苏丹麦洛维大坝基础钻孔灌浆研究

欧阳幸

（昆明市水利水电勘测设计院 650231）王碧峰（中国水利水电基础局有限公司 天津 301700）

李 杰

（中国华水水电开发总公司 北京 100054）

1 工程概况

苏丹麦洛维水电站工程（以下简称苏麦工程）位于苏丹北部尼罗河上，距离首都喀土穆480km。主要功能为发电和灌溉，装机容量为125万kW。挡水建筑物全长9285m，包括面板堆石坝、粘土心墙坝及混凝土重力坝三种坝型。从尼罗河右岸至左岸各类建筑物依次为：

2A标段：左岸土堤及左岸灌溉取水口、左岸面板堆石坝坝段、左岸粘土心墙坝坝段；

2B标段：厂房坝段、非溢流坝段、溢流坝段（溢洪道）；2C标段：右岸面板堆石坝、右岸土堤及灌溉取水口。苏麦工程业主为苏丹水利灌溉部。德国某咨询公司（以下简称德国公司）承担该工程的监理任务，并负责整个项目的设计及咨询工作。中国公司于2003年6月通过国际竞争性投标获得该项目全部三个土建标的施工合同。合同总价5.5亿欧元，总工期5年，执行国际通用的FIDIC施工合同条款。根据特殊合同条款规定，该项目的施工技术规范全部采用英国BS规范或美国ASTM规范。

2 工程地质条件

通过前期勘探（由前苏联地质勘探公司施工）及后期补充勘探发现，该地区以变质岩及火成岩为主，主要岩石类型如下：黑云母片麻岩、花岗片麻岩、伟晶岩（结晶花岗岩）、细晶岩（半花岗岩）、流纹岩、玄武岩。

面板堆石坝及混凝土重力坝坝区地质条件变化较大，基本无规律可寻。时有伟晶岩及细晶岩岩脉侵入黑云母片麻岩及花岗片麻岩岩体中间，使整个地层岩石呈现软硬不均的普遍迹象。表层岩石主要为黑云母片麻岩，风化严重较破碎、节理裂隙发育、遇水易软化崩解。

粘土心墙坝坝基位于尼罗河主河道上，宽841m。覆盖层最深达34.2m，主要由淤泥、粉细砂、中粗砂（含砾石）组成。基岩则以黑云母片麻岩及花岗片麻岩为主，基岩表面中度风化，较破碎、节理裂隙发育，透水性强，最大透水率达到95Lu。底部岩石（15m以下）较完整。

根据苏麦工程大坝的地质条件，设计单位德国公司认为必须对所有坝基作防渗处理。防渗处理的方案为钻孔灌浆。

3 坝基防渗处理方法——钻孔灌浆

钻孔灌浆是水利水电工程上常用而且有效的防渗堵漏方法，对于防止坝基渗流破坏，保持坝体稳定，并最终实现水库蓄水、有效发电起着很重要的作用。根据功能不同，灌浆分为固结灌浆、帷幕灌浆、接缝灌浆、回填灌浆等多种。苏麦工程坝基防渗主要涉及固结灌浆及帷幕灌浆。

我国的灌浆理论、灌浆方法具有自己的独有特点，其中有可取之处，但确实也存在一些值得商榷的地方。下面就以德国拉美尔公司设计的苏丹麦洛维大坝钻孔灌浆为例，分析其各自特点、与国内不同之处、产生原因，并提出一些个人意见。

3.1 钻孔

无论固结还是帷幕钻孔，为避免对构筑物钢筋造成破坏，在混凝土浇筑前均按设计规定的方位及倾角预埋直径为Φ80mm的PVC管。国内有不少项目没有采用预埋管，而是采用直接钻孔的方法。这与国外认为只要是构筑物内的钢筋，无论如何都不能人为破坏有关。应该说这样做还是比较可取的。直接钻孔一方面对钢筋造成破坏，同时钻进钢筋混凝土工效也比较低，容易损坏钻头，实际上成本比预埋PVC管要高。

3.1.1 固结孔

3.1.1.1 孔位布置

固结钻孔主要位于面板堆石坝的趾板上，分上、下游两排，孔位按梅花形布置。每排又分I、II、III序，排距1.0m，孔距1.5m。这与国内基本一致。

但德国公司设计的所有固结孔均为斜孔，根据不同地段方位及岩层走向不同，固结孔的方位角及倾角均有所不同（见下图）。这一点与国内大部分固结孔为直孔的做法差别比较大。经与现场德国咨询工程师了解，他们主要的想法是通过改变固结钻孔方位角及倾角，让钻孔轴线尽可能垂直于岩层裂隙面，这样会使固结灌浆的效果更佳。

趾板灌浆孔布置典型剖面示意图

德国公司的做法比较形象、直观。但实际上经过国内多年的实践及检查孔结果来看，斜孔与直孔相比，灌浆效果不是特别明显。但斜孔对钻孔的难度却增加很多。因而会降低工效，提高工程成本。建议根据具体情况，尽量采用直孔，不提倡采用斜孔。

3.1.1.2 钻孔方法

国内与国外都是采用风动冲击成孔，其特点是工效高，成本低。区别是国外的风动钻孔带除尘装置，比较注重环保，对人体危害较小。国内则是采用简单的手持式或气腿式冲击钻机。我国公司在苏麦工程工地上则采用的是自己改装的XY—2岩芯钻机，配空压机和潜孔锤。虽然价格便宜，但除尘装置简易落后。施工时，通过轮班作业的方式，尽量减少这种危害。

3.1.2 帷幕孔

苏麦工程大坝坝基帷幕钻孔的方位角及倾角根据岩层走向确定，以垂直于岩层走向并尽可能多的穿过岩层裂隙为最佳选择。根据此原则确定的帷幕灌浆孔方位角为90°，倾角为70°。国内一般情况下多采用直孔，斜孔比较少。国内普遍认为只要在帷幕轴线上，直孔与斜孔的灌浆效果相差不大。但在钻孔难度上，直孔较斜孔（特别是采用回转钻进方法时）相比容易。

对于帷幕钻孔的钻孔方法，我国的现行灌浆规范规定：“帷幕灌浆孔宜采用回转式钻机和金刚石或硬质合金钻头钻进，也可采用冲击式或冲击回转式钻机钻进，当采用后种钻进方法时，应加强钻孔和裂隙的冲洗。”国内规范主要是认为：冲击或冲击回转式钻进方法容易导致粉尘进入裂隙，不易冲洗干净，进而可能会影响灌浆质量。

而国外相关技术规范中明确规定：提倡使用冲击式或冲击回转式钻机钻进。这也是国外钻孔灌浆工艺中主流的钻孔方法，主要是因为这种钻孔方法工效高、单位钻孔成本相对较低。

实际施工中采用XY—2钻机配合潜孔锤进行冲击回转钻进，取得了比较好的效果。主要体现在以下两个方面：

a.钻孔工效大幅度提高。根据资料统计，纯钻工效达到5～6m/h，是常规回转钻进工效的7～8倍。大大加快了施工进度，同时也节约了钻孔成本。

b.地层适应性强。苏麦工程大坝的地质情况变化较大，从先导孔的钻孔经验可知，采用清水回转钻进，容易出孔内事故，施工工效相对较低。由于不使用清水，冲击钻进也能较好适应这种地层，即使在较破碎地层，除钻孔工效稍有降低外，基本没有太大影响。

在苏麦工程右岸面板堆石坝趾板灌浆生产性试验中，根据监理要求，在试验区域进行了回转钻进与冲击钻进的灌浆效果对比试验。经比较发现：除冲击钻进方法的钻孔冲洗时间稍长外，这两种不同钻孔工艺，其吸浆量基本没有差别（试验区内其综合平均单耗均为66.5kg/m左右）。

苏麦工程对比灌浆试验结果也再次表明：只要加强钻孔及裂隙的冲洗，冲击式钻进方法基本不会影响岩石的可灌性及灌浆质量。

3.1.3 取芯孔（先导孔及检查孔）

先导孔集中布置在I序孔上，间距为100m。检查孔则根据灌浆成果，选择布置在吸浆量较大的区域，其方位角与灌浆孔相差180°；倾向与灌浆孔垂直；孔深比灌浆孔深20m，以尽可能多地穿过帷幕灌浆孔为宜。这种布孔方式集中体现了形象直观的特点。但施工时钻孔难度比较大。

国内灌浆检查孔则很少采用这种布孔方式。考虑到大多数帷幕灌浆是垂直的，所以检查孔一般也是垂直的。

取芯钻孔采用XY—2型地质回转钻机，金刚石钻头清水钻进，孔径φ76；取芯采用澳大利亚进口的三管钻具，这种三管钻具在钻进过程中，内管不转，所以能有效地减少对岩芯的破坏，确保了技术规范中“在坚硬岩石中岩芯采取率不少于95%，在风化或破碎地层中不少于80%”的岩心采取率。实际钻孔过程中岩芯采取率均高于上述规定，较高的取芯率为真实了解原始地层情况及灌浆效果提供了条件。

国内取芯孔钻进则一般采用双管取芯钻具，在坚硬岩石中还可满足技术规范的要求，但在风化或破碎地层中则很难符合要求。从这个角度上看，国外在取芯上比国内要求更加严格。也更为科学。

3.2 灌浆

与国内相比，国外的灌浆理念还是有较大差别。主要体现在以下几个方面。

3.2.1 对浆液原材料质量要求高

a.水泥。要求比表面积不小于3500cm2/g（ASTM C 204），通过No.200目（0.075mm）美国标准筛的筛余量为0。

而国内灌浆规范中对普通硅酸盐水泥的细度要求为：通过80μm方孔筛的筛余量不大于5%。对比表面积则没有规定。

国外对灌浆水泥的要求比国内明显要严格，通过对比表面积及筛余量同时进行限定，即可保证水泥的细度，又能保证水泥颗粒的均匀性。这一点应该比国内仅仅规定筛余量更为科学。

b.膨润土。采用天然钠基膨润土，符合美国石油协会标准，见表1。

表1 天然钠基膨润土性能指标

从表1中可以看出，这种天然钠基膨润土比国内一般钙基膨润土质量要好很多，尤其是液限比较高，对改善水泥浆液的稳定性起着至关重要的作用。国内灌浆规范中对用于稳定性浆液中的膨润土（国内大多是钙基膨润土）则没有提出明确要求。

c.外加剂。采用中国浙江龙游五强外加剂厂生产的ZB—1型缓凝高效减水剂。该产品符合中国GB 8076—1997一等品和美国ASTM C494 C、E、F型标准。其主要成分是β－萘磺酸盐甲醛缩合物。棕褐色粉剂，具有减水、缓凝及增塑作用。

苏丹气候较炎热，ZB—1型减水剂的使用可以有效地改善稳定性浆液的流动性，延长初凝时间。该产品价格比较昂贵，国内价格一般为8000～9000元/t。

国外水泥浆液中根据需要也添加一些外加剂，但品质要低得多。

3.2.2 采用稳定性浆液

德国公司技术规范明确规定，该工程灌浆必须使用稳定性浆液。这也是国外比较常用的灌浆材料。配合比通过现场实验室试验确定。经过多次试验，选定的最优配合比见表2。

表2 稳定性浆液配合比及物理性能

实际施工过程中，对1∶1的稳定性浆液，其外加剂掺量根据气温情况可以在0.25%～0.50%之间调整。正常情况下，只采用1∶1的稳定性浆液。只有在该段泵入率大于30L/min且注入量超过限定值（600L）时，才考虑变浆。整个苏麦工程大坝基础灌浆中，基本没有使用0.8∶1及0.6∶1的稳定性浆液。

虽然国内近些年也开始使用稳定性浆液，但大部分钻孔灌浆工程还是采用普通水泥浆液（多种配比、逐级变浓；需经常变浆，不便操作）。事实上稳定性浆液确实有许多优点，如配比单一、操作简单；浆液稳定性好、泌水少，形成的水泥结石均匀，裂隙充填性好。建议根据项目的适应性，在试验的基础上大规模推广使用。

3.2.3 灌浆方法简单、工效高

苏麦工程大坝帷幕灌浆几乎全部采用自下而上分段卡塞纯压式灌浆方法；只有确实由于地层原因无法钻至孔底的孔段才进行先灌注，待凝后继续钻进至孔底，然后再回到自下而上的灌浆方法上来。整个苏麦工程大坝钻孔灌浆实施过程中，这类孔所占比例不到1%。这一点与国内普遍采用的小口径钻孔、孔口封闭、自上而下循环灌浆有较大的不同。

此外，德国公司监理工程师对灌浆段长的控制弹性比较大。卡塞时，如由于地层原因卡塞不牢，或灌浆过程中出现绕塞返浆，可以上下2m范围内移动灌浆塞，直至卡牢为止。

与国内常用的自上而下灌浆方法相比，这种灌浆方法主要优点是无需待凝、不间断灌浆（卡塞时间除外）、没有重复钻进、弃浆少，既有利于提高工效，又降低材料成本。缺点当地层条件不好时，卡塞困难，严重的甚至出现绕塞返浆现象，造成孔内事故。

3.2.4 灌浆压力较低

与国内常见的高压灌浆理念不同，德国公司在设计时采用了较低的灌浆压力。经在现场与德国公司地质总工程师Dr.Paul处了解得知，这主要源于国外提倡充填灌浆，一般只想将灌浆过程控制在岩石临界压力以下进行（不主张劈裂岩石），且认为一定程度的渗漏并不会对整个大坝安全构成致命威胁。他们还认为，超出岩石临界压力进而将岩石劈裂进行灌浆是不必要的，甚至是危险的。

虽然现场监理工程师多次要求对岩石进行临界压力测试，即找出发生水力劈裂时的临界压力点。但由于苏麦工程大坝地质条件变化较大，最终也很难找到符合实际的临界灌浆压力。即便如此，整个灌浆仍在低压下进行。苏麦工程大坝帷幕灌浆各段次相应的灌浆压力见表3。

表3 帷幕灌浆各段次灌浆压力值

此外，国外对灌浆压力的稳定性要求比国内要高。目前，国内最好也最常用的主要灌浆设备的压力稳定性也不能满足国外技术规范对灌浆压力稳定的要求。国外灌浆泵一般采用调速电机，利用无级调速原理，压力可以从零至最大值数控调节，确实十分方便可靠。我国的调速电机水平落后，基本依赖进口。也还没有应用到灌浆领域。这点应该是我国以后灌浆泵的发展方向。

3.2.5 防渗标准及灌浆结束标准低于国内规范

与国内灌浆规范相比，苏麦工程的防渗标准及灌浆结束标准要低，也非常便于操作。

国外防渗标准：检查孔五点法压水，透水率小于5Lu。

国内防渗标准：检查孔五点法压水，透水率小于1Lu。

与国外相比，国内防渗标准过于严格，从5Lu降到1Lu，付出的成本也很大。因为多年国内外的经验告诉我们，坝基并非滴水不漏才好，少量渗漏是允许的，可能还有利于降低坝底的扬压力，不会对大坝安全形成威胁。从这个角度说，确实应该值得我们深思。

3.2.5.1 国内灌浆结束标准

a.固结灌浆。在该灌浆段最大设计压力下，注入率不大于1L/min，继续灌注30min，可结束灌浆。

b.帷幕灌浆。采用自上而下分段灌浆法时，灌浆段在最大设计压力下，注入率不大于1L/min后，继续灌注60min。可结束灌浆。当采用自下而上分段灌浆法时，灌浆段在最大设计压力下，注入率不大于1L/min后，继续灌注30min。可结束灌浆。

3.2.5.2 国外灌浆结束标准

a.接缝、固结灌浆结束标准。在设计压力下，该段次10min内累计注浆量不大于30L时，灌浆即可结束。

b.帷幕灌浆结束标准。在设计压力下，该段次10min内累计注浆量不大于10L时，灌浆即可结束。

c.无论固结灌浆还是帷幕灌浆，只要单位注入量超过50kg/m，即加深一段（5m），直至单位注入量小于50kg/m为止。

从上述国内外灌浆结束标准中很容易看出，国外要比国内简单很多，也更便于操作，更重要的是使得灌浆时间变短，提高工效的同时，也自然降低了工程成本。

3.2.6 灌浆效果分析

苏麦工程大坝帷幕灌浆分序单位注入量递减情况见表4。

表4 帷幕灌浆分序单位注入量递减情况

从表4可以看出，帷幕灌浆分序单位注入量递减趋势比较明显，但幅度并不特别大，这主要是由于苏麦工程大坝现场的地质条件不均一所决定的。

此外，通过实施32个帷幕检查孔，采用五点法压水，透水率均在5Lu以下，达到设计要求的防渗标准。

4 结语

苏麦工程大坝是由德国公司设计、中国承包商施工的一个国际竞争性招标项目，其钻孔灌浆的设计理念及施工方法与国内相比有一些区别，包括钻孔布置、钻孔方法、灌浆材料质量、浆液性质、灌浆压力、灌浆方法、防渗标准、灌浆结束标准。通过对国外类似钻孔灌浆工程的设计、施工及实际效果进行研究、分析及总结，并与国内比较，取长补短，对开阔视野、进一步改进或完善国内基础处理工艺是有益的。

总的说来，钻孔灌浆是一门实践性和经验性比较强的科学。无论采用什么样的工艺，必须经过大量的实践检验才最有说服力。笔者认为：钻孔灌浆应根据不同地质条件，通过一定数量的试验，勇于尝试，特别是应借鉴已经过国内外工程实践检验的经验，不完全拘泥于国内规范，选择最合理、最经济的设计及施工方案。■