帷幕灌浆回浆变浓孔段水泥灌入量计量研究——以桐子林水电站为例

(雅砻江流域水电开发公司 桐子林工程建设管理局，四川 攀枝花 617100)

1 研究背景

桐子林水电站系雅砻江下游最末一个梯级电站，是一座以发电为主的综合利用水利枢纽，属Ⅱ等大(二)型工程。大坝坝顶轴线长439.73 m，坝顶高程1 020.00 m，最大坝高69.50 m。河床式电站共装4台ZZ-LH-1020型水轮发电机组，单机容量150 MW，总装机600 MW，多年平均发电量29.75 亿kW·h。水库正常蓄水位为1 015.00 m，死水位为1 012.00 m。坝基防渗采用平行大坝轴线布置的悬挂式帷幕，分别布置于左右岸灌浆平洞及坝基1号灌浆排水廊道，闸坝护坦区域防渗帷幕沿3号灌浆排水廊道及下游2号灌浆排水廊道布置，形成半围合格局。帷幕灌浆设计防渗标准为灌后岩体透水率q≤5 Lu，幕后扬压力折减系数α≤0.25。

桐子林水电站坝基帷幕灌浆工程施工中，河床坝基大部分灌浆孔段出现了涌水及“回浆变浓”等现象，后经多次灌浆试验并采取调整浆材细度(采取湿磨细水泥和干磨细水泥灌注)、提高灌浆压力、缩小孔排距、浆液置换、屏浆待凝等措施后，帷幕灌浆施灌效果满足设计要求。

目前，国内已建或在建的水电站坝基帷幕灌浆工程中出现“回浆变浓”现象的工程实例不少，如20世纪90年代建成发电的湖南五强溪水电站、皂市水电站[1]，近期建成发电的湖南托口水电站[2]、四川大岗山水电站[3]、锦屏一级水电站[4]、溪洛渡水电站[5]等，业界同仁对出现“回浆变浓”现象的产生原因、判定标准、施工技术处理措施及其实施效果均有不少研究成果与实践经验[6-8]，但在灌浆孔段水泥灌入量的计量中如何考虑“回浆变浓”影响的相应计量方法未见论述，国家及行业的相关规程规范也没有明确规定。本文拟就桐子林水电站坝基帷幕灌浆工程“回浆变浓”孔段水泥灌入量计量方法的研究与确定过程与业界同仁共同探讨分享。

2 问题的提出

在桐子林水电站坝基帷幕灌浆工程实施过程中，项目业主、工程监理、项目承包单位就 “回浆变浓”孔段水泥灌入量如何计量展开过多次讨论，并各持己见。项目承包单位和监理单位认为，“回浆变浓”孔段灌浆施工时，虽然灌浆自动记录仪记录的水泥灌入量中包含有部分水，但水的灌入同样存在人工消耗与设备损耗成本，要求将灌浆自动记录仪记录的水泥灌入量当成“回浆变浓”孔段的水泥灌入量；灌浆管路中密度计记录的密度变化包含人工配浆等施工操作及设备运行等原因产生的施工误差。项目业主认为，虽然工程合同文件及现行国家和行业的规程规范没有明确规定“回浆变浓”孔段水泥灌入量如何计量，但业界同仁都认为水泥灌入量的定义已经相当明确，即“灌入地层中的水泥量”，而灌入地层中的水是不应予以计量的。至于灌浆施工时因地层“回浆变浓”的影响而造成人工消耗与设备损耗，这是任何一个有经验的合格承包单位在投标时应该考虑到的风险。“回浆变浓”孔段的水泥灌入量必须将灌浆自动记录仪记录的灌入岩体浆液体积所含的水泥量扣减因灌浆孔段“回浆变浓”的影响量，具体计算时，考虑灌浆过程中人工操作与设备运行的施工误差所产生的影响[9-10]。

3 解决方案

本着以事实为基础、以合同为准绳、有利于问题解决的原则，参建各方经共同讨论与研究，形成了桐子林水电站坝基帷幕灌浆工程“回浆变浓”孔段水泥灌入量计算方法解决方案：即将灌浆系统密度计的施工误差作为灌浆孔段“回浆变浓”判定标准。帷幕灌浆孔段施灌过程中的某一灌浆时段内，当灌浆系统回浆密度增加的变化率小于系统的施工误差，则判定该孔段属于正常灌浆孔段，其实际的水泥灌入量即灌浆自动记录仪记录的水泥灌入量；若灌浆系统回浆密度增加的变化率大于系统的施工误差时，则判定该孔段属于“回浆变浓”孔段，其实际的水泥灌入量为灌浆自动记录仪记录的灌入岩体浆液体积所含水泥量扣减灌浆孔段因“回浆变浓”的影响量。并以灌浆孔段灌浆过程中同级水灰比的灌注过程作为一个计算阶段来计算灌浆孔段各级水灰比灌注过程的实际水泥灌入量，然后累计求和来计算孔段灌浆全过程的实际水泥灌入量。

3.1 灌浆系统的施工误差确定

桐子林水电站帷幕灌浆工程自开工之初即形成了利用灌浆施工设备、计量器具等定期校验的质量管理制度，工程监理单位每周定期或在灌浆系统设备进场时组织相关人员对灌浆系统中的自动记录仪、流量计、密度计及压力计进行配套校验率定并签字贴封条，以保证灌浆系统施工设备与计量器具施工误差在规程规范规定的允许范围内[11-12]。全面统计帷幕灌浆工程自开工到施工完成时段内灌浆系统配套校验率定时密度计正误差的统计平均值(负误差不计入统计范围)，将其作为灌浆系统密度计的施工误差。

3.2 水泥灌入量计算方法

3.2.1分析思路

灌浆孔段产生“回浆变浓”现象的主要原因是岩体中广泛存在细微劈理带、裂隙密集带，浆液中的水分自孔壁的节理裂隙进入岩体，而颗粒较粗的水泥颗粒无法通过细微节理裂隙进入岩体而滞留于灌浆系统内，致使灌浆系统回浆密度随灌注时间增加而逐渐增大，灌注时间越长，浆液变浓越明显。

目前，国内灌浆自动记录仪记录的水泥灌入量是通过累积单位时间段内浆液密度与注入浆液体积的乘积来计算的，因此，自动记录仪记录到的水泥灌入量不能代表“回浆变浓”孔段的实际水泥灌入量，但帷幕灌浆过程中同一施灌时段内灌入地层中的水泥量与灌浆系统内水泥量之和是恒定不变的, “回浆变浓”孔段的实际水泥灌入量可据此进行计算确定。即：自动记录仪记录到的灌入岩体浆液体积所含水泥量+开灌时灌浆系统浆液中的水泥量=实际水泥灌入量+灌浆结束时灌浆系统留存浆液中的水泥量。

3.2.2计算方法

现以坝基帷幕灌浆孔段的一般施工工况来推导“回浆变浓”孔段水泥灌入量计算公式。坝基帷幕灌浆某一灌浆孔段钻孔灌浆基本参数包括：钻孔孔深H，钻孔半径R，灌浆系统采取“小循环”方式布置，灌浆进回浆管路长度L，进回浆管内径r，灌浆用水泥密度为ρ，帷幕灌浆采取孔口封闭、自上而下分段、孔内循环施工工艺。灌浆施工于T1i时刻开灌，浆液开灌水灰比Nai，浆液密度Dai，灌注至某一时刻Tix时，系统内浆液密度为Dix，发现浆液回浆变浓很明显，利用新鲜浆液置换一次(置换新鲜浆液水灰比与原开灌浆液水灰比一致)，灌注至T2i时灌浆达到水灰比变换条件，变换为下一级水灰比继续灌注，此时(T2i)系统内浆液密度为Dbi，自动记录仪记录到的灌入岩体浆液体积为Vi。

则该“回浆变浓”孔段在同一水灰比级(Ni∶1)灌注过程中实际水泥灌入量(Wi)=自动记录仪记录到的灌入岩体浆液体积(Vi)所含水泥量(Qi)+T1i时灌浆系统中浆液的水泥量(Gai)-T2i时灌浆系统留存浆液的水泥量(Gbi)+换浆后开始灌浆时系统浆液中的水泥量(Gai)-替换浆液产生的废弃浆量中的水泥量(Gix)。Gai、Gix、Gbi、Qi均可由水泥浆液的水泥重量与水泥浆液密度的关系计算得到：

(1)

(2)

(3)

(4)

桐子林水电站坝基帷幕灌浆施工时，因河床坝段大量灌浆孔段存在涌水现象而需采取屏浆待凝等措施处理，为减少射浆管堵塞事故并降低事故处理难度，提高施工工效，采取Φ20 PVC管替代钻杆作为射浆管，因其管壁很薄(小于0.5 mm)，射浆管体积占比很少，计算时忽略了射浆管体积的影响：

V0=πr2L+πR2H

同一级水灰比灌浆过程中系统内灌注浆液密度(Dai、Dix、Dbi)及水灰比(Nai)均可在自动记录仪打印的原始记录表中查得，因此，“回浆变浓”孔段某一级水灰比灌注过程中实际水泥灌入量可以通过如下公式直接计算得到：

(5)

(6)

式中，m为浆液置换次数。

“回浆变浓”孔段实际水泥灌入量(W)则为各级水灰比灌注过程中实际水泥灌入量的累计总量：

(7)

式中，n为灌浆施工的水灰比级数。

桐子林水电站坝基帷幕灌浆施工灌浆水灰比一般采用3∶1，2∶1，1∶1，0.8∶1，0.5∶1共5级，其变化因子i取1，2，3，4，5时，Nai分别对应取值为3.0，2.0，1.0，0.8，0.5。Dix、Dbi、Vi、Dai可在对应的原始灌浆记录表中查得。据现场帷幕灌浆施工经验，每一个灌浆孔段很少采用多级水灰比灌注结束的，一般采取1～2级水灰比即可灌注结束，但浆液置换次数最多达4次。“回浆变浓”孔段实际水泥灌入量(W)的计算公式看似复杂繁琐，但在现场实际应用时利用Excel表格的计算功能使得计算操作既简单又快捷。只要将灌浆孔段的钻孔及灌浆系统进回浆管的基本参数、每级水灰比灌浆参数、每次浆液置换时的灌浆参数及相应的计算公式分别输入预先定制的Excel表格进行自动计算，即可得到每级水灰比灌注、每次浆液置换因孔段“回浆变浓”影响的扣减量及灌浆孔段的实际水泥灌入量。

3.2.3计算实例

现以4号坝段1单元WM-1-102号孔第3段的灌浆施工记录来计算该孔段的实际水泥灌入量。其钻孔灌浆基本参数为：钻孔孔深16.9 m，钻孔半径0.028 m，灌浆系统采取“小循环”方式布置，管路占浆量为2.48×10-2m3，灌浆用水泥密度为3.15×103kg/m3，帷幕灌浆采取孔口封闭、自上而下分段、孔内循环的施工工艺。灌浆施工于2014年6月24日9：50：05开灌，开灌时水灰比为3∶1，浆液密度为1.20×103kg/m3，灌注至12：25：15时，系统内浆液密度为1.51×103kg/m3，浆液置换一次(置换新鲜浆液水灰比为3∶1)，继续灌注至13：17：00时达到灌浆结束标准条件，结束该孔段灌浆。此时系统内浆液密度为1.32×103kg/m3，自动记录仪录到的灌入岩体浆液体积为0.506 m3，自动记录仪记录到的水泥灌入量为179.1 kg。根据公式(7)可计算出该孔段实际水泥灌入量为113.5 kg，仅占本孔段自动记录仪记录到的水泥灌入量179.1 kg的63.4%。

该孔段因“回浆变浓”的影响而核减的工程量(水泥灌入量)为65.6 kg，占实际水泥灌入量的57.7%，占自动记录仪记录到的水泥灌入量的36.6%。

3.3 应用结果

桐子林水电站坝基帷幕灌浆工程共施工完成1 302个孔，其中灌浆孔1 161个 ，检查孔141个；总计完成混凝土钻孔4 865.00 m，基岩钻孔33 064.09 m，水泥灌入总量(钻孔封孔灌浆用水泥量未予统计)3 870 408.65 kg。考虑到水灰比大于2∶1的水泥浆液中水泥含量少，浆液因“回浆变浓”对灌浆孔段实际水泥灌入量的影响更少；帷幕灌浆工程“回浆变浓”孔段实际水泥灌入量的计算过程中，对于灌浆结束水灰比大于2∶1孔段的实际水泥灌入量计算时没有考虑孔段 “回浆变浓”的影响。经统计，帷幕灌浆孔中175个孔的627段因出现“回浆变浓”现象而进行了工程量(孔段水泥灌入量)核减计算，其各孔段灌浆自动记录仪记录到的水泥灌入量为395 869.50 kg，其各孔段实际水泥灌入量为178 591.60 kg，仅占自动记录仪记录到的水泥灌入量的45.1%；因“回浆变浓”原因核减的工程量为217 277.90 kg，占自动记录仪记录到的水泥灌入量的54.9%，占桐子林水电站坝基帷幕灌浆工程水泥灌入总量的5.6%。

4 结 语

桐子林水电站坝基帷幕灌浆工程“回浆变浓”孔段水泥灌入量计量时采取核减 “回浆变浓”影响的计算方法符合客观实际、工程合同及现行规程规范要求，在不损害项目承建单位正当利益的同时，有利于工程项目计量工作的进一步规范管理及合理减少工程项目业主的工程建设成本。

对于大坝基础存在细微裂隙密集带较发育且有可能出现“回浆变浓”的类似工程项目，帷幕灌浆施工时建议采取“小循环”方式布置灌浆系统，以免因工程计量考虑“回浆变浓”的影响而增加灌浆操作人员的工作量；并严格落实灌浆系统自动记录仪、流量计、密度计及压力计等施工计量设备定期配套校验、率定并签字贴封条的定期检验制度。