平寨水库大坝趾板段帷幕灌浆施工及灌浆效果分析

2018-01-23何晓岚

黑龙江水利科技 2017年11期

何晓岚

(中国水电建设集团十五工程局有限公司，西安 710000)

0 引言

大坝灌浆施工包括固结灌浆、帷幕灌浆等多种施工形式，施工工艺简单、经济实用性高，被广泛应用于水利水电施工中。混凝土面板堆石坝是一种常见坝型，通过基岩趾板灌浆施工，能够提升坝体防渗性。因此，有必要对混凝土面板堆石坝趾板灌浆施工技术要点进行详细探究迫在眉睫。

1 大坝趾板帷幕灌浆施工概述

混凝土防渗面板有2种，包括趾板和防渗面板。其中，趾板是混凝土面板与基础结构之间的连接构件，如图1所示，趾板不仅可以作为灌浆施工平台，同时还能够作为周边缝依托。

在大坝施工中，帷幕灌浆施工工艺指的是在大坝地基中，通过应用灌浆封堵技术，提升大坝防渗性能，在具体的施工环节，需要将水泥浆与化学浆进行结合，并灌入裂隙中进行修补加固，从而形成连续的防渗帷幕结构。帷幕顶部与大坝底板相连，底部深入大坝岩层中，能够形成完整防渗体。

图1 混凝土防渗面板分缝分块

2 工程概况

黔中水利枢纽工程位于贵州三岔河中游六枝与织金交界的平寨河段，水库正常蓄水位1331m，总库容10.89亿m3，死水位1305m。工程等别为Ⅰ等，属大(1)型工程。混凝土面板堆石坝最大坝高157.5m，坝顶长355.25m，坝顶高程1335.00m，坝顶宽度为10.3m，趾板最低基础开挖高程1177.5m，混凝土趾板为平趾板，趾板宽度6m，趾板厚度T=0.3-0.852m。趾板段全部布设帷幕灌浆。设计为双排帷幕，布置于趾板中部位置，排距1m，孔距3m，梅花形布设，灌浆孔铅垂向下。趾板下部有平洞的，灌浆深度深入平洞底板以下3m；无平洞的灌浆至设计帷幕底线。

贵州地区为典型的喀斯特地貌，工程地处岩溶发育地区，因此作好坝基防渗处理即灌浆施工，是确保平寨水库安全蓄水、防止坝基渗漏和绕坝渗漏的关键。

3 平寨水库大坝趾板段帷幕灌浆施工

趾板防渗帷幕灌浆于2012年3月20日开始，2014年3月10日完成，完成的帷幕灌浆工程量详见表1。

表1 趾板段帷幕灌浆完成情况表

3.1 施工次序

帷幕灌浆按照单元划分，先施工下游b排，再施工上游a排。

施工顺序为：抬动观测孔→先导孔→Ⅰ序孔→Ⅱ序孔→Ⅲ序孔→检查孔。

3.2 施工工艺流程

帷幕灌浆先导孔施工顺序：钻机就位→接触段钻孔→钻孔冲洗→裂隙冲洗→压水试验→第二段钻孔、钻孔冲洗、裂隙冲洗、压水试验→自上而下分段钻孔、钻孔冲洗、裂隙冲洗、压水试验，直至终孔→灌前物探测试→细沙充填至接触段→镶铸孔口管→孔口管待凝→孔口封闭法自上而下分段钻孔、钻孔冲洗、裂隙冲洗、灌浆、直至终孔→封孔。

帷幕灌浆其它灌浆孔施工顺序：钻机就位→接触段钻孔→钻孔冲洗→裂隙冲洗→压水试验→接触段灌浆→镶铸孔口管→孔口管待凝→孔口封闭法自上而下分段钻孔、钻孔冲洗、裂隙冲洗、灌浆、直至终孔→封孔。

帷幕灌浆检查孔施工顺序：钻机就位→接触段钻孔→钻孔冲洗→裂隙冲洗→压水试验→第二段钻孔、钻孔冲洗、裂隙冲洗、压水试验→自上而下分段钻孔、钻孔冲洗、裂隙冲洗、压水试验，直至终孔→自下而上分段灌浆→封孔。

3.3 钻孔

采用回转式地质钻机配金刚石或硬质合金钻头清水循环钻进施工方式。在帷幕灌浆施工中，灌浆孔孔径为76mm，检查孔径为91mm。水平趾板帷幕灌浆钻机直接在混凝土面上进行施工，斜坡趾板帷幕钻孔在搭设移动式台车上施工。在钻孔施工过程中，需要注意采用测斜孔设备对钻孔斜度进行检测，当钻孔深度达到30m以上时，每钻进5m，需测斜1次，30m以下每10m测斜1次，尤其注意控制上部20m范围内的钻孔偏差。经过统计，没有发现孔斜偏差超过规范的孔。

3.4 钻孔冲洗

在帷幕灌浆孔施工段钻孔完成后，需要对钻孔以及裂隙进行冲洗。其中，在裂隙冲洗中，采用压力水脉动冲洗方法，冲洗至回水澄清后10min为止，且总的冲洗时间要求单孔≥30min。冲洗水压力≤灌浆压力的1MPa。

3.5 压水试验

对于帷幕灌浆先导孔，采用五点法进行压水试验，而对于其他灌浆孔，则采用简易压水试验方法。先导孔灌浆压力<1MPa时，五点法压水压力采用0.1、0.2、0.3、0.2、0.1MPa；先导孔灌浆压力≥1MPa时，五点法压水压力采用0.3、0.6、1.0、0.6、0.3MPa；其它灌浆孔压水压力为第1段为0.8MPa，其它各段压力采用1MPa。检查孔压水试验采用五点法压水试验，第1段五点法压水压力采用0.2、0.4、0.6、0.4、0.2MPa；其余各段五点法压水压力采用0.3、0.6、1.0、0.6、0.3MPa。

3.6 灌浆

3.6.1 灌浆材料

根据室内试验，帷幕灌浆采用粉煤灰水泥浆液灌注，水泥采用P.O42.5普通硅酸盐水泥，粉煤灰采用Ⅱ级粉煤灰，掺量按水泥重量的30%控制。减水剂为山西黄河化工有限公司生产的UNF-2A型高效减水剂，掺量为总胶材重量的1.5%。制浆用水为供水系统高位水池净化后的水，其水质符合制浆用水。

3.6.2 灌浆方法

帷幕灌浆采用孔口封闭法灌浆，接触段灌浆采用橡胶塞阻塞、孔内循环式灌浆法。橡胶塞卡在混凝土内(混凝土与岩石结合面以上)，接触段灌完浆后，下入φ89无缝钢管做孔口管，孔口管下入基岩2.0m，外露0.1m，待凝3d后进行第二段施工。

3.6.3 灌浆分段与压力

帷幕灌浆按2m，3m，4m，5m……5m分段，终孔段≤8m，灌浆压力为第1段0.8MPa，第2段1.5MPa，第3段2.0MPa，第4段及以下各段3.5MPa。

3.6.4 灌浆浆液浓度及其变换

帷幕灌浆采用粉煤灰水泥混合浆液灌注，水灰比采用2：1、1：1、0.7：1、0.5：1四个比级，粉煤灰掺量为30%。浆液变换一般由稀到浓逐级变换，变换标准为：在帷幕灌浆施工中，如果灌浆压力保持不变，同时注入率逐渐降低直至保持不变，则不需要对水灰比进行调整；而当某一比级浆液注入量在300L以上，或者帷幕灌浆时间在30min以上时，灌浆压力和注入率并没有发生变化，则应该换一级水灰比浆液进行帷幕灌浆施工。

3.6.5 灌浆结束标准

在设计压力基础上，如果注入率在1L/min以内，即可持续灌浆60min，然后再结束灌浆。另外，在帷幕灌浆施工中，如果在设计压力基础上的总灌浆时间在120min以上，则可以结束灌浆施工。

3.7 封孔方法

帷幕灌浆封孔采用“置换和压力灌浆封孔法”封孔。孔内水泥浆液凝固后，灌浆孔上部空余部分<3m时可使用C25水泥砂浆人工封填捣实至孔口；>3m时，继续采用“机械压浆封孔法”封孔。

3.8 抬动观测

在抬动观测中，观测孔需要深入基岩25m，安装观测设备。在进行钻孔冲洗、压水以及灌浆施工过程中，需要安排技术人员进行观测，每10min测读结果，如果抬动上升速度比较快，则应终止灌浆，查明原因。在本工程施工中，通过抬动观测，未发现抬动值大于变形允许值。

3.9 特殊情况处理

大坝趾板段(含右岸趾板下部灌浆洞)帷幕灌浆施工过程中的特殊情况主要表现在钻孔失水、钻孔掉钻和黄泥夹层3个方面。

钻孔失水(钻孔不返水)段数总计55段，灌注水泥1101.4t，平均单耗4.08t/m，最大单耗为ZBⅢ40B孔第6段，单耗27.2t/m。

钻孔返黄泥水主要集中在ZBⅠ23-ZBⅠ29孔的27m-52m位置，ZBⅡ3-ZBⅡ14孔之间的40m-58m位置。

钻孔掉钻部位总计10处，最大掉钻深度为ZBⅢ38b孔第5段16.5-18.8位置，掉钻2.3m。

施工过程中对发现的特殊情况及时汇报现场监理和设计业主单位，按照有关要求进行处理，主要处理措施为限流、间歇、越级变浆、灌注浓浆及灌注砂浆等方式，具体方法为：

1)脱空<0.5m的溶洞以及没有脱空但钻孔及压水无回水的大耗浆量、灌浆不起压孔段，可直接采用水泥粉煤灰浆液灌注，按以下方法和程序进行处理。

当灌注总量达到2t干料，仍不起压、不回浆时，采用限流(限制吸浆率不超过30L/min)、间歇灌注法(每限流灌注30-50min后，暂停不超过30min后恢复灌注)灌注≥5t，待凝8h。复灌时能起压0.3MPa以上时，采用间歇、限量灌注法时尽量采用较高的灌浆压力，达到结束标准或注入量超过5t待凝；复灌时压力达不到0.3MPa时，直接采用限流、限压、间歇灌注5t后待凝。

2)钻孔时脱空0.5-3m，采用自流式灌注水泥粉煤灰砂浆，灌注水泥粉煤灰灌注量5t，加沙量5t约3.3 m3(加沙量按水泥粉煤灰与沙的干料比1:1进行控制)后仍不起压的待凝后扫孔复灌，直至起压后，改用水泥粉煤灰浆液进行灌注。

3)脱空>3m时，及时汇报设计单位，待孔内录像探明溶洞规模后，再行灌注。

4)对于充填的溶洞，视灌浆注入率大小，尽量采用较高的灌浆压力，直至达到结束标准。

通过以上措施对不良地质孔段处理取得了较好的效果，其质量经过质量检查孔压水，全部达到了设计要求。趾板段帷幕灌浆主要的特殊情况及其处理如表2所示。

表2 趾板段帷幕灌浆特殊情况处理汇总表

4 灌浆效果分析与评价

4.1 透水率对比分析

帷幕灌浆孔进行灌前压水试验2013段次，各次序孔段灌前压水透水率统计情况见表3。

表3 趾板段帷幕灌浆压水透水率分序统计表

依据表中统计数据可以看出：趾板帷幕下游排单位透水率Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ序孔分别为：12.52Lu、6.05Lu、3.93Lu，qⅠ>qⅡ>qⅢ，随孔序递增，单位透水率递减，符合灌浆规律；下游排Ⅰ序孔到Ⅱ序孔透水率衰减51.7%，Ⅱ序孔到Ⅲ序孔透水率衰减35.0%。上游排单位透水率Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ序孔分别为：6.05Lu、4.01Lu、3.49Lu，qⅠ>qⅡ>qⅢ，随孔序递增，单位透水率递减，符合灌浆规律；上游排Ⅰ序孔到Ⅱ序孔透水率衰减33.7%，Ⅱ序孔到Ⅲ序孔透水率衰减13.0%。从透水率区间频率可以看出，透水率<1Lu的占1.8%，1-3Lu的占30.9%，3-5Lu的占36.0%，5-10Lu的占26.3%，10-100Lu的占3.9%，>100Lu的占1.1%。反映出岩体的透水性具有非均质性，说明岩石裂隙属未闭合型或较大裂隙为主，表明岩石具有一定的可灌性。

4.2 单位注入率对比分析

各次序孔段注入水泥量统计情况见表4。

表4 趾板段帷幕灌浆单位注入量分序统计表

依据表中数据可以看出：趾板帷幕灌浆下游排单位注入量Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ序孔分别为：549.6kg/m、309.7kg/m、152.1kg/m， CⅠ>CⅡ>CⅢ，符合随孔序递增单位注入量递减的灌浆规律；下游排Ⅰ序孔到Ⅱ序孔单位注灰量衰减43.6%，Ⅱ序孔到Ⅲ序孔单位注灰量衰减50.9%。上游排单位注入量Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ序孔分别为:361.8kg/m、203.0kg/m、108.6kg/m，CⅠ>CⅡ>CⅢ，符合随孔序递增单位注入量递减的灌浆规律；上游排Ⅰ序孔到Ⅱ序孔单位注灰量衰减43.9%，Ⅱ序孔到Ⅲ序孔单位注灰量衰减46.5%。从单位注入量区间频率可以看出，上下游排Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ序孔单位水泥注入量<50kg/m的分别占18%、22%、28%，说明小吸浆量随序增加比例增大；上下游排Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ序孔单位注入量>100kg/m的分别占75%、66%、48%，说明大吸浆量随序增加比例减小。以上均表明前序孔灌浆较好的充填了岩石裂隙，后序孔灌浆进行了补充加强，灌浆效果比较明显。

4.3 灌浆质量检测及质量评定

各单元帷幕灌浆施工完毕后，由监理工程师结合施工记录及现场实际情况布设帷幕灌浆质量检查孔，通过压水试验对帷幕灌浆效果进行检查。检查孔按≥灌浆孔孔数10%的比例布设，确保每个单元工程内有一个检查孔。检查孔在帷幕灌浆结束14d后进行施工。本工程设计灌后防渗标准为q≤3Lu。趾板帷幕灌浆共布设质量检查孔52个，进行压水试验702段次，全部符合设计标准。

趾板帷幕灌浆共计评定26个单元工程，全部合格，其中优良24个,优良率92.30%。

检查孔压水透水率及单元质量评定情况详见表4。

表5 趾板段帷幕灌浆检查孔压水试验透水率及单元质量评定汇总表

续表5 趾板段帷幕灌浆检查孔压水试验透水率及单元质量评定汇总表

4.4 帷幕灌浆施工效果评价

本标段地质情况比较复杂，特殊情况较多，灌浆的可灌性好，灌浆前后效果明显。从施工资料分析来看：透水率和单位耗灰量的递减情况和分布情况整体上符合灌浆规律；从质量检查结果来看，检查孔的透水率全部符合设计标准的透水率不大于3Lu的要求；从单孔施工工序质量检查评定方面看，单元工程质量评定均为优良。以上结果充分说明帷幕灌浆工艺参数合理，灌浆效果明显，达到了设计要求。