夹岩水利枢纽工程库首帷幕灌浆试验成果分析及应用

2020-10-20袁晓楠袁宗洪

水利水电快报 2020年9期

袁晓楠袁宗洪

摘要：在水库大坝施工中，对坝基进行帷幕灌浆是防渗处理的主要措施。概述了夹岩水利枢纽工程在泥质粉砂岩地层中进行帷幕灌浆施工试验的技术要求、孔位布置、灌浆材料、施工工艺、特殊情况处理，对试验成果进行了分析，提出了设计方案和施工参数优化建议，为后期坝段其他部位的灌浆施工提供了有效参数。

关键词：坝基防渗;帷幕灌浆;夹岩水利枢纽工程;贵州省

中图法分类号：TV543.5文献标志码：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2020.09.018

Abstract： Curtain grouting that stops leakages in the dam foundation is a major anti-seepage technique， which is often employed in the construction of reservoir dam. This paper briefly describes the geological， hydrological and meteorological conditions of the dam site area of the Jiayan Hydro-complex Project， and introduces the technical requirements， layout of the drilling holes， grouting materials，construction technologies， special cases treatments and experiment results analysis， puts forward curtain grouting design scheme and suggestions on optimizing construction parameters. The analyzing results provide useful parameters for the grouting of other parts of the dam section.

Key words： dam foundation anti-seepage; curtain grouting; Jiayan Hydro-complex project; Guizhou Province

1 研究背景

1.1 工程概况

夹岩水利枢纽及黔西北供水工程（以下简称“夹岩工程”）包括水源枢纽工程、毕大供水工程、灌区骨干输水工程3个部分。水库大坝坝址位于贵州省毕节市七星关区与纳雍县交界的乌江支流六冲河中游河段上，水库集水面积4 312 km2。大坝为混凝土面板堆石坝，坝顶高程1 328 m，最大坝高154 m。水库正常蓄水位1 323 m，死水位1 305 m，水库总库容13.23亿m3，灌溉面积6万hm2（90.03万亩），电站装机容量90 MW。

水源枢纽工程总体布置为：在河床布置混凝土面板堆石坝;左岸布置开敞式溢洪道、泄洪洞和放空洞;右岸布置发电引水系统和坝后电站厂房。为解决大坝防渗问题，沿大坝趾板布置防渗帷幕，并向两岩山体延伸约250 m。

1.2 地质条件

坝址区两岸地形呈“V”字形，基岩裸露，地形坡度36°～42°。地质岩性主要为T1f2—3—3紫红色泥质粉砂岩和T1f2—3—2中厚层细砂岩。岩层产状300°～306°∠26°～31°，强风化岩体深度10～15 m，节理裂隙较发育，强风化岩体结构以碎裂状为主，完整性差，岩体压水透水率在10～33 Lu之间，局部达50 Lu，属强至中等透水层;弱风化岩体深度16～20 m，岩体结构以中厚层夹薄层状为主，透水率多在3 Lu以下，埋深在基岩面16～20 m以下。趾板线高程1 315 m发育f12压性断层，根据平硐及地表公路开挖揭露，断层破碎带宽度0.3～0.5 m，影响带1～5 m，破碎带及影响带岩体较破碎，为碎裂状岩体[1]。

1.3 水文和气象条件

坝址区河床段地下水位较浅，两岸山坡较深，无地下水出露。但降雨后一段时间，临时出水点较多。因左岸为顺向坡，降雨后出水点尤其多。根据坝址上游赫章站气象资料，工程区域多年平均气温13.3℃，极端最高气温36.4℃（1988年5月6日），极端最低气温-10.1℃（1977年2月9日）。多年平均降水量849 mm，年平均日照时数1 415.6 h，大风日数10.1 d，全年无霜期246 d，最大积雪深度14 cm[1]。

2 帷幕灌浆试验目的

（1）验证设计确定了帷幕灌浆浆液类型、水灰比的可灌性;推荐适宜的灌浆材料和最优浆液配合比。

（2）验证设计方案的可行性，包括布孔间排距、灌浆压力等参数选择的可行性。

（3）论证帷幕灌浆所采用的方法及技術参数的可行性、效果可行性以及经济合理性，提出灌浆施工方法以及符合实际的施工工艺（灌浆机具设备选用等）。

（4）研究特殊地质条件如岩石破碎带、断层的灌浆材料及工艺控制要求。

3 帷幕灌浆试验设计

3.1 总体设计方案

工程帷幕两端端点接水库正常蓄水位与地下水位交点，防渗帷幕线总长1 186.01 m。其中两岸山体即右岸帷0+000.00～帷0+145.47、左岸帷0+936.134～帷1+186.016段帷幕为单排布置，灌浆孔间距2 m;大坝范围沿趾板线布置，帷0+145.47～帷0+936.134段帷幕为双排布置，排距1.5 m，孔距2 m，梅花形布置。防渗下限两坝肩按岩体压水吕容值q=3 Lu等值线以下5 m控制，坝体范围按岩体压水吕容值q=3 Lu等值线以下10 m控制。帷幕钻孔57 519.56 m，灌浆进尺55 264.07 m[1]。

3.2 試验区设计

根据设计意见，帷幕灌浆试验区选在趾板水平段第28单元（孔号为W272～W281、W793～W802，桩号为帷0+542.22～帷0+562.22）进行帷幕灌浆生产性试验。孔位布置见图1。试验区孔位布置及地质剖面见图2。

3.3 试验区灌浆参数

（1）灌浆采用纯水泥浆浆液，初步拟定浆液的水灰比为5∶1，3∶1，2∶1，1∶1，0.7∶1，0.5∶1共6个比级，可根据试验情况作适当调整。浆液变换遵循由稀到浓的原则，逐级改变，开灌水灰比为5∶1。浆液水灰比变换及结束标准按照SL 62-2014《水工建筑物水泥灌浆施工技术规范》[2]执行。

（2）设计灌浆压力为2.5～3.0 MPa，灌浆压力与灌浆段长的对应关系见表1。

（3）其他技术要求遵照《水工建筑物水泥灌浆施工技术规范》。

（4）灌浆结束14 d后，检查孔压水试验以检查灌浆质量，结合灌浆资料分析综合评定灌浆试验效果。

4 帷幕灌浆施工

4.1 施工顺序

试验按照“分排、分序、加密”的原则施工，即先下游施工排，再上游施工排。排内分3序施工，首先Ⅰ序孔施工（下游排为依次施工先导孔、Ⅰ序孔），然后Ⅱ序孔施工，最后Ⅲ序孔施工，全部灌浆孔灌浆结束，待凝期满后进行检查孔施工。

4.2 施工工艺流程

先导孔施工顺序为：自上而下逐段钻孔取芯及压水至孔底，然后自下而上逐段分段卡塞灌浆。普通灌浆孔施工顺序为：自上而下分段钻灌，孔口封闭孔内循环法灌浆。试验段帷幕灌浆主要采用孔口封闭法。灌浆孔施工工艺流程为：钻机安装→第1段钻孔→第1段钻孔冲洗及裂隙冲洗→第1段压水试验→第1段灌浆→镶铸孔口管待凝3 d→第2段及以下各段钻孔、压水、灌浆→终孔段钻孔→终孔段→孔深检测及孔斜测量→终孔段灌浆→封孔→钻机转移至下一孔。

4.3 施工方法

4.3.1 钻孔

采用重钻XY-300地质回转钻机、金刚石或合金钻头钻孔。先导孔及检查孔采用金刚石钻头钻孔获取岩芯，进行地质及灌浆效果分析。普通灌浆孔则采用全断面合金钻头钻孔，以提高施工工效。

4.3.2 灌浆

采用ZJ300高速搅拌机制浆，制浆站统一制备0.5∶1的浓浆，机组灌浆时调配使用。采用3SNS三缸灌浆泵灌浆，成都鼎盛华瑞公司研制的JT-X型自动灌浆记录仪记录灌浆过程。

采用自上而下逐段钻灌法，钻一段灌浆一段。除第1段需镶铸孔口管待凝外，其余灌浆段若无涌水，上一段灌浆后不待凝，直接进行下一段钻孔、压水及灌浆施工，直至终孔段。

4.4 施工质量控制措施

（1）在项目部设置灌浆部，选派有经验的技术人员跟班指导、管理现场施工。

（2）挑选有经验的工人组成施工班组。加强作业人员的质量意识、大局意识。试验开始前工人进行培训和技术交底，经考核合格后才能上岗。

（3）选用成都鼎盛华瑞科技公司研制的JT-X型智能灌浆记录仪（见图3）记录压水及灌浆过程，自动采集灌浆压力、流量及浆液水灰比（比重），自动计算灌浆量、灌入水泥量，并具有超设计压力报警功能。

（4）定期对记录仪进行率定，并且每月现场自校一次。管路循环采用双流量计大循环方式连接，保证灌浆流量的准确度。灌浆压力以压力传感器采集为准，辅以压力表校核，若发现记录仪记录压力与压力表不一致，必须停止灌浆，查找原因并对其进行维修。

（5）灌浆孔开孔前，由项目技术人员对钻孔孔位偏差及开孔角度进行检查，符合要求后才能开钻。

（6）从第3段起，采用长钻具钻孔，保证钻孔孔斜率。每钻进15～20 m，用测斜仪自测孔斜，钻孔终孔后由监理工程师进行孔深验收，并在其见证下测量全孔孔斜情况。

4.5 灌浆施工特殊情况处理

在试验过程中，下游排2个Ⅰ序孔各1段钻孔出现塌孔、卡钻及部分失水现象，采取了缩小段长、浓浆直接灌注措施，另有2段在灌浆过程中均采取了间歇、限流、间隙措施。措施实施后，灌浆达到设计及规范要求。灌浆结束后，经检查孔压水，透水率满足设计要求，灌浆质量未受到影响。

5 试验成果统计分析

5.1 灌前压水试验透水率分析

各孔段在灌浆前均采用简易压水法进行了压水试验。各次序孔灌前压水试验成果统计见表2，其中，先导孔压水试验成果统计入Ⅰ序孔内。

由表2可得：

（1）下游排Ⅰ序孔灌前平均透水率为11.24 Lu，表明灌浆前试验段地层透水性较强，局部存在强渗水通道;

（2）下游排Ⅱ序孔灌前平均透水率比Ⅰ序孔下降42%，Ⅲ序孔灌前平均透水率比Ⅱ序孔下降62%，上游排Ⅱ序孔灌前平均透水率比Ⅰ序孔下降39%，Ⅲ序孔灌前平均透水率比Ⅱ序孔下降50%。上游排平均灌前透水率比下游排下降46%。表明灌前平均透水率随着施工次序的增加，递减明显，符合灌浆一般规律。

5.2 灌浆单位注入量分析

本次试验各次序孔、各孔段灌浆成果统计见表3。从表中可以看出：下游排Ⅰ序孔灌浆平均单位注入量为121.72 kg/m，Ⅱ序孔为57.76 kg/m，Ⅲ序孔为33.72 kg/m，下游排孔序之间分别下降53 %、42%;上游排Ⅰ序孔灌浆平均单位注入量为44.51 kg/m，Ⅱ序孔为34.13 kg/m，Ⅲ序孔为15.49 kg/m，上游排孔序之间分别下降23%、55%;下游排平均单位注入量59.59 kg/m，上游排平均单位注入量27.92 kg/m，上游排比下游排下降53 %。因此从Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ序孔灌浆平均单位注入量看，随着灌浆次序的增加，灌浆单耗呈递减规律，符合灌浆的一般规律。

5.3 檢查孔压水试验结果分析

帷幕灌浆质量检查在灌浆结束14 d后进行。根据监理工程师、设计单位通知，试验段（28单元）帷幕灌浆孔施工结束后，共布置2个检查孔。检查孔按照自上而下分段钻孔取芯，并进行五点法压水试验。压水试验成果统计见表4[3]。

表4表明：检查孔透水率符合设计标准不大于3 Lu要求，透水率最大值1.860 Lu，透水率最小值0.331 Lu，总平均透水率1.010 Lu，最大透水率小于设计合格标准，而灌前岩层平均透水率（下游排Ⅰ序孔）为11.24 Lu。统计成果表明：经过帷幕灌浆处理后，试验段岩体透水性达到了设计标准，而且大大低于设计标准，灌浆效果优于预期效果，灌浆压力有一定优化调整空间。

5.4 帷幕防渗底线防渗标准的满足情况

经对20个孔后2段透水率值分布情况统计可知：40段中有39段透水率值小于3 Lu，有1段（上游排800号孔倒数第2段即孔深48～53 m）透水率为3.01 Lu。经分析，作用在孔段上的压力大于记录仪记录压力（即透水率计算压力）可知：该段实际透水率值小于设计标准3 Lu，经设计认可，不再加深孔深。因此本试验段帷幕底线满足设计要求，实际帷幕底线进入岩体3 Lu以下不少于11.86 m（一般帷幕孔第十二段段长6.86 m，先导孔加深10 m）。

6 施工工效分析

本次试验从2019年11月26日至2020年2月3日，历时69 d，共完成帷幕灌浆孔钻孔1 207.60 m，灌浆1 187.20 m。投入2台钻机和1台灌浆泵，平均钻孔工效8.75 m/（台·d），平均灌浆工效17.21 m/d，钻孔及灌浆工效均中等偏快。

由于施工地层岩石硬度中等偏软，适合采用全断面合金钻头钻孔，钻进过程中不用起钻弃芯，钻进速度达到了2～2.5h一段（5 m）;加之该地层平均单位注入量为43.76 kg/m，总体注入量不大，因此钻孔效率较高，施工资源配置较为合理。

7 结论

（1）本次试验已按设计及规范要求完成，检查孔压水试验结果表明，试验段灌浆后透水率达到了设计标准。

（2）根据施工情况、过程资料分析及检查孔压水试验结果，工程帷幕灌浆采用的纯水泥浆液及水灰比从5∶1开灌基本合理，可用于指导后续帷幕灌浆施工。

（3）灌浆孔排、间距及灌浆压力基本合理，可适用于类似地质条件的灌浆孔布置及压力设置。

（4）根据对帷幕底线防渗标准的复核，试验段实际帷幕底线满足设计要求，设计底线合理。

（5）灌浆采用孔口封闭、自上而下孔内循环的灌浆法较为合理，在孔口镶铸孔口管，可以保证灌浆段在设计灌浆压力的稳定持续作用。

（6）对于注入量较大的孔段，在灌浆过程中采取了浓浆、间歇灌注法，不仅未对灌浆效果造成影响，还起到了加速灌浆的作用。

（7）施工中使用智能灌浆记录仪记录灌浆施工过程，可以准确记录灌浆压力、流量、水灰比等参数，确保了灌浆施工成果的客观性、准确性。

（8）工效分析表明，采用XY-300型地质钻机、全断面合金钻头钻孔、3SNS灌浆泵灌浆的工艺及设备配置是合理的，可用于指导后续施工组织。