西藏高寒地区冬季固结灌浆施工技术

赵建刚，杨震中

(1. 水电九局西藏建设工程有限公司，西藏 拉萨 850000；2. 中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵州 贵阳 550081)

DG水电站位于西藏自治区山南地区，为二等大(2)型工程，开发任务以发电为主。水电站基础处理工程主要工作内容为大坝基础固结灌浆、基础防渗帷幕灌浆。固结灌浆设计总工程量为36 065.0 m，其中大坝基础固结灌浆分为有盖重和无盖重固结灌浆，根据开挖地质条件孔深为5.0、8.0、12.0 m三种。根据西藏高寒地区的特点以及坝址区特殊施工条件，介绍固结灌浆施工技术中的一些关键工艺和施工经验。

1 工程施工特点

本工程所处高海拔、大气稀薄、太阳辐射强区域，海拔高程为3 451.0 m，施工区具有以下几个特点：

1)气压低、氧气稀薄。气压低缺氧是高海拔地区的主要特征，缺氧对工程施工中的人工和施工机械效率有很大的影响。

2)风力大。本工程冬半年(即11月～次年4月)受境内西风带控制，多数情况下下午出现大风天气，工地风沙蔓延。

3)昼夜温差大。根据华东院在西藏DG坝址设立的气象站实测气温资料，从2011年5月至2013年12月，每一小时读测一次，实测最高气温为30℃，最低时气温为-13℃，每天的气温变幅一般在18℃左右，气温日变幅较大。该气温特征对昼夜连续进行固结灌浆施工影响很大。

2 与常规固结灌浆区别

2.1 常规固结灌浆

1)灌浆方式。针对吸浆量大的孔段一般采用纯压式灌浆方式；吸浆量小的孔段一般采用循环式灌浆方式。

2)灌浆方法。大坝基础固结灌浆一般可采用全孔一次灌浆法、自上而下、自下而上、上下结合、孔口封闭灌浆等方法。浅孔固结灌浆针对地质条件差的部位一般采用自上而下灌浆方法；岩层相对完整的部位采用自下而上灌浆方法；深孔固结灌浆一般采用孔口封闭自上而下分段灌浆方法。岸坡段无盖重固结灌浆在混凝土浇筑后达到强度进行分段钻灌施工。

3)灌浆分段。灌浆孔的基岩灌浆段长不大于6 m时，可采用全孔一次灌浆法；大于6 m时宜分段灌浆。

4)冬季灌浆时段。通常在保证浆液温度的情况下，正常进行连续灌浆作业。

5)冬季保温。制浆站和灌浆站采取搭设保温暖棚，内设煤炉或电暖器取暖；制浆用水采用电热棒或烧柴油等加热；输水、输浆管路采用棉被保暖或部分埋入土内。

2.2 高寒地区固结灌浆

1)灌浆方式。本工程统一采用循环式灌浆方式，相比纯压式灌浆主要优点在于灌浆过程中始终保证浆液有一定的流动性，不容易“固管”。

2)灌浆方法。本工程固结灌浆统一采用自上而下分段灌浆。针对岸坡段的固结灌浆，采取先进行除孔口第1段(段长2.0 m或3.0 m)以下各段的灌浆，孔口第1段采取预埋灌浆管的方式，待混凝土达到设计强度的50%以后，利用下一仓混凝土浇筑前的间歇时间进行灌浆。采用此方法施工取消了混凝土钻孔工序，避免了造孔产生的大量粉尘，减少了钻混凝土工程量，避免了施工交叉干扰、不占用直线工期，加快了边坡部位混凝土的浇筑速度；另外还避免钻孔易造成冷却水管、预埋件等破坏；避免了混凝土表面因固结灌浆长时间的暴露，产生温度裂缝及继续浇筑时新老混凝土变形不一致等问题。

3)灌浆分段。按照设计及规范要求，灌浆孔的基岩灌浆段长不大于6 m时，可采用全孔一次灌浆法，本项目针对Ⅲ区(设计入岩孔深为5.0 m)，由于固结灌浆处于冬季施工，气温低，昼夜温差大，为了保证灌浆质量以及提高以下各段的灌浆压力，将入岩孔深5.0 m的孔段分为2.0 m、3.0 m两段灌注。

4)冬季灌浆时段。考虑到冬季地冻深度影响，采取分段灌浆，孔口第1段采取预埋灌浆管的方式，待气温上升后再进行灌浆；其余时段进行除孔口第1段(段长2.0 m或3.0 m)以下各段的灌浆。

5)冬季保温。制浆站和灌浆站采取搭设保温暖棚，内设暖风机供暖；输水、输浆管路采用橡塑海绵+铝箔胶带+电热丝保温；制浆用水采用柴油锅炉加热，相比传统的煤炉、电暖气取暖、电热棒加热水安全、环保、节能。

3 固结灌浆设计

1)本工程大坝基础固结灌浆分为有盖重固结灌浆和无盖重固结灌浆两类。对于混凝土厚度≥3.0 m界定为有盖重固结灌浆区域、混凝土厚度<3.0 m界定为无盖重固结灌浆。

2)孔深设计。根据开挖地质条件的不同，大坝基础固结灌浆共划分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ区，Ⅰ区设计入岩孔深12.0 m、Ⅱ区设计入岩孔深8.0 m、Ⅲ区设计入岩孔深5.0 m。

3)布孔方式及间排距。固结灌浆孔位布置采用梅花型布置型式，间排距为3.0 m×3.0 m。

4)段长划分。根据设计技术要求及《水工建筑物水泥灌浆施工技术规范》(DL/5148-2012)中6.3项第(2)条提出“灌浆孔的基岩灌浆段长不大于6 m时，可采用全孔一次灌浆法”，而根据前期固结灌浆试验情况及西藏DG水电组织召开的大坝固结灌浆试验报告专题会评审意见，为了保证灌浆施工质量，灌浆Ⅲ区设计孔深为5 m的孔段，要求分成2次灌浆，灌浆段长划分为2 m和3 m；设计孔深为8.0 m的灌浆孔段长划分为3.0 m和5.0 m；设计孔深为12.0 m的灌浆孔段长划分为3.0、4.0、5.0 m。

4 灌浆施工

4.1 灌浆材料和灌浆设备

固结灌浆施工所用的水泥为西藏高争建材股份有限公司生产的普通硅酸盐P.O42.5级水泥。水泥细度要求通过80 um方孔筛筛余量不大于5%。在高寒地区冬季施工时，江水在0℃～7℃之间，山水全部结冰，室外环境温度一般在-12℃～17℃，要在此环境下进行灌浆作业，首先应做好钻孔灌浆防寒保暖措施，将室外环境温度尽量提高到零度以上，同时采用锅炉加热使水温提高到20℃～40℃，保证浆液温度保持在5℃～40℃之间；灌浆用水应符合《混凝土用水标准》JGJ63-2006的规定。拌合用水的温度不得高于30℃，若水温超30℃时应采取降温措施。

4.2 主要施工方法

4.2.1 施工流程

固结灌浆施工按照《西藏DG水电站大坝及厂房基础处理施工技术要求》及《水工建筑物水泥灌浆施工技术规范》(DL/T5148-2012)第6.1.4条规定，遵循分排、分序、加密的原则，灌浆孔排与排之间和同一排孔与孔之间分二序施工。

固结灌浆施工工艺流程为：测量放样→钻孔定位→分段钻孔→冲洗→压水试验→分段灌浆→封孔→质量检查。

4.2.2 钻孔工艺

固结灌浆钻孔采用回转式地质钻机钻孔，开孔至终孔采用金刚石钻进工艺，为了保证固结灌浆施工进度，不影响2019年3月大坝首仓碾压混凝土的浇筑，在施工现场对采用日本全自动液压凿岩机、潜孔钻钻孔进行钻孔试验，通过物探检测手段对灌浆孔冲洗前后钻孔录像、声波检测数据对比以及检查孔压水检查验证，钻孔冲洗采用清水冲洗并延长冲洗时间，是能够保证灌浆质量的，也为后期大规模固结灌浆开展以及加快施工进度奠定了基础。

4.2.3 灌浆工艺

1)灌浆方法。

施工工艺：固结灌浆分排分序分段钻孔、冲洗、压水、灌浆、封孔、质量检查。

压水试验：固结灌浆孔灌前压水试验在岩石裂隙冲洗结束后进行，压水试验孔数不少于总孔数的5%，试验采用单点法，其余灌浆孔结合裂隙冲洗并进行简易压水，压水试验压力为设计灌浆压力的80%，并不大于1.0 MPa。

灌浆：部分灌浆孔采用常规“阻塞灌浆法”进行灌浆，自上而下分段、孔内循环灌注。针对岸坡段无盖中固结灌浆，由于贴破混凝土浇筑滞后，为了保证施工进度、质量、且避免与混凝土浇筑产生施工干扰、不占用直线工期及钻孔施工易破坏预埋件、避免混凝土层面因固结灌浆时间过长产生温度裂缝以及继续浇筑时新老混凝土变形不一致等问题，先进行(除孔口第1段外)的灌浆，孔口第1段(段长2.0 m或3.0 m)采用引埋灌浆管的方法，待浇筑后混凝土强度达到50%的设计强度后进行灌注。

2)固结灌浆段长与灌浆压力。该工程固结灌浆分为有盖重和无盖中灌浆，灌浆段长与灌浆压力、不同孔序与段次、灌浆段长和压力有所区别，具体灌浆段长和压力划分见表1、表2所示。

表1 无盖重固结灌浆段长与压力划分表

表2 有盖重固结灌浆段长与压力划分表

3)浆液变换。

水灰比：固结灌浆采用的水灰比为2∶1、1∶1、0.8∶1、0.5∶1四个比级，开灌水灰比为2∶1。

变浆标准：固结灌浆浆液浓度遵循由稀变浓的原则逐级变换，施工过程中严格按照《水工建筑物水泥灌浆施工技术规范》(DL/T5148-2012)规定要求进行控制执行。

浆液变换原则：当灌浆压力保持不变，注入率持续减少时，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；当某一比级浆液注入量已达300L以上，或灌注时间已达30 min，而灌浆压力和注入率均无明显改变时，应换浓一级水灰比浆液灌注；当注入率大于30 L/min时，根据施工具体情况，可越级变浓。

4)灌浆结束标准。单孔灌浆各灌浆段的结束条件为：灌浆段在最大设计压力下，当注入率不大于1.0 L/min，继续灌注30 min，可结束灌浆。

5)封孔。一般采用全孔灌浆封孔法：全孔灌完后，先用导管灌浆法将孔内余浆置换成0.5的浓浆，而后将灌浆塞塞在孔口，继续使用浓浆进行纯压式灌浆封孔。封孔压力采用该灌浆孔最大设计压力，灌浆持续时间不小于30 min。

4.2.4 特殊情况处理

1)按照《西藏DG水电站大坝及厂房基础处理施工技术要求》及《水工建筑物水泥灌浆施工技术规范》(DL/T5148-2012)中规定的灌浆特殊情况处理方法进行相应处理。

2)根据本工程施工特点及固结灌浆试验结果，主要采用以下处理方法：

施工顺序：为了防止吃浆量过大扩散过远，灌浆时可先施工完周边孔，形成周围封闭后，内部再进行分排分序施工；

针对吃浆量大的孔段，在灌浆施工中宜采用低压、限流、浓浆、间歇、待凝的方式处理。

限流和间歇时间控制：针对吃浆量大的孔段，灌浆过程中在浆液变换至0.5∶1浓浆后采用限流方式处理，限流标准为35～40 L/min；间歇时间：若吃浆量过大或出现地面冒浆情况，由于冬季气温过低，水泥凝固慢，间歇时间控制在15～20 min之间。

耗浆量控制和待凝时间确定：当耗灰量达到3.0T/段后压力或流量无明显变化的情况下采取待凝处理方式，待凝时间定为冬季灌浆待凝24 h/次、夏季灌浆待凝12 h/次。

在寒冷的冬季施工时，为了保证灌浆质量必须做好防寒保暖措施。本项目采取对集中制浆系统及灌浆区域搭设保温暖棚，内部安装暖风机供暖。灌浆供水、供浆管路采用电热丝加热+橡塑海绵+铝箔胶带保暖。拌制浆液的水采用锅炉加热到20℃～30℃，视其环境温度的高低决定，浆液温控制在40℃以内。因外界温度低，考虑温差较大，热量损失较快，因此水温及浆液温度可适当调高些，但不能超过规范规定。

由于冬季地冻深度影响，采取分段灌浆，孔口以下第一段采取预留灌浆管暂不进行灌浆，待气温上升后再进行灌浆。

根据设计图纸及施工技术要求，大坝基础固结灌浆分为有盖重和无盖重固结灌浆，对于混凝土厚度≥3.0 m界定为有盖重固结灌浆区域、混凝土厚度<3.0 m界定为无盖重固结灌浆。依据大坝基础开挖揭露地质条件的不同以及坝高和坝基应力应变情况，大坝基础固结灌浆共划分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ区，Ⅰ区设计入岩孔深12.0 m、Ⅱ区设计入岩孔深8.0 m、Ⅲ区设计入岩孔深5.0 m，灌浆孔间排距均为3.0×3.0。根据冬季分时段气温情况，采取分段灌浆，保证灌浆质量。

4.2.5 自动化灌浆记录仪监测系统

在高寒地区进行大坝基础固结灌浆施工时，由于本项目固结灌浆工程量大，且灌浆时记录量大，为了确保记录数据具有足够的可靠性和准确性，必须严格控制灌浆施工质量，施工时采用三参数(压力、流量、水灰比)灌浆自动记录仪。灌浆与压水压力、流量、浆液水灰比等参数，全部根据灌浆自动记录仪记录的原始资料进行统计和分析。灌浆自动记录仪在大循环灌浆工艺中管路连接如图1所示。

图1 大循环三参数灌浆工艺管路连接图

4.2.6 冬季灌浆保温措施

1)制浆站保温。冬季施工时，固结灌浆浆液温度要求不低于5℃，因此必须提高制浆站的出机浆温。制浆站采取搭设保温暖棚保温(外侧采用橡塑海绵包裹，内部采用暖风机供暖)；制浆站和灌浆场面分别设置一个容量为2.0 m3的锅炉(燃料采用柴油)，目的是保证浆液温度控制在5℃～40℃范围内以及制浆用水温度不得高于30℃。

2)输浆、灌浆管路保温。冬季施工时，为了减小输浆、灌浆管路水泥浆的温度损失，输浆及灌浆管路需做好保温措施。输浆管路包括：制浆站到坝前或坝后的临时灌浆站到工作面的所有管路。输浆管路采用外裹一层橡塑海绵+铝箔胶带+电热丝(每隔25 m/段)加热保温；制浆站送浆完毕后，及时通水清洗管路并用12 m3的空压机送风将管路中的积水冲洗干净，防止管路结冰堵塞。

3)灌浆站保温。灌浆站不管是集中或分散的都需要做好保温措施，以避免冬季钻灌设备、搅拌桶等受冰冻影响，灌浆效率降低。采取在灌浆站搭设保温暖棚，内部采用暖风机供暖，保证室内温度保持在5℃范围内。

4)钻灌设备保温。除在暖棚内保温外，钻机检修、停钻时，在钻机机油油箱部位摆放电暖器，保证机械正常运行，灌浆结束后对灌浆泵拆除放水，防止结冰，保证正常使用。

5)灌浆孔孔口保温。灌浆孔封孔结束后，灌浆孔口采用酒精喷灯进行加热加速凝固，然后采用草袋、棉纱等分层覆盖，加速水泥砂浆凝固。

图2 高速制浆机采用保温暖棚包裹图

图3 制浆用水采用锅炉加热图

4.2.7 固结灌浆质量检查

1)固结灌浆质量检查方法。以压水试验为主，辅以测量岩体波速和静弹性模量，并结合灌浆孔钻孔、检查孔取芯(即检查孔岩芯的采取率、裂隙情况、浆液结石密实度、强度)、孔内录像和灌浆资料进行对比分析等进行综合评定。

2)压水试验方法。固结灌浆质量检查孔的孔数为灌浆总孔数的5%，压水试验采用“单点法”。

3)固结灌浆质量检查标准。透水率q≤5.0Lu。压水试验孔段合格率，在上游帷幕线上游和下游帷幕线下游的范围内的合格率应在90%以上，其余范围为85%以上，不合格孔段的透水率不超过设计规定值的150%，且不集中，则灌浆质量认为合格。

5 灌浆效果分析

以下表3～表5以大坝8号坝段灌浆成果进行统计分析为例：

5.1 灌浆前、后压水试验情况

灌浆前岩体透水率最大无回水，不起压；最小8.53Lu；平均155.17Lu；3～10Lu的孔段占总孔段数的1.0%；10～50Lu的孔段占总孔段数的30.0%；50～100Lu的孔段占总孔段数的25.0%；>100Lu的孔段占总孔段数的44.0%；

表3 固结灌浆各孔段透水率频率分布表

表4 固结灌浆各孔段单位注灰量频率分布表

表5 固结灌浆检查孔透水率频率分布表

灌后质量检查孔压水试验其吕荣值大小分布为：<1Lu的孔段占总孔段数的13.0%；1～3Lu的孔段占总孔段数的74.0%；3～5Lu的孔段占总孔段数的13.0%；最大透水率为3.66Lu，最小透水率为0.91Lu，平均透水率为1.92Lu。

5.2 灌浆孔水泥耗量情况

该单元平均单耗为378.33 kg/m，其中Ⅰ序孔平均单耗为468.19 kg/m，Ⅱ序孔平均单耗为288.47 kg/m。 10～50 kg/m的孔段占总孔段数的5.2%；50～100 kg/m的孔段占总孔段数的7.1%；100～1 000 kg/m的孔段占总孔段数的85.7%；>1 000 kg/m的孔段占总孔段数的2.0%；

5.3 结论

1)水泥单耗量随着分排、孔序、加密的进行，单耗量逐渐减小, Ⅱ序孔比Ⅰ序孔降低了38.4%。

2)灌浆前、后平均透水率减小非常显著, 检查孔透水率小于设计规定值。

3)灌浆效果明显, 单耗量及透水率随着分排、分序、加密的进行呈逐渐减小趋势，符合灌浆规律, 灌浆

工艺参数基本适用西藏雅鲁藏布江DG水电站工程黑云母花岗闪长岩。

6 施工中应注意的事项

1)加强钻灌设备的日常保养和维护，做好灌浆前所需要的各项工作准备，确保灌浆工作的连续进行。

2)在对接触段进行灌浆时，卡塞位置一定要在混凝土内，确保混凝土在与基岩接触面上不会出现漏灌的现象。

3)对射浆管和卡塞位置严格按照设计技术要求及规范施工，防止少下或不下射浆管，影响灌浆质量。

4)冬季灌浆要做好防寒保暖措施，保证浆液温度控制在设计或规范规定范围内。

5)灌浆过程中加大质量监控力度(特别是浆液温度、孔深、射浆灌下设、浆液浓度、结束标准等)。

6)大坝河床段的固结灌浆工作正是在寒冷的冬季情况下施工的,室外气温在-12℃～-17℃之间,实测的地下水温 1℃～3.5℃, 为此水泥浆液在地层中凝固的时间较长 由于裂隙压力的流动甚至可能会造成水泥浆的失败，这可能是由于水温及地下水流动所造成的。所以在灌浆过程中应根据地下水温度对浆液温度进行动态调整，加速浆液在孔内凝固，保证灌浆质量。

7 经济效益

工程实际施工中从坝右0+025.35～坝左0+092.00，坝上0-007.50～坝下0+094.50利用冬季提前进行固结灌浆施工，不占用直线工期，圆满地完成了施工任务，保证了2019年3月碾压混凝土的正常施工。

坝基进行固结灌浆处理后，提高了岩体的整体性及弹性模量，提高了抗变形能力和地基不均匀沉降。本工程采用日本全自动液压凿岩机和潜孔钻进行固结灌浆钻孔相比常规地质钻机钻孔工效提高40～50倍，节省了人力，按照每天完成同样的钻孔量计算，采用凿岩机或潜孔钻比采用地质钻钻孔降低成本28.0元/m，故完成7 432.0 m固结灌浆量，能够降低施工成本20.8万元。

8 结 语

在高寒地区对大坝基础进行固结灌浆施工时，需严格按照施工流程进行灌浆。在灌浆之前，要准备充足的灌浆材料，并确保材料质量的过关。同时在施工过程中，要对施工中所需要注意的事项进行全面的分析，从而提高大坝等基础固结灌浆效果。特别是在冬季施工时，在加热过程中，水温和水泥浆液温度均应严格控制，并防止因冻水进入地下后结冰破坏原来的地质结构。同时，为了防止钻灌设备在严冬时节被冻坏，影响生产，造成经济损失，也应做好设备的保温措施。