白鹤滩水电站柱状节理玄武岩帷幕灌浆试验研究

张熊君，石焱炯，李 毅

（中国三峡建设管理有限公司，610000，成都）

白鹤滩水电站受地形条件限制，采用地下厂房形式，地下厂房洞室群规模居世界第一位。厂区赋存柱状节理玄武岩、层间层内错动带发育，玄武岩质地坚硬、隐裂隙发育，可灌性较差，然而层间错动带内部为含泥化夹层防渗效果较差，存在局部渗漏风险。为保证白鹤滩水电站长期稳定运行，防渗是必须解决的关键问题之一。

一、工程概况

1.工程规模

白鹤滩水电站左、右岸地下厂房各布置8台水轮发电机，单机容量1000 MW，电站总装机容量16000 MW，是目前在建的世界第一大水电站，厂区防渗系统采用厂坝帷幕相连接半包围厂房布置方案（见图1）。

图1 白鹤滩水电站帷幕布置示意图

厂区防渗帷幕平面上布置在引水竖井上游距离厂房上游墙86.5 m处，北端与坝体帷幕连接成一体，南端兼顾厂房顶部交通洞、尾水调压室交通洞等辅助洞室运行要求，将帷幕转向山体内并延至与进厂交通洞延伸洞堵头帷幕灌浆环连接再向山体内延伸150 m。从高程825 m至高程590.6 m，布置6层灌浆廊道，通过灌浆廊道布置帷幕灌浆孔进行帷幕灌浆，形成上游库水防渗体系，将厂区与库区隔离。防渗帷幕从825 m延伸至550 m高程，总深度约为275 m，局部层间错动带部位的防渗帷幕加深，帷幕灌浆总量约为103万m3。

2.工程地质

左岸由峨眉山组 P2β34～P2β42层玄武岩构成，岩性为隐晶质玄武岩、杏仁状玄武岩、角砾熔岩、斜板玄武岩及凝灰岩等；高程550～740 m段分布有 P2β32、P2β33层第一类、 第二类柱状节理玄武岩。右岸由峨眉山组玄武岩第四～九岩流层（P2β4～P2β9）构成，岩性为隐晶质玄武岩、杏仁状玄武岩、角砾熔岩及凝灰岩等。岩体以微透水～弱透水为主。同时，左岸沿线没有发育大的断层，C2、C3-1、C3层间错动带贯穿整个线路，右岸地质构造主要有F16、F16-1陡倾断层，沿线层间错动带发育， 主要有 C3、C3-1、C4、C5层间错动带等，层间层内错动带、断层部位岩体呈弱～中等透水。C2、C4层间错动带构成见图2。

图2 C2、C4层间错动带构成情况

二、帷幕灌浆试验

1.试验区域划分

左岸帷幕灌浆试验区位于灌浆廊道LGL4南侧区域、桩号LGL4 K0+352.49～K0+384.49段，灌浆段长 32 m。灌浆对象为P2β32层第二类柱状节理玄武岩层，出露LS3255、LS3256等层内错动带，节理密集发育。右岸帷幕试验区位于灌浆廊道RGL4南侧区域、桩号 RGL4 K0+227.32～K0+252.32m 段，灌浆段长25m。灌浆对象为P2β61层柱状节理玄武岩，层内错动带及缓倾角裂隙较为发育。试验区特性见表1、单元规划见表2。

表1 左、右岸帷幕试验区特性

表2 左、右岸帷幕试验区单元规划

2.灌浆工序及参数要求

①灌浆方法：自上而下分段、孔内循环、孔口封闭法。

②孔位布置：主帷幕孔间排距为2.0 m×1.5 m（间距×排距），衔接帷幕孔间排距为2.0 m×0.5 m（间距×排距）。

③分段方式：浆孔表层两段段长分别为2.0 m、3.0 m，第三段至终孔段均为5 m。

④浆液比级及变换原则：普通水泥采用 5∶1、3∶1、2∶1、1∶1、0.8∶1、0.5∶1 共6 个水灰比，开灌比按 3∶1/5∶1 对比试验； 湿磨细水泥采用 2∶1、1∶1、0.8∶1、0.5∶1共4个水灰比。

④灌浆压力：主帷幕压力1.0～6.0 MPa，衔接帷幕压力 0.8～4.5 MPa。

⑤结束条件：一是帷幕灌浆试验各灌浆段在最大设计压力下，注入率不大于1 L/min后，继续灌注30分钟即可结束灌浆。二是当地质条件复杂、地下水水流流速大、浆液注入量较大、灌浆压力较低时，持续灌注的时间适当延长；当岩体较完整、浆液注入量较小时，持续灌注的时间适当缩短。

⑥检查方式：常规压水、高压压水和耐久性压水，压水压力为主帷幕0～5 m采用1.0 MPa，5 m以下采用2.0 MPa；衔接帷幕采用1.0 MPa。

⑦检查合格标准：高程760 m以上q≤3 Lu，高程760 m 以下q≤1 Lu。

3.灌浆成果分析

根据帷幕灌浆试验区灌浆成果可知，各序孔灌前透水率和单位注入量总体上随孔序增加呈递减趋势，符合灌浆正常规律。衔接帷幕灌前平均透水率最大为4.18Lu、最小为3.16Lu，平均单位注入量最大为27.35 kg/m、最小为9.19 kg/m；主帷幕灌前平均透水率最大为0.9 Lu、最小为0.63 Lu，平均单位注入量最大为10.13 kg/m、最小为7.63 kg/m。总体单耗较小，表明试验区基岩可灌性较差，同时部分单元存在反序，主要原因是由于个别孔段如衔接帷幕XWSL6-01-02-03（Ⅱ序孔）第001段单位注入量高达652.35 kg/m，表明柱状节理玄武岩地区存在随机发育的裂隙。对比衔接帷幕第二单元平均单耗为27.35 kg/m大于第一单元9.19 kg/m，主帷幕第二单元平均单耗为10.13 kg/m大于第一单元7.63 kg/m，表明同为普通水泥浆液时，开灌水灰比5∶1可灌性优于3∶1。左岸帷幕试验区灌浆成果见图3。

从右岸试验区灌浆成果可知，灌前平均透水率衔接帷幕最大为0.06 Lu、主帷幕最大为0.4 Lu，平均单位注入量衔接帷幕最大为0.34 kg/m、主帷幕最大为18.66 kg/m，总体单耗较小，表明试验区基岩可灌性较差，各序孔灌前透水率和单位注入量随孔序增加呈递减趋势不明显，个别孔段后序孔段注量大，表明试验区存在随机发育的裂隙。对比第一、二单元，主帷幕第二单元平均单耗为18.06 kg/m大于第一单元8.66 kg/m，表明同为普通水泥浆液时，开灌水灰比5∶1可灌性优于3∶1。右岸帷幕试验区灌浆成果见图4。

左、右岸帷幕灌浆试验区第一、二单元为普通水泥浆液，第三单元上游排帷幕采用湿磨细水泥浆液，对比试验区第一、二、三单元（上游排帷幕），采用2∶1开灌水灰比进行灌浆作业时，平均单位注入量——左岸为1.14 kg/m、右岸为3.33 kg/m，小于临近单元开灌水灰比为 3∶1/5∶1普硅水泥的平均单耗，见表3，试验结果表明湿磨细水泥浆液在白鹤滩地下厂房帷幕灌浆中对可灌性的改善并不明显。

4.灌后检查情况

左、右岸帷幕试验区质量检查孔共完成23个，压水206段，自检结果均满足设计和规范要求，成果见表4。为了测定岩体在高水头下的渗透特性、渗透稳定性、结构面张开压力和幕墙耐久性，除了常规压水试验外，还进行了耐久性压水试验。成果见表5。检查结果表明所有检查孔段全部合格，灌浆效果满足设计要求。

为保证灌浆效果，白鹤滩左、右岸地下厂房帷幕试验区第三方检查共完成7孔，压水52段，检查结果均满足设计和规范要求，第三方检查成果见表6。

三、结论与展望

通过对白鹤滩左、右岸地下厂房帷幕灌浆试验区灌浆成果及质量检查成果进行分析，得出如下结论与展望：

①白鹤滩水电站玄武岩质地坚硬，二类柱状节理玄武岩层基岩可灌性较差，灌前平均透水率以及单位注灰量均不大，但玄武岩存在随机发育裂隙，且层间层内错动带、节理密集带导致存在少数大注入量孔段，因此，如何处理好少数大注入量孔段是白鹤滩地下厂房帷幕灌浆的关键。

②灌浆成果及灌后检查结果表明，灌浆孔间排距、灌浆压力、浆液变换条件、屏浆时间、结束条件等灌浆参数能够满足最初设计要求，对围岩防渗起到一定的改善作用。

③主帷幕和衔接帷幕无论是采用普通水泥浆液，还是湿磨细水泥浆液，灌后检查效果能达到设计要求，但是普通水泥浆液开灌水灰比为5∶1的可灌性优于3∶1。湿磨细水泥浆液在细微裂隙填充上具有一定优势，但试验结果并不理想，后期将继续进行开灌水灰比为3∶1/5∶1的湿磨细试验。

④受限于试验范围，本次试验针对层间层内错动带、节理密集等研究不够透彻，然而层间错动带为白鹤滩地下厂房防渗系统的关键，后续将针对层间错动带开展超细水泥、湿磨细水泥、化学灌浆等方面的研究。

图4 右岸帷幕试验区灌浆成果

表3 左、右岸帷幕不同水泥浆液对比

表4 左、右岸帷幕灌浆自检成果统计

表5 左右岸帷幕试验区灌后耐久性压水试验成果

表6 左、右岸帷幕灌浆第三方检查成果统计