术问题，成立了向家坝渗控工程现场攻关型QC小组。

2 小组简介

结合小组所面对的问题，细致分析面临的困难与挑战，合理确定小组的人员构成。小组成员共有13人，平均年龄40岁，既有经验丰富的老专家，又有年富力强、与时俱进的青年人。成员涵盖工程设计、现场施工、质量管理三大工作部门，专业领域包含水利工程、地质工程、工程管理等。

3 现状调查

3.1 地质背景

坝址区地质条件复杂，坝基自左岸至右岸不同程度分布有以挤压破碎带和挠曲核部破碎带为代表的不良地质体，节理裂隙发育。挠曲核部破碎带主要呈碎块结构和碎屑结构，尤其是其中的碎屑结构物质的颗粒细，具有原位条件下含水率低(4%左右)、密实度高(2.3g/cm3)、可灌性差、强度低、渗透系数小(10－5cm/s)、允许水力坡降低、在高水头条件下难以长期稳定安全运行等特点。详见图1。

图1 破碎带内的碎屑状物质

3.2 工程设计

向家坝坝基采用灌浆帷幕和排水孔幕相结合的渗流控制方案，根据《混凝土重力坝设计规范》(DL 5108—1999)中的有关规定，并参考其他工程建设经验及实际运行情况，通过综合分析确定大坝坝基上游主帷幕设计防渗标准均为灌后基岩透水率q≤1Lu。

3.3 帷幕现状调查

挠曲核部破碎带及其影响带帷幕质量存在缺陷，透水率特别大，检查成果见表1，最大透水率12.83Lu，存在集中渗漏和渗透失稳的风险。

表1 泄水坝段帷幕检查孔压水试验成果

3.4 结论

通过对工程地质条件分析、工程设计标准研究和帷幕现状调查，表明向家坝坝基渗控工程存在的主要问题是坝基帷幕防渗性能达不到工程设计要求的标准，具体为:

a.河床挠曲核部破碎带部位局部帷幕防渗性能不满足工程设计要求，存在集中渗漏及渗透失稳的风险。

b.大坝蓄水后，高水头、动水条件下，软弱破碎岩体灌浆没有工程实践经验，常规灌浆工艺、方法难以奏效，需要研究新工艺、新方法。

4 目标设定

课题目标:通过对灌浆方法的改进与优化，形成一套高水头下针对软弱破碎岩体灌浆的新方法;通过帷幕补强灌浆，提高坝基软弱破碎岩体中帷幕的防渗性能，消除坝基集中渗漏和渗透失稳的隐患。

具体目标:灌浆完成后，挠曲破碎带岩体帷幕主要性能指标应达到如下目标值:ⓐ灌后基岩透水率不大于0.5Lu;ⓑ灌后基岩渗透坡降不小于100。

5 原因分析

小组成员采用头脑风暴法对坝基挠曲破碎带岩体帷幕防渗性能达不到设计要求的原因进行分析。见图2。

图2 因果分析

6 要因确认

小组成员对19条末端因素逐项进行分析，要因确认见表2。

表2 要因确认

经过对所有末端因素的逐条确认，确定影响软弱破碎岩体帷幕防渗性能的四大要因是:

a.灌浆段过长，针对性不强。

b.岩体破碎，成孔差。

c.高水头，孔内承压涌水返浆。

d.岩体致密，可灌性差。

7 制定对策

QC小组针对上述要因进行了认真的讨论分析，分别制定了相应的对策，详见表3。

表3 制定对策

8 对策实施

8.1 固孔止水钻灌

采用一种“自上而下，钻灌一体，间隔屏灌，高压冲挤”钻灌新工艺。即把钻孔、灌浆、护壁合为一体，钻灌时采用灌浆液作为冲洗液，钻头上部连接螺旋封阻高压冲挤灌浆头，钻灌过程中在螺旋封阻高压冲挤灌浆头与单缸脉冲灌浆泵组合作用下，进行随钻随灌、护灌结合、钻灌一体。见图3。

图3 “固孔止水”钻灌工法示意图

8.2 高压冲挤灌浆

“高压冲挤灌浆”采用“自下而上，双塞分段，高压冲挤”灌浆工艺。即在固孔止水完成后，扫孔至孔底，下入水压双栓塞自下而上依次进行脉冲超高压(大于6MPa)劈楔式挤密与压渗灌注。见图4。

图4 “高压冲挤灌浆”工法示意图

“高压冲挤灌浆”采用小段长(0.5m)、小脉冲量(0.2L/冲次)、小注入率(3L/min)三个小参数，实施控制性无抬动灌注。在螺旋封阻高压冲挤灌浆头单向接头控制下，“高压冲挤灌浆”为“高压冲挤、中压稳压”灌注。灌浆压力动稳兼顾、高低结合，灌浆更充分有效。

9 效果检查

9.1 固孔止水钻孔

固孔止水后钻孔孔壁稳定性得到明显改善。灌前抬动观测孔(先导取样孔)钻孔时，塌孔、卡钻、裹钻、埋钻现象时有发生，压水试验封闭困难。灌浆后从抬动观测孔(先导孔)情况看，灌前涌水量12L/min，涌水压力0.65MPa，孔底沉渣较厚(约1m);经固孔止水和复灌升压阶段后，孔内涌水流量0.5～1.5L/min，平均1.1L/min，涌水压力0.45～0.55MPa，孔壁光滑稳定，压水试验封闭可靠，孔底基本无沉渣，可以确保高压冲挤阶段不卡塞不绕塞，并达到较高灌浆压力。详见表4。

表4 固孔止水后各试验孔简易试验观测情况分析

9.2 高压冲挤灌浆

9.2.1 钻孔取芯

通过高压冲挤灌浆后，从检查孔取出的芯样可见，芯样层面、裂隙、块间孔隙明显见水泥结石，其中挠曲核部破碎带碎屑结构体基本改性为高压冲挤灌浆复合结构体，取出的芯样基本成型，密实性与完整性较灌浆前显著提高。见图5。

图5 破碎带补强灌浆前后芯样对比

9.2.2 钻孔压水试验检查

试验成果见表5。

表5 检查孔压水试验成果

9.2.3 水力坡降试验分析

按照J1与J2两个试验孔1.5m间隔、J2有效试验压力1.5MPa(压力水头150m)理论计算分析，本次试验挠曲核部破碎带原位高压冲挤灌浆形成的复合结构体水力坡降i大于100。

9.2.4 工艺分析

表6 “固孔止水、高压冲挤灌浆”组合新工法同常规工法比较

经方案比较，比常规的化学灌浆方案节省投资5300万元，缩短建设工期约6个月，并且很好地解决了高水头下软弱破碎岩体帷幕灌浆问题，这对于装机6400MW、多年平均发电量307.47亿kW·h的向家坝水电站而言，产生的经济效益是巨大的。

10 成果总结与巩固

a.“固孔止水+高压冲挤”很好地解决了向家坝高水头下软弱破碎岩体帷幕灌浆的问题，实施后确保大坝坝基渗透稳定及安全运行。

b.编写向家坝挠曲破碎带及其影响带帷幕灌浆技术要求，作为向家坝工程坝基帷幕补强施工图设计的依据。

c.整理研究报告及附属报告等资料及其电子文件，归口到向家坝项目经理部管理，并于公司信息管理中心归档，为其他工程提供经验。

d.根据陆佑楣院士、郑守仁院士、张超然院士、马洪琪院士、谭靖夷院士等金沙江质量检查专家组评审意见，“高压脉动挤压灌浆技术对泄水坝段挠曲核部破碎带上下分支及其影响带的处理具有较好的效果，经进一步总结完善后，可作为主要处理手段推广应用”，对工艺进行进一步完善、推广。

11 结语

通过小组一系列的活动，成功解决了常规工艺无法满足高水头下软弱破碎岩体帷幕防渗性能设计要求的技术难题，节省了工程投资、缩短了建设工期，经济效益十分显著;成果受到金沙江质量专家组的一致好评，社会效益十分显著。本小组已被评为“国家工程建设(勘察设计)优秀QC小组”。

QC小组成员在本次活动中，都普遍提高了质量意识和质量管理水平，对QC科学的活动程序和方法有了更深刻的认识，在以后的活动中应逐步提高小组成员分析问题、解决问题的能力，为企业创造更大的经济效益。

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