杨房沟水电站河床坝段坝基固结灌浆施工技术
2019-09-05
(中国水利水电第七工程局有限公司,成都,610213)
1 工程概况
1.1 工程简介
杨房沟水电站位于四川省木里县境内的雅砻江中游河段上(部分工程位于九龙县境内),电站总装机容量1500MW。其挡水建筑物为混凝土双曲拱坝,最大坝高155m,坝顶高程2102m,拱冠梁顶厚9m,底厚32m。拱坝共分17个坝段,其中7#~11#坝段为孔口泄洪坝段。
1.2 地质条件
拱坝建基面岩体均为燕山期花岗闪长岩,深灰~浅灰色,花岗结构为主,块状构造,该侵入岩呈NNE向穿过坝址,宽660m~760m。河床坝段主要为Ⅱ类岩体,10#坝段局部上游侧为Ⅲ1岩体,发育断层主要有f596、f1501、f1503、f1504。8#坝段左岸坝基高程1947m~1990m上游侧发育断层f27,产状N50°~85°WSW∠55°~65°,宽10cm~15cm,最大达20cm,带内为碎块岩、蚀变岩、岩屑充填,面平直光滑,沿断层面两侧分布蚀变岩体,上盘蚀变岩体厚度0.2m~1.5m,下盘蚀变岩体厚度0.6m~2.6m。蚀变岩体单轴饱和抗压强度20MPa~40MPa,属Ⅳ类岩体。
2 河床坝段坝基固结灌浆布孔形式
河床坝段坝基固结灌浆主要采用无盖重固结灌浆。总体分为A、C两个灌浆区,A区位于坝段范围内,C区对应上游坝踵及下游坝趾扩大灌浆区域。A区灌浆孔间排距3m×3m,孔深15m,分两序施工,C区灌浆孔排距3m(孔距根据现场实际情况确定),孔深15m,分两序施工。两序灌浆完成后,对浅表层0~3m段进行补强加密灌浆,加密孔作为Ⅲ序孔,位于原Ⅰ、Ⅱ序孔之间。坝基f27断层及蚀变岩体先进行槽挖回填混凝土置换,再在该部位采用混凝土盖重灌浆+系统引管灌浆;Ⅰ、Ⅱ序布孔与上述一致,Ⅲ序孔加深为20m,混凝土盖重引管灌浆孔间排距为1.5m×3m(顺河向×横河向),孔深入岩4m,引管灌浆采用循环式。
3 施工方法与工艺
3.1 主要原材料及施工设备
(1)灌浆材料采用强度等级为42.5的普通硅酸盐水泥,且所用水泥的细度通过80μm方孔筛的筛余量不大于5%。Ⅰ、Ⅱ序孔采用普通纯水泥浆液灌浆,Ⅲ序孔采用湿磨细水泥浆液灌浆。湿磨细水泥浆液采用水灰比为0.5∶1的普通纯水泥浆液经GSW-Ⅰ型湿磨机湿磨三次,达设计细度要求后再调稀至设计浓度,经普通搅拌机搅拌均匀后,用于灌浆作业。
(2)灌浆孔采用D7、D9型履带式液压钻机、JH-100潜孔钻机钻孔,取芯孔采用XY-2型地质钻机钻孔。
(3)灌浆设备采用3SNS高压灌浆泵,灌浆记录仪采用北京中大华瑞JT-Ⅳ型记录仪,三参数大循环测记灌浆压力、流量、浆液密度。
3.2 主要施工方案及工艺流程
采用无盖重固结灌浆时,优先施工上下游边界部位,以形成相对封闭圈,再施工中间部位。采用分段分序的灌浆方法,首先分两序完成第一段浅表层灌浆,以形成封闭盖重,改善浅表岩体的承压条件,再按自上而下的灌浆方法进行Ⅰ序孔第二段及以下部分施工。Ⅰ序孔灌浆完成后,进行Ⅱ序孔第二段灌浆,然后再按自下而上的灌浆方法进行Ⅱ序孔剩余孔段灌浆,最后采用湿磨细水泥对浅表层0~3m段进行补强加密灌浆。f27断层及蚀变体刻槽部位,回填混凝土前,固结灌浆孔位预埋钢管,回填混凝土达到设计强度的50%后,再进行混凝土盖重固结灌浆;系统固结灌浆及加密灌浆结束后,进行引管固结灌浆钻孔与管路安装;待上部大坝混凝土浇筑高度达到30m后,且相应坝段的横缝接缝灌浆结束3d后,最后进行混凝土盖重引管灌浆。
主要施工工艺流程:施工准备→孔位放样→抬动观测孔→灌前测试孔→Ⅰ序孔第一段→Ⅱ序第一段→Ⅰ序孔第二段及以下段(自上而下)→Ⅱ序孔第二段→Ⅱ序孔剩余孔段(自下而上)→Ⅲ序孔施工(补强加密灌浆)→质量检查。
3.3 抬动孔施工
抬动孔采用XY-2地质钻机配φ91钻头进行造孔,每个坝段均独立布置,孔径φ91mm,孔深17m,孔向垂直于基岩面。抬动孔底部用水泥浆回填1m,然后下入内管。内管直径φ25mm,外管直径φ50mm,外管露出基岩面0.1m,内管露出基岩面0.3m。抬动观测装置在灌浆施工前安装完毕,在裂隙冲洗、压水试验及灌浆过程中均对被灌岩体的抬动情况进行监测。
抬动变形采用千分表实时观测,每隔10min测记一次千分表读数。施工过程中安排专人严密监视抬动装置千分表的变化情况,在基岩抬动值<100μm,灌浆压力的升压过程参考表1进行控制。100μm≤基岩抬动值<200μm时,灌浆升压过程严格控制注入率小于10L/min,如果抬动值不再上升,逐级升压,否则停止升压;基岩抬动值≥200μm时,停止灌浆,待凝8h后扫孔复灌。每个抬动变形监测点采用φ8mm~φ12mm的钢筋焊接保护架,将保护架罩在抬动变形仪器上方,防止碰撞、破坏。
表1 灌浆压力与注入率的参考关系
注:P——为各序孔段要求达到的最终设计压力。
3.4 灌前测试孔施工
每个坝段均独立布置若干个灌前测试孔(可利用Ⅰ序孔),并进行压水试验、声波、孔内电视及变模检测。灌前测试孔采用XY-2地质钻机配金刚石钻头进行钻孔,孔径为φ76mm。
3.5 灌浆孔钻孔施工
(1)灌浆孔采用D7、D9型液压履带钻机或JH-100潜孔钻机钻孔,孔径为φ76mm,当采用自上而下分段卡塞灌浆法灌浆时,按灌浆分段进行钻孔、裂隙冲洗、压水及灌浆;当采用自下而上分段卡塞灌浆法灌浆时,钻孔一次性钻至孔底,再自下而上分段卡塞灌浆。
(2)引管固结灌浆钻孔与管路安装。f27断层及蚀变体刻槽部位,回填混凝土前,引管孔位预埋钢管。在系统固结灌浆及加密灌浆结束后,在预埋管内的裸岩面进行一次钻孔到底,垂直于岩面,孔径为φ76mm,孔深4m。引管灌浆采用全孔一次灌浆,埋管前扫孔、清洗干净。验收孔深后,进行管路安装,引管至坝后贴角部位,引管采用钢管,尽量平顺,三孔一引,作好标示;灌浆时,其相应坝段可通水平压,以防浆液串入坝体横缝中。
3.6 钻孔冲洗与压水试验
(1)钻孔冲洗
灌浆孔或灌浆段在钻进完成后,使用大水流冲洗钻孔,排除孔内的岩粉、渣屑,孔底沉积厚度不大于20cm。
(2)裂隙冲洗
灌浆孔或灌浆段在灌浆前采用压力水进行裂隙冲洗。冲洗水压为该段灌浆压力的80%,并且不大于1MPa,冲洗时间至回水清净为止,或不大于20min。
(3)简易压水试验
在各序孔中选取不少于5%的灌浆孔进行简易压水试验,简易压水结合裂隙冲洗进行。
(4)单点法压水
灌前测试孔和灌后检查孔均采用“单点法”压水试验,压水压力为该段灌浆压力的80%,并不大于1MPa。“单点法”压水试验每5min测读一次压水压力和流量,在稳定压力下连续4次读数,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,压水试验即可结束,以最终压力值和相应流量根据公式(1)计算透水率。
(5)透水率计算
将压水流量、压力及段长代入公式(1)求出该段压水透水率。
q=Q/(L×P)
(1)
式中:q——透水率,Lu;
Q——压水流量,L/min;
L——试段长度,m;
P——作用于试段的全压力,MPa。
3.7 灌浆施工
3.7.1 灌浆压力与段长控制
固结灌浆压力及段长控制见表2、表3。
表2 无盖重固结灌浆压力及段长
表3 混凝土盖重引管灌浆压力及段长
3.7.2 浆液级配
浆液及配合比见表4。
表4 施工用浆液配合比
3.7.3 浆液变换
(1)灌浆施工按既定的水灰比进行施灌,灌浆浆液应由稀到浓逐级变换。当灌浆压力保持不变,注入率持续减小时,或当注入率保持不变而灌浆压力持续升高时,不得改变水灰比。
(2)当某级浆液注入量已经达到300L以上,或灌浆时间已达30min,而灌浆压力和注入率均无改变或改变不显著时,应改浓一级水灰比浆液灌注。
(3)当注入率大于30L/min时,可根据具体情况越级变浓。
(4)灌浆过程中,灌浆压力或注入率突然改变较大时,立即查明原因,并及时汇报,采用处理措施。
(5)当灌浆段在最大灌浆压力下,注入率不大于1L/min后,继续灌注30min,即可结束灌浆。
3.7.4 封孔
全孔灌浆封孔法。采用自上而下分段卡塞灌浆法,全部孔段灌浆结束后,先采用0.5∶1的浆液置换孔内稀浆或积水,然后将灌浆塞卡在孔口进行纯压式封孔。封孔压力使用最大灌浆压力,采用0.5∶1水泥浆液,封孔持续时间不小于60min。
采用自下而上分段灌浆法施工,封孔时,直接在孔口段进行封闭灌浆。
封孔完毕后,灌浆孔上部的空腔采用人工回填干硬砂浆封实。
3.8 灌浆过程中的特殊情况处理
(1)灌浆过程中发现冒浆、漏浆时,根据具体情况采用嵌缝、表面封堵、低压、浓浆、限流、限量、间歇、待凝等方法进行处理。
(2)灌浆过程中发生串浆时按以下方式进行处理:
①当串浆孔为正在钻进的孔时,立即停止钻进,在串浆孔内漏浆处以上的部位安设灌浆塞,堵塞严密,在灌浆孔中依照施工技术要求正常进行灌浆。待灌浆结束后,串浆孔恢复正常钻进;
②当串浆孔为待灌的灌浆孔时,若串浆孔与灌浆孔具备同时灌浆条件则一泵一孔同时进行灌浆;若不具备此条件则在串浆孔内漏浆处以上的部位安设灌浆塞,堵塞严密,在灌浆孔中依照施工技术要求正常进行灌浆。待灌浆结束后,再对串浆孔进行扫孔、冲洗,而后继续灌浆;
(3)灌浆必须连续进行,若因故中断,按下述原则处理:
①设备故障:当灌浆泵出现故障时,若检修简单,则迅速修理以便恢复灌浆,或立即换用备用设备进行灌浆;
②当输浆管路发生爆管或脱节时,迅速换管,及时恢复灌浆;
③当发生地表冒浆时,及时进行表面封堵以恢复灌浆;
④因故中断,若中断时间较短,中断后在极短的时间内能够恢复灌浆,中断前灌注稀浆,且注入率较大,则不再进行净孔冲洗,排除故障后再复灌;
⑤因故中断,若中断时间较长时,中断后在短时间内难以恢复灌浆时,立即冲洗钻孔,待具备灌浆条件后再恢复灌浆。若无法冲洗或冲洗无效,则应进行扫孔,再恢复灌浆。恢复灌浆时,应使用开灌比级的水泥浆进行灌注,如注入率与中断前相近,即可采用中断前水泥浆的比级继续灌注;如注入率较中断前减少较多,应逐级加浓浆液继续灌注;如注入率较中断前减少很多,且在短期内停止吸浆,应采取补救措施。
(4)当灌浆段注入量大而难以结束时,采用下列措施进行处理:
①低压;②浓浆;③限流;④限量;⑤间歇;⑥待凝。
(5)灌浆孔段遇特殊情况,无论采用何种措施处理,其复灌前应进行扫孔,复灌后应达到结束标准。
4 质量检测标准
(1)固结灌浆质量检查以声波测试岩体波速为主,钻孔压水试验和钻孔全景图像为辅,并结合灌浆前后物探成果、有关灌浆施工资料以及钻孔取芯资料等综合评定。
(2)检查孔的数量不宜少于灌浆孔总数的5%,一个单元工程内至少应布置一个检查孔。固结灌浆检查孔根据现场实际情况可以取芯,取芯孔需绘制钻孔柱状图。
(3)声波测试按照每个坝段或单元进行评价,声波测试应在相应部位灌浆结束14d后进行,声波测试合格标准见表5。
表5 灌后声波质量检查标准
(4)固结灌浆工程的质量检查采用钻孔压水试验时,可在该部位灌浆完成7d或3d后进行。工程质量合格标准为:单元工程内检查孔试段合格率应在85%以上(透水率不大于3Lu),不合格试段的透水率不超过设计规定值的150%,且不集中。
5 对比分析与总结评价
(1)通过质量检测,对灌浆前后压水资料、物探检测成果以及钻孔全景图像等资料分析,杨房沟水电站河床坝段坝基无盖重固结灌浆成果总体满足设计要求。
(2)通过对灌浆资料统计分析,增加Ⅲ序加密固结灌浆孔十分必要,后续施工中需加强0~3m段灌浆过程控制,以保证无盖重固结灌浆浅表层灌浆效果。
(3)对比近期同类型工程,白鹤滩、乌东德、锦屏等水电站拱坝坝基均采用了无盖重固结灌浆技术,事实证明,无盖重固结灌浆技术是可行的,也是安全可靠的。
(4)通过上述几个水电站实际对比,无盖重固结灌浆比有盖重更有利于施工进度的控制,有利于避开混凝土长间歇期,混凝土质量更加得到保证,可有效避开钻孔过程中打断冷却水管、监测仪器等事件的发生,优势及效果十分显著。