白鹤滩水电站右岸导流洞出口错动带及断层影响带帷幕灌浆研究与分析

徐进鹏，兰晓（中国长江三峡集团公司，四川成都610000）

白鹤滩水电站右岸导流洞出口错动带及断层影响带帷幕灌浆研究与分析

徐进鹏，兰晓
（中国长江三峡集团公司，四川成都610000）

为了解决白鹤滩水电站导流洞区域内的层间层内错动带、弱风化及卸荷岩体、断层影响带等经灌浆处理后的防渗效果，导流洞帷幕灌浆施工提供依据，并指导后期大范围帷幕灌浆施工。通过对右岸导流洞进出口采用“小口径钻孔、孔口封闭、孔内循环、自上而下分段灌浆”的整体方案。对于地质条件复杂裂隙部位采用限量、待凝复灌、不限量正常灌注、不限量间歇灌浆等灌浆方式进行灌浆。经灌浆后，该区域灌后透水率满足不大于3 Lu的设计要求。灌浆施工工艺及参数在技术上可行，成本经济合理，施工质量得到保证，对后续白鹤滩工程坝基及引水发电系统高标准的防渗帷幕灌浆具有指导性意义。

导流洞；错动带；断层；帷幕灌浆

白鹤滩水电站作为西电东送的骨干电源点之一，枢纽工程由混凝土双曲拱坝、引水发电系统和泄洪建筑物组成。工程施工时共布置5条导流隧洞进行导流，平面上呈双弯、平行布置，轴线间距60 m，下游段与引水发电系统的尾水隧洞相结合。导流洞穿过地层主要为杏仁状玄武岩、隐晶～微晶玄武岩夹角砾熔岩、玄武质凝灰岩，沿线地质条件复杂，节理裂隙发达。同时，导流洞出口段高程较外侧河流水位低20～30 m，导流洞施工期江水内渗，特别是汛期水位升高后江水沿层内（间）错动带、卸荷裂隙及断层影响带等不良地质段向导流洞内渗水，对导流洞施工造成直接影响，因此，必须对上述不良地质部位进行防渗帷幕灌浆，以增强其抗渗性和整体性[1]，弥补因裂缝、断层破碎带对工程造成的损害，从而保证施工人员及设备安全。

1　灌浆方案及处理措施

1.1总体方案设计

右岸导流洞出口沿江侧帷幕灌浆试验布置在右岸导流2号施工支洞进洞口110.00 m范围内，沿线主要为角砾熔岩、斜斑玄武岩、隐晶玄武岩、杏仁玄武岩等，局部发育柱状节理。

帷幕灌浆区内发育的断层有f418、f419、f420等陡倾角小断层，断层走向在N50°～60°W范围内；层间层内错动带有C2、RS314、RS316、RS317等；裂隙发育，①N35°～60°W，SW∠70°～85°；②N30°～45°E，NE∠15°～30°；③N5°～15°W，NE∠80°～85°；④N45°～75°E，NW∠75°～80°。裂隙在同一部位一般只发育1～2组，延伸长2～3 m，少数可达5～6 m或更长，裂隙间距一般大于30 cm，裂面多新鲜闭合，多起伏粗糙，结合紧密，少数充填钙质薄膜。

基岩水泥灌浆施工过程主要包括钻孔、冲孔、压水试验、灌浆及质量检查等。本次施工程序：抬动观测孔钻孔、安装→先导孔→Ⅰ序孔→Ⅱ序孔→Ⅲ序孔→检查孔。灌浆前将该区域由临江测依此划分为3个单元，每个单元布设1个抬动观测孔。帷幕灌浆孔均采用单排帷幕，按分序加密原则，共分3序。在Ⅰ序孔之前，先实施先导孔并进行灌前压水检查，以获取灌浆区域范围内的地质情况。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ序孔施工拟采用灌浆段长及各段压力选取见表1。之后根据地质情况及相关工程初步选择孔距为2.0 m。同时在Ⅰ序孔中，选择5个孔作为先导孔，间距16 m、孔深61～62 m。II序孔间距8 m、III序孔间距为4 m，I、II、III序孔孔深均为56～57 m。对于孔深，由于第一段处于爆破后的虚渣层内，需要镶筑孔口管，段长设定为2 m；同时考虑到第二段设定的灌浆压力不大，段长设定为3 m；第三段、第四段及以下段长设定为5 m。灌后在灌浆区域内共布置5个检查孔，孔深比灌浆孔深5 m，对灌浆效果进行钻孔取样，以检查灌浆质量（见表1）。灌浆区地质剖面图及钻孔布置如图1、图2所示。

表1　帷幕灌浆压力及分段表Tab.1Curtain grouting pressure and the fragment table

图1　右岸导流洞出口帷幕灌浆区地质剖面图Fig.1　The right bank diversion tunnel outlet curtain grouting area geological profile

图2　帷幕灌浆孔孔位布置图Fig.2　Curtain grouting distributed arrangement

1.2施工方法选取

依据《水工建筑物水泥灌浆施工技术规范》，鉴于该区域地质条件较差，断层及裂隙较为发育，考虑到灌浆过程中，浆液自裂隙及断层漏失，发生“灌不住”和“顺缝跑”现象[2]，故对该区域采取“小口径钻孔、孔口封闭[3]、孔内循环、自上而下分段灌浆”方式施工，可以有效解决坍孔、掉块、垂直裂隙发育等问题孔段的顺利灌注[4]。1～3段压水采用“简易压水”，压水压力为水泥灌浆压力的80%，且最大压力不超过1.0 MPa。灌浆孔第4段及以下各段压水采用“五点法”，压力为：0.3 MPa、0.6 MPa、1.0 MPa、0.6 MPa、0.3 MPa。

1.3覆盖层钻孔措施

因本次帷幕灌浆区施工面以下存在0.5～0.8 m的松渣层及一定厚度的爆破卸荷松弛层，钻孔时存在无回水、卡钻、塌孔、掉块等，施工过程中无法成孔。对所有孔采用XY-2型地质回转式钻机和金刚石钻头。虚渣层采用Φ110 mm的钻头钻进，用Φ110 mm的护壁管跟进，所有孔钻至入岩2.0 m后，直接埋设孔口管，孔口管深入到砼与基岩结合面以下2.0 m，露出孔口0.2 m。先导孔、检查孔孔径为孔口段Φ91 mm，以下各段孔径均为Φ76 mm；一般灌浆孔孔口段Φ91 mm，以下各段孔径均为Φ56 mm。

1.4孔斜处理措施

为保证钻孔孔斜满足要求，开钻前先对帷幕孔轴线左、右2 m范围内支洞底板浇筑一定厚度的混凝土，并采用枕木平稳机身。钻机前、后采用Φ60 mm地锚固定。其次，用水平尺测量机架X、Y方向的水平度，采用吊线锤或罗盘测量立轴垂直度。钻机固定后采用长度为0.5 m、1.0 m、1.5～3.0 m三套钻具施工第一段，第二段及以下各段均采用长度≥2 m的钻具造孔。在钻机钻孔时中采用轻压慢转方式，主要以机具自重为主并适当加设钻压，避免钻压过大导致孔内钻杆弯曲而产生偏斜。钻孔过程中主要对前20 m进行孔斜测量，平均每5.0 m测量一次孔斜，20.0 m后每10.0 m测量一次。

1.5水灰比选取

鉴于导流洞出口沿江帷幕灌浆段部分岩石破碎、节理裂隙发育，且存在断层及错动带，预计灌浆时耗浆量大，且灌浆帷幕的设计要求[5]为小于3 Lu，依据《水工建筑物水泥灌浆施工技术规范》，并参照小湾工程经验[4，6]，本次帷幕灌浆施工采用强度等级PO.42.5级普通硅酸盐水泥浆液。灌浆施工水泥浆液水灰比采用2∶1、1∶1、0.8∶1.0、0.5∶1.0等4个比级。水泥灌浆开灌水灰比根据基岩的透水率与灌前压水试验结果确定。灌浆前压水透水率特别大的灌浆段，用较低水灰比的浓浆开灌[7-8]，开灌水灰比为2∶1。

1.6钻孔冲洗

由于灌浆区浅表部位受爆破影响，产生卸荷松弛，同时，在施工支洞施工过程中，有大量泥浆带入卸荷松弛层内。再者C2及断层破碎带内物质组成为岩屑夹泥型，较疏松、风化弱、胶结差，在冲洗过程中，先用高压水连续冲洗5～10 min，再将孔口压力骤降至零，形成反向脉冲流，当回水由混变清后再升至原冲洗压力，持续5～10 min，如此升降、压放反复，直至回水澄清。对有压单孔脉冲冲洗压力应控制在灌浆压力的80%且不超过1 MPa，以保证混找平凝土不抬动。

1.7特殊孔段处理措施

本次帷幕灌浆区因裂隙、断层破碎带和层内（间）错动带发育，在灌浆过程中可能出现吸浆量大、冒浆、漏浆等特殊情况。根据国内同类工程处理措施，对其拟采用限量、待凝复灌、不限量正常灌注、不限量间歇灌浆[9]等灌浆方式。对于浅表岩体受爆破荷松弛，较为破碎难以起压（或起压后浆液扩散较远），需要加长孔口管的镶铸长度，并采用低压（或无压）限量漫灌的措施[10]。

2　灌浆成果分析

2.1压水成果分析

本灌浆区共计压水685段，从灌前压水情况看，整体I、Ⅱ、Ⅲ序孔平均透水率分别为qI=55.33 Lu、qII=19.11 Lu、qIII=4.79 Lu，qI>qII>qIII呈递减趋势，递减率分别为65.5%、74.9%，符合灌浆规律。灌后对I、Ⅱ、Ⅲ区6个检查孔共计压水84段，灌浆区整体灌后平均透水率q=1.91 Lu，满足设计要求的不大于3 Lu。各单元压水情况统计如表2所示。

表2　灌浆区压水情况统计表Tab.2Statistics of the grouting pressure water situation

2.2单位注入量分析

本次灌浆区域共计钻孔3 438.22 m，灌浆长度3 168.35 m，灌浆水泥总用量为360 372.32 kg，实际注入水泥321 999.41 kg，整体平均单耗为101.63 kg/m。其中I、Ⅱ、Ⅲ序孔平均单位注入量分别为CI= 258.77 kg/m、CII=73.83 kg/m、CIII=29.77 kg/m，CI>CII> CIII呈递减趋势，递减率分别为71.5%、59.7%，符合灌浆规律。各单元灌浆情况见图3。

图3　灌浆区各单元分序单位注入量直方图Fig.3　Grouting area each unit points injection histogram sequence units

综合分析表2及图3可得，本次灌浆区域内的各单元和整体平均透水率及单位注入量关系为：Ⅰ序孔＞Ⅱ序孔＞Ⅲ序孔，呈递减趋势，符合灌浆规律。说明经过先序孔的灌浆，后序孔的灌前透水率及单位注入量逐渐减小，说明该部位岩体具有较好的可灌性，排内分序逐渐加密的施工方式是可行的。

2.3特殊孔段灌浆处理分析

表3给出了灌浆区部分孔段，在施工过程中出现的钻孔不反水等典型灌浆方法处理的孔号及段次统计。据统计，最大吸浆量达到4 834.79 kg/m，注入量偏大的孔段吸浆量一般超过500 kg/m。经施工发现采取间歇、待凝灌浆在复灌时仍无压无回，有一定效果，但停灌待凝耗时较长，制约施工进度；不限量灌注单从工程造价看，不满足经济性要求；间歇灌浆在造价方面虽较不限量灌浆经济，但灌浆质量不能得到有效保证；采取不限量、限流、限压间歇灌浆的灌浆方法从灌浆连续性和灌灰量及施工进度方面是有利的，尤其可使工程质量得到保证。

表3　特殊孔段典型灌浆方法处理情况Tab.3　Special hole section of a typical grouting method to deal with

表4　灌前压水和灌浆单位注入量关系表Tab.4　Irrigation water pressure and grouting unit before injection relational tables

2.4灌前压水和灌浆单位注入量关系分析

在灌浆成果分析的基础上，对灌前压水和灌浆单位注入量关系表4进行统计分析，可得：

1）q<1 Lu，C<10 kg/m的孔段岩石裂隙不发育，或由于后序孔经先序孔灌浆处理后裂隙渗透性减小所致，说明灌浆起到了显著的效果。

2）q<5 Lu，C>100 kg/m的孔段裂隙内为泥质充填物，具有一定的天然抗渗能力，在压力为1 MPa时，渗透性较小，而在压力达到2 MPa时却有较好的可灌性，由此表明充填型裂隙虽具有一定抗渗透能力，但其抗渗稳定性较差，在较大压力作用下，极易破坏形成漏水通道，因此必须经过灌浆处理，才能提高整体帷幕的抗渗稳定性。

3）q>10 Lu，C<50 kg/m的孔段主要分布在完整岩石和已灌浆范围内，由于岩石裂隙细微，呈闭合状，压水透水性大，可灌性差，灌浆效果不够显著，灌浆过程中极易出现水泥浆失水回浓现象。

4）q>50 Lu，C>500 kg/m的孔段主要原因为：①钻孔遭遇断层、层间错动带，裂隙较为宽大、延伸性好；②裂隙内无充填物或虽有充填但较为疏松，透水性强，可灌性好。统计结果表明，这类孔段所占比例虽不大，但灌入的灰量却很大，在灌浆开始时，一般不能尽快达到设计压力，需分阶段逐级升压或限流、间歇甚至待凝才能满足灌浆要求，灌浆历时长，亦极易诱发孔内事故，是整个帷幕的薄弱部位，也是渗水的主要通道，必须进行充分灌注，否则会影响整个帷幕的防渗性能。

2.5整体评价

灌浆结束后，对灌浆成果进行综合统计分析可得：

1）从I序孔灌前压水透水率看，灌浆区裂隙较为发育，透水性较大。存在的裂隙或软弱夹层、断层及层间错动带等透水性强，与前期地质勘探成果相吻合。

2）各孔段灌浆压水试验的透水率随着灌浆孔序的增加递减较明显。分析认为大的裂隙或层间错动带发育范围较大，随着帷幕灌浆的进行，浆液能够很好地对其进行充填，致使不同孔序透水率明显减小。

3）各孔段单位注入量随着灌浆孔孔序的增加递减较为明显，表明灌浆取得的效果较好。

4）各孔段的单位注入量与灌前压水试验的透水率基本相匹配，单位注入量符合压水试验成果及灌浆区地质条件。

5）本次检查孔共计取芯75块，整体较为完整，部分呈碎块状。6个检查孔岩芯采取率平均达到95.77%以上，达到合格标准。取出比较明显的水泥结石厚度约1～3 mm，最大的达7 mm，水泥与基岩面胶结紧密，结石胶结情况良好。

3　结论

由于岩体内存在破碎带、断层及层间错动带，导致孔内掉块，阻塞器无法按要求阻塞到位，故“小口径钻孔、孔口封闭、孔内循环、自上而下分段灌浆”灌浆施工工艺及参数在技术上是可行的，成本上是合理的，施工质量上是得到保证的。

在爆破卸荷松弛层采用预埋孔口管及错动带、断层影响带采用有压单孔脉冲冲洗法能够有效解决上述不良地质条件下的灌浆施工，对其他工程防渗帷幕灌浆施工具有指导意义。

通过本次对导流洞出口错动带及断层影响带帷幕灌浆施工研究，对后续白鹤滩工程坝基及引水发电系统高标准的防渗帷幕灌浆具有指导性意义。

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（编辑李沈）

Research and Analysis on Curtain Grouting in Disturbed Belt and Fault Zone at the Right Bank Diversion Tunnel Outlet of Baihetan Hydropower Station

XU Jinpeng，LAN Xiao
（China Three Gorges Corporation，Chengdu 610000，Sichuan，China）

To address the anti-seepage issue of the grouting treatment in the disturbed belt between layers and within the layer，weakly weathered and unloading rock mass and fault zone in the diversion tunnel area of Baihetan Hydropower Station，and to provide the basis for curtain grouting construction of the diversion tunnel and guide for the large size curtain grouting in the further stage，an overall scheme of“small-diameter boring，porthole closed，circulating inside the hole and top-down grouting”is adopted in this paper.For fractured parts of complicated geological conditions，we adopt methods such as the limited，waiting for cement setting and re-grouting，unlimited normal grouting and unlimited intermittent grouting.After grouting，the water permeability rate of the area is not greater than the design requirements of 3 Lu.The Grouting construction technology and parameters as proposed in the paper are technically feasible，the cost is economical and reasonable，and the quality is guaranteed.The paper provides meaningful guidance for high-standard anti-seepage curtain grouting for the dam construction of Baihetan Hydropower Station in the further stage.

diversion tunnel；disturbed belt；chasms；curtain grouting

1674-3814（2015）07-0114-05中图分类号：TV543+.5

A

2015-02-10。

徐进鹏（1984—），男，硕士，工程师，主要从事大型水电工程建设管理工作；

兰晓（1986—），男，硕士，工程师，主要从事大型水利工程移民及项目管理工作。