基于帷幕灌浆法的水电站工程特殊地层施工技术研究

王丽红

(湖北文理学院 土木工程与建筑学院, 湖北 襄阳 441053)

关于水电站的帷幕灌浆研究较多,但是大多数的研究基于一般地质进行研究[1-5].水布垭水电站的地质情况比较特殊,且帷幕通过的地层更加复杂,主要为二叠系下统茅口组(P1m)、栖霞组(P1Q1-15)、马鞍组(P1ma)、石炭系黄龙群(C2h);泥盆系上统写经寺组(D3x);志留系纱帽组(S2sh)等.其中,茅口组层的土质为厚层块状灰岩,厚度约为70 m;栖霞组层的岩体表现为软硬相间的特点,中间存在多层面和多剪切带,总厚度为192～241 m;马鞍组层可分为两部分,其中上部分是煤系地层,下部分为不均匀的砂岩和石英砂岩;黄龙群地层的构成包括灰岩、白云质灰岩夹砂岩,且岩层的厚度变化较大;泥盆系、志留系两个地层的厚度非常大,主要构成包括砂页岩等碎屑岩地层,该地层具有较好的隔水性.与传统的研究相比,水布垭水电站的地质更加特殊、地层更加复杂,其地层包含了多个组,土质也相差较大,因此传统的帷幕灌浆方法不一定适应,基于此,故针对水布垭特殊的地质与地层,通过实验的方法确定了灌浆方法.

1 灌浆实验方法

水布垭水电站溶蚀砂化地层的特殊性,只能采取孔口封闭法进行灌浆施工,并且试验中对普通水泥浆液灌浆、磨细水泥浆液灌浆、稳定浆液灌浆进行了对比研究,最终确定帷幕灌浆的施工工艺与各项参数.为保障灌浆的质量并且实现预期目标,施工前借助帷幕灌浆先导孔的取芯、压水试验、孔内电视等方法,明确灌浆区域的地质特点,分析溶蚀裂隙的发育情况、溶蚀砂化条带的宽窄与深度、地层的灌浆可行性.最后,记录各项数据.施工中,需要严格、细致地记录破碎岩层和夹泥软弱砂岩钻孔时的涌水、涌砂问题,同时还要记录压水试验的结果,记录是否存在无压无回段次的分布,并且在灌浆后进行对比,进而评价灌浆施工的整体质量.

2 工程灌浆施工技术

2.1 工程概况

水布垭水电站地处清江的中游,水电站的坝址上游与恩施市的距离为117 km,下游距离河沿水电站92 km,距离清江与长江的汇入口(宜都市)153 km.该水电站的正常蓄水位为400 m,有效库容为24.8×108m3,总库容达到45.8×108m3,水电站装机1 860 MW(包括2 MW自备保安电源电站),年平均发电量为39.2×108k W·h.其中,该水电站的坝址区域地质特殊,加上水头高、灌浆盖质量轻、防渗线路长、防渗要求高、关键工程量大等多种原因,根据我国《水工建筑物水泥灌浆施工技术要求》,此类灌浆需先进行现场试验,确定灌浆的设计参数和施工方案后,才可进行灌浆,以保证灌浆结构安全高效地完成.

2.2 施工水电站地质条件

1)地质构造.水布垭坝址河谷岸坡地带断层现象明显,在河谷岸边的平洞开挖中各类断层总数超过了100条,经过防渗帷幕的规模较大的断层主要有F2断层、F12断层、F14断层等,且F2断层展在右侧岸边的帷幕端头,且熔岩沿着断层发育逐渐加强.

2)岩溶.水布垭水电站坝区在勘探中,共有22个钻孔遇到溶洞.借助于连通试验,水布垭水电站帷幕共经过8条岩溶管道系统,其中河谷左岸共经过I、VII、IX、XI、XII、XVII 6条岩溶管道系统,右岸经过VIII、X号2条岩溶管道系统.通过分析左岸灌浆平洞可知,在300 m、350 m、400 m高程灌浆平洞位置都有溶洞,且350 m高程的灌浆平洞位置的岩溶发育最为明显.结合勘探钻孔的结果可知,溶蚀下限主要集中在栖霞组第3段(P1Q3),栖霞组(P1Q3)以下层位较少,主要分布在河床以及近河岸位置.溶蚀下限从河床逐渐向河两岸上升,溶蚀下限包络线具有左缓、右陡的特征.

3)岩体渗透特性.地层茅口组(P1m)、地层栖霞组(P1Q)与水布垭水电站帷幕防渗工程有着紧密的关系.通过对帷幕上27个钻孔、近900段压水资料分析可知,岩体透水性随着深度的增加不断变弱,且自上而下存在较为明显的强、弱透水分区.上部分透水性较强(强透水区),渗流主要通过岩溶管道流,为岩溶化地块;下部分透水性较弱(弱透水区),渗流主要表现为裂隙渗流,为裂隙性岩体.根据相关统计可知,左岸趾板线上约有21%的强-中等透水区(透水率q超过10 Lu),约有69%弱-微透水区(透水率q小于10 Lu);左岸过坝肩到邹家沟,37%为上部强透水区(q超过100 Lu),63%为弱-微透水区(q小于10 Lu).

2.3 设计方案

水布垭水电站帷幕灌浆基于溶蚀沙化地质条件的特点主要有5个方面.1)灌浆材料数量大.由于溶蚀沙化地质条件造成了较多的溶蚀裂隙,增加了岩体的透水性,因此灌浆材料数量与非溶蚀砂化地质条件相比要多.2)防渗帷幕深.与一般岩石地区相比,溶蚀砂化地区的防渗帷幕深度要大,部分大坝的坝基帷幕深度是坝高的2或3倍.3)防渗帷幕的施工线非常长,且在溶蚀砂化地质情况下,该部分区域的坝基、坝肩以及水库周边都要求有防渗帷幕设计.4)帷幕灌浆的工程量巨大.溶蚀砂化地质层的防渗帷幕深度大、帷幕设计轴线长导致灌浆工程量巨大.5)灌浆施工繁复.溶蚀砂化地质条件下,由于地质复杂,施工中必须根据勘探钻孔的岩层特点,选择对应的灌浆工艺.

水布垭水电站右岸的大坝防渗帷幕主要分为两部分,分别是上游和下游防渗帷幕.而右岸的上游防渗帷幕的位置在坝基上游纵向灌浆廊道以及大坝坝肩山体内高程为985 m和1 141 m的灌浆平洞.防渗帷幕的设计方式为悬挂式,且帷幕的底端直达透水率低于3.0 Lu的相对不透水层,且深入3.0～5.0 m,孔位的设计方式为3排梅花形,孔排距为1.5 m,孔距为2.0 m,最大孔深为146 m.下游防渗帷幕的位置在坝基下游纵向灌浆廊道内,同样采取悬挂式的防渗帷幕,孔位采取两排梅花形设计,排距、孔距与上游帷幕相同,最大孔深为61.0 m,其他孔深在下游最大水头的0.5～10倍范围内.

2.4 灌浆方法

2.4.1 灌浆施工次序

在帷幕灌浆施工中,必须遵循施工工艺次序的原则,也就是先逐渐缩小孔距、再钻孔逐步加密.按照上述原则设置施工顺序的优点较为明显,首先灌浆的浆液能够逐渐挤压,浆液更加密实,有助于提升帷幕的完整和连续[1];其次,灌浆次序的增加,提高了灌浆的压力,能够更好地扩散浆液,促进浆液与岩石的紧密结合,提升了其粘结程度.通过分析各次序孔的单位灌浆量、透水率能够有效地了解灌浆质量与效果,从而确定灌浆钻孔的数量以及钻孔的深度,有助于后期施工.

2.4.2 灌浆方法

水布垭水电站的大坝坝基所在区域的地质非常特殊,存在溶蚀砂化条带裂隙发育.由于岩石的破碎引起钻孔的不稳定,因而自下而上的卡塞灌浆法不适用,因此,施工中选择了自上而下孔口封闭高压循环灌浆法.高压灌浆会对水泥浆的力学特性造成变化,因此在实际施工中要求选择设备和管路要求更高的、专门的孔口封闭装置.采取高压循环灌浆法能够减少因绕赛返浆引发的安全问题,同时灌浆中压力要控制好,压力要围绕灌浆位置的深度变化而及时调整[2].与此同时,高压循环灌浆法也存在一定的不足,例如,灌浆操作结束后存在一段待凝时间,灌浆工作与钻孔交替施工,致使工期延长.

2.4.3 灌浆材料

灌浆采用的水泥为P.O42.5普通硅酸盐水泥,水泥的质量满足GB175—2007(1)《通用硅酸盐水泥》的要求,且水泥细度经试验表明过80μm方孔筛的余量在5%以内.另外,每一个批次的水泥都要进行取样检查,检测的项目包括水泥抗压强度、抗折强度、凝结时间、体积的安定性、标准稠度、标准细度和密度,并且上述项目对应的时间分别为第3天和第28天.取样规则为每200 t相同品种、相同强度等级的水泥抽检一次.每一批水泥只有检测合格后才能够使用.另外,磨细水泥则是利用P.O42.5普通硅酸盐水泥进行湿磨法磨细,磨细水泥要求比表面积大于7 500 cm2/g,D 50<5～8μm,Dmax<30μm,磨细水泥浆液灌浆时在灌浆部位随磨随灌.灌浆中,遇到渗水或者涌水等问题时,尤其是较为严重的位置,可以通过掺入水玻璃等速凝剂解决.稳定浆液的制作是先将普通浆液快速进行搅拌,随后加入助剂[3].稳定浆液的配置比例以及对应的力学特征见表1.

表1 稳定浆液配合比及力学性能

2.5 灌浆工艺

1)用于灌浆的浆液浓度要遵循由稀到浓的原则,逐渐变化.水灰比共分为4个等级,分别为2∶1、1∶1、0.8∶1、0.6∶1.其中,II序孔的选用2∶1的浆液开始灌注,III序孔则采用3∶1的浆液开始灌注.

2)帷幕灌浆以小口径钻孔,封闭孔口后采取分段方式从上而下进行孔内循环高压灌浆法进行灌注,灌浆的最大压力值为4 MPa.其中,大坝趾板部位先采用均布锚杆加全面固结灌浆等措施后,将浅层灌浆压力提升到1.0 MPa以上.

3)对于接触段、优先灌排I序孔2～10 m灌浆段以及注入率高于30 L/min的其他孔段,选择分级升压的设计方式,逐步增加压力直到达到设计压力值为止,且压力提升的速度要控制且稳定在0.5 MPa/10 min以内.在逐渐升压的过程中,每一级压力的灌浆时间都不能少于15 min,与此同时其他孔段的灌注压力要在短时间内增加到设计压力值.

4)在某一比级浆液注入量达到或者超过300 L,或者灌注时间已经达到30 min,但灌浆的压力和注入率无明显变化时,应该更换浓度更高一级的水灰比浆液灌注.当注入率已经超过30 L/min时,可根据灌浆的实际情况选择更高级浓度的浆液灌注.

5)基于规定的压力,注入率低于1 L/min的持续灌浆,30 min后能够结束灌注,长时间无法达到结束标准时,需要冲孔重新灌浆.

6)每一个帷幕灌浆孔灌注结束时,需要检验,验收合格后使用0.5∶1普通水泥浆液对灌浆孔进行灌浆,所有浆液灌注完成后将灌浆孔封闭.灌浆孔封闭的压力选择最大值,且封孔时间为1 h.

3 结果与讨论

通过对灌浆成果分析发现,单位吸水率在0.001 L/(min·m·m)以内的孔段占比为9.5%,单位吸水率在0.001 L/(min·m·m)至0.005 L/(min·m·m)之间的孔段占比为74.8%,而单位吸水率在0.005 L/(min·m·m)与0.01 L/(min·m·m)之间的孔段数量占比为11.5%,单位吸水率超过0.01 L/(min·m·m)的孔段数量占比为4.2%.另外,单位注入量小于5 kg/m的孔段占比为75%,高于5 kg/m的孔段占比为25%,大于10 kg/m的孔段占比为10%.单位吸水率低于0.01 L/(min·m·m)的孔段频率大于35%,换言之,超过95%的孔段灌浆前的防渗性能符合设计的要求.同时,孔序加密后单位吸水率以及单位注入量较小的孔的频率不断增加,而单位吸水率、单位注入量数值较大的孔的频率则出现了下降的特点.变化趋势与规律与一般灌浆规律一致,由此可知,在可灌性较差的岩石中,水泥灌浆能够发挥出防渗的作用,灌浆效果较好.另外,平均单位注入量较低,但是大于5 kg/m单位注入量的孔段占比相对较高,说明在岩石中水泥填充了较大的空隙.水布垭水电站的地质较为特殊,完成帷幕灌浆后,对检查孔进行了压水实验,结果显示超过55%的孔段的P-Q曲线为升孔曲线凸向2轴,降压曲线以及升压曲线不在同一位置,表现出逆时针的环状.在升压过程中,细粉砂岩以及夹泥能够吸收水量,此时吸水趋于饱和,因此降压中吸水量减少,出现多数孔段P-Q曲线呈现出充填的特征,与地层特征相耦合.

在本次研究中发现,帷幕灌浆中可能存在一定的问题,例如钻孔时出现坍塌、渗漏等问题;灌浆时出现灌浆孔连通等.当出现问题时需及时排查.在断裂构造发育带、溶蚀条带处的钻孔可能出现坍塌、渗漏或者是掉块等问题,因此要及时停止钻孔并查明原因.在一般情况下,可对每段长度进行压缩,然后灌浆处理,待灌注结束后再完成下一段的钻孔和灌浆操作.

钻孔、灌浆中如果出现灌浆孔连通,需查明串通的数量和范围.如果串浆孔能够灌浆,应泵、孔同时灌浆.如果串浆孔不具备浆液灌注的能力,要先将串浆孔堵塞.在灌浆孔的灌浆操作结束后,再对串浆孔进行冲洗,最后继续完成钻孔和灌浆操作[4].

对于涌水的孔段,在灌注前要测量涌水的压力和流量,结合涌水情况进行科学处理.通常处理的方法主要有9种,分别是降低分段的长度、提升灌注的压力、采用纯压式灌注(避免射浆管中的浆液凝固)、灌注浓浆或者是稳定浆液、灌注速凝浆液、屏浆(依据相关规定和标准,在完成操作后要保持原浆液浓度和压力,持续灌浆一段时间,确保填充的有效性,有助于裂隙处浆液的凝固,以防水泥随涌水流出)、闭浆(完成屏浆和灌浆操作后,要立即关闭进回浆阀门,使钻孔内的浆液始终处于受压的状态,待浆液初凝压力完全消失后再将孔口装置拆除)、待凝(涌水浆液与灌浆的压力决定了待凝时间,一般条件下36～48 h可结束)、及时封孔[5].

当部分孔段的注入率大、灌浆不能正常完成时,应该先停止灌注操作,检查影响灌浆范围内的岸坡、结构分缝、冷却水管以及地下洞井等,如发现串通,在相关处理后可恢复浆液灌注.再次灌浆时,要选择低压、浓浆、限流、限量、间歇灌浆的方法进行灌注,特殊情况时可掺入适当的速凝剂进行灌注.处理结束后,在待凝24小时后再重新扫孔补充灌浆.灌浆时,要及时地汇报灌浆情况,进而结合当地的地质条件,确定是否还需要补充钻孔、灌浆.灌浆操作中,当发现回浆变浓时,要改变浆液的浓度,重新使用回浆变浓前的水灰比的新浆液进行灌注;如果处理后依然回浆变浓,可选用3∶1的磨细水泥浆液灌注.

4 结 语

水布垭水电站地质较为特殊,在使用帷幕灌浆法时要结合地质条件与工艺特点,设计出科学合理的施工方案.施工中严格遵循既定的帷幕灌浆施工工艺和参数,及时、有效地处理特殊地质造成的浆液失水返浓、冒水涌水等现象,有助于提升工程的质量,保证施工的安全.实际结果显示,水布垭水电站的大坝帷幕灌浆的防渗效果较佳,缓解了坝基的渗漏问题,为水电站稳定、安全、经济地运行提供了保障.