浅谈小湾大坝帷幕灌浆施工工艺

杨 力

(中国水利水电建设咨询西北公司,陕西 西安 710075)

1 工程简介

小湾水电站位于云南省西部南涧县与凤庆县交界的澜沧江中游河段,工程以发电为主兼有防洪、灌溉、养殖和旅游等综合利用效益,水库具有不完全多年调节能力,系澜沧江中下游河段规划八个梯级中的第二级,是澜沧江中下游河段的“龙头水库”;大坝为混凝土双曲拱坝,坝高294.5 m,坝顶高程1245 m,坝顶长922.74 m,拱冠梁顶宽13 m,底宽69.49 m,水库正常蓄水位1240 m,总库容151.32×108m3,有效库容98.95×108m3。电站装设6台单机容量700 MW的混流式机组,总装机容量为4200 MW,保证出力1854 MW,多年平均发电量190.6×108kW·h,属大(1)型一等工程,永久性主要水工建筑物为一级建筑物。

地质岩层为时代不明的中深变质岩系(M)及第四系,岩性主要为黑云花岗片麻岩和角闪斜长片麻岩等变质岩组成,岩层呈单斜构造。由于受多期构造活动,破裂结构面较发育。坝基面以微风化未卸荷岩体为主,无Ⅲ级及以上结构面通过。坝址地段地下水类型按埋藏条件及含水空间性质,主要为基岩裂隙潜水,局部存在脉状裂隙承压水,其次为第四系中的孔隙潜水和上层滞水等。

2 帷幕概述

小湾电站帷幕灌浆是小湾工程的关键项目之一,帷幕灌浆孔总量达14.369×104m并且基岩隐微裂隙发育且高水头、防渗标准高、要求有一定的帷幕厚度以防水力劈裂,其特点在于钻孔深度大、精度要求高、灌浆压力大、施工作业条件差、工期短、施工强度高,主要技术难点有超深孔小口径钻进偏斜控制及高压灌浆的工艺过程控制。

3 帷幕灌浆设计

3.1 帷幕灌浆开工条件

(1)由于小湾坝基地应力高,灌浆洞开挖后搁置时间较长,从前期固结和帷幕灌浆生产性试验可知,开挖后基岩浅层产生了较强的卸荷松弛,需要根据不同部位地质情况及防渗设计要求,对不同地质情况的部位采用不同的处理方法和相应的帷幕灌浆参数进行施灌。对左右岸洞室先进行浅层固结灌浆,再进行帷幕施工。

(2)帷幕灌浆初期施工应在坝基灌浆廊道及坝肩灌浆洞内选2～3个单元进行生产性试验:试验的布孔方式、灌浆分段、灌浆压力按施工图指示确定。试验过程中应详细记录灌浆施工的各项参数,并按监理指示布设检查孔对灌浆效果进行检查,并向监理提交帷幕灌浆现场生产性试验成果报告,内容包括施工的各项参数、各次序孔的单位吸水率、单位耗材量以及检查孔测试资料等。

(3)帷幕施工应确保水库蓄水过程水位线以上至少5 m具备防渗挡水条件。

(4)相应坝段两侧拱坝第一层横缝接缝灌浆区完工14 d后方能进行帷幕灌浆施工。

(5)帷幕灌浆采用高压灌浆,要求12#～32#坝段混凝土盖重高度不小于50 m,其余坝段混凝土高度不小于35 m,且满足抬动限制要求,右岸有压力管道部位的帷幕灌浆,要求在相应灌浆高程段压力管道混凝土衬砌等施工完成后进行。左岸1#、2#号导流洞待回填后再进行帷幕施工。左右岸灌浆洞内正在灌浆的单元以外至少有30 m灌浆洞混凝土衬砌并回填完成灌浆。

(6)抬动观测装置安装完成且能进行正常抬动变形观测工作。

(7)钻灌施工前,对施工人员进行详细的技术交底和技术培训。

(8)做好人员组织和机械设备配备、材料准备等工作,做到分工明确,职责分明,人员稳定,保证施工顺利有序进行,并在施工部位悬挂“施工责任”牌。

(9)单元工程施工前,将施工面清理干净,达到安全文明施工验收。排水、排污系统形成、施工辅助设施完成,以上经三检、监理验收合格并签发准灌证。

(10)帷幕灌浆和压水试验必须使用合同文件规定的三参数(压力、流量、水灰比)灌浆自动记录仪进行数据采集与分析。

(11)施工部位内已埋设的各种监测仪器、电缆、孔、管等设施与灌浆孔位置的关系已了解清楚并处理协调完成。

(12)准灌证审批及准灌证内容必须有:测量放样单、孔位平面布置图、施工形象进度图、仪器埋设单位孔位验收签证、相关仪器、仪表率定和水泥进场检验资料等[1]。

3.2 帷幕灌浆孔分布与设置

小湾水电站拱坝高295 m,坝顶高程1245.00 m,河床基岩面高程950.00 m。河床部位灌浆廊道底板最低高程963.00 m(22#和23#坝段)。拱坝左右岸各设置5条灌浆平洞,其高程均分别为1020.00 m、1060.00 m、1100.00 m、1150.00 m与1190.00 m。拱坝共计分为44个坝段。

小湾拱坝坝基帷幕的设置:在灌浆廊道部位,高程1060.00 m以下为3排灌浆孔(12#～32#坝段);1060.00 m～1190.00 m之间为双排灌浆孔(4#～11#坝段和 33#～41#坝段);1190.00 m以上及左右两岸坝肩部位为单排灌浆孔。多排孔排距1.5 m,所有各排灌浆孔的孔距均为2 m。灌浆孔的布置呈梅花形。在左右岸灌浆平洞部位,靠近坝体地段依据高程分别布置为3排、双排和单排,其余地段则为单排,帷幕灌浆孔的深度依照设计提出的主、副帷幕孔底线确定。

3.3 帷幕灌浆施工工艺流程

(1)灌浆洞有浅层固结灌浆的应优先进行浅层固结灌浆后进行衔接帷幕施工,最后进行衔接和主帷幕施工。

(2)灌浆按分序加密的原则进行,仅进行单孔灌注。灌浆施工顺序为:3排孔时先施工下游排(帷幕主孔),次施工上游排(帷幕第2副孔),最后施工中间排(帷幕第 1副孔)。2排孔时先施工下游排(帷幕主孔),再施工上游排(帷幕副孔)。同一排内先施工Ⅰ序孔,次施工Ⅱ序孔,最后施工Ⅲ序孔。

(3)坝肩有衔接帷幕时,同一高程的衔接帷幕与主帷幕可同时施工,不同高程时则应先施工衔接帷幕,后施工上一高程的主帷幕。衔接帷幕孔为3排时,先施工第1排(下排),次施工第3排(上排),最后施工第2(中间排)。衔接帷幕孔为2排孔时,先施工第 1排(下排),再施工第 2排(上排)。每排孔内按三序施工[2]。

(4)在各单元主帷幕孔中选1～2个Ⅰ序孔作为先导孔,先行施工。先导孔应比帷幕灌浆孔深约10 m,并需达到设计透水率要求,若达不到则需加深至设计要求的透水率深度,若同一部位出现连续加深情况,应及时通知监理和设计人员进行专门研究。

(5)采用自上而下分段灌浆法和孔口封闭法进行灌浆时,同一排相邻的两个次序孔之间、以及后序排的第1次序孔与其相邻部位前序排的最后次序孔之间,在岩石钻孔灌浆的高差不得小于15 m。

帷幕灌浆施工程序如图1,孔口封闭灌浆法工艺流程如图2,衔接帷幕自上而下分段灌浆法工艺流程如图3。

图1 帷幕灌浆施工程序

图2 孔口封闭灌浆工艺流程

图3 衔接帷幕自上而下分段灌浆工艺流程

3.4 单孔施工流程

3.4.1 主帷幕先导孔和(一般灌浆孔)的施工流程

第1段钻孔—→第1段洗孔—→第1段五点法压水(灌前压水)—→第1段灌浆—→注入0.5∶1浓浆—→镶铸孔口管—→待凝72 h—→第2段钻孔—→第2段洗孔—→第2段五点法压水(灌前压水)—→第2段灌浆—→依次到终孔段—→终孔段洗孔—→终孔段五点法压水(灌前压水)—→透水率合格—→终孔段灌浆—→置换0.5∶1浓浆—→全孔灌浆封孔法封孔。

若终孔段压水透水率不合格—→加深1段—→透水率满足设计要求(不满足继续加深)—→灌浆—→置换0.5∶1浓浆—→全孔灌浆封孔法封孔[1]。

3.4.2 衔接帷幕施工流程

第1段钻孔—→第1段洗孔—→第1段简易压水—→第1段灌浆—→待凝24 h—→第2段钻孔—→第2段洗孔—→第2段简易压水—→第2段灌浆—→依次至终孔段置换0.5∶1浓浆—→全孔灌浆封孔法封孔。

3.5 钻孔冲洗和灌前压水试验

3.5.1 一般规定

(1)施工人员应在灌浆前,对所有灌浆孔进行孔壁冲洗、裂隙冲洗,并结合裂隙冲洗进行简易压水。

(2)在断层、大裂隙等地质条件较复杂的区域,其裂隙冲洗应按监理的指示或通过现场试验的方法进行。

3.5.2 洗孔

(1)灌浆孔灌前均应进行孔壁冲洗和裂隙冲洗。钻孔冲洗后孔底残存的沉积物厚度不得超过20cm。

(2)孔壁冲洗:采用自上而下分段灌浆方法和孔口封闭灌浆法时,每灌浆段钻完后均应进行孔壁冲洗;采用自下而上分段灌浆方法,全孔钻完后进行全孔孔壁冲洗。冲洗方法是用钻具或导管下到孔底通入大流量水流,从孔底向孔外返水直至回清水为止。

(3)裂隙冲洗:由于坝基浅表部位开挖后产生了较严重的卸荷松弛,连通率较大且裂隙发育并多次经污水浸泡,有大量泥浆带入裂隙内,是裂隙冲洗的重点,需要进行认真细致的裂隙冲洗。采用自上而下分段灌浆方法的孔段,每段单独进行裂隙冲洗。采用自下而上分段灌浆方法的孔段,全孔钻完后自下而上分段进行裂隙冲洗。

(4)裂隙冲洗主要采用有压单孔脉动裂隙冲洗。冲洗方法:首先用高压水连续冲洗5 min～10 min,再将孔口压力在极短时间内突然降到零,形成反向脉冲流,当回水由混变清后,再升到原来的冲洗压力,持续5min～10 min后,再次突然降到零,如此一升一降,一压一放,反复冲洗,直至回水澄清。对回水达不到澄清要求的孔段,应继续冲洗直至满足要求。有压单孔冲洗压力宜控制在灌浆压力的80%,压力超过1MPa时,采用1MPa,但必须满足混凝土不抬动。

(5)当邻近有正在灌浆的孔或邻近孔灌浆结束不足24 h时,不得进行裂隙冲洗。灌浆孔段裂隙冲洗后应立即连续进行灌浆作业,因故中断时间间隔超过24 h,应在灌浆前重新进行裂隙冲洗。

(6)钻孔孔壁冲洗、裂隙冲洗、简易压水可结合同时进行。

3.5.3 压水试验

3.5.3.1 先导孔五点法压水试验

先导孔采用自上而下分段进行“五点法”压水试验,5个压力阶段必须保证连续进行。压水试验压力为:0.3MPa、0.6MPa、1.0MPa、0.6MPa、0.3MPa。 每一个压力阶段均需达到稳定标准后,方可转入后一压力阶段的压水,直至5个压力阶段全部完成。五点法压水试验成果计算以压水试验三级压力中的最大压力值P及相应的压入流量Q来求算透水率q。最终取最大压力阶段的吕容值(Lu)作为压水成果[3]。

3.5.3.2 灌浆孔简易压水试验

帷幕灌浆孔的其它灌浆段,均采用简易压水试验,简易压水试验可结合裂隙冲洗进行。压水试验的压力为设计灌浆压力的80%,该值若大于1MPa时,采用1MPa。简易压水时间20 min,每5 min测读一次压水流量,取最终的流量值计算透水率[3]。

3.5.4 灌浆技术要求

(1)主帷幕灌浆采用“孔口封闭、自上而下分段、不待凝孔内循环灌浆法”施工,孔口段必须采用双循环球形阻塞灌浆法施工。灌浆结束后,埋设孔口管,深入基岩不得小于2 m,并待凝72 h后方可进行第2段施工。

(2)衔接帷幕采用“自上而下分段灌浆法”施工。混凝土与基岩接触段必须先行灌注并待凝24 h后,再进行下一段的钻灌作业。

(3)先导孔采用自上而下分段钻孔、分段压水、分段孔内循环灌浆方法(埋设孔口管),分段段长与灌浆孔一致。

(4)检查孔采用自上而下分段钻孔、分段压水。在第一段压水结束后,如第一段压水超标,则灌浆后埋设孔口管,如第一段压水结果合格,则不灌浆埋设孔口管。以下段检查过程中,如发现不合格段,则应在压水后及时进行灌浆处理,直至终孔。终孔后,采用全孔灌浆法进行灌浆封孔。封孔压力采用Ⅲ序孔的最大灌浆压力,封孔时间为60 min。

(5)主帷幕灌浆施工时,第1段灌浆塞应阻塞在基岩接触面以上0.5 m,防止漏灌,以下各段均采用孔口封闭法进行灌浆,射浆管距灌浆段底部的距离不得大于0.5 m。

衔接帷幕施工时,第1段灌浆塞应阻塞在基岩接触面以上0.5 m,以下各段灌浆塞分别阻塞在该灌浆段顶以上0.5 m,且射浆管距灌浆段底部的距离不得大于0.5 m。

(6)各灌浆段灌浆结束后一般可不待凝,但在灌前涌水、灌后返浆或遇其它地质条件复杂情况,则宜采用不少于24 h待凝处理,特殊情况待凝时间应根据地质条件和具体情况确定。

3.5.5 孔口封闭灌浆法技术要求

(1)混凝土与基岩接触段必须先行单独灌注后用0.5∶1浓浆置换,再镶铸孔口管,孔口管镶铸72 h后再进行下一段的钻灌作业。孔口管埋入基岩的深度不得小于2 m。

(2)孔口封闭灌浆法的孔口封闭器应具有良好的耐压和密封性能,在灌浆过程中射浆管应能灵活转动和升降。

(3)各段灌浆时灌浆管必须深入到灌浆段底部,射浆管距孔底的距离不得大于50cm。

(4)灌浆管的外径与钻孔孔径之差宜为10mm～20mm,若用钻杆作为灌浆管,应采用平接头。

(5)灌浆过程中应经常活动灌浆管,回浆管宜有15 L/min以上的回浆量,以防灌浆管在孔内被水泥浆凝固。

3.5.6 灌浆压力

(1)一般情况下,灌浆压力应尽快达到设计值,但所有接触段、坝基灌浆廊道先灌排Ⅰ序孔2 m～10 m灌浆段和其他注入率大于30 L/min的孔段应采用分级升压方式逐级升压至设计压力。分级压力根据具体情况掌握。升压速度宜控制在0.5MPa/10min以内,分级升压时每级压力的纯灌时间不少于15 min。

(2)灌浆过程中,为防止混凝土及岩石发生抬动,必须协调控制灌浆压力与注入率,灌浆最大注入率不得大于30 L/min。灌浆压力与注入率控制关系见表1。

表1 灌浆压力与注入率的参考关系

(3)不同部位帷幕灌浆压力根据部位高程由设计拟定。当抬动变形值大于设计允许值时,应及时报告监理和设计人员,应适当降低压力值或采取其它措施。

(4)灌浆压力大于3.0MPa时,以安装在回浆管路上的灌浆压力表的中值控制,小于3.0MPa的以摆动最大值记录[1]。

3.5.7 变浆标准

(1)灌浆浆液应由稀到浓逐级变换。当灌浆压力保持不变,注入率持续减少时,或当注入率保持不变而灌浆压力持续升高时,不得改变水灰比。

(2)当某一比级浆液注入量已达300 L以上,或灌注时间已达30 min,而灌浆压力和注入率均无显著改变时,应换浓一级水灰比浆液灌注。

(3)当注入率大于30 L/min时,根据施工具体情况经设计、监理同意,可越级变浓。

3.5.8 灌浆结束标准

(1)采用孔口封闭自上而下分段灌浆的主帷幕,帷幕灌浆各灌浆段满足以下条件即可结束:灌浆段在最大设计压力下,12#～32#坝段坝基廊道内灌浆孔第 1、2、3、4、5段当注入率不大于0.4 L/min时,继续灌注60 min,且灌浆全过程中,在设计压力下的灌浆时间不少于120 min;12#～32#坝段第6段及其以下段、其余坝段和灌浆洞内当注入率不大于1.0 L/min时,继续灌注不少于90 min。

(2)采用自上而下、自下而上分段灌浆的衔接帷幕,灌浆段在最大设计压力下,当注入率不大于1 L/min时,继续灌注60 min可结束灌浆。

3.5.9 灌浆孔封孔

(1)每个帷幕灌浆孔全孔钻孔灌浆结束后,二检应及时向三检、监理申请进行验收,验收合格的灌浆孔才能进行封孔。

(2)采用自上而下分段灌浆方法或采用综合灌浆法时应采用分段灌浆封孔法:全孔灌浆完成后,自下而上分段进行纯压灌浆封孔。分段长度一般为20 m～25 m,孔口段10 m。封孔压力为该封孔段最大灌浆压力,孔口段封孔时间60 min,其余段封孔时间30min。

(3)采用自下而上分段灌浆方法时应采用全孔灌浆封孔法:全孔灌完后,先用导管注浆法将孔内余浆置换成0.5∶1的浓浆,而后将灌浆塞塞在孔口,继续使用浓浆进行纯压式灌浆封孔。封孔压力不小于1.5MPa,封孔时间60 min。

(4)衔接帷幕灌浆均采用全孔灌浆封孔法:全孔灌完后,先用导管注浆法将孔内余浆置换成0.5∶1的浓浆,而后将灌浆塞塞在孔口,继续使用浓浆进行纯压式灌浆封孔。封孔压力为1.5MPa,封孔时间60 min。

(5)采用孔口封闭灌浆法时封孔应采用全孔灌浆封孔法,封孔压力采用全孔最大灌浆压力,封孔时间60 min。

(6)封孔浆液采用0.5∶1普通水泥浆液,若有剩余超细水泥浆液也可以用于封孔,但水灰比必须采用0.5∶1。

(7)单元工程灌浆结束后,合格的检查孔应按全孔灌浆封孔法进行封孔处理。

3.6 灌浆质量检查

(1)帷幕灌浆质量检查以分析检查孔压水试验成果为主,结合钻孔、取芯资料、灌浆记录、测试成果等综合评定其质量。

(2)帷幕灌浆检查孔压水试验应在该部位灌浆结束14 d后进行,采用自上而下分段钻孔分段卡塞进行。检查孔压水试验分段长度与灌浆长度相同。根据水头不同、位置不同、灌浆压力不同采用不同的压力和方法(五点法或单点法),根据地质情况设计拟定。

(3)检查孔按总孔数的10%控制,但每个单元必须有1个检查孔。帷幕灌浆检查孔应全孔采取岩芯,并绘制钻孔柱状图。

(4)帷幕灌浆检查孔在压水试验结束后按3.5.9条进行封孔或灌浆。灌浆均采用磨细水泥灌浆。

(5)帷幕灌浆的封孔质量应进行抽查,抽查孔数为灌浆孔的5%,且每个坝段或每个单元至少抽查1个,若抽查不合格,应加倍抽查。主要采用顺原孔进行钻孔取芯检查,12#～32#坝段抽查原孔钻孔的入岩深度不小于20 m,其余坝段和部位入岩深度不小于10m,获取的水泥结石芯样长度应不低于取孔孔深的95%,结石应连续、完整,且有一定的强度,28 d抗压强度不低于35MPa。

3.7 灌浆资料整理

(1)帷幕灌浆工程是隐蔽工程,施工过程记录是施工过程的真实反映。根据招标文件的要求和《拱坝坝基帷幕灌浆施工技术要求》的规定,要求施工过程的原始记录必须真实、可靠、准确的反映施工过程的实际情况。

(2)对于施工过程中的钻探记录均采用手工记录,对洗孔、压水试验、灌浆过程记录采用自动记录仪记录并辅以人工记录,以保证原始记录的真实性,不允许手工记录抄袭自动记录仪的现象。原始记录应及时进行整理,并及时上报。

(3)钻灌原始记录必须在现场完成,不得超前、拖后、随意涂改,更不能伪造记录,保证原始记录的真实、准确、及时性。

(4)钻灌结束后,钻灌资料由现场记录员、机班长、技术员整理签认,然后由三检审核签字,最后由现场监理工程师签字认可。

4 结 语

(1)小湾水电站坝基帷幕施工目前为止分别施工到右岸3#及左岸40#,完成总帷幕量的 2/3以上,施工工艺严格遵守设计要求完成,从下游排、上游排、中间排以及各排孔综合Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ序孔的单位注入量来看,都呈现递减趋势,且成果与压水试验成果相对应,符合一般灌浆规律。工程部位质量处于受控状态。

(2)从灌前和灌后声波孔压水成果、灌浆简易压水成果、灌后检查孔压水成果来看,都呈现出随着施工顺序的递增而递减的规律,符合一般灌浆规律。

(3)从声波测试孔灌前和灌后的声波测试成果看,灌后较灌前波速普遍提高,说明灌浆使岩体间裂隙得到有效的填充,岩体密实度加强,这符合一般灌浆规律。

(4)从本次帷幕试验施工来看,无论从工艺控制还是在资料方面,施工质量都是有保证的。从试验成果分析看,又能证明施工过程是得到控制的,通过帷幕试验灌浆,使试验区岩体的各方面性能都得到了提高,灌浆效果显著,施工质量优良,达到了试验的目的,大坝挡水防渗处于受控制状态。

[1]云南澜沧江小湾水电站施工技术要求.小湾水电站拱坝坝基帷幕灌浆施工技术要求(A版)[Z].昆明:中国水利水电顾问集团昆明勘探设计研究院,2006.

[2]DL/T5148-2001.水工建筑物水泥灌浆施工技术规范[S].北京:中国电力出版社,2001.

[3]SL 31-2003.水利水电工程钻孔压水实验规程[S].北京:中国电力出版社,2003.