斯登沃代水电站大坝覆盖层帷幕灌浆技术应用与研究

(四川二滩国际工程咨询有限责任公司，成都，610072)

1 工程概况

1.1 工程规模及建设情况

斯登沃代水电站(Stung Atay Hydroelectric Power Project)位于柬埔寨王国西部菩萨省列文县欧桑乡的额勒赛河上游支流的沃代河上，共规划二级水电站。

一级水电站为坝后电站。拦河大坝坝顶全长340.00m，坝顶高程519.50m，最大坝高约46.50m，正常蓄水位515.00m。装机2台，单机容量为10MW，总装机20MW。第二级水电站为引水式电站。拦河大坝坝顶全长364.00m，坝顶高程480.00m，最大坝高约49m，正常蓄水位475.00m。装机4台，单机容量为25MW，总装机100MW。

2011年5月28日-6月21日斯登沃代二级水电站完成大坝左岸坝肩覆盖层高喷灌浆防渗墙现场生产性试验。试验证明：高喷灌浆难以冲击、切割、破碎硬塑性粘土覆盖层地层，防渗质量不满足设计要求。监理工程师随即提出覆盖层防渗帷幕的优化建议。

2011年9月5日-2012年10月8日斯登沃代一、二级水电站完成大坝覆盖层帷幕钻灌施工及其质量检查工作。覆盖层帷幕防渗质量满足设计要求，确保了大坝粘土覆盖层坝基的安全稳定运行。

1.2 工程地质岩性

地质岩性为：第四系(Q)残坡积层(Qedl)粘土、粉质粘土，局部为粉土，呈黄褐色、黄红色，一般含5%～15%风化含铁质结核角砾，局部混碎石，呈硬塑状。大坝坝肩粘土覆盖层最大深度40m左右。粘土覆盖层下部地层为强风化细砂岩，沿山坡走势向上发育分布。

2 覆盖层帷幕灌浆施工

2.1 防渗帷幕结构设计

斯登沃代一、二级水电站大坝左右岸坝肩基础防渗帷幕结构由“上部双排覆盖层帷幕+下部单排基岩帷幕”组合构成。覆盖层帷幕灌浆孔沿大坝防渗轴方向共计布置2排，孔距2m，排距80cm，上下游排梅花形布孔，孔序共分2序。上游排覆盖层帷幕灌浆孔与下部基岩帷幕灌浆孔孔位重合。覆盖层帷幕灌浆底线深入下部弱风化细砂岩地层1.50m。上游排覆盖层帷幕为主防渗帷幕，下游排为辅防渗帷幕。

2.2 现场生产性试验

为保证大坝左右岸坝肩覆盖层防渗帷幕结构的长期安全、可靠运行，现场首先选择地质条件具有代表性的区域，进行覆盖层帷幕灌浆现场生产性试验。

2011年09月05日-2011年10月19日，二级水电站左岸上坝公路覆盖层帷幕灌浆现场生产性试验全部完成。试验最终确定了：适宜的钻灌施工设备；钻灌施工方法、施工工序、质量检查方法和灌浆质量标准等重要施工技术参数。大坝左右岸坝肩基础防渗帷幕施工顺序为：先施工上部覆盖层帷幕，后施工下部基岩帷幕。大坝覆盖层帷幕灌浆施工工序为：钻孔→钻孔冲洗→压水试验→灌浆→封孔→质量检查。

2.3 钻孔

沿大坝防渗轴线，在上游排Ⅰ序覆盖层帷幕灌浆孔中，每间距30m布置1个先导孔。先导孔必须分段钻取粘土芯样，单点法标准压水试验，观测全孔地下水位。

各覆盖层帷幕灌浆孔的终孔深度为：进入弱风化砂岩或玄武岩地层1.50m。终孔段必须钻取岩芯，其地层岩性以设计地质工程师鉴定为准。终孔段段长可适当缩短或加长，但不宜大于5.00m。

大坝覆盖层帷幕灌浆孔采用XY-2PC地质钻机钻孔。自上而下、分段清水钻进。钻孔孔径为φ75mm。先导孔必须分段钻取芯样；其余帷幕孔则采用无芯钻进方法进行。无芯牙轮钻头采用金刚石取芯钻头加工而成。覆盖层帷幕钻灌施工技术参数详见表1。

表1 斯登沃代水电站大坝左右岸坝肩

2.4 孔口管埋设

大坝左右岸坝肩绕渗段，沿大坝防渗轴线防线，先行浇筑C10盖板混凝土(宽×厚=2.00m×0.50m)，混凝土到达70%设计强度后才能开始覆盖层帷幕钻灌施工。大坝左右岸堆石坝段覆盖层帷幕钻灌施工，直接在复合土工膜心墙混凝土基座上进行。

(1)大坝左右岸坝肩绕渗段，最上层覆盖层为非灌浆段(一级水电站防渗上限515.50m高程以上、二级水电站防渗上限475.00m高程以上)。非灌浆段必须埋设钢孔口管，钢孔口管采用外径φ102mm、壁厚3mm钢管，并露出混凝土顶面20cm。

(2)上游排覆盖层帷幕终孔段灌浆完成后，必须及时埋设下部基岩帷幕灌浆钢孔口管，基岩帷幕灌浆孔口管采用外径φ95mm、壁厚3mm钢管，并外露出混凝土顶面20cm。钢孔口管内灌注W∶C=0.5∶1浓水泥浆，必须将钢孔口管与弱风化砂岩或玄武岩镶铸稳固。下游排覆盖层帷幕终孔段灌浆完成后，则立即进行封孔施工。

2.5 钻孔冲洗、压水试验

钻孔冲洗，采用钻杆作为灌浆管，在安装紧固孔口封闭器之前，启动灌浆泵，向孔内通入大流量水流，至孔口回水清净或冲洗时间≥5min即可结束。

钻孔冲洗结束后，安装紧固好孔口封闭器，即可进行压水试验。先导孔各孔段标准压水试验采用单点法，其余灌浆孔各孔段压水试验采用简易压水法。压水试验压力为灌浆压力的80%，压水时间20min，每5min测读一次压入流量，取最后的流量值作为计算流量，并计算覆盖层灌前透水率q(Lu)。

2.6 灌浆

大坝覆盖层帷幕灌浆采用孔口封闭灌浆法。灌浆分段、灌浆压力详见表1。

孔口管外露端丝扣连接安装好孔口封闭器。钻杆作为灌浆管，管口离孔底距离不得大于50cm。灌浆过程中，每间隔30min必须转动和上下活动灌浆管。

灌浆水灰比级采用W∶C=1∶1、0.8∶1、0.5∶1三个比级。一般开灌水灰比为W∶C=1∶1；如遇明显不吸浆孔段则采用W∶C=2∶1开灌。

水泥浆液比级变换原则按照《水工建筑物水泥灌浆施工技术规范》(DL/T 5148-2001)相关规定执行。

第1段(接触段)覆盖层帷幕灌浆结束后，必须采取待凝措施，且待凝时间不得少于8h。复灌孔段待凝时间不得少于72h。除接触孔段、复灌孔段外，其余孔段灌浆正常结束后，可不进行待凝，继续钻进下一孔段。

覆盖层帷幕灌浆结束标准：在该灌浆段最大设计压力下，注入率不大于1L/min后，继续灌注30min，可结束灌浆。

2.7 封孔施工

覆盖层帷幕终孔段灌浆结束后，上游排各孔必须立即镶铸基岩帷幕灌浆钢孔口管；下游排各孔则采用全孔灌浆法进行封孔施工。封孔灌浆压力为：相应部位最大覆盖层帷幕灌浆压力0.2MPa或0.3MPa。

2.8 质量检查

每一覆盖层帷幕单元工程钻灌施工完成后7d或14d，方可进行灌后质量检查。覆盖层帷幕质量检查以钻孔常水头注水试验检查为主，全孔段压水试验检查为辅。压水试验压力采用相应部位最大灌浆压力的80%。

质量检查孔钻孔取芯孔径不宜小于75mm。钻孔取芯、注水试验分段均与钻灌施工分段一致。

覆盖层帷幕灌浆质量合格标准为：灌后渗透系数K≤n×10-5cm/s(n<10)。斯登沃代一、二级水电站大坝覆盖层帷幕灌浆质量检查成果详见表2。

表2 斯登沃代水电站大坝覆盖层帷幕

3 重要技术运用与研究

3.1 钻孔工艺

(1)清水钻进：覆盖层帷幕孔钻孔过程中，粘土混合冷却水后，逐渐形成一定浓度的泥浆并敷着在钻孔四周孔壁上，对水泥浆液压入覆盖层中和扩散范围产生不利影响，必须采用清水钻进工艺。

(2)钻孔冲洗：既可将孔底粘土沉淀物冲洗、携带至孔口之外，也可适度冲蚀敷着在孔壁四周的泥浆皮，为后续水泥浆液压入覆盖层中创造条件。钻孔冲洗的时间、压力、流量数据，必须采用灌浆自动记录进行记录。

3.2 压水试验

灌前压水试验除了检测覆盖层灌前透水率、地层可灌性之外，主要为进一步适度冲蚀破坏、主动水力劈裂孔壁四周泥浆皮和粘土地层结构，有利于后续水泥浆液顺利压入、充填进覆盖层空洞或裂隙中，以使水泥浆液达到一定的扩散半径并保证相邻孔间、排间防渗帷幕彼此相互搭接，最终在覆盖层地层中形成一道达到设计厚度的、封闭的防渗帷幕墙。

3.3 埋设孔口管

(1)非灌浆段钢孔口管：为防止水泥浆液扩散进入防渗上限高程以上的粘土覆盖层中，造成不必要的水泥浆液浪费，从而增加工程投资。因此，粘土覆盖层非灌浆段采用埋设外径φ102mm、壁厚3mm钢孔口管技术措施，隔离阻断水泥浆液向上串流。

(2)基岩帷幕灌浆钢孔口管：为防止基岩帷幕钻灌施工的有压水流、有压水泥浆液再次冲蚀、劈裂已经形成的粘土覆盖层防渗帷幕结构，在覆盖层帷幕终孔段灌浆正常结束后，立即埋设外径φ95mm、壁厚3mm钢孔口管，用于隔离阻断基岩帷幕施工的钻孔冷却水、有压水流、有压水泥浆液，以达到保护粘土覆盖层防渗帷幕结构的目的。

3.4 限量灌浆

大坝左右岸坝肩粘土覆盖层可灌性极好，在还未升压到设计压力值之前，水泥浆液在地面出露的渗漏点与帷幕灌浆孔之间的距离，常常大于帷幕孔距2m。

为防止水泥浆液串流扩散较远，造成不必要的浪费。现场控制水泥浆液扩散半径R≤2.00m范围。各孔段单次灌浆水泥注入总量≤3.00t，且复灌次数不得超过2次。最后一次复灌过程中，必须采取低压(P≤0.10MPa)、浓浆(W∶C=0.5∶1)、限流(10L/min≤Q≤20L/min)、限量(单次注入水泥总量∑M≤3.00t)、间歇灌浆(间隔时间T≤30min)等综合技术措施，以使各孔段水泥灌浆工序均达到设计、规范的正常结束标准。

3.5 合理的待凝时间

在充分认识水泥浆液在覆盖层中的渗透、充填、结石、防渗原理基础上，考虑水泥浆液与粘土颗粒的初期粘结强度较低的因素，总结本项工程粘土覆盖层帷幕灌浆现场生产性试验施工经验，同时借鉴四川冶勒水电站深厚覆盖层帷幕灌浆施工成功经验，确定了复灌孔段的合理待凝时间T≥72h。

3.6 钻孔常水头注水试验

(1)注水试验原理：大坝覆盖层帷幕灌浆质量以钻孔常水头注水试验方法检查为主，全孔段压水试验检查为辅。现行规范《水电水利工程钻孔压水试验规程》(DL/T 5331-2005)、《水利水电工程注水试验规程》(SL 345-2007)中的钻孔常水头注水试验，其实质为静水头压水试验。基岩帷幕灌浆质量检查的单点法标准压水试验，则为动水头压水试验。

(2)注水试验水头：为保证大坝覆盖层防渗帷幕结构的长期安全、可靠运行，注水试验水头特例规定：①当检查孔孔口高程等于或高于大坝正常蓄水位时，其常水头水位与检查孔孔口齐平；②当检查孔孔口高程低于大坝正常蓄水位时，其常水头水位与大坝正常蓄水位保持一致。其目的在于：模拟大坝在正常蓄水位工况下，测量粘土覆盖层防渗帷幕的实际渗流大小，以真实检验大坝粘土覆盖层防渗帷幕的实际防渗质量和防渗可靠性。

(3)孔内地下水位观测：质量检查孔每一孔段注水试验之前，孔内地下水位必须静止2h以上，再每间隔5min观测一次孔内地下水位。当水位下降速度连续2次均小于5cm/min时，观测工作即可结束。孔内地下水位是注水试验水头的压力起算零线高程。

(4)注水试验仪器设备：250ml～1000ml玻璃量筒、50ml～200ml量杯、秒表、计算器、注水试验连接管路等仪器设备。

(5)注水试验流量观测：先将检查孔某一深度的全孔段注满清水，待其孔内水位下降速度相对缓慢时，再正式开始测读和记录5min内注入孔内的总水量。每隔5min分钟测读一次注入流量，连续6次读数中的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，注水试验即可结束，取最终值作为计算值。

(6)质量合格标准：粘土覆盖层帷幕灌浆质量合格标准为：灌后渗透系数K≤n×10-5cm/s(n<10)。根据现行规范《水电水利工程高压喷射灌浆技术规范》(DL/T 5200-2004)分析：粘土覆盖层灌后渗透系数K≤n×10-5cm/s(n<10)，其对应的灌后透水率相当于：q=1Lu～5Lu。

3.7 渗透系数计算

大坝覆盖层帷幕灌后渗透系数K，采用现行规范《水电水利工程钻孔压水试验规程》(DL/T 5331-2005)中推荐的K=Q÷(2πHL)×ln(L/ro)公式进行计算(式中：K为地层渗透系数，cm/s；Q为注入流量，cm3/s；H为试验水头，cm；L试验段长，cm；ro为钻孔半径，cm)。

注入流量Q的计算，根据饱和土层渗流的达西定律：在同一注水试验水头条件下，同一孔段饱和粘土覆盖层地层的稳定渗透流量近似相等。试验孔段的注入流量Q=Qb-Qs(cm/s)，Qs为上一全孔段注水试验总渗透流量；Qb为本次全孔段注水试验总渗透流量。

H=Hk-H0(m)或H=Hz-H0，H0为注水试验压力起算零线高程；Hk为检查孔孔口高程；Hz为大坝正常蓄水位高程。

4 结语

(1)2012年10月初，斯登沃代一、二级水电站大坝正式开始下闸蓄水。目前，大坝覆盖层防渗帷幕已经安全、可靠运行了7y有余。现大坝下游测压管、渗压计多年监测值均较小且稳定，未见明显绕坝渗流现象。

(2)在水工建筑物结构设计方面，为增强覆盖层防渗帷幕的安全性、可靠性，堆石坝段的防渗心墙混凝土基座底面宜设计成对称的台阶状，以延长混凝土底面渗流渗径长度，有利于降低渗流水力坡度。

(3)借鉴类似工程经验，大坝覆盖层基础防渗处理采取了帷幕灌浆技术工艺，处理结果满足规范及设计要求。其特殊的钻灌施工工艺、工序质量控制标准、质量检查方法、充分利用基岩帷幕钻灌设备等施工经验，可供后续类似水利水电工程施工借鉴和参考。

(4)从技术、经济角度对比分析原设计的高喷灌浆技术和覆盖层帷幕灌浆技术，本项工程大坝覆盖层基础处理采用帷幕灌浆技术后，在工期、造价上均实现了“双节约”的良好效果，为大坝覆盖层基础处理提供了另外一种可行的技术路径。