猴子岩水电站基础处理工程压力管道固结灌浆试验

闭少刚

(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)



猴子岩水电站基础处理工程压力管道固结灌浆试验

闭少刚

(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)

猴子岩水电站压力管道采用单机单管布置，4条管道平行布置，上平段管轴线间距30.00m，下平段管轴线间距30.54m，上、下平段采用60°斜井连接，压力管道内径为10.50m，单机设计引用流量368.4m3/s，流速4.25m/s。本文主要介绍压力管道固结灌浆生产性试验，以提高岩体的整体性能。

压力管道 钻孔灌浆 施工工艺 猴子岩水电站 试验区 压水试验

1 工程概况

猴子岩水电站位于四川省甘孜藏族自治州康定县境内，是大渡河干流水电规划调整推荐22级开发方案的第9个梯级电站。电站采用坝式开发，枢纽建筑物主要由拦河坝、两岸泄洪及放空建筑物、右岸首部式地下引水发电系统等组成。拦河坝为混凝土面板堆石坝，最大坝高223.50m；泄洪建筑物由右岸溢洪洞和泄洪放空洞，左岸深孔泄洪洞和非常泄洪洞(由1#导流洞改建)组成。引水发电系统布置于大渡河右岸，采用首部式地下厂房，电站装机容量1700MW(4×425MW)。

压力管道采用单机单管，4条管道平行布置，上平段管轴线间距30.00m，下平段管轴线间距30.54m，上、下平段采用60°斜井连接。压力管道内径为10.50m，4条管道长538.599m～635.575m；单机设计引用流量368.4m3/s，流速4.25m/s。压力管道混凝土衬砌固结灌浆试验区，灌浆孔排距2m，相邻两排梅花形交错布置，每排12个固结灌浆孔，固结灌浆入岩6m，钻孔孔径φ76mm，固结灌浆最大压力为2.0MPa。

四条压力管道置于泥盆系下统(D11)第⑨～层的薄层状～中厚层～厚层～巨厚层状白云质灰岩、变质灰岩岩体内，进口段大部分置于弱风化岩体内，且与岩层小角度相交，为Ⅲ2类围岩；上平段、上弯段、斜井段、下弯段及下平段位于微新岩体内，初步分类为Ⅲ1～Ⅲ2类围岩。对深埋管段，由于水平埋深及垂直埋深均较大，围岩中地应力高，强度应力比小于4，围岩总体多属Ⅲ1类。

本试验区布置于4#压力管道渐变段，桩号(管4)0+000.00～(管4)0+020.00m，围岩为Ⅲ2类。通过试验进一步了解和现行灌浆压力对衬砌混凝土的抬动情况、浆液配比对基岩的灌注性情况得出科学、合理、可行的固结灌浆参数。

2 试验目的

通过本次生产性灌浆试验，主要拟达到以下目的：

(1)优选出能够更好满足压力管道固结灌浆的施工工艺及方法；

(2)验证灌浆浆材及配合比能否满足质量要求；

(3)验证适用不同地层的灌浆压力，确定大漏量灌浆处理方法；

(4)验证各种钻灌设备、机具的性能，以及人力、设备和机具配置的优化组合方案，为后期高强度施工提供可靠指导参数和依据；

(5)验证施工参数进行固结灌浆所取得的最终成果能否满足灌后物探测试和压水试验的验收要求；

(6)探索高强度固结灌浆与高强度混凝土浇筑期间交叉作业的组织管理模式，总结出最优施工效率的组织方法。

通过对上述内容的系统性研究，以期能对将来引水系统标大规模、高强度的固结灌浆施工提出建设性的指导建议。

3 固结灌浆试验

3.1 施工设备

3.1.1 钻孔设备。选用了DM-30、XY-2PC型地质回转钻机，配φ91、φ76金刚石钻头。

3.1.2 灌浆设备。选用了3SNS型高压灌浆泵，灌浆泵为三缸往复式柱塞泵，运行状态好，压力平稳。灌浆泵主要技术参数压力为10MPa，最大流量为100L/min；

3.1.3 记录仪。选用长科院GJY-7型灌浆自动记录仪，记录仪主要技术参数流量测量范围0～150m3/min。

3.2 灌浆材料

3.2.1 施工用水

灌浆用水应符合DL/T5144《水工混凝土施工规范》拌制水工混凝土用水的要求。若用热水制浆，拌浆用水的温度不得高于40°C。

3.2.2 水泥

采用强度等级不低于42.5#的普通硅酸盐水泥，并符合规定的质量标准。

3.3 试验区孔位布置

该试验区参照压力管道结构布置图(CD164SG-432-1)布置，共10排，间排距为2.0m，每排12个灌浆孔，共计120个灌浆孔。灌浆孔钻孔角度为垂直基岩面，孔深均为入岩6.0m。其布孔形式见图1所示。

图1 压力管道固结灌浆试验区孔位布置

3.4 试验区工程量

该试验区自2014年10月14日开始灌浆，于2014年11月11日检查孔压水试验全部完成，完成的工程量见表1。

表1 固结灌浆试验区工程量统计

3.5 固结灌浆试验施工

3.5.1 施工程序

试验区固结灌浆施工程序∶施工准备→孔位放样→抬动观测孔钻孔→抬动设备安装→灌前测试孔施工→灌前测试孔灌浆→Ⅰ序环固结灌浆(Ⅰ序孔→Ⅱ序孔)→Ⅱ序环固结灌浆(Ⅰ序孔→Ⅱ序孔)→灌后检查孔施工→质量验收。

3.5.2 灌浆预埋管孔位放样

所有灌浆孔孔位放样，均由现场测量人员与质检人员来完成，所有灌浆孔开孔孔位按与设计孔位的偏差不得大于10cm控制。

3.5.3 灌浆管预埋

为了防止固结灌浆钻孔施工时与混凝土钢筋避让不及，并保证钻孔施工质量，试验区固结灌浆孔预埋的孔口管采用φ80mm，壁厚δ=3.5mm的钢管。预埋管顶部采用自制孔口塞封堵，底部采用无纺布封堵，最后采用焊接方式固定在混凝土结构钢筋上，以确保预埋管的稳定；预埋的角度均垂直于基岩面。

3.5.4 钻孔角度校核及孔斜控制

所有灌浆孔均在预埋管内进行造孔施工。为防止钻机在施工过程中位置变化，特别是保证孔位、孔向及倾角满足设计要求，所有钻机在孔位、孔向及钻孔角度调整好后，采取相应措施将钻机固定。钻机安装应平整稳固，钻孔时必须保证孔向准确，开孔段应采用慢速低压钻进，保证钻孔孔斜符合设计要求，开孔角度误差不应大于5°。

3.5.5 灌浆的分段及压力控制

为了提高灌浆效果，且试验区固结灌浆孔孔深均为6.0m，灌浆采用全孔灌浆法。试验区灌浆最大压力为2.0MPa，为了防止岩体产生抬动变形破坏，在试验区安装抬动观测装置。抬动观测孔采用XY-2PC钻机配φ91mm金刚石钻头进行回转取芯钻孔，孔深为8m。抬动变形采用千分表观测，每隔10min测记一次千分表读数；抬动变形观测使用的千分表需经常检查，以确保其灵敏性和准确性。

3.5.6 灌浆方式

灌浆采用孔口卡塞孔内循环灌浆方法，其射浆管距孔底不大于0.5m。灌浆塞阻塞在灌浆段段顶0.5m处。仰孔固结灌浆时，浆液需满足从“低进、高出”的原则。

3.5.7 钻孔冲洗及裂隙冲洗

灌浆孔(段)钻进结束后，应使用水或压缩空气冲净孔内岩粉、渣屑。固结灌浆裂隙冲洗压力，采用灌浆压力的80%，并不大于1MPa。冲洗时间至回水清净时止，并不大于20min。对回水达不到清净要求的孔段，应继续进行冲洗，孔内残存的沉积物厚度不得超过20cm。

3.5.8 压水试验

试验区灌前压水试验可结合裂隙冲洗进行“简易压水”，孔数可在各序孔中选取不少于5%的灌浆孔在灌浆前进行。灌后检查孔采用“单点法”压水试验。

3.5.9 灌浆水灰比

试验区固结灌浆按四级水灰比分两个区域进行灌注，灌浆水灰比以渐变段中心线为界，分别做2组四级水灰比：3∶1、2∶1、1∶1、0.5∶1和2∶1、1∶1、0.8∶1、0.5∶1的对比试验。

3.5.10 灌浆压力及段长控制(表2)

表2 灌浆压力及段长控制

3.5.11 浆液变换

(1)灌浆施工按既定的水灰比进行，灌浆浆液应由稀到浓逐级变换。当灌浆压力保持不变，注入率持续减小时，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)当某级浆液注入量已经达到300L以上，或灌浆时间已达30min，而灌浆压力和注入率均无改变或改变不显著时，应改浓一级水灰比浆液灌注；

(3)当注入率大于30L/min时，可根据具体情况越级变浓。采用越级变浆后，如发现压力突然增大或注入率突然减小，应立即换回原浓度的浆液继续灌注。

3.5.12 灌浆结束标准及封孔

在灌浆段设计压力下，灌浆段注入率不大于1L/min，持续灌注30min,灌浆即可结束。封孔采用水灰比为0.5∶1的浓浆。

4 固结灌浆成果分析

4.1 试验区单位注灰量分析

4.1.1 压力管道固结灌浆试验区单位注灰量统计(见表3)。

表3 试验区单位注灰量统计

4.1.2 压力管道固结灌浆试验区单位注灰量对比(见图2)。

图2 试验区单位注灰量对比

从表3、图2中可以看出：(1)随灌序的增加，试验区各次序孔的单位注灰量分布总体上遵循逐序递减的规律。其中，Ⅰ序孔单位注灰量≥300kg/m的频率为47%，Ⅱ序孔单位注灰量≥300kg/m的频率为12%。说明随着灌浆次序的增进，岩体逐渐被灌注密实，地层的均一性得到明显改善；(2)Ⅰ序孔平均单位注灰量为345.33kg/m，Ⅱ序孔平均单位注灰量为156.60kg/m，随灌序的增加，各次序孔单位注灰量逐渐减小，遵循一般灌浆规律。

4.2 试验区开灌水灰比对比分析

固结灌浆试验区分别做了两种不同灌浆水灰比级的对比试验，沿桩号(管4)0+010.00m前后分为两个区域，灌浆参数参照表3进行控制。其灌浆水灰比，①试验区为3∶1、2∶1、1∶1、0.5∶1(重量比)，②试验区为2∶1、1∶1、0.8∶1、0.5∶1(比重比)；两种灌浆水灰比下单位注灰量对比见表4。

表4 两种灌浆水灰比下单位注灰量对比

从表4可以看出，①区域Ⅱ序孔较Ⅰ序孔单位注灰量降低了53.3%，②区域Ⅱ序孔较Ⅰ序孔单位注灰量降低了56.3%。①区域Ⅱ序孔较Ⅰ序孔单位透水率降低了75.2%，②区域Ⅱ序孔较Ⅰ序孔单位透水率降低了73.8%。两种灌浆水灰比对应的灌浆区Ⅰ、Ⅱ序孔的单位注灰量和平均透水率均递减较为明显，均符合灌浆规律。但从平均单位注灰量可以看出，3∶1开灌的①试验区Ⅰ、Ⅱ序孔的灌注性均明显高于2∶1开灌的②试验区。

4.3 试验区压水试验分析

4.3.1 灌前检查孔压水试验

(1)灌前检查孔压水试验统计(见表5)

表5 灌前检查孔压水试验统计

注：灌前检查孔的透水率由常规压水试验求得。

(2)灌前检查孔透水率频率统计(见表6)。

表6 灌前检查孔透水率频率统计

从表5、表6可以看出，灌前检查孔共布置6个，压水6段，去掉无穷大的平均透水率为102.37Lu，透水率最大值无穷大(无回水)，最小72.08Lu，83.3%的孔段透水率大于100Lu，可见岩石节理裂隙发育，岩石透水性较强，岩层可灌性好。

4.3.2 各次序灌浆孔透水频率统计

(1)试验区各次序灌浆孔透水频率统计(见表7)。

表7 试验区各次序灌浆孔透水频率

注：以上透水率是由简易压水试验得出。

从表7中可以看出，Ⅰ序孔透水率平均值为40.76Lu，Ⅱ序孔透水率平均值为10.29Lu。平均透水率Ⅰ序孔>Ⅱ序孔，说明岩体的渗透条件随灌浆次序的增进逐渐得到改善，符合一般灌浆规律。

4.4 试验区抬动分析

该试验区在进行裂隙冲洗、压水及灌浆的全过程中，均安排有专人严密监视抬动装置千分表的变化情况，每隔10min测记一次千分表读数。根据设计技术要求，本次固结灌浆试验的灌浆压力范围为1.0MPa～2.0MPa，在裂隙冲洗、压水、灌浆施工过程中，均未发生抬动现象。由于本次固结灌浆试验灌浆压力最大为2.0MPa，且表面有1.5m厚的钢筋混凝土盖重作为止浆盘，在这种情况下，说明本次灌浆试验压力不足以对围岩产生抬动或破坏。

5 试验区灌浆效果

5.1 试验区灌后检测指标

固结灌浆质量采用压水试验或声波检查的方法检测，结合钻孔、取岩芯资料、灌浆记录等综合评定其质量。固结灌浆压水试验合格标准，检查孔透水率不大于3Lu。

5.2 试验区检查孔取芯成果

灌后检测取芯孔采用XY-2PC地质钻机配φ76mm金刚石钻头取芯钻孔。灌后测试孔压水试验，采用“单点法”自上而下分段卡塞进行，分段原则和段长与灌浆孔相同。将灌后检查孔与先导孔岩芯采取率进行对比分析得知，地层经灌浆以后岩芯采取率、获得率、RQD值比灌前明显增高，可以看出地层经灌浆以后已经得到了明显改善，水泥灌浆效果比较显著。

5.3 试验区检查孔压水统计分析

本试验区共布置检查孔6个，共6段，单孔深入岩5.8m，钻孔角度为垂直基岩面。本试验区检查孔压水成果透水率均小于3Lu，合格率100%。灌后检查孔压水成果汇总详见表8。

表8 压水成果汇总

注：灌后检查孔的透水率由单点法常规压水试验求得。

试验区灌后检查孔压水透水率频率统计(见表9)。

表9 检查孔压水透水率统计

试验区灌后检查孔共布置6个，压水6段，透水率平均值0.43Lu，最大值0.89Lu，最小值0.03Lu，各孔段透水率均小于3Lu，合格率100%。根据固结灌浆技术要求，固结灌浆灌后检查标准：单位透水率q(Lu)≤3.0Lu。所以灌后透水率检测指标满足设计技术要求。

5.4 试验区灌后声波测试成果分析

灌前(灌后)各孔平均声波波速主要分布在4824m/s～5449m/s(5179m/s～5436m/s)之间，灌前(灌后)平均声波波速5137m/s(5338m/s)，灌前(灌后)岩体波速大于5000m/s测段占测试孔段的比例57.72%(82.74%)，灌前(灌后)岩体完整性系数0.59(0.63)，灌后岩体整体属较完整岩体；灌后岩体波速较灌前岩体波速提高约3.9%。

6 结语

6.1 本次生产性固结灌浆试验所使用的钻孔设备、灌浆设备、灌浆自动记录仪均能满足本工程高压灌浆的要求，因此，本次试验所采用的施工工艺和施工方法可行。

6.2 试验区灌前压水透水率及单位注灰量总体来说，所反映灌浆规律性较强，符合一般灌浆规律，灌浆效果明显，岩体的透水性、整体性比灌前有明显的改善。本次试验区固结灌浆试验压水试验检测指标满足设计技术要求，试验中采用的布孔形式、灌浆参数、材料、工艺等是合适的。

6.3 压力管道固结灌浆范围均为Ⅲ类围岩，建议固结灌浆施工根据试验成果优先选用孔口封闭、孔内循环式灌浆法施工，有利于提高灌浆施工进度。总体原则按两序进行施工，先施工Ⅰ序孔、再施工Ⅱ序孔，如Ⅱ序孔周边的Ⅰ序孔灌浆结束，即可施工该Ⅱ序孔。

6.4 试验成果证明，所采用的最大灌浆压力起到了扩张裂隙、提高可灌性和岩体变形模量的作用，而又不导致岩体的过大变位，是可行的和有效的。在今后的施工中，可按照最大灌浆压力2.0MPa掌握。另外，结合抬动观测成果分析，Ⅰ序孔采用1.0MPa～1.5MPa、Ⅱ序孔采用1.5MPa～2.0MPa满足灌浆施工质量。

6.5 从灌浆单耗及灌浆效果来看，所采用的两种浆液配合比(3∶1、2∶1、1∶1、0.5∶1和3∶1、1∶1、0.8∶1、0.5∶1)对灌浆效果无影响，均满足质量要求。从灌浆成果分析，3∶1开灌的①试验区Ⅰ、Ⅱ序孔的灌注性均明显高于2∶1开灌的②试验区。建议在以后的灌浆施工中，选择一种常规水泥浆液配合比进行固结灌浆施工。即优先选用3∶1、2∶1、1∶1、0.5∶1四级水灰比进行灌注，以提高浆液效率。

6.6 实践证明，猴子岩水电站引水发电系统基础处理固结灌浆其它试验区施工工艺流程、灌浆材料、灌浆参数参照此试验区执行灌后均能达到设计要求。

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2095-1809(2015)05-0057-05

闭少刚(1984-)，男，四川眉山市人，长江工程职业技术学院，大学专科，主任，助理工程师，从事水力水电施工技术管理工作。