锦屏特高拱坝坝基帷幕防渗灌浆关键技术探讨

李正兵，黄 平

(中国水利水电第七工程局成都水电建设工程有限公司，成都，611130)



锦屏特高拱坝坝基帷幕防渗灌浆关键技术探讨

李正兵，黄 平

(中国水利水电第七工程局成都水电建设工程有限公司，成都，611130)

本文以锦屏一级水电站拱坝坝基工程地质与水文地质条件为基础，确立帷幕防渗设计技术参数，并通过对不同地质缺陷岩体帷幕防渗方案的研究，确定了帷幕防渗关键技术处理措施。大坝经过四个阶段的蓄水检验，渗控监测指标满足设计要求，为高坝帷幕防渗处理累积了经验。

锦屏水电站 特高拱坝 帷幕防渗设计 关键技术 成果分析 监测

1 概述

锦屏一级水电站位于四川凉山州盐源与木里县交界的雅砻江上，大坝为混凝土双曲拱坝，坝高305m，水库总库容77.6亿m3，装机容量360万kW，是雅砻江下游河段上的控制性龙头水库。

大坝左岸防渗帷幕线上岩体以Ⅱ级为主，次为Ⅲ1级，少量为Ⅳ2级；近建基面岩体多为深卸荷岩体，普遍为Ⅲ1(大理岩)级和Ⅲ2(砂板岩)级，微新无卸荷大理岩为Ⅱ级，变质砂岩夹板岩层为Ⅱ级、板岩夹砂岩层为Ⅲ1级。开挖过程中揭示的深裂缝密集发育带、小断层及层间挤压错动带集中发育段为Ⅳ2级岩体。

大坝右岸防渗帷幕线上岩体以Ⅱ级为主，次为Ⅲ1级，少量为Ⅲ2级和Ⅴ1级；第一段绿片岩层、第二段大理岩第1层含较多绿片岩层等为Ⅲ2级岩体，第二段第2层大理岩夹绿片岩层为Ⅲ1级岩体，其余第二段大理岩均为Ⅱ级岩体；断层破碎带及影响带岩体属于Ⅳ1～Ⅴ1级。

坝基两岸地下水按赋存条件可分为岩溶裂隙水和基岩裂隙水。左岸坝基岩体内地下水位低平,与江水位基本一致；右岸含水较丰富,地下水位明显高于河水位。左岸坝基岩体受构造、风化卸荷影响强烈,岩体总体较破碎,透水性较强；右岸坝基岩体除浅表风化卸荷岩体较破碎外,总体上多微新、较完整,透水性较弱。根据坝基钻孔压水试验成果,坝基岩体透水性由岸坡浅表部卸荷带的中等～强透水,往深部逐渐过渡到弱、微透水,局部含中等透水性透镜体。总体上左岸建基面以里岩体以中等透水(q=20Lu～70Lu)为主,微透水(q<1Lu)岩体埋藏较深;河床坝基以下垂直深度约20m～100m范围内岩体以中等偏弱透水性(q=10Lu～30Lu)为主,约130m垂直深度以下逐渐进入以微透水为主的第1层绿片岩、钙质绿片岩岩体；右岸建基面以里岩体以弱偏中等透水(q=3Lu～10Lu)为主,其透水性随水平埋深及垂直埋深的增加而减弱,水平埋深约230m以里进入微透水岩体。建基面岩体渗透性属中等～弱透水,左岸岩体q>10Lu,右岸岩体q=3Lu～10Lu,河床基岩q=3Lu～10Lu，局部q>10Lu。坝基岩体具有透水性较强、地下水位埋深较大和透水分布不均等特点。

2 锦屏特高拱坝帷幕防渗灌浆设计

2.1 帷幕灌浆设计控制指标

2.1.1 水泥灌浆灌后质量检测

(1)坝基防渗帷幕灌浆工程的质量检查以压水试验成果为主，结合钻孔、取岩芯资料、灌浆记录等综合评定其质量。帷幕透水率检测指标见表1；

(2)在断层、岩体破碎、裂隙发育等地质条件复杂部位进行的帷幕灌浆，灌后质量检查除透水率指标外，还应进行包括钻孔全景图像和声波纵波速项目的物探检测。灌后岩体声波标准见表2。

表1 灌后防渗帷幕透水率检测指标

表2 灌后声波速度值控制指标

在表1和表2中，声波速度测点以每个检查孔为单位进行统计。透水率合格率要求，混凝土与基岩接触段及其下一段的透水率应100%满足设计规定，其余各段的合格率不小于90%，不合格试段的透水率不超过设计规定的150%，且不集中。

2.1.2 帷幕化学灌浆灌后质量检测

防渗帷幕部位化学灌浆，灌后岩体检测指标以透水率为主，声波波速、孔内变形模量、钻孔全景图象为辅。灌后帷幕岩体检测控制指标见表3。灌后岩体的各项检查应在化学灌浆结束30d后进行。

表3 防渗帷幕化学灌浆灌后检测控制指标

2.2 帷幕灌浆的参数布置

左右岸1885.00m、1829.00m、1785.00m、1730.00m、1670.00m和1601.00m高程，各设置6层基础帷幕灌浆平洞，各平洞及帷幕灌浆布置参数见表4所示。

表4 拱坝坝基帷幕灌浆参数布置

帷幕水泥灌浆施工参数见表5、表6。

表5 水灰比参考值

表6 帷幕灌浆压力设计参考值

2.3 坝区渗流控制反馈分析结论

2.3.1 在防渗排水系统作用下，坝基扬压力水头大多20m，扬压力折减系数小于0.1，坝基渗流场在排水孔幕作用下渗透压力显著降低，总水头较其位置高程不超过5m。坝基防渗帷幕平均渗流梯度约17.0，最大渗流梯度23.0，可控制在30.0内，大坝防渗帷幕渗控设计满足要求。

2.3.2 水垫塘区域渗流总水头在较广泛区域范围内约1600.0m，渗透压力水头约10.0m。局部范围扬压力水头约15.0m。水垫塘渗流量约990m3/d左右。水垫塘区域的渗流控制基本能够满足设计要求。

2.3.3 大坝下游抗力体在防渗帷幕及抗力体排水系统的共同作用下，得到较好的控制。左岸坝后抗力体地下水位埋深较大，紧邻坝头的地下水位埋深达100m以上，近河部位的埋深也达到60m～80m，对抗力体的稳定较为有利。

3 主要技术问题研究

3.1 灌浆材料试验研究

3.1.1 颗粒性灌浆材料

通过室内试验对水泥浆液的基本性能检测，获得了普通水泥浆液的基本性能参数(如表7所示)。

表7 普通纯水泥浆液的基本性能参数

注：表中数据以乃托牌P.O.42.5普通硅酸盐散装水泥为原材料，在常压条件下室内试验得出的数据。

普通水泥经过湿磨后，颗粒细度D50小于12μm，D95小于40μm，使浆液能灌入0.05mm甚至更细小的裂隙。根据试验，常压下普通水泥与湿磨水泥性能对比见表8。

表8 湿磨次数与浆液基本性能的关系

3.1.2 化学灌浆材料及配比的优选研究

(1)根据低接触角原则，并结合对不同化学灌浆材料进行室内模拟试验，检测其28d后的力学指标，根据试验成果，优选出适宜的化学灌浆材料；

(2)通过化学浆材室内浆材性能试验，测量其密度、起始粘度、可操作时间、初凝时间和28d浆液固结体的力学性能指标包括抗压强度、抗拉强度、粘结强度、抗渗性等，优选适宜的灌浆配比；

(3)在新型的固化体系下的环氧浆材的初始粘度约为14mPa.s，可操作时间(达到粘度100mPa.s时)约为30h，首次使用了浆液“η-t”的概念，当浆材粘度达到100mPa.s时，浆材的可灌性就大大降低，不能满足对断层及层间挤压错动带很好的浸润渗灌。

同时开展相同的及不同配比的环氧树脂灌浆浆材在相同及不同的环境条件下的η-t双对数变化曲线走势情况，为现场化学灌浆施工作业提供筛选试验的技术数据，供对比选优使用。

图1 η-t双对数曲线

3.2 断层破碎带处理技术

3.2.1 帷幕轴线附近断层破碎带分布及性状

帷幕轴线附近断层破碎带分布及性状见表9。

表9 帷幕轴线附近断层破碎带分布及性状参数

3.2.2 断层破碎带主要处理方法

断层破碎带水泥-化学复合灌浆设计参数及处理方法见表10。

表10 断层破碎带水泥-化学复合灌浆设计参数及处理方法

3.3 陡倾裂隙和微细裂隙的灌浆处理

陡倾与微细裂隙在左右岸低高程防渗帷幕岩体有一定数量的分布。灌前压水试验压力为1MPa，而灌浆压力最高达6.5MPa。灌浆过程中，部分孔段在1MPa～3MPa压力下灌浆流量很小，当压力超过临界值后流量激增，说明在自身应力环境下岩体结构面贴合紧密，低压浆液无法对其形成劈裂作用，压力升高后可对陡倾裂隙形成扩缝，细小透水通道在浆液扰动下透水率激增。此外，某些部位与孔段遇到灌后涌水，经分析，是微细裂隙和陡倾裂隙所造成。处理的主要技术措施是：湿磨细水泥或者化学灌浆材料对类似孔段进行灌浆处理，延长屏浆和闭浆时间，都取得了良好的施灌效果。

3.4 帷幕防渗关键工艺控制

3.4.1 超深孔、高精度孔斜控制问题

拱坝超深主帷幕钻孔深度达172m，且孔底偏差不大于2m，允许偏斜率为1.1%，远远大于规范要求。为确保钻孔精度要求，钻孔过程中选用性能稳定的XY-2B地质钻机进行钻孔施工。施工前，对各台钻机四角打地锚将钻机牢牢固定。钻孔时，前20m每5m测斜一次，孔深20m后每10m测斜一次，偏斜率超过设计规定时及时纠偏。钻深孔时采用低钻压、低转速施工，基本解决了孔斜控制问题。

3.4.2 回浆返浓、“抱钻”问题

因灌浆压力较大、灌浆历时长，灌浆过程中回浆返浓现象较明显，出现“抱钻”问题。中间排使用湿磨细水泥后，回浆返浓现象明显减少。灌浆过程中同时严格控制浆液的粘度和温度，如回浆变浓，温度升高，可换原比级的新鲜浆液；若继续发生回浆比重超过一个比级的现象，则为吸水不吸浆，可换用相同水灰比的新浆灌注，若效果不明显，继续灌注30min，即可结束灌注。采用上述措施，在控制施灌质量和防止“抱钻”方面成效显著。

3.4.3 钻孔冲洗问题

根据现行灌浆规范的要求，钻孔冲洗一般采用压力水或风水联合冲洗至返水澄清即可。但由于帷幕轴线上岩层组成结构较为复杂，断层破碎带、挤压错动带、泥化夹层等均有不同程度的分布，采取单一的冲洗方式难以达到预期的效果。现场经过多个地质缺陷部位的冲洗试验，摸索出一套高压旋喷冲洗的工艺措施，提高了帷幕防渗处理的效果。

4 帷幕防渗质量检查成果

4.1 水泥灌浆灌后透水率

帷幕水泥灌浆灌后检查孔压水试验成果统计见表11。

表11 帷幕水泥灌浆灌后检查孔压水试验成果统计

部位检查孔数量压水试段合格孔段合格率部位检查孔数量压水试段合格孔段合格率左岸1601m层1293394336999.3%1670m层2361180115397.7%1730m层3441801177798.7%1785m层3241849181998.4%1829m层3211698169799.9%1885m层6570470199.6%右岸1601m层872166215999.7%1670m层16913261326100.0%1730m层2771885177594.2%1785m层3021426141899.4%1829m层123679679100.0%1885m层43596596100.0%

备注：不合格孔段部位，采用湿磨细水泥浆液进行加密补强灌浆处理，补灌后最终检查结果均满足设计要求。

4.2 化学灌浆检测效果

帷幕化学灌浆灌后检测结果见表12。

表12 帷幕化学灌浆灌后检测统计

从表12可见，断层部位通过采用水泥-化学复合灌浆处理后，其灌后检测指标均能满足设计要求。

5 拱坝蓄水过程中渗流渗压监测成果

5.1 坝基帷幕后渗压计折减系数为α1=0.00～0.37，排水孔后α2=0.01～0.09，符合坝基扬压力分布一般规律，且全部小于设计折减系数控制值，即帷幕后α1≤0.40，排水孔后≤0.20。在第四阶段蓄水(蓄至1880m高程附近)中，帷幕后的折减系数总体变化不大，且大多数小于设计控制值，帷幕整体效果较好。灌排廊道中水位变化量较大，主要位于帷幕前，左岸帷幕后本阶段蓄水后水位变化量为-1.01m～8.87m(PLG-28)；排水孔后本阶段水位变化量为0.05m～3.95m。右岸帷幕后本阶段水位变化量为-0.05m～13.79m(PRG-21)，排水孔后本阶段水位变化量为-0.10m～10.90m(PRD-3)。整体呈现出变化量较大集中于幕前，帷幕后水位变化量大于排水孔后变化量。

5.2 左、右岸抗力体绕坝渗流监测成果表明，本阶段蓄水前后抗力体水位孔水位变化量较小，左岸测点变化范围-0.53m～1.42m，右岸测点变化范围-1.82m～2.23m，水位控制到1880m高程后，各测点水位变化趋于平稳。

5.3 从7月3日至8月26日，左岸1595m排水廊道渗流量(桩号0+226m以里)增加了3.28L/s，当前的渗流量约25.55L/s；左岸1664m排水廊道渗流量约7.78L/s；左岸1730m排水廊道渗流量约2.22L/s；右岸1595m排水廊道渗流量约5.62L/s。其余大坝各层帷幕灌浆廊道、排水廊道、抗力体平洞渗流量基本小于2L/s，且蓄水期间无明显变化。渗流量较大主要位于左岸1595m排水廊道，目前渗流量为45.67L/s，通过对该部位历次蓄水与上游水位、降雨量相关性比较可得，该部位渗流量偏大，主要受上游水位的抬升以及该处地下水位较高等因素共同作用。渗压、渗流与坝前水位历时典型曲线图如图2、图3所示。

图2 左岸1730m帷幕灌浆洞幕后PLG-17渗压与坝前水位历时曲线

图3 坝基1595m排水廊道渗流量与坝前水位历时曲线

6 结语

锦屏300m级拱坝坝基工程地质和水文地质条件复杂，拱坝运行工况复杂，帷幕防渗设计技术与质量标准要求高，其实施效果直接影响拱坝基础渗透稳定、变形稳定及抗滑稳定。帷幕防渗各项措施实施后，通过对施工检测成果及各阶段蓄水的验证和渗流渗压监测效果分析表明，拱坝基础帷幕防渗采取的设计技术方案及控制指标、施工技术和工艺方法、关键技术难题的处理科学合理，措施得当。锦屏高拱坝已成功蓄水至1880m设计水位高程，且运行良好。

〔1〕孙 钊编著.大坝基岩灌浆.中国水利水电出版社，北京：2008.03.

〔2〕孙 亮，夏可风编著.灌浆材料及应用.北京：中国水利水电出版社，2013.08.

〔3〕蒋锁红.混凝土拱坝基础处理工程技术.科学出版社，2005.10.

〔4〕陆马兰.锦屏一级水电站防渗排水设计的探讨.水电站设计，2008.06.

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2095-1809(2015)05-0006-06