巴基斯坦杜伯华水电站堰坝及进水口帷幕灌浆设计

朱方君 王立群

巴基斯坦杜伯华水电站堰坝及进水口帷幕灌浆设计

朱方君 王立群

杜伯华水电站堰址区主要由侏罗系的Kohistan群的角闪岩类（超铁镁质岩类）和第四系的冲积物和坡崩积物组成，属于强—中等透水性，因此，需要进行灌浆防渗。

灌浆帷幕 灌浆方案 杜伯华水电站

杜伯华水电站位于巴基斯坦西北边境省 （NWFP）境内DUBER KHWAR河上，工程主要建筑物由壅水坝、电站进水口、沉沙池、发电引水隧洞、调压井、压力钢管隧洞、压力钢管、发电厂房、尾水渠以及开关站等组成。堰址位于杜伯华河流上的Banil村上游，为混凝土重力堰。杜伯华河为印度河的右岸支流，呈南北向蜿蜒流过高山区，山脉陡峻。坝轴线处河床在高程1 200 m左右，河宽约100 m，堰坝切割处宽175 m。堰址区主要由侏罗系的Kohistan群的角闪岩类 （超铁镁质岩类）和第四系的冲积物和坡崩积物组成。河流沉积物和坡积物属于强—中等透水性，渗透系数范围在10-1～10-3cm/s之间。

1 灌浆帷幕的设计和布置

1.1 防渗方案设计

溢流堰、进水口的底高程为1 183.50 m，堰坝、进水口都坐落在砂砾石覆盖层上，为降低堰底扬压力，减少枢纽整体渗漏量，枢纽采用灌浆帷幕进行垂直防渗，设计的帷幕允许渗透比降为4，帷幕厚度为6 m。

1.2 灌浆帷幕布置

在河床段，坝基础下部的冲积层深度预期超过60 m，帷幕灌浆的最小深度应延伸至高程1 140 m处，具体将根据实际的地质条件进行调整。在覆盖层灌浆区域，帷幕灌浆孔布置为3排，孔距1.5 m， 排距1.0 m，灌浆孔成梅花形布置；在两岸基岩灌浆区域，帷幕灌浆孔布置为2排，孔距1.5 m， 排距1.0 m，设计的灌浆孔为对称布置，采用梅花形布置。典型布置见图1。

1.3 灌浆工程量

经计算，灌浆工程总量为15 692.50延米。

2 帷幕灌浆施工方案

2.1 施工工艺方法

采用自下而上卡塞（纯压式）灌浆工艺进行灌浆，对于覆盖层灌浆，灌浆将在预埋的灌浆花管（即袖阀管法）内进行。

图1 灌浆孔布置（单位：m）

在覆盖层灌浆区域，3排灌浆孔中先施工下游排，再施工上游排，最后施工中间排；在两岸坝肩岩石基础灌浆区域，先施工下游排，然后施工上游排。每排灌浆孔内均按三序进行施工。

在覆盖层内的钻孔方法采用同心和偏心跟管钻进工艺造孔或其他适宜的方法；在岩石基础钻孔采用小口径风动潜孔锤或金刚石取芯造孔工艺成孔。

2.2 施工工艺流程

灌浆施工的工艺流程见图2。

2.3 钻孔

钻机选用YG-100、YG-80全液压工程钻机和XY-2地质岩芯钻机，根据地质条件，在覆盖层等复杂地层钻孔方法主要采用偏心跟管或同心跟管钻进工艺。在钻孔遇到超径大孤石钻孔困难时，也可采用泥浆护壁回转钻进等工艺造孔。

在钻进基岩灌浆孔的时候，采用常规的风动潜孔锤钻进成孔或回转取芯钻进工艺。

钻孔结束后应立即清孔，除尽残留岩芯、岩屑。

2.4 勘探孔施工

在每一区段灌浆工作开始前，拟沿灌浆帷幕轴线每间隔15 m左右选取1个灌浆孔钻为勘探孔，以进一步探明灌浆区域的地层情况及其渗透性。对于砂卵石地层取芯率不做要求，对于岩石地层应采取岩芯并保存岩样。

图2 灌浆施工工艺流程图

对于砂卵石地层，渗透性测试方法可采用常水头注水试验，根据试验结果计算地层的渗透系数。在基岩内可进行压水试验，并根据试验结果计算岩石的透水率或计算岩石的渗透系数。

2.5 孔壁填料

孔壁填料主要由水泥、膨润土及水组成，其性能应具有合适的强度和脆裂性能，这样便于开环，防止浆液纵向窜冒，保证灌浆工作的顺利进行。

2.6 灌浆花管的安置

灌浆管采用高强度硬质塑料管。采用螺纹连接，内径保持一致，便于下置栓塞。灌浆花管上每隔333 mm设置1排出浆孔，孔径10 mm，出浆孔部位安装橡皮套阀。

2.7 灌浆施工

2.7.1 灌浆材料

水泥采用巴基斯坦FAUJI或ASKARI水泥厂生产的普通硅酸盐水泥，符合BS12-1996标准。

砂质地坚硬的天然砂或人工砂，粒径不宜大于2.5 mm，细度模数不宜大于2.0，SO3含量不宜大于1%，含泥量不宜大于3%，有机物含量不宜大于3%。

膨润土采用巴基斯坦Ahmad Saeed Company公司生产的Higel Optimum钠基钻井液用膨润土，该种膨润土的主要指标满足API相关标准。

浆液中添加的外加剂主要是速凝剂。主要采用水玻璃作为速凝剂。采用模数2.4～3.0，浓度为30～45波美度的水玻璃。同时，水玻璃作为硅酸盐也是一种灌浆材料，可以和胶凝剂一起使用，用于灌注细颗粒地层。

施工及拌和用水应满足：pH>4，不溶物小于5 000 mg/L，可溶物小于10 000 mg/L，氯化物小于3 500 mg/L，硫酸盐小于2 700 mg/L。施工用水采用杜伯华河水，已经检测水质良好。

2.7.2 灌浆浆液

在灌浆施工中，根据地层情况以及灌浆部位选用以下不同的浆液：

（1）水泥浆液。在基岩中灌注水泥浆液，为增加浆液的稳定性，将在水泥浆液中掺加少量的的膨润土（水泥质量的1%～2%），浆液水固灰比采用1∶1、0.8∶1、0.6∶1。

（2）水泥-膨润土浆液。在覆盖层中灌注水泥-膨润土浆液，浆液水固比采用1∶1、0.8∶1、0.6∶1、0.45∶1。浆液中膨润土掺量为水泥重量的3.5%，实际施工中可根据情况在2%～5%之间调整膨润土的掺量，在Ⅰ序孔内可少掺，在Ⅱ、Ⅲ序孔内可多掺。现场试验中可根据实际情况调整水固比，使浆液性能满足灌浆要求。其中0.45∶1的浆液为膏状浆液，浆液的扩散范围可控性较好，用于灌注大空隙及脱空地层。

2.7.3 灌浆设备

（1）灌浆泵。采用3SNS型灌浆泵，此种泵为三缸柱塞泵，压力平稳。

（2）灌浆塞。采用DYS系列液（气）压灌浆塞，基岩灌浆采用单塞，覆盖层灌浆采用双塞。

（3）灌浆监控系统。采用GMS2006灌浆数据采集与监控系统，同时监控灌浆压力、注入率2个参数。

2.7.4 施工顺序

灌浆严格按分序加密的原则进行：先施工下游排，再施工上游排，最后施工中间排，每排帷幕孔内先施工Ⅰ序孔，然后施工Ⅱ序孔，最后施工Ⅲ序孔。

2.7.5 浆液制备

采用集中制浆站浆液制输，水泥和膨润土采用人工加料，电子称量方式。制浆机采用ZJ-800型旋流高速搅拌机。

纯水泥浆液搅拌时间不少于30 s；水泥膨润土浆液搅拌时间不少于5 min。

2.7.6 灌浆施工

2.7.6.1 覆盖层灌浆

（1）灌浆方法。堰坝及进水口覆盖层帷幕灌浆采用预埋花管（即袖阀管法）灌浆，主要使用自下而上灌浆法，连续灌注。

预埋花管法的主要施工程序有：钻孔→清孔→灌注填料→下花管→起套管→待凝→卡塞→开环→灌浆。花管法施工工艺见图3。

（2）施工方法。① 灌浆段长的划分。在砂砾石地层应以灌浆花管上的 1环，即每环 0.333 m段长为一段灌浆。下置双塞封闭灌浆段后施灌。② 开环。泵入清水或稀浆进行开环，打开橡套阀和冲开填料，开环压力应逐级施加，不得突然增大。③灌浆压力。上游排和下游排全孔采用0.6 MPa的灌浆压力；中间排灌浆压力，第1段采用0.6 MPa，深度每增加10 m逐级增加0.15 MPa。④ 浆液浓度及灌浆过程控制。浆液采用4个比级：水固比为1∶1、0.8∶1、0.6∶1和0.45∶1。

图3 预埋花管法施工程序图

2.7.6.2 基岩段灌浆施工

（1）钻孔冲洗与压水试验。① 开始灌浆前灌浆孔全孔应采用大流量清水进行钻孔冲洗，直至回水清净时止。②基岩灌浆只在孔底段进行单点法压水试验。

（2）灌浆。①灌浆段长与灌浆压力：基岩段灌浆包括覆盖层下伏基岩灌浆和两岸坝肩岩石基础区的基岩灌浆。对于覆盖层下伏基岩灌浆：基岩与覆盖层的接触段为2 m，其余灌浆段长一般为5 m。如果因为地层破碎等原因导致不能有效卡塞，此时可以适当加长灌浆段长对地层进行处理灌浆，待凝后重新扫孔按规定段长重新进行灌浆。其灌浆段的灌浆压力根据灌浆段所处孔深位置确定，灌浆压力计算方法同覆盖层灌浆。对于堰坝及进水口两岸岩石基础区灌浆：上部第1段灌浆段长为2 m，第2段段长为3 m，其余灌浆段长一般为5 m。如果因为地层破碎等原因导致不能有效卡塞，也可以适当加长灌浆段长对地层进行处理灌浆，并在待凝后重新扫孔按规定段长重新进行灌浆。对于此部分灌浆，孔口接触段灌浆压力为0.6 MPa，实际的灌浆压力在灌浆过程中根据实际施工情况，可作合理调整。②浆液变换。(a)浆液水固比采用1∶1、0.8∶1、0.6∶1等3个比级，开灌水固比1∶1。(b)变浆标准：帷幕灌浆浆液浓度遵循由稀到浓的原则逐级改变，施工过程中将按以下要求控制。灌浆时，当灌浆压力保持不变，吸浆量均匀减少，或者吸浆量变化不大而灌浆压力均匀升高时，不得改变水灰比；当某一比级浆液注入量己达300 L以上，或灌注时间己达30 min，而灌浆压力和注入率均无显著改变时，应换浓一级水灰比浆液灌注；当注入率大于30 L/min时，根据施工具体情况，可越级变浓。③灌浆结束标准。本工程帷幕灌浆在规定压力下，当注入率不大于2 L／min时，继续灌注30 min，灌浆即可结束。

2.7.6.3 封孔

灌浆结束后的封孔采用全孔灌浆封孔法，使用0.5∶1或0.45∶1的纯水泥浆。封孔后对由于浆液析水产生的孔口空余段采用砂浆回填密实并人工抹平。

2.8 抬动观测装置安装

帷幕灌浆区布置2套抬动观测装置，其结构见图4，对灌浆施工过程中产生的地面抬动进行监测，控制抬动变形在允许的范围内。

2.8.1 抬动观测装置的安装

抬动观测孔的深度比帷幕底线深3 m。钻孔达到预定孔深后，按要求安装千分表，利用该装置对地层抬动变形情况进行监测。

2.8.2 抬动观测

在压水试验或灌浆过程中，观测和记录地层抬动数据。对抬动观测记录进行整理分析，以便指导施工。

灌浆过程中，当抬动值达到或超过规定值时，应立即降压，限流灌浆，并报请监理人共同研究处理措施。

图4 抬动观测装置示意图

3 结语

应用本方案灌浆，杜伯华水电站堰坝及进水口的防渗达到预定效果，总结出了一套施工方法和处理措施，也为类似工程提供了借鉴。

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1007-6980（2015）04-0009-03

2015-08-17）

朱方君 男 工程师 中水北方勘测设计研究有限责任公司 天津 300222

王立群 男 高级工程师 中水北方勘测设计研究有限责任公司 天津 300222