丰满电站混凝土大坝坝体帷幕灌浆施工技术研究

卢洪彦，张发林，李 明，高文玉，孙 鹤

（中国水利水电第一工程局有限公司基础分局，辽宁大连 116041）

1 工程概况

丰满水电站大坝溢流坝降低渗水压力工程范围包括：对溢流坝段坝体进行坝体防渗帷幕灌浆，在上游原基础廊道内新钻设三排扇形排水孔，同时对原有导流底孔和中孔进行加强封堵灌浆处理。

坝体防渗灌浆在堰顶施工，均采用垂直钻孔、双排孔布置，第一排为基本帷幕灌浆孔，轴线桩号为坝轴线下0+002.1 m，第二排为加强帷幕灌浆孔，轴线桩号为坝轴线下0+002.4 m（见图1）。设计图纸中两排灌浆孔孔距均采用1.0 m，上、下排错孔布置，坝体帷幕灌浆合格设计标准为:灌后坝体混凝土透水率不大于 0.15 Lu（1 Lu≈1.3×10-5cm/s,参见DL/T5200-2004《水电水利工程高压喷射灌浆技术规范》条文说明10.1.7；吕荣值和渗透系数K值从计算公式的计算联系角度，没有直接的换算关系，为实践参考值）。

2 主要施工参数以及指标的确定

2.1 水泥浆液颗粒细度控制参数的选择

国内目前水利工程灌浆施工中采用的超细水泥有两种：湿磨与成品超细水泥。湿磨水泥是利用可调固定间隙的磨齿工作，水泥浆液原料流经磨齿，形成对颗粒的磨细作用。湿磨机（GSM-1型）工作机理：水泥颗粒被粉碎的细度取决于湿磨机磨头两磨盘的相对角度、齿形设计以及两磨盘间隙的控制。GSM湿磨机的单机基本性能指标：电机功率：5.5 kW，电源电压380 V，电机转速3 000 rpm，出料最大粒径＜40 μm，生产能力（0.6∶1水泥浆）＞120 L/min。为了获得D50≤10 μm的超细水泥浆液，本次施工进行了湿磨机串联现场湿磨试验，以保证湿磨超细水泥工艺形成稳定的超细水泥浆液，满足D50指标的要求。

丰满降渗工程湿磨机现场磨细试验，磨细次数和对应的平均粒径曲线显示：随着磨细次数的增加，平均颗粒直径随之变小，在投入3台湿磨机串联后，平均颗粒直径-磨细次数曲线趋于平缓，参见图2；在磨细3遍以后，浆液的平均颗粒直径继续提高空间已不大。

项目施工期间通过光透式粒度测试仪（NSKC-1）进行浆液细度控制检测，定期（14 d/次）进行检验。

图1 丰满水电站溢流坝段降低渗水压力工程典型坝段坝体剖面图Fig.1 Profile of dam body in typical overflow sections in seep-age pressure reduction project of Fengman dam

图2 水泥浆液湿磨次数和平均直径的关系曲线Fig.2 Relation of average diameter and wet milling times

2.2 灌浆压力的验证性试验和试验确定的结果

在灌浆试验段中，选择各种既定灌浆压力的灌浆孔段，在灌浆水灰比（图3中两灌浆段水灰比分别为1或0.6）按照由稀到浓正常施工程序进行的同时，在密切监测抬动变形（安全限值抬动值≤0.2 mm）和大坝上游坝面变形等以保证大坝安全的前提下，提升并选择灌浆压力。试验结果见图3。

由压力-注入率对应变换曲线变化规律可知，在灌浆压力为第3级别升级压力前，曲线梯度变化相对明显，而在3～4级别压力附近乃至以上灌浆压力，注入率变化相对更不明显，且注入率曲线趋于缓和。因此，在全过程监测坝体抬动和上游坝面变形的同时，对各个灌浆孔4段以前（约20～25 m，坝体总孔深约61 m）孔段，均加大灌浆压力0.2～0.3 MPa；5段（含5段）以下灌浆压力不变，Pmax达到2.0 MPa。但以上压力调整不含溢流坝中墩帷幕孔，中墩上帷幕孔空间上位于闸墩两侧凌空高程的灌浆段，最大灌浆压力为1.7 MPa。

图3 同一灌浆段同一水灰比不同灌浆压力的对应注入率曲线Fig.3 Respective injection rates with same grouting section,same water-cement ratio but different grouting pressures

2.3 灌浆水灰比的选择和验证性灌浆试验结果

（1）关于灌浆开灌水灰比的选择：第一次帷幕灌浆试验，灌浆水灰比和相应试验段的注入率（浆液体积）对应关系试验的段数为12段。试验建议成果：在灌浆前试段透水率q≤3 Lu的孔段，开灌水灰比采用2∶1开灌；透水率区间3 Lu＜q≤10 Lu的孔段，采用水灰比1∶1浆液开始灌注；透水率区间q＞10 Lu的孔段，采用较浓比级的浆液灌注，即开灌就采用0.8∶1或者0.6∶1浆液灌注，并辅助以特殊灌浆形式，如间歇式灌浆等措施，直到达到结束屏浆标准。

（2）二次灌浆试验开灌水灰比试验：根据灌浆段不同灌浆水灰比-灌浆单耗的频率曲线分布情况分析，取得指导实际施工的开灌水灰比施工参数。在8号坝段试验段部位和溢流堰面部分坝段，选择多段透水率区间为q≤3 Lu的试验段，进行1∶1、0.8∶1、0.6∶1三个比级的单一水灰比灌浆试验，进行单一水灰比灌浆段的单耗比较；二次试验中，水灰比-单耗试验段数量为72段，建议结果见表1。

经对试验段对比结果进行分析，二次试验报告中建议的水灰比施工参数调整为：当灌浆段灌浆前压水试验透水率q≤3 Lu时,选择水∶灰=0.8∶1（重量比）的超细水泥浆液灌浆，变浆标准仍应控制为50 L，但考虑到灌浆通常规律和规范的规定，建议在浆量达到50 L，若注入率有降低或压力有升高的情况下，仍不改变水灰比。当灌浆段灌浆前压水试验透水率q＞3 Lu时,选择水∶灰=0.6∶1(重量比)的超细水泥浆液灌浆。

表1 二次帷幕灌浆施工试验建议的控制参数、标准对应表Table 1:Control parameters and standards proposed by the second curtain grouting construction test

（3）二次试验报告后补充数据和资料分析：在q≤1 Lu情况下,为继续验证0.6∶1和0.8∶1两种水灰比浆液究竟采用哪种灌浆段单耗更高,继续增加其他坝段20段灌浆试验（0.8∶1水灰比10段,0.6∶1水灰比10段），对比结果见表2。

表2 溢流堰面单耗和试验段单耗对比情况表（相同透水率区间和相同开灌水灰比）Table 2:Comparison of the unit consumptions on overflow weir surface and test sections(with same permeability rate and same water cement ratio)

（4）国家电力监管委员会大坝安全监察中心据有关试验内容和报告，分析后认为为了获得较高的浆液结石密度，丰满溢流坝段坝体灌浆均采用单一水灰比（水∶灰=0.6∶1）灌浆。

2.4 孔口封闭灌浆工艺的应用

据现有灌浆手段与技术能力、工程实例及要求丰满大坝混凝土灌后质量达到q≤0.15 Lu的高标准，在坝体帷幕灌浆施工工艺设计上，设计阶段确定采用孔口封闭工艺进行施工。

混凝土坝体帷幕灌浆采用单一的0.6∶1的水灰比，采用“自上而下”分段灌浆，则在帷幕灌浆20 m深以后，灌浆塞以及射浆管在屏浆后经常无法利用人力再次疏通。自上而下卡塞灌浆频繁产生孔内事故并影响帷幕施工质量：

（1）产生绕塞、铸塞事故，造成废孔；

（2）发生铸“灌浆内管”事故；

（3）发生绕塞现象，采用间歇、降压甚至中停灌浆等方法处理，影响灌浆质量；

（4）如发生孔内铸“灌浆内管”情况，无法处理后，产生多次移孔的问题。

2.5 帷幕灌浆结束标准的变更和确定

降渗灌浆施工开始，施工方和设计工程师协商，提出将招标设计和施工图设计灌浆段的结束标准：“灌浆段在最大设计压力下，注入率不大于1 L/min，继续灌注30 min结束”提高到“灌浆段在最大设计压力下，注入率不大于0.1 L/min，继续灌注30 min结束”。也只有提高到这个结束标准，降低渗水压力工程的期望标准（灌后透水率q≤0.15 Lu）才可能实现。多个类似工程和本次工程实践证明，采用孔口封闭自上而下灌浆才能实现这种深孔孔内循环式长屏浆时间的浓浆超细水泥灌浆。

现行规范灌浆段透水率计算公式为：

式中，q：试验段透水率；Q：压水试验流量；P：试验段实际水头压力；L：试验段长。

若按照混凝土坝体防渗帷幕的质量目标：灌浆后q≤0.1 Lu的压水试验透水率标准，在段长和试验压力一定的情况下，需要满足Q≤0.1*（L*P）。本次降渗工程的设计灌浆段长以5 m段长居多，且相应压水试验压力为灌浆压力的80%（采用1.0 MPa），因此，合格段的压水试验Q≤0.1*（L*P）流量至少应满足Q≤0.5 L/min。若想灌浆后帷幕体上检查孔压水试验段压水流量达到以上指标，超细水泥灌浆的结束标准定为“灌浆段在最大设计压力下，注入率不大于1 L/min，继续灌注30 min结束”，显然结束标准的注入率过高。结合灌浆分段有的段长较短、采用的压水试验水头压力较小以及采用超细水泥灌浆而必需的保证系数，在本次工程试验之初就将结束标准提高为：“灌浆段在最大设计压力下，注入率不大于0.2 L/min，继续灌注30 min结束”。从理论上和实际结果上，这必将对提高超细水泥灌浆效果起到积极促进作用。

这个灌浆段结束标准，即便在较小的段长和较小的压水试验压力情况下，考虑到超细水泥浆灌浆和压水试验的差别，从理论上也可以大幅度提高灌浆段灌后压水试验透水率q≤0.15 Lu合格的可能性，此结束标准也在记录仪监测的精度范围之内。结束标准完全是根据丰满大坝溢流坝段特定的灌浆环境和降低渗水压力工程透水率合格标准（q≤0.15 Lu）而制定的，是具有理论依据和符合实际标准的探索性指标，当然这要求更切合实际的施工工艺和浆液材料来进行保障。

2.6 溢流坝中墩灌浆试验参数（灌浆压力）的选取

混凝土坝中墩钻孔和灌浆等技术涉及坝体变形安全。浆液水灰比和水泥细度参数与溢流堰相同。为了摸索最大“许可”灌浆压力，以获得“最大注入量”，选取中墩进行试验。“最大注入量”是在分析已经施工的坝段注入量基础上提出指标；丰满大坝坝段分缝处于中墩中间位置，考虑帷幕体衔接问题，坝段分缝两侧帷幕孔设计成与铅垂线夹角5°以内的斜孔，倾向分缝侧。中墩斜孔灌浆时，充分利用斜孔距中缝距离不同的条件，最大限度提高灌浆压力。考虑中墩钻孔平面孔位的布置情况和钻孔沿竖向上距离横缝的宽度，灌浆段压力提升幅度区间在 0.1～0.7 MPa不等，最大达到 1.7 MPa。中墩施工过程中，大坝上游面变形安全监测和水下电视监测未发生变形和浆液渗出情况。

3 混凝土坝体帷幕灌浆效果的检查与综合评价

坝体降渗工程灌前透水率和检查孔压水试验透水率对比表见表3。

混凝土坝体降渗工程超细水泥灌浆综合统计表见表4。

丰满水电站17个溢流坝段，共使用水泥1 207 t，其中：灌入坝体内水泥408 t（不含检查孔灌浆灌入量），弃浆水泥340 t，检查孔灌浆、灌浆孔封孔以及损耗约459 t；坝体帷幕平均单耗13.8 kg/m。

表3 溢流坝段降渗工程灌前透水率和检查孔压水试验分析Table 3:Permeability rate of the overflow sections before grouting and results of water pressure test

表4 混凝土坝体降渗工程超细水泥灌浆综合统计表Table 4:Statistics of superfine cement grouting for concrete dam body

全部47个单元工程灌浆施工中，灌浆前的平均透水率q=1.15 Lu，检查孔平均透水率q=0.08 Lu；检查孔透水率q≤0.15 Lu的段数占总段数比例为95.5%，0.15 Lu＜q≤0.5 Lu的段数占检查孔总段数比例为4.5%；灌浆后没有透水率q＞0.5 Lu的孔段（仅1段为0.43 Lu），可以按照现行水工验收规范标准验收。

3.1 分部工程透水率、注入率频率曲线和累计频率曲线

本次降渗工程溢流坝段坝基廊道以上是最大的两个分部工程，其分部工程量占到总工程量的70%以上，以其为例绘制灌浆前分序透水率频率曲线和累计频率曲线图，可以形象地描述出灌浆效果的渐变过程，该部位坝体帷幕以“排”为单位，其统计成果见图4和图5。

频率曲线图的规范和条理清晰，说明本次工程的设计参数、施工参数控制是合理的，符合工程的实际灌浆条件和坝体条件。

图4 WF-01和WF-02分部一排合并后各次序孔透水率频率曲线和频率累计曲线Fig.4 Frequency curve of permeability rate and frequency ac-cumulative curve of each sequence holes after combination of the first row of WF-01 and WF-02

3.2 声波测试和孔内电视检测以及坝体变形资料成果

全部12个坝段24对声波测试孔，坝体帷幕灌浆前后波速测试对比提高范围为3%～10%；坝体帷幕检查孔孔内电视检测裂隙充填率在91.1%以上；施工期（1 a）上游坝面变形监测和坝体平面位移变形资料显示，没超过设计允许限值范围现象发生。

3.3 坝体帷幕灌浆降低渗水压力工程其他有关综合评价

3.3.1 溢流坝段新、旧排水孔排水量目测对比分析

基础廊道以上原坝体排水孔（每坝段4孔）均在本次灌浆帷幕线下游，灌浆前廊内观测有约50%的老排水孔有滴水、排水情况；在基础廊道以上帷幕灌浆结束以后，原排水孔仍有滴水和少量排水的孔数比例约为20%。灌浆过程中有约23%的原排水孔发生串浆和扫孔现象，串浆孔在扫孔后目测均未见排水。

图5 WF-01和WF-02分部二排合并后各次序孔透水率频率曲线和频率累计曲线Fig.5 Frequency curve of permeability rate and frequency ac-cumulative curve of each sequence holes after combination of second row of WF-01 and WF-02

大坝坝顶新增竖向排水孔（连通于坝顶和基础廊道顶部之间）在帷幕灌浆之后施工，基础廊道以上每坝段4孔，目前肉眼观察，没有发现明显排水的排水孔。坝基廊道内新增散射状下游坝体排水孔，共242孔，大约5%（12孔）施工后有排水现象，最大流量约0.5 L/min。

3.3.2 降渗工程实施前、后溢流坝段渗透压力观测孔监测值对比分析

30%左右溢流坝段渗压观测孔施工期间发生串浆或者堵塞；根据运行单位的资料显示，廊道内的未淤塞坝基渗透压力监测孔的同期监测值有所降低。

3.4 工程验收

坝体帷幕竣工验收共47个单元工程，单元工程评定除WD-01单元（生产性试验段）评定为“合格”以外，其余46个单元均评定为“优良”，单元优良率98%；全部7个分部工程均评定为“优良”，分部工程优良率100%。坝体帷幕灌浆施工质量可以达到现行国家水工验收规程的验收标准。

4 结 语

（1）灌浆形成坝体帷幕是改善老坝混凝土抗渗性不够的有效手段之一。实际试验表明，浓浆灌注是提高结石强度和抗渗性的主要手段，宜根据灌浆前压水试验的结果来微调灌浆水灰比，变浆标准宜根据试验灌浆段单耗数值折算为浆量来控制。

（2）施工图设计前，宜尽可能详细调查坝体内部结构、预埋件以及水工结构、坝体内隐蔽补强设施，实施必要的勘察工作，减少工程施工阶段因不明确的坝体施工环境影响到工程正常进行。

（3）对于混凝土坝体帷幕施工，采用孔深超过50 m、小孔径（ϕ76 mm孔径）、浓浆（0.6∶1）灌浆，须采用孔口封闭工艺进行帷幕灌浆工艺选择，利于控制施工质量、减少孔内事故。

（4）湿磨超细水泥帷幕灌浆作为混凝土大坝坝体防渗措施，工艺可靠，是可行的、可供选择的技术措施。根据灌前和灌后检查孔压水试验数据统计对比分析、灌前和灌后声波CT检测对比、检查孔孔内电视的检测结果分析可以认为：混凝土坝体湿磨超细水泥帷幕灌浆施工技术是可行的。国内类似水工大坝建筑物较多，混凝土坝体帷幕灌浆降渗技术应用范围较广阔。本次项目的成功实践对运行中的混凝土大坝降低渗水压力工程的设计和实施起到了良好的借鉴作用。

[1]DL/T5200-2004,水电水利工程高压喷射灌浆技术规范[S].中华人民共和国国家发展与改革委员会.

[2]DL/T5148-2001,水工建筑物水泥灌浆施工技术规范[S].中华人民共和国国家经济贸易委员会.

[3]孙钊.大坝基岩灌浆(第二版)[M].