白鹤滩水电站左岸厂区帷幕灌浆水泥损耗分析与研究

蒙 万 谦，雷 舰

(中国水利水电第七工程局成都水电建设工程有限公司，四川 成都 610030)

1 概 述

在白鹤滩水电站左岸引水发电系统工程中，枢纽区防渗帷幕由大坝基础防渗帷幕、地下厂房防渗帷幕和二道坝防渗帷幕三部分组成，其中两岸大坝基础防渗帷幕分别与地下厂房防渗帷幕相连接，形成上游侧完整的防渗体系，以减小上游库水位对下游和坝肩抗力体的渗流[1]。地下厂房的防渗帷幕在平面上与坝区防渗帷幕相连，采用半包围厂房的布置方案。厂房防渗帷幕北侧与大坝基础防渗帷幕相连接，南侧折向山体内906.69 m半包厂房。立面上，厂房防渗帷幕布置在压力管道(钢衬)上游侧距厂房上游侧墙86.5 m的位置，防渗帷幕从825 m高程向下延伸至550 m高程，总深度约为275 m，共布置了5层帷幕灌浆廊道，每层廊道布置2排深孔帷幕灌浆孔，排距1.5 m，孔距2 m，各层廊道间布置衔接帷幕，整体形成封闭帷幕体。左岸地下厂房防渗帷幕灌浆量达50万m。

白鹤滩水电站左岸厂区洞群庞大，纵横交错，灌浆施工作业面分布分散，帷幕灌浆工程量大，同一施工时段多个部位施工强度高，浆液需求量大，且因受现场施工场地条件限制，制浆系统无法根据各个施工作业面就近布置。为确保施工期帷幕灌浆的浆液供应，左岸厂区采用建立自动化集中制浆系统，通过各层洞室层间对穿传递孔埋设输浆管路，将水泥浆液从集中制浆系统输送至各施工作业面，并保证浆液供应满足帷幕灌浆施工需求。

(1)地层岩性。顶层灌浆廊道上覆岩层厚度为60～200 m，以基岩为主；2号斜坡南侧靠近NW向陡壁部位覆盖层较厚，为20～30 m，基岩厚30～40 m，为峨眉山组P2β42～P2β62层隐晶质玄武岩、杏仁状玄武岩[2]、角砾熔岩及凝灰岩等。

高程825～550 m防渗帷幕岩体由峨眉山组P2β34～P2β42层玄武岩构成，岩性为隐晶质玄武岩、杏仁状玄武岩、角砾熔岩、斜斑玄武岩及凝灰岩等；高程550～740 m段分布P2β32、P2β33层第一类、第二类柱状节理玄武岩。

(2)地质构造。沿线未发育大的断层，层间错动带C2、C3-1、C3贯穿整个线路，层间错动带C4、C5在顶层灌浆廊道上部发育，层内错动带大多规模较小，其中P2β32、P2β33层相对发育，主要发育有LS3152、LS3253、LS3254、LS3255、LS3256等。

(3)岩体风化卸荷。沿线弱风化及弱卸荷岩体埋深多在50 m以内，高程834 m以下均为微新无卸荷岩体。

(4)水文地质情况。地下厂房防渗线路部位岩体埋深较大，均处于微新无卸荷岩体内，受风化卸荷影响甚微，完整性较好，结构紧密，岩体透水性差。沿线岩体以微透水～弱透水岩体为主。微透水岩体(相对隔水层)顶板埋深为115～220 m，高程为760～810 m。局部错动带发育部位岩体呈弱透水。

2 水泥损耗原因分析

笔者结合左岸厂区帷幕灌浆施工的实际情况进行了系统分析，帷幕灌浆施工过程的水泥损耗由制浆损耗、系统供浆损耗、灌浆施工过程损耗、施工环境影响引起的损耗、特殊地质岩性引起的损耗组成。

2.1 制浆损耗

水泥浆液的制浆方式主要为“人工+制浆机”制浆和自动化集中制浆两种。“人工+制浆机”制浆主要适用于袋装水泥制浆，该方式制浆系统布置较为灵活，可随工作面就近布置，但制浆称量主要靠人工控制，称量误差偏差较大且制浆过程浪费相对较大，导致制浆水泥损耗偏高；自动化集中制浆主要适用于散装水泥，制浆系统的布置相对较为固定，制浆方式为全自动化系统控制制浆，称量系统精度高，称量误差较小，因此其制浆损耗的主要原因为称量偏差所导致。

2.2 供浆损耗

白鹤滩水电站左岸厂区防渗排水系统帷幕灌浆工程共布置5层灌浆廊道及最底部的一条截渗廊道，垂直高程达275 m，单条帷幕灌浆廊道长达906.39 m。由于洞群内施工工作面分散，同一时段多部位高强度同时施工，浆液需求量大，为确保高峰期灌浆时水泥浆液的供应，制浆采用自动化集中制浆系统制浆，通过各层洞室层间对穿传递孔埋设输浆管路，将水泥浆液从集中制浆系统输送至各施工作业面，集中制浆站至施工作业面输浆管线平均长度达1.5 km。每次供浆前，供浆管路需先通水检查管路的通畅性，然后供浆，供浆完成后必须用水进行管路冲洗，从而导致供浆的前一部分和后一部分浆液被水稀释、致使浆液浓度达不到灌浆要求而浪费掉[3]。经现场对各个施工作业面供浆情况进行测算，单次供浆损耗量达10%～12%。

2.3 灌浆施工过程的损耗

(1)弃灰损耗。白鹤滩水电站帷幕灌浆施工工艺均采用卡塞或孔口封闭孔内循环式灌浆方式。灌浆时，孔内浆液将循环至搅拌桶内，孔内存在的少量岩粉也会随着浆液循环返回搅拌桶，在各灌浆孔段灌浆结束后，搅拌桶内剩余的这部分浆液将不能再使用，需全部弃掉，该部分浆液的损耗在灌浆施工过程中占总损耗量的45%。

(2)封孔置换损耗。在帷幕灌浆施工中，灌浆的最后一道重要工序为灌浆封孔。帷幕封孔施工采用0.5∶1的浓浆将孔内水先进行置换，待孔口返浓浆后阻塞带压封孔。特别是深孔帷幕，孔深普遍比较深，浆液置换过程中由于孔内有水，浓浆进孔后部分浆液会被稀释，导致其浓度不满足规范要求的部分必须浪费掉，致使浆液损耗量较大，该部分浆液损耗占总损耗量的15%。

(3)施工工艺损耗。白鹤滩水电站帷幕灌浆工程深孔帷幕施工阻塞工艺均采用孔口封闭、孔内循环法进行灌浆，该施工工艺会造成已灌段重复进行循环灌浆，已灌段孔内重复有孔内占浆，这种灌浆阻塞工艺也是导致水泥浆液损耗增大的原因之一。

2.4 施工环境影响损耗

白鹤滩水电站多年平均气温高达21 ℃，极端最高气温达43 ℃以上，尤其是4～9月份气温较高。灌浆的技术要求：温度超过40 ℃的浆液将作为废浆弃掉。在白鹤滩这种高温地区，水泥浆液在高速搅拌和通过灌浆泵高压循环灌浆的条件下浆液的温度上升较快，浆液温度极易达到40 ℃。特别是在浓浆封孔的时候，浆液极易导致超温，这部分超温的浆液必须作为废浆弃掉，这也是导致水泥浆液损耗的原因之一。

2.5 特殊地质岩性引起的损耗

白鹤滩水电站左岸厂区岩体以微透水岩体为主，少量为弱透水下段(1 Lu≤q<3 Lu)透水岩体，局部为弱透水上段(3 Lu≤q<10 Lu)透水岩体。整体透水性较小，水泥灌注单耗整体较小，可灌性较差。帷幕灌浆单耗小于10 kg/m孔段占比为79%(其中零单耗占比为45%)。白鹤滩水电站左岸引水发电系统帷幕灌浆大部分孔段单耗均在10 kg/m范围内，单次浆液制备量在满足注入量、孔管占、封孔量、槽内余灰等必要耗量外均作弃灰，损耗占比较大。这种特殊的弱透水性岩层是导致水泥损耗整体偏高的主要原因之一。

3 降低水泥损耗的方法研究

3.1 制浆损耗

制浆损耗的主要原因为称量偏差和人为拌制浪费所造成。随着现代化工业的进步，目前自动化集中制浆系统的技术已趋向成熟，可实现智能化、信息化。根据灌浆工程施工现场的实际情况，可以采用建立智能化制浆系统代替人工制浆。集中制浆集中供浆，不仅可以提高称量系统的精度及制浆精度，也可以减少人为因素造成的浪费，从而有效降低制浆损耗[4]。白鹤滩水电站左岸厂区帷幕灌浆制浆即采用自动化集中制浆系统，从而有效地降低了制浆损耗。

3.2 供浆损耗

白鹤滩水电站左岸厂区系统帷幕灌浆由于点多面广，为确保供浆满足各施工部位的供浆需求，采用自动化集中制浆系统制浆[5]，通过传递孔输送至各施工作业面。其供浆损耗主要为供浆的前一部分和后一部分浆液被供浆管路内的水稀释所造成。因此，供浆次数越多，损耗将越大。解决的措施为：根据各层廊道帷幕灌浆施工资源配置情况，在各层廊道建立供浆中转站，更换大体积储浆桶，尽量减少集中制浆站到各施工作业机组的供浆频次，减少长距离输浆管路的供浆频次，从而有效降低了供浆损耗。

3.3 灌浆施工过程中的损耗

(1)弃灰损耗。弃灰损耗主要为各孔段灌浆结束后下搅拌桶内剩余弃掉的水泥浆液。该部分损耗在整个灌浆施工损耗中占比较大。该部分损耗与配浆人员的熟练程度和精准控制有关。为控制好配浆量，各灌浆作业机组需配置熟练的配浆人员，必须严格在上搅拌桶配浆好后放至下搅拌桶使用。根据各孔段灌前压水试验掌握地层的可灌性，合理计算用浆量，在保证灌浆用量的情况下，尽量少配勤配，用多少配多少，避免单次浆液配制过多而造成灌浆结束后弃灰量过大。从配浆环节有效控制弃浆损耗。

(2)封孔置换损耗。封孔置换损耗主要为浓浆置换过程中由于孔内有水、浓浆进孔后部分浆液会被稀释而导致浆液浓度不满足要求而必须浪费掉的一部分。这部分损耗主要是因为灌浆孔内的积水对浆液稀释造成的，因此，封孔前，可将射浆管下至孔底，先采用风将孔内的积水吹干，尽量减少孔内积水对浆液的稀释，然后再向孔内注入浓浆进行封孔。该方法可以有效地降低因孔内积水对浆液稀释造成的损耗。

(3)施工工艺损耗。白鹤滩水电站帷幕灌浆工程深孔帷幕施工阻塞工艺均采用孔口封闭、孔内循环法进行灌浆，该方法会导致已灌段孔内重复占有浆液，这部分浆液在灌浆结束后均需弃掉，进而增大了水泥浆液损耗。由于白鹤滩水电站左岸厂区帷幕灌浆廊道对应部位的岩体总体较为完整，在钻孔施工过程中极少出现塌孔现象，造孔成型较好。在这种情况下，可以采用一次成孔自下而上分段卡塞的施工工艺进行灌浆。该方法在保证灌浆质量的同时，亦可有效减少已灌段重复占浆的问题，从而有效地解决了因阻塞工艺引起的浆液损耗，同时亦可提高施工功效，降低施工成本。

3.4 施工环境影响损耗

根据技术要求，浆液温度超过了40 ℃便视为废浆，不可用于帷幕灌浆施工。由于白鹤滩水电站常年平均气温较高，极端最高气温可达43 ℃以上，尤其是4～9月份气温较高，再加上深孔帷幕最大设计灌浆压力为6 MPa，浓浆结束孔段及封孔段在长时间高压屏浆循环条件下，浆液温度极易超过规范要求的5 ℃～40 ℃范围，无法再用于灌浆作业，只能作超温弃浆处理，进而造成水泥损耗偏高。根据白鹤滩水电站这种高温施工区，在进行帷幕灌浆施工时，可以提前合理规划施工进度计划，尽可能避开高温时段施工。如果根据工期要求难以避开高温施工时段，可以采取对制浆所用的系统水进行冷却处理，储灰罐采取遮蔽措施以降低水泥温度，廊道施工作业面采取通风降温等方法，可有效降低由于高温环境引起的浆液超温弃浆损耗。

3.5 特殊地质岩性引起的损耗

白鹤滩水电站左岸厂区岩体以微透水岩体为主，整体透水性较小，可灌性差。在这种情况下，可以根据灌前压水透水率情况进行预判，灌浆前先精准计算配浆量，在满足灌浆浆液比重要求的情况下，采取系统供应稀浆的方式，尽量减小单次供浆损耗。

4 结 语

白鹤滩水电站左岸厂区岩体以微透水岩体为主，整体透水性较小。帷幕灌浆大部分孔段单耗均在10 kg/m范围内，可灌性较差，导致帷幕灌浆施工过程中水泥损耗居高不下。笔者结合白鹤滩水电站左岸厂区帷幕灌浆现场施工的实际情况，从制浆、供浆、灌浆施工过程、施工工艺、施工环境、特殊地质岩性等方面对水泥损耗原因进行了系统分析，找出了帷幕灌浆施工水泥损耗的根本原因。针对帷幕灌浆过程中存在的水泥损耗各个环节分别制定了可实施的改进措施和方法，有效地降低了水泥损耗。目前，白鹤滩水电站左岸厂区帷幕灌浆已接近尾声，在前期施工过程采取的这些降低水泥损耗的措施和方法得到了实践和检验，有效地控制了灌浆施工过程中的水泥损耗；同时亦降低了由于损耗偏高增加的排污压力，可谓一举两得。这些降低水泥损耗的措施和方法对其它类似的地下工程灌浆施工控制水泥损耗具有借鉴价值。