蜀河水电站防渗帷幕灌浆技术

刘三虎，丁永波

(1.北京振冲工程股份有限公司，北京100102;2.白浪河水库管理局，山东 潍坊261052)

1 工程概况

蜀河水电站位于陕西省旬阳县境内汉江干流上，距上游已建成的安康水电站约120 km，距下游已建成的丹江口水电站约200 km，是汉江上游梯级开发规划中的第六个水电站，装有6台46 MW贯流机组，总容量276 MW，水库库容1.76亿m3，工程规模为二等大(2)型，枢纽布置采用厂顶溢流式方案，从右至左依次为:右副坝、垂直升船机兼泄洪闸坝段、泄洪闸坝段、电站厂房坝段、安装间坝段、左副坝等建筑物，坝顶总长度290 m，最大坝高72 m。

2 工程地质条件

坝址区汉江河谷为斜向谷，谷底宽140～160 m，横向呈较开阔的不对称V字形，两岸山势总体是右陡左缓，坝址区出露的地层岩性主要有:志留系下统(S1)炭泥质板岩(S1－S1)、绢云母千枚岩(S1－Ph1)、白云母石英片岩(S1－Sc)，局部穿插石英岩脉;第四系全新统(Q4)冲积、洪积、崩坡积、滑坡堆积等。

断层、裂隙较为发育，局部地段还发育小褶皱。出露的断层多顺层发育，为逆断层，破碎带宽度一般小于0.5 m，以中、陡倾角为主。裂隙按其走向特征大致可划分为4组:①组层面裂隙，是坝址区最为发育的一组裂隙;②组裂隙在两坝肩均较发育，左岸以倾向SE者为主，右岸以NW居多，与不甚发育的④组裂隙共同为岸坡岩体稳定的控制性结构面;③组裂隙在坝区零星发育、断续延伸，与②组夹角大于50°，多互切形成“菱形”岩块(体)。

右岸岸坡断层F33、F32之间为炭泥质板岩、F32、F4之间为白云石英片岩，①、②组裂隙互切发育，且②组裂隙多呈张开状，局部张开宽10～20 cm。左坝肩发育规模较大的F32、F33、F4断层，坝址区①、②组裂隙亦较为发育，该段岩体破碎，为CⅤ类岩体。

3 灌浆帷幕布设

根据工程地质条件，由于断层、裂隙发育，为了有效减少水库水量的流失和确保大坝的稳定，在大坝坝基主廊道和左右岸灌浆平洞布置防渗帷幕进行防渗处理，在消力池下游尾坎和左右导墙内设有基础灌浆廊道，左、右侧廊道分别与上游坝基主廊道和下游尾坎廊道相连通，使闸室、消力池基础形成封闭区域，帷幕灌浆孔设置均为铅垂孔。

左岸在厂房坝段坝下0+007.50和坝下0+008.40处布置了2排防渗帷幕，帷幕灌浆廊道底板高程为167.50 m，灌浆帷幕伸入3 Lu以下岩层，最低处高程为133.00 m，最大深度为34.5 m。

沿坝轴线基础设计2道防渗帷幕。主帷幕底线深入到基岩相对不透水层(岩体透水率q＜3 Lu)下3 m，即主排帷幕孔的底高程为132.00～164.00 m，副排帷幕孔的底高程为156.00～175.00 m，孔距均为2.5 m。

左侧和下游廊道内设2道防渗帷幕，左廊道主排孔底高程左侧廊道为156 m，副排孔底高程165 m，下游廊道主排孔底高程156.00～162.0 m，副排孔底高程 165.00～168.0 m，主、副排孔间距均为2.5 m。右侧廊道内设单道防渗帷幕，帷幕孔底高程为165 m，孔间距为2.0 m。

从坝右0+101.50 m～右坝肩灌浆平硐末端坝右0+165.50 m范围内，防渗帷幕布设单排，深入岩体相对不透水层内4 m，帷幕孔的底高程为164.00～209.50 m。孔距2.5 m。

4 帷幕灌浆施工

钻孔采用回转地质钻机小口径金刚石钻头钻进，开孔孔径75 mm，终孔孔径56 mm，高压灌浆泵灌注，灌浆记录仪对灌浆全过程进行监控。自上而下分段，孔口封闭、孔内循环法灌浆的施工工艺，按先进行抬动观测孔→先导孔→灌浆孔→检查孔，灌浆孔严格按“先Ⅰ序、后Ⅱ序、再Ⅲ序”的原则进行钻孔和灌注。

4.1 帷幕灌浆孔布置和施工次序

防渗帷幕在不同部位分为单排和双排布置，分三序孔进行灌浆，按分排分序加密原则施工，先施工下游排，再施工上游排，排内按Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ次序，按次序分段进行钻孔灌浆。帷幕灌浆按“同次序等孔距”布置，“……—①—③—②—③—①—③—②—③—①—……”(其中①表示一序孔，其它依此类推)。

4.2 施工工艺

帷幕灌浆孔第一段采用孔口卡塞循环塞式注浆。第二段及以下各段采用“孔口封闭灌浆法”灌注，用孔口封闭器封闭，要确保封闭器密封的可靠性，灌浆管在孔口封闭器中心部位能灵活转动和升降，经常转动和升降灌浆管，以防止灌浆管在孔内被水泥浆凝住，射浆管距孔底距离≯50 cm［1］。

4.2.1 孔口管施工

孔口管在第一段灌浆结束后镶注，埋设深度一般按入岩石2 m控制，其顶部高出孔口10 cm，用灌浆的方法向孔内压入水灰比为0.5的水泥浆，待孔口管与孔壁之间返出同一浓度水泥浆时，导正孔口管，待凝72 h后，方可钻灌第二段。

4.2.2 钻孔

(1)采用回转式地质钻机配合金刚石钻头回转钻进，混凝土部位通过灌浆预埋管(91 mm)钻进，以下钻孔孔径为75 mm。

(2)灌浆孔的施钻按施工次序，分序分段进行。钻孔孔位偏差小于10 cm，孔深20.0 m以浅每钻进5.0 m调校钻机一次;20.0 m以深每钻进10.0 m调校钻机一次，以保证钻进孔向准确。

(3)所有灌浆孔均全孔测斜，在施工中经常采取可靠的措施，保证钻孔的垂直度符合设计要求。

4.2.3 浆液的选择

本工程为岩石地基帷幕灌浆，灌浆浆液采用袋装PO.42.5普通硅酸盐水泥制成的纯水泥浆。遇到特殊地质条件时，根据实际情况需要，经监理人批准，可在水泥浆液中掺入砂和水玻璃等掺合料。

4.2.4 灌浆

本工程采用3SNS型高压泥浆泵灌浆，配备三参数大循环灌浆自动记录仪实时记录。

4.2.4.1 灌浆段长及灌浆压力的划分

通过帷幕灌浆试验及成果优化选择的段长及压力参数见表1。

4.2.4.2 浆液变换

(1)根据试验孔的灌浆情况，施工区的基础岩石可灌性较差，浆液水灰比采用5∶1、3∶1、2∶1、1∶1、0.8∶1和0.5∶1六个级别，浆液由稀至浓逐级变换。

(2)当某一比级浆液的注入量已达300 L以上或灌注时间已达30 min，灌浆压力和注入率均无改变或改变不显著时，改浓一级。

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(3)当注入率＞30.0 L/min时，根据具体情况越级变浓。

4.2.4.3 灌浆结束标准

(1)在该段最大设计压力下，注入率≯1 L/min，继续灌注60 min，可结束灌浆。

(2)灌浆过程中如出现回浆变浓，换用相同水灰比的新浆灌注，若效果不明显，继续灌注30 min，结束本段灌浆，不再进行复灌。

4.2.4.4 封孔

封孔采用全孔灌浆封孔法，用新鲜的水灰比0.5的水泥浆液，采用置换压力灌浆法封孔，封孔时间≮1 h，孔口未满则用水泥砂浆进行二次封孔。

5 特殊情况及处理措施

5.1 对吃浆量大，难以按灌浆技术要求结束孔段的处理措施

在本工程灌浆过程中，尤其是在下游排Ⅰ序孔的施工过程中，经常遇到一些注入量大且不起压，灌浆难以结束的孔段，工程地质条件差是主要原因，从岩体岩性分析，基岩岩性为白云母片岩、绢云母千枚岩、炭泥质板岩，发育 L45裂隙及 F5、F32、F33、F4断层，各断层基本向上游倾斜，倾角30°～38°岸贯穿，强风化带厚一般6～9 m，弱风化带厚10～11 m，岩体破碎、裂隙较发育、透水性较强，断层的跨灌区的影响明显。

对于这一情况的孔段，可采取的处理方法是采用低压浓浆灌注，当低压浓浆灌注仍无法达到结束标准时，采用限流、限量灌注［2］，使其注入率控制在15 L/min左右，灌入水泥限量为3.0 t/m。如仍无法达到结束标准时，再采用间歇待凝、扫孔复灌，或采用掺加速凝剂的方法进行灌注，直至达到灌浆结束标准。间歇待凝时间一般为2～4 h，速凝剂的掺加量根据现场实验情况确定，一般为水泥质量的3% ～7%。

5.2 对串浆情况的处理措施

(1)具备灌浆条件的串浆孔，采用一孔一泵对灌浆孔和串浆孔同时灌注。

(2)不具备灌浆条件的串浆孔，则将串浆孔堵塞，待灌浆孔灌浆结束后，再对串浆孔进行扫孔、冲孔、继续钻进和灌浆。

(3)正在钻进的串浆孔，立即停机起钻，防止因串浆而埋钻。并将串浆孔从孔口封堵，待灌浆孔灌浆结束后，再对串浆孔进行扫孔、继续钻进和灌浆。

5.3 对孔口有涌水情况的处理措施

由于多条断层跨越灌浆区域，特别是F32(影响带宽8 m以上)、F33(断层宽4 m以上，影响带宽超过10 m)等大型断层带，岩石透水性很强，因此涌水现象是蜀河电站灌浆的一个普遍现象，甚至个别孔涌水喷出孔口高达1 m高。如何解决好涌水孔的灌浆问题，是本工程的最主要的难题。为此主要采取以下3项措施进行处理。

(1)提高灌浆压力。涌水孔段灌浆压力采用该段设计灌浆压力+涌水压力，保证在足够大的灌浆压力下进行灌浆。

(2)闭浆和待凝。对于涌水量＜40 L/min的孔段，先用常规循环式灌浆1.5 t后提起射浆管，再用卡塞纯压式灌0.5∶1的水泥浓浆灌注0.5 t后，闭浆待凝24 h，然后扫孔、复灌。涌水量＞40 L/min的孔段，先用0.5∶1的浓浆纯压式灌浆，灌2.0 t后闭浆待凝24 h，然后扫孔、复灌。待凝后扫孔至灌浆段底，观测若仍涌水，则再测涌水量和压力后进行复灌，若无涌水，钻灌下一段［3］。

(3)严格控制灌浆压力，起始压力要小，避免使用大压力和过快升高压力;采用浓浆，少用或不用稀浆。起始注入率要小，防止过快和突然增大注入率，始终保持中等偏小的注入率。采取限流、限量灌浆，即当灌注水泥量达到1.5 t时，待凝、再扫孔、复灌［4］。

6 灌浆成果资料分析

6.1 岩体可灌性分析

帷幕灌浆共划分为24个单元，827个孔，灌浆长深度 18787.66 m，注入水泥 5099.29 t，平均单位注入量271.42 kg/m(见表2)，特殊地质情况下个别孔段的注入量大导致平均单耗高。

表2 帷幕灌浆成果统计分析表

在本工程中Ⅰ序孔单位注入量399.68 kg/m;Ⅱ序孔单位注入量284.21 kg/m，单位注入量较Ⅰ序孔递减29%;Ⅲ序孔单位注入量179.60 kg/m，单位注入量较Ⅱ序孔递减36.8%，说明Ⅰ序孔、Ⅱ序孔的灌浆对Ⅲ序孔有一定的影响。随灌浆次序增进单位注入量逐渐降低，符合灌浆的一般规律。

6.2 灌浆质量检查

6.2.1 灌前压水试验

各序孔在灌浆前均进行压水试验，了解灌浆前岩石透水率，透水率统计情况见表3。

表3 灌浆前压水试验资料分析

总体上分析，经Ⅰ、Ⅱ序孔灌浆后岩体透水性下降显著，表明在灌浆孔逐步加密的过程中，基岩中的裂隙、漏水和渗水通道逐步的被水泥浆液充填，裂隙中的充填物得到了挤密，这使得基岩的防渗能力逐步地得到提高，在一定程度上反映了灌浆的效果，符合一般灌浆规律。

6.2.2 灌后检查孔压水

为了检查幕体在灌浆后的透水性情况，在各个单元工程灌浆完工14天后，在相应的单元钻检查孔进行压水试验，共布置检查孔69个，进行压水试验418段。

其中小于或等于1 Lu为24段占6%，大于1 Lu小于3 Lu有305段占73%，大于3 Lu有89段占21%，其最大透水率为11.24 Lu。检查孔压水试验成果分析见表4。

表4 检查孔压水试验成果分析表

右岸泄洪坝段帷幕灌浆有5个单元27个孔帷幕灌后检查孔压水透水率＞3 Lu，最大透水率为11.24 Lu，不能满足设计要求，最终设计通知帷幕由单排孔变更为双排孔，透水率标准由3 Lu变为5 Lu，仍有5个孔的透水率＞5 Lu，后采取了补孔灌浆后再作压水检查，最终透水率1.49 ～4.4 Lu，平均透水率2.91 Lu，小于设计规定5 Lu，满足设计要求。通航段帷幕灌后检查孔压水分别有1段透水率＞3 Lu，但小于设计规定3 Lu的150%的值，满足设计要求。

其它部位灌后检查孔压水试验透水率均小于3 Lu，满足设计要求。

6.2.3 岩心检查

在灌浆岩心和检查孔岩心中，发现多处裂隙充填水泥结石，胶结良好，常见厚1～3 mm。由此可见帷幕灌浆达到了封堵渗水通道的目的。

7 结论和存在的问题

施工实践表明，在蜀河水电站采用孔口封闭高压灌浆法的施工工艺是可行和有效的。从耗灰量的递减规律、灌前压水试验及灌后压水试验数据来看是符合灌浆规律的，在一定程度上反映出了灌浆所取得的效果。

但同时，在本工程的施工过程中，尚存在以下问题尚待商酌。

(1)本工程最大坝高72 m，灌浆采用了最大4 MPa的压力，相当于5倍多的水头，压力过大，导致地层多处被劈裂，耗浆量增大，类似工程灌浆压力可按2～3倍坝高水头控制即可［5］。

(2)由于地质条件的不均一性，断层、裂隙发育部位个别孔段注浆量大，其它部位孔段注浆量较小，可灌性不均衡，在这种情况下，布孔应考虑缩小孔距或按双排布孔，从右岸泄洪坝段帷幕灌浆质量检查和后期处理情况也说明了这一点。

［1］DL/T 5148－2001，水工建筑物水泥灌浆施工技术规范［S］.

［2］李焰，余常茂.三峡坝基灌浆施工主要技术问题及解决措施［J］.水利水电科技进展，2007，(1):31－35.

［3］李建涛.蜀河水电站高水头、大涌水帷幕灌浆施工技术分析应用［J］.西北水电，2011，(5):27 －29.

［4］王福平，蔺刚，王立民，等.通化桃园水利枢纽工程特殊坝段帷幕灌浆工艺技术［J］.探矿工程(岩土钻掘工程)，2009，36(8):64－65.

［5］孙钊.大坝基岩灌浆［M］.北京:中国水利水电出版社，2004.