金沙水电站大坝基础帷幕灌浆设计与施工

肖伟 刘烁楠 李洪斌 蔡汉生

摘要：金沙水电站坝基卸荷裂隙分布范围广，发育深度大，且存在F9断层带、不整合面等地质缺陷，是产生坝基渗漏的主要通道。为解决绕坝渗漏问题，研究并提出了适于金沙水电站坝基及两岸防渗帷幕灌浆的设计及施工技术。经压水试验检查及物探声波测试，帷幕灌浆满足设计要求，防渗效果良好。

关键词：坝基渗漏; 帷幕灌浆; 压水试验; 金沙水电站

中图法分类号：TV543.5 文献标志码：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.03.008

文章编号：1006 - 0081（2022）03 - 0032 - 05

0 引 言

在岩石地基上筑坝时，为了防止坝基渗漏，多采用灌浆方法建造防渗帷幕，简称“灌浆帷幕”。利用这种防渗措施，并与排水相结合，能够有效减少大坝基岩渗漏、降低扬压力[1]。

防渗工程设计的合理性和施工质量往往决定了水利水电工程能否正常发挥效益，且防渗工程属于隐蔽工程，质量控制难度大，一旦蓄水后发生大规模渗漏，将很难处理或代价巨大。因此，防渗工程是水利水电项目的关键工程[2-4]。为了保证防渗工程质量，在进行防渗帷幕的大面积施工前，一般均要求开展现场生产性试验，验证和优化设计参数，并采取灌前、灌后压水试验、物探声波测试等方法进行质量检测[5]。

根据以往工程经验，按照规范要求的防渗帷幕布置原则与方法，对金沙水电站坝基开展了防渗帷幕设计研究及质量检查。

1 工程概况

金沙水电站位于金沙江干流中游末端的攀枝花河段上，正常蓄水位为1 022.00 m。大坝为混凝土重力坝，坝轴线长392.5 m，共分15个坝段，包括溢流坝段、非溢流坝段、河床式电站厂房及安装场坝段、纵向围堰坝段、生态泄水孔坝段等;坝顶高程1 027 m，最大坝高66 m。大坝坝基防渗采用垂直帷幕灌浆的方式，防渗帷幕轴线总长611.0 m。

金沙水电站坝基（肩）渗控处理难度较大，河床正长岩中卸荷裂隙分布范围广，深处仍存在中至强透水岩体，多段压水不起压，防渗深度大，深孔成幕施工难。左坝肩F9断层性状较差，透水性较强，灌浆单耗大;局部坝段底部存在风化深槽，灌浆钻孔易发生塌孔、掉钻或失水等。

2 坝基工程地质条件

金沙水电站坝址属中山峡谷地貌，山高坡陡，坝基左岸与河床基岩为华力西期正长岩，全强风化带裂隙发育，透水性较强;其下弱、微风化带岩体裂隙较发育，透水性弱，为相对隔水层。左坝肩发育顺河向F9断层，其构造岩胶结较差、透水性较强，有沿此断层破碎带产生渗漏的可能。河床以下正长岩岩体因卸荷造成的裂隙相对发育且有微张，导致较深处仍存在中至强透水岩体。

右岸坝肩基岩为丙南组[T53b]～[T73b]段，[T73b]段岩性为粉砂岩、细砂岩，裂隙不甚发育，岩体透水性较弱;[T53b]～[T63b]段岩性为细砂岩、中粒岩屑砂岩夹粉砂岩、粗砾岩，裂隙较发育，多沿裂隙有溶隙现象，透水性较强。[T53b]和[T63b]段岩体钻孔压水试验有全孔不起压的现象，岩体透水性较强。右岸坝基下尚有部分丙南组地层及不整合界线分布，不整合面上多有泥钙质粗砂岩分布，局部透水性较强，有沿不整合面产生坝基渗漏的可能。

3 防渗帷幕设计

3.1 防渗标准

根据NB/T 35026-2014《混凝土重力坝设计规范》，帷幕防渗设计标准为：河床坝段、两岸延伸部分灌后基岩透水率按q≤3 Lu控制。

3.2 防渗线路布置

防渗帷幕沿基础廓道布置，出坝端后向左岸山體延伸62.5 m，向右岸山体延伸148.0 m;工程防渗帷幕轴线总长611.0 m。

3.3 防渗帷幕底线

选取帷幕最深处剖面，采用有限元方法计算渗流场。建立宽度为2 m的准三维模型，有限元网格节点数9 904个，单元7 590个。分别选择帷幕底线高程871， 881， 891 m和911 m处进行防渗效果分析，最终确定防渗帷幕底线。

3.3.1 计算参数

上游水位采用正常蓄水位1 022.00 m，下游采用最低水位995.35 m。高程876 m以下地层渗透性概化为5 Lu，高程876～886 m之间地层渗透性概化为10 Lu，高程886 m以上至坝基间渗透性概化为20 Lu。

3.3.2 计算成果

准三维有限元渗流计算得到帷幕底线高程为871 m的岩体内渗流场等势线见图1，底线高程为881， 891 m和911 m的岩体内渗流场分布规律基本相似。

计算结果表明：帷幕底端附近，渗流场水头分布相对密集，坝基帷幕防渗效果比较显著。帷幕底线高程从871 m抬高至881， 891 m和911 m时，计算模型2 m宽度范围的渗流量从0.55 m3/h逐渐增加到0.83 m3/h，因此帷幕深浅对渗漏量的影响明显。为保证渗控体系的长期有效性及大坝的安全，防渗帷幕最深处底线高程确定为871 m。

3.3.3 帷幕底线设计

结合渗流计算成果，帷幕底线按深入3 Lu线以下5 m、且不小于0.4倍水头控制，断层及其影响带、局部透水性较强部位适当加深。各部位防渗帷幕设计底线高程如下：第1排帷幕底线在厂房坝段最深处为高程871 m，向左岸以34.6°的斜线形式升至高程924 m;由高程924 m水平延伸至厂房安装场2号坝段后，升至高程1 012 m处左岸帷幕端点;向右以33.7°的斜线形式抬升至纵向围堰坝段右侧高程940 m。然后按高程940 m延伸至帷幕右岸端点。

安装场坝段、厂房坝段、河床溢流坝段纵向围堰坝段、右岸溢流坝段第2排帷幕在河床部位深度为第1排帷幕深度的2/3;生态泄水孔坝段以右两排帷幕等深，底线为高程940 m。帷幕底线布置如图2所示。

3.4 帷幕孔布置

左岸非溢流坝段及左岸坝肩山体采用单排布孔，孔距2 m，均为竖直孔，最大孔深67 m。安装场坝段、厂房坝段、河床溢流坝段、纵向围堰坝段、右岸溢流坝段、右岸非坝段及上体段采用双排布孔，孔距2.5 m，排距0.4 m。安装场左岸端部有7孔为斜孔，其它段均为竖直孔，最大孔深90 m。

4 帷幕灌浆施工

（1） 现场灌浆试验。为确定适合本工程的灌浆参数及施工工艺，制定灌浆施工难题的处理预案，选择5号坝段开展帷幕灌浆生产性试验。试验区长40.2 m，宽3.0 m，灌浆孔间距2.5 m，排距0.4 m，分三序施工。经试验，最终确定了帷幕灌浆孔的布置方式、灌浆分段、灌浆压力、浆液配比等试验参数及灌浆工艺。

（2） 施工方式。河床坝段帷幕均在基础灌浆廊道内施工;左岸非溢流坝段、右岸非溢流坝段帷幕在坝顶施工;左、右坝肩帷幕在坝肩公路上施工;左、右岸山体段帷幕在灌浆平洞内施工。各部位帷幕灌浆孔均分三序施工，先下游排、后上游排。

（3） 钻孔孔斜控制。帷幕灌浆钻孔最大孔深达90 m，需采取可靠的孔斜控制措施，重点控制钻孔前20 m以内的偏差。如发现钻孔偏斜超过规定时，应及时纠偏;纠偏无效时，重新钻孔。孔斜控制措施主要包括严格控制开孔角度，确保钻机平稳、不偏移，尽量使用长钻具，第2段变径时增加导向管，动态控制钻进压力、转速、冲洗液排量等，钻进深部时减压或负压钻进。

（4） 灌浆方法。灌浆孔的第一段采用常规“阻塞灌浆法”进行灌浆，在建基面处用止浆塞阻塞。第二段及以下各段采用“小口径钻孔、孔口封闭、自上而下分段、孔内循环法”灌注。帷幕灌浆孔孔口管段为Φ91 mm，以下各段钻孔为Φ56 mm;先导孔的孔口管段为Φ110 mm，以下各段为Φ76 mm。

（5） 浆液和变换。帷幕灌浆采用普通水泥浆材灌注，水灰比（重量比）采用3.0∶1.0，2.0∶1.0，1.0∶1.0， 0.7∶1.0， 0.5∶1.0五个比级，开灌水灰比一般采用3.0∶1.0。

（6） 灌浆压力。帷幕灌浆最大灌浆压力为3.0 MPa（第4段及以下），各灌段灌浆压力详见表1，表中灌浆压力指安装在孔口回浆管上压力表所示的压力值。

（7） 灌浆结束标准。灌浆段在最大设计压力下，注入率≤1 L/min后，继续灌注30 min即可结束灌浆。

（8） 灌浆孔封孔。帷幕灌浆封孔采用“全孔灌浆封孔法”。封孔灌浆压力采用该灌浆孔的最大灌浆压力。使用新鲜的普通水泥浆液封孔，水灰比0.5∶1.0。

帷幕灌浆累计基岩长度33 386.51 m，平均单位耗灰量为323.57 kg/m，其中Ⅰ，Ⅱ， Ⅲ序孔单位耗灰量分别为596.1， 357.6 kg/m和144.2 kg/m，Ⅲ序孔单位耗灰量相对较小。各单元单位耗灰量和灌前平均透水率总体逐序递减，符合灌浆一般规律。

5 风化深槽帷幕灌浆处理

风化深槽部位帷幕灌浆钻孔时，发生了塌孔、掉钻和失水等问题。经研究及现场生产性试验验证，采用浓浆开灌、低压、限流、间歇灌浆、待凝、复灌、缩短段长等措施，可解决风化深槽帷幕灌浆问题。

根据灌前压水试验钻孔掉钻和失水严重程度，及灌前压水注入率大小，采用不同开灌水灰比，具体如表2所示，并在灌浆过程中根据具体情况采用延续灌浆或变换浆液浓度方法灌注。

6 帷幕灌浆效果分析

对于混凝土重力坝，防渗帷幕灌浆效果合格的主要检查标准为：① 幕体的防渗性及透水率达到规定要求;② 幕后扬压力观测值达到规定要求;③ 如两个条件均满足要求时，则认为灌浆帷幕质量合格。渗透性能检查主要以孔压水试验为主。水库蓄水后，根据坝址区及两岸布设的观测孔水位及渗压监测成果，推算幕后扬压力是否达到设计要求，也可作为判断防渗帷幕灌浆质量的依据。近年来由于物探技术的高速发展，在大坝基岩灌浆质量检查中被广泛应用，取得了有益的成果且具备了成熟的经验[1]。因此，金沙水电站帷幕灌浆质量检查主要以孔压水试验为主，结合物探测试等进行综合评定。

（1） 检查孔布置。压水质量检查孔数不少于灌浆总孔数的10%，与相邻灌浆孔等深。质量检查孔压水试验采用单点法，自上而下分段阻塞进行。压水试验段长一般第1段为2 m，第2段为3 m，以下其余各段为5 m。

（2） 检查合格标准。质量检查合格标准为透水率q≤3 Lu。其中第1段（接觸段）及其下一段的合格率为100%，以下各段合格率为90%以上。不合格孔段透水率q≤4.5 Lu，且不集中。对比灌前、灌后物探测试，按灌后基岩波速值提高率≥3%控制。

（3） 检查结果。压水检查成果如表3所示，物探声波测试成果如表4所示。

（4） 灌浆效果分析。由表3的帷幕灌浆灌后压水检查成果可知，除11号坝段出现不合格孔段外，其他各坝段单元压水检查透水率均满足小于3 Lu的设计要求;11号坝段为帷幕灌浆生产性试验部位，最大透水率小于4.5 Lu，且不集中，合格率90%以上，因此评定11坝段帷幕灌浆合格。由表4的坝基帷幕声波检测成果可知，帷幕单孔声波、跨孔声波灌后提高率均大于3%。

截至2021年9月，大坝基础廊道帷幕后各测压管实测渗压水头为6.48～38.18 m;3，6， 8， 9号坝段帷幕后渗压计测得渗压水头为10.81～49.18 m。经计算，坝基扬压力折减系数均大于0.35。大坝基础部位的总渗漏量为3.639 L/s，小于抽排设计流量的23.600 L/s。

压水检查及物探测试成果表明，帷幕灌浆均满足设计及规范要求。根据监测成果可知，坝基帷幕整体防渗效果较好，满足渗控设计要求。

7 结 语

（1） 金沙水电站帷幕灌浆Ⅰ， Ⅱ， Ⅲ序孔单位耗灰量、灌前透水率总体逐序递减，符合灌浆一般规律。压水透水率及灌浆单位注入量的大小均与地质条件相吻合。

（2） 风化深槽部位采用浓浆开灌、低压、限流、间歇灌浆、待凝、复灌、缩短段长等措施后，灌浆效果良好。

（3） 经压水试验及物探测试，验证得到帷幕灌浆压水检查透水率、声波检测结果均满足设计要求。

（4） 根据渗流监测可知，坝基扬压力折减系数均达到设计要求，帷幕整体防渗效果较好。

参考文献：

[1] 孙钊.大坝基岩灌浆[M]. 北京：中国水利水电出版社，2004.

[2] 王汉辉， 邹德兵， 夏传星，等. 水利水电工程中防渗帷幕布置原则与方法[J]. 水利与建筑工程学报， 2010， 8（6）：117-120，130.

[3] 袁素梅，左凤霞，王建勇，等.大兴水利枢纽工程大坝基础防渗帷幕灌浆设计与施工[J]. 水利水电工程设计， 2019，38（3）：36-38， 64.

[4] 李国良，唐存军.大朝山水电站大坝基础防渗帷幕灌浆设计与施工[J]. 云南水力发电，2001，17（4）：45-51.

[5] SL 62-2014 水工建筑物水泥灌浆施工技术规范[S].

（编辑：高小雲）

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