小中甸水利枢纽帷幕灌浆生产性试验与分析

王毕刚

渊小中甸水利枢纽工程开发投资有限责任公司袁674499袁香格里拉冤

一、工程地质情况及处理措施

1.工程地质情况

（1）主坝坝基工程地质

小中甸水利枢纽主坝坝区岩石为玄武岩夹灰岩，受区域构造运动及区域动力作用影响，岩石内隐含微裂隙发育，原生及次生节理裂隙较发育，断层亦发育，导致岩体完整性较差，浅部岩体透水性较强。基础开挖结果显示，河床部位地质较好，两岸岸坡较破碎。坝址区共发现有13条小断层，节理裂隙比较发育。裂隙产状在各部位差异较大。枢纽区节理裂隙按其走向、倾向和倾角可分为12组，以前7组最为发育，枢纽区各部位一般发育其中的2～6组。

（2）副坝坝基工程地质

副坝坝址基岩为二叠系上统下段岩层，岩性为玄武岩夹灰岩。副坝坝基岩石透水性强，相对不透水层埋藏较深，坝区浅表部岩体节理裂隙较发育，完整性差，致使浅表部岩体透水性强。基础开挖结果显示，河床部位及两岸坡岩体较破碎。

（3）主副坝间山体工程地质

主坝左岸至副坝之间的山包比较单薄，厚120～250 m，岩体为玄武岩，全、强、弱风化岩体均有分布，节理裂隙较发育，存在一定的渗漏风险。蓄水位以下中等透水带厚度在16.9～29.6 m 之间，宽度约 220 m(除去主、副坝防渗范围)。该渗漏带为强～弱风化状玄武岩岩体，由节理裂隙透水所致，其节理多呈闭合～微张状，无充填，部分节理充填铁质氧化膜或岩屑。

2.主要问题及处理措施

坝基强、弱风化玄武岩透水率一般在1.5～28.3 Lu之间，属弱～中等透水岩体；灰岩岩体透水率在4.4～17.6 Lu之间，属弱～中等透水性，存在坝基及坝肩渗漏问题。特别是主坝2号和3号坝段存在顺岩层溶蚀带渗漏问题，针对该地段将分布在建基面以下的溶蚀破碎带应尽可能全部挖除，再采用混凝土回填，并进行帷幕灌浆处理。主坝左岸至副坝之间的山包比较单薄，水库正常蓄水位以下岩体为强～弱风化状，透水率一般在0.3～28.4 Lu之间，属弱～中等透水，存在一定的渗漏风险。根据水库渗漏量计算公式，经分析剖面成果计算，渗漏量较小，属轻微渗漏，不存在渗透变形问题。该地段须进行帷幕灌浆防渗处理。

二、帷幕灌浆生产性试验设计

1.试验目的

通过帷幕灌浆生产性试验，进一步了解小中甸水利枢纽的工程地质及水文地质条件，了解其可灌性和灌浆效果，以确定灌浆具体方案，确定帷幕灌浆采用灌浆方法处理在技术上的可行性、效果上的可靠性及经济上的合理性。整理分析各序孔的透水率、单注量等试验资料，提出合理的排距、孔距、孔深和有关施工定额参数，选定灌浆分段、灌浆压力、浆液配比等试验参数；确定施工材料、施工方法和施工工艺及最优的灌浆配合比；确定合理的工效和资源配置，为后续施工的工期计划、质量控制提供可靠依据。

2.试验区选择与布置

根据防渗帷幕地质剖面图和现场坝基开挖揭露的地质状况，主坝河床部位地质较好，两岸坡较破碎，坝基持力层左岸及河床为玄武岩，右岸为玄武岩夹灰岩条带。副坝河床中间及两岸均为砂卵砾石层，渗透系数大。坝基为玄武岩，岩层风化较深，裂隙较发育。

根据挡水工程帷幕灌浆设计及施工现场条件，选取主坝左岸及副坝右岸具有一定代表性地段作为生产性试验区。

第Ⅰ试验区布设在主坝左岸观景台帷幕线上 （坝横向为Z0+150.00～Z0+166.00)。该区域节理裂隙等构造发育，地下水水位低，坝基岩体透水率变化较大。按单排孔布设，帷幕灌浆孔9个，检查孔2个，孔距为2.0 m。所有钻孔均为铅直孔。

第Ⅱ试验区布设在副坝右岸帷幕线上 （坝横向 Z1-025.744.00～Z1-09.744.00)。该区域上部地层为砂卵石层，间或含黏性土夹层，透水性较强；下部地层为基岩，基本不透水。按单排孔布设，设帷幕灌浆孔9个，检查孔2个，孔距为2.0 m。所有钻孔均为铅直孔。

3.灌浆试验实施过程

（1）施工方法

第Ⅰ、Ⅱ试验区均采用自上而下孔内循环分段灌浆施工。灌浆孔按逐序加密的原则分3个次序施工，即Ⅰ序→Ⅱ序→Ⅲ序。为了缩短施工工期，在严格按照灌浆次序施工的同时进行交叉施工，但需满足以下条件：先后两个次序的灌浆在铅直方向上始终保持前一次序孔度超过后一次序孔深度15 m以上(即两个次序保持3个灌浆段的高差)，以防止邻孔串浆。

（2）工艺流程

第Ⅰ试验区灌浆段的施工程序按下列顺序施工：钻孔→冲洗→压水试验→灌浆 （特殊孔段复灌）→下一段钻孔……最后一段钻孔→测斜→终孔。

第Ⅱ试验区灌浆段的施工程序均按下列顺序施工：钻孔→冲洗→压水试验→灌浆 （特殊孔段复灌）→下一段钻孔……钻孔压水至相对隔水层5 m→测斜→灌浆→封孔。

（3）施工要点

①造孔。根据该工程的地质条件,采用150型回转地质钻机、200型回转地质钻机钻进。帷幕灌浆孔钻进过程中要提供合理的水量和钻进压力，并且配置足够的供水钢管、阀门、水表、压力表以及压力胶管等材料。

②冲洗。当钻完一孔段后，用压力清水进行脉冲式洗孔，冲洗至回水变清后10分钟结束；钻孔冲洗后，进行孔深校核，然后下钻杆进行压水试验和灌浆施工。灌浆孔（段）应在裂隙冲洗后立即连续进行灌浆施工，若存在中断时间超过24小时的情况，应在灌浆前重新冲洗裂隙。

③压水试验。各次序灌浆孔在灌浆前采用“单点法”进行简易压水试验。简易压水试验结合裂隙冲洗进行，安排在裂隙冲洗后进行，压力为灌浆压力的80%且不大于1 MPa。

④灌浆。

a.帷幕灌浆方法采用孔口封闭，孔内循环，自上而下分段灌浆，分Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ序孔施工，本着逐序加密的原则进行。

b.帷幕灌浆分段段长为5 m。遇特殊情况可以适当缩减或加长，但最大长度不得超过10 m。破碎地层、大裂隙地层可结合施工实际情况适当缩减至3～4 m。

c.灌浆压力。按下式计算：

式中，P为允许灌浆压力值（MPa）；P0为岩基表面地段灌浆的允许压力；M为表层段以下每深入岩基1 m，可增加的压力值；D为灌浆段以上岩石厚度（m）。

其中初步确定P0=0.3 MPa，M=0.03 MPa/m，终孔孔段压力不大于1.5 MPa。最终值由灌浆试验确定。

在灌浆施工过程中，从小到大对M区间值进行试验。通过观察耗浆量情况，特别是观察灌浆临界压力值，以及观察地表冒浆、地表岩石裂缝、抬动等现象，确定出适合于该工程帷幕灌浆的压力值。

d.浆液使用及变换标准。帷幕灌浆采用P.O 42.5普通硅酸盐纯水泥浆进行生产性灌浆试验。根据设计及监理要求, 浆液水灰比采用 3∶1、2∶1、1∶1、0.8∶1、0.6∶1、0.5∶1 六个比级。 开灌水灰比3∶1，遵循由稀至浓、逐级变换的原则。

当灌浆压力保持不变，注入率持续减小时，或当注入率不变而压力持续升高时，不改变水灰比；当某一级浆液的注入量已达到300 L以上或灌浆时间已达到30分钟，而灌浆压力和注入率均无改变或改变不明显时，改浓一级水灰比进行灌注；当注入率大于30 L/min，可根据实际情况越级变浓。若变浓一级水灰比灌浆后，引起孔内吃浆突然减少或不吃浆。马上恢复原灌的水灰比进行灌注，或冲洗孔再由稀到浓重灌。浆液变换的综合控制,原则上做到浆液变换利于顺利灌浆,多灌进浆和灌好浆。

e.灌浆结束标准及封孔。在设计压力下，当注入率小于1 L/min时，继续灌注60分钟以上即可结束灌浆。采用0.5∶1的浓浆进行置换和压力封孔相结合，以封密实为准。

⑤检查孔施工。试验区灌浆施工结束14天后,根据灌浆成果布设两个检查孔，检查孔孔段作单点法压水试验，全孔取岩芯并进行岩芯编录。

表1 帷幕灌浆检查孔压水试验成果

三、试验成果分析

1.灌浆注入量

（1）第Ⅰ试验区

第Ⅰ试验区帷幕灌浆分序灌浆成果统计显示：Ⅰ序孔注入水泥量18 185.3 kg,平均单位注入量为165.3 kg/m；Ⅱ序孔注入水泥量11 027.2 kg，平均单位注入量147.0 kg/m；Ⅲ序孔注入水泥量11 040.2 kg，平均单位注入量为78.9 kg/m；各序孔最大、最小及平均单位注入量随孔序呈逐序递减，完全符合灌浆孔序间单位注入量变化规律。可见设计灌浆区域基岩有较好的可灌性，说明通过帷幕灌浆达到了防渗效果。

（2）第Ⅱ试验区

第Ⅱ试验区帷幕灌浆分序灌浆成果统计显示：Ⅰ序孔注入水泥量23 444 952.4 kg,平均单位注入量为262.8kg/m；Ⅱ序孔注入水泥量15369.8 kg，平均单位注入量227.3 kg/m；Ⅲ序孔注入水泥量24 044.2 kg，平均单位注入量为212.0 kg/m；各序孔最大、最小及平均单位注入量虽有逐序递减的规律，但不明显。

2.平均透水率与单位注入量

（1）第Ⅰ试验区

第Ⅰ试验区帷幕灌浆分序灌浆成果统计显示：Ⅰ序、Ⅱ序、Ⅲ序的灌前平均透水率分别为28.60 Lu、20.66 Lu、11.36 Lu；Ⅰ序、Ⅱ序、Ⅲ序的平均单位注入量分别为165.3 kg/m、147.0 kg/m、78.9 kg/m。

数据表明，第Ⅰ试验区各序孔的透水率较大，说明该部位基岩较破碎，透水性强，平均透水率Ⅰ序、Ⅱ序、Ⅲ序逐序递减，反映出灌浆规律，体现良好的灌浆效果。各序孔的平均单耗较大，说明该部位基岩较破碎，可灌性较好，平均透水率Ⅰ序、Ⅱ序、Ⅲ序逐序递减，反映出灌浆规律，体现良好的灌浆效果。

（2）第Ⅱ试验区

第Ⅱ试验区帷幕灌浆分序灌浆成果统计显示：Ⅰ序、Ⅱ序、Ⅲ序的灌前平均透水率分别为51.95 Lu、51.16 Lu、31.72 Lu；Ⅰ序、Ⅱ序、Ⅲ序的平均单位注入量分别为262.8 kg/m、227.3 kg/m、212.0 kg/m。

数据表明，各序孔的透水率较大，说明该部位基岩较破碎，透水性强，平均透水率Ⅰ序、Ⅱ序、Ⅲ序逐序递减，反映灌浆规律，体现良好灌浆效果。各序孔的平均单耗较大，说明该部位基岩较破碎，可灌性较好，但平均透水率Ⅰ序、Ⅱ序、Ⅲ序逐序递减并不明显。

3.质量检查

灌后按灌浆孔数10%在灌浆透水率和注入量大部位布设取芯压水检查孔。第Ⅰ试验区布置2个检查孔，压水15段。检查孔的各段透水率均小于5.0 Lu，最大透水率为3.2 Lu，完全满足设计要求。第Ⅱ试验区布置2个检查孔，压水12段。最大透水率为35.41 Lu，透水率达到防渗标准（防渗标准透水率q≤5Lu）的有4段，占总段数的33.3%。检查孔压水试验成果见表1。

4.存在问题的处理

第Ⅱ试验区中灌浆压力及浆液的使用较为科学，但试验区检查孔的孔段压水合格率仅达33%。为保证副坝帷幕灌浆能有效达到防渗效果，最终，经过参建四方会议确定：在原先相邻孔中间新增6个孔，加上2个检查孔共8个孔作为灌浆孔进行补灌处理。其余部位不再进行调整，以Ⅰ序先导孔指导施工，现场施工中随时跟进，最终以检查孔压水结果为准。

5.质量评价

帷幕灌浆材料各项主要技术、质量指标均符合规范与设计要求；压水及灌浆等主要工序采用自动记录仪进行记录，仪器均检测率定合格，其记录的数值真实、可靠；帷幕灌浆分序统计显示，随着钻孔分序加密施工，透水率和水泥单位注入量均呈递减趋势，各项指标均符合合同及设计要求，帷幕灌浆施工质量符合设计要求。■