乌东德水电站特高拱坝全坝无盖重固结灌浆技术研究与应用

王汉辉，丁 刚，陈 亮，潘洪月

（1. 长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北 武汉 430010； 2. 长江水利委员会长江科学院，湖北 武汉 430010；3. 中国三峡建工（集团）有限公司，四川 成都 610094）

0 引 言

随着我国水电开发往西南高山峡谷地区转移，拱坝以其适应峡谷地形、超载能力强、安全度高、混凝土用量少的特点被广泛采用。拱坝承受的水荷载主要通过拱端传递给坝肩山体［1］，其建基岩体加固质量是保证拱坝稳定安全的关键。高拱坝建基岩体一般选择Ⅱ级～Ⅲ1级岩体，局部为Ⅲ2级岩体，但是建基面难免存在一定数量的原生裂隙，以及开挖产生的爆破卸荷裂隙。因此，有必要对建基岩体进行固结灌浆处理，以提高建基岩体强度和刚度，减少坝基不均匀变形，增强坝基浅层抗渗性。

固结灌浆一般分为有混凝土盖重和无混凝土盖重两种方式。有盖重灌浆是在坝体混凝土浇筑高度不少于3 m 后，在混凝土仓面上进行钻孔灌浆，其优点是能够利用混凝土盖重对表层裂隙进行封闭并提高灌浆压力，灌浆效果有保证；但其缺点是，既占用坝体混凝土浇筑的直线工期，又可能因仓面长间歇造成坝体混凝土开裂，且钻孔时容易打断坝体中的冷却水管等预埋件，还可能导致岸坡接触灌浆管路被浆液堵塞。无盖重灌浆是在基岩面上直接进行钻孔灌浆施工，其工序完成于混凝土浇筑之前，不会对混凝土浇筑和岸坡接触灌浆产生干扰。

高拱坝一般坝段较少，用于调配混凝土浇筑施工的仓面数量少，有盖重固结灌浆施工与混凝土浇筑干扰问题尤为突出。为解决有盖重固结灌浆与混凝土浇筑干扰的问题，目前高拱坝坝基固结灌浆方式由传统单一的有盖重固结灌浆方式逐渐转变为无盖重+有盖重的组合灌浆方式，由此缓解固结灌浆与混凝土浇筑之间的矛盾。

二滩水电站采用无盖重+表层有盖重引管灌浆［2，3］；乌江构皮滩水电站坝基采用裸岩裂隙封闭无盖重灌浆为主，局部采用有盖重灌浆的方式［4，5］；拉西瓦水电站孔口2 m 以下采用无盖重灌浆，孔口2 m 以上采用有盖重引管灌浆［6，7］；锦屏水电站河床及缓坡坝段采用无盖重灌浆+有盖重灌浆补强，岸坡坝段采用无盖重+引管灌浆［8，9］；金沙江溪洛渡水电站河床坝段采用有盖重灌浆，缓坡坝段采用无盖重+有盖重灌浆，陡坡坝段采用无盖重+引管灌浆［10，11］。以上高拱坝无盖重灌浆均存在第一段灌浆压力较低、灌浆效果难以保证的问题，均需要采用有盖重灌浆或引管灌浆进行补强处理。

本文通过分析乌东德水电站固结灌浆特点，研究其坝基开挖后的松弛特征，通过室内材料试验和现场灌浆试验，研发了裸岩裂隙封闭材料和工艺，提出了全坝无盖重固结灌浆成套技术，并在乌东德水电站特高拱坝成功应用。

1 乌东德水电站固结灌浆特点

乌东德水电站装机容量10 200 MW，水库总库容74.08 亿m3，为大（1）型Ⅰ等工程，由挡水、泄水、引水发电等建筑物组成。混凝土双曲拱坝高度为270 m，包含岸坡1～5 号、10～15号坝段和河床6～9 号共15 个坝段。建基岩体主要为灰岩，右岸局部为白云岩，岩体质量优良，Ⅱ级占97%，Ⅲ1级占3%。

乌东德水电站河谷狭窄陡峻，宽高比仅0.9～1.1，两岸坡度达60°～75°，坝体混凝土浇筑仓面狭窄，陡坡坝段（50°以上）建基面需预埋接触灌浆管路，若采用有盖重固结灌浆方式，则存在灌浆施工长时间占压混凝土浇筑仓面，以及灌浆浆液可能堵塞接触灌浆管路的问题［12］。若采用无盖重灌浆可以解决与以上干扰难题，但是乌东德水电站特高拱坝存在如下问题:

（1）乌东德水电站大坝两岸拱肩槽边坡高陡，建基岩体开挖爆破卸荷裂隙是固结灌浆处理的重点，有必要研究建基岩体开挖卸荷特征。

（2）乌东德水电站特高拱坝荷载巨大，坝基固结灌浆处理质量标准高。传统的无盖重灌浆第一段压力低，一般为0.2～0.5 MPa，灌浆效果差，难以满足质量标准，有必要研究高效的裸岩裂隙封闭材料和工艺。

（3）乌东德水电站大坝建基面除了存在爆破裂隙外，还存在规模较大的不利结构面，有必要研究适用于不同宽度裂隙的封闭方法。

（4）乌东德水电站特高拱坝基岩固结灌浆在拱肩边坡实施，坡面高陡，传统的抬动变形观测装置只适用于铅直向下灌浆抬动变形观测，有必要研究任意方向灌浆抬动变形观测装置。

2 坝基开挖松弛特征研究

2.1 开挖卸荷回弹影响分析

乌东德水电站坝址处边坡高陡，坝址区地应力测试成果表明，近岸岸坡区地应力量值总体上属于低～中等地应力水平，首先根据实测地应力数据对两岸坝肩边坡地应力场进行反演，然后采用FLAC3D软件建立三维模型并进行数值计算分析，计算时模拟边坡开挖过程，并考虑地层层面对开挖卸荷深度的影响，主要计算内容如下:①根据地应力测试结果反演地应力场空间分布特征，得到两岸边坡的初始地应力；②模拟拱肩槽边坡的开挖施工过程，研究边坡岩体在开挖卸荷过程中的变形响应规律、塑性区分布特征。拱肩槽边坡三维数值计算模型见图1。

图1 拱肩槽边坡三维数值计算模型图Fig.1 Three dimensional numerical calculation model of arch shoulder groove slope

拱肩槽边坡开挖后塑性区分布见图2。可以看出，左岸拱肩槽边坡开挖完成后坡体以略斜向上且朝向边坡临空面外的变形为主，整体上顺河向变形大于铅直向和横河向变形。最大开挖合变形约为38.5 mm，发生在上游横河向边坡EL795 高程附近。正面边坡EL795 高程以上以水平指向上游的变形为主，EL795 高程以下则逐渐以向上的卸荷回弹变形为主，变形最大值发生在EL765 部位，量值约为16.8 mm；正面边坡顺河向变形最大11.0 mm，发生在EL795 高程部位，横河向变形最大约为10.7 mm，发生在EL750 高程部位，铅直向变形最大约为12.8 mm。考虑地层层面对开挖卸荷深度的影响，上游横河向边坡、下游边坡累计开挖变形增大明显，正面边坡变形增幅较小，一般小于3.0 mm。

图2 拱肩槽边坡开挖后塑性区分布图Fig.2 distribution of plastic zone after excavation of slope of arch shoulder groove

拱肩槽边坡开挖后典型剖面塑性区见图3。边坡开挖完成后，正面边坡L1-1'剖面塑性区一般分布在开挖面浅表层，深度不超过2 m，以剪切屈服为主；上游侧向边坡L2-2'剖面塑性区分布在开挖面浅表层，深度一般在3～5 m 之间；上游横河向边坡L3-3'剖面塑性区主要位于开挖坡表卸荷岩体内，分布范围较广，深度一般在10 m左右。

图3 拱肩槽边坡开挖后典型剖面塑性区图Fig.3 Plastic zone of typical section after excavation of arch shoulder groove slope

2.2 开挖爆破影响分析

爆破对孔底以下岩体的影响主要与装药直径有直接的关系，根据以往的试验资料及工程经验，孔底爆破影响深度为20～40 倍药包直径。台阶爆破如采用70 mm 的药卷直径，其药包底部爆破垂直影响深度约为1.4～2.8 m。灰岩底部爆破垂直影响深度一般为30倍左右药包直径，且爆破药卷直径不能无限制减小，过小的药卷直径会造成传递爆轰时殉爆，从而发生爆破事故。

2.3 声波检测结果

乌东德水电站大坝建基岩体不同深度波速分布见图4。可以看出，单孔声波波速小于4 500 m/s的低波速区主要位于深度1 m以内，声波波速小于5 000 m/s的低波速区主要位于深度3 m以内。大坝建基浅层岩体爆破卸荷裂隙发育，岩体质量差，是需要进行固结灌浆处理的重点部位。

图4 大坝建基岩体不同深度波速分布图Fig.4 Wave velocity distribution at different depths of dam foundation rock mass

3 裸岩裂隙封闭材料与工艺研究

3.1 裸岩无盖重固结灌浆存在的问题

传统砂浆嵌缝等方法对表层裂隙的封闭效果差，灌浆过程中岩体裂隙易被灌浆压力击穿，需要反复待凝进行处理，且表面冒浆严重，施工作业环境差。为此，针对建基岩体表面不同宽度的裂隙，研发了高效的裸岩裂隙封闭材料和工艺。

3.2 裂隙封闭材料研究

高性能裂隙封闭材料是无盖重固结灌浆成败的关键，良好裂隙封闭材料应具备流动性适宜、凝结时间较短、便于操作、固化物力学强度高、与基岩黏接强度高、抗渗性强的特点。经过系统调研，重点对CW 系列聚合物基快硬水泥材料和改性环氧胶泥材料进行研究。

通过裂隙封闭材料性能测试、室内抗渗模拟等多种手段，对初凝（操作）时间、终凝（固化）时间、抗压强度、抗折强度、劈拉强度、砂浆试件对黏抗拉强度、抗渗压力等进行了研究。新型高性能基岩裂隙封闭材料室内试验见图5，研制出的聚合物基快硬水泥和改性环氧胶泥性能指标见表1。

表1 聚合物基快硬水泥和改性环氧胶泥指标表Tab.1 Index of polymer based quick hardening cement and Modified Epoxy Mastic

图5 新型高性能基岩裂隙封闭材料室内试验Fig.5 Indoor test of new high performance bedrockfissure sealing material

通过现场试验研究发现，聚合物基快硬水泥对不同宽度裂隙的封闭效果有差别，用于较宽裂隙（＞2 mm）能承受压力相对较低（＜0.6 MPa），用于细裂隙（≤2 mm）可承受压力较大（最大0.9 MPa），推荐涂刷厚度为3 cm。

改性环氧胶泥对不同宽度裂隙的封闭效果均较好，用于细裂隙（＜2 mm）可承受压力约1.2 MPa，用于较宽裂隙（≥2 mm）可承受压力约1.0 MPa，推荐涂刷厚度为1 cm。

3.3 裂隙封闭工艺研究

通过现场工艺试验，采用的裂隙封闭施工步骤为:裂隙清理→涂刷封闭材料→灌前预压水检查。

聚合物基快硬水泥涂刷厚度为3 cm，裂隙两侧宽度为4 cm；改性环氧胶泥涂刷厚度为1 cm，裂隙两侧宽度为3 cm。应沿裂隙用力涂刷封闭材料，裂隙较大时应自内向外分层涂刷。典型裂隙（ZTf1）采用改性环氧胶泥封闭前后照片见图6。聚合物基快硬水泥需养护不少于2 h，改性环氧胶泥需养护不少于24 h，待达到养护时间后，再进行预压水试验，以便对漏水处采用采用聚合物基快硬水泥进行封闭，直至无外漏后，方可开展后续压水和灌浆施工。

图6 典型裂隙封闭前后照片Fig.6 Photos of typical fractures before and after sealing

3.4 裂隙封闭效果分析

为试验不同材料的裂隙封闭效果，对不同试验区分别采用聚合物基快硬水泥和改性环氧胶泥行封闭。第一段灌浆压力分序升压，Ⅰ序孔0.7 MPa，Ⅱ序孔0.8 MPa，Ⅲ序孔0.9 MPa，Ⅳ序孔1.0 MPa。

灌浆过程中仅少量裂隙出现外漏现象，外漏点均位于裂隙漏封处，未发现击穿封闭材料外漏的现象，说明两种材料均有良好的裂隙封闭效果。改性环氧胶泥与聚合物基快硬水泥二者复合试验表明，可结合两种材料的优点进行裂隙封闭，先用改性环氧胶泥封闭裂隙，灌浆时若发现渗水点，可使用聚合物基快硬水泥对渗水部位再次进行即时封堵，封堵后30 min 即可继续灌浆。

由于改性环氧胶泥封闭材料黏度较大，为防止封闭施工时形成架空，可在岩面沿裂隙走向凿槽，通过抹压等手段使材料尽可能进入裂隙内部，达到较好的封闭效果。

4 全坝无盖重固结灌浆成套技术

4.1 混凝土高坝全坝无盖重固结灌浆方法

根据高拱坝固结灌浆的特点，提出了“表封闭、浅加密、深升压、少引管”全坝无盖重固结灌浆方法［13］。“表封闭”即采用封闭材料对建基岩面张开裂隙进行处理，防止灌浆过程出现浆液外漏、难以升压等问题；“浅加密”即加密浅层岩体（深度3 m 以上岩体）固结灌浆孔，通过加密灌浆孔间距以解决浆液扩散范围有限的问题，提高浅层岩体的灌浆效果；“深升压”即对深度3 m 以下岩体采用较高的灌浆压力，利用上部已灌浆浅层岩体的盖重和封闭作用，尽量提升深部灌浆压力，以扩大浆液的扩散范围，提高深部岩体灌浆效果；浅层岩体固结灌浆时，需要在孔口设置灌浆塞（长度一般不小于30 cm）以提升灌浆压力，表层灌浆塞部位30 cm 厚岩体灌浆效果较差，“少引管”即针对表层30 cm 灌浆塞部位岩体，待混凝土浇筑到一定高度后，采用引管灌浆进行处理，陡坡坝段（大于50°）可直接利用接触灌浆管路，不需单独预埋引管管路。全坝无仓面固结灌浆方法示意见图7。本方法不仅保证了坝基固结灌浆质量，而且完全不占压混凝土仓面，避免了与混凝土浇筑和岸坡接触灌浆的一系列干扰问题，大幅降低了施工难度。

图7 全坝无仓面固结灌浆方法示意Fig.7 Schematic diagram of consolidation grouting method for the whole dam without silo surface

4.2 建基岩体表面裂隙高效封闭成套技术

（1）新型高性能基岩裂隙封闭材料。通过前述室内试验及材料性能优化研究，研发了新型高性能基岩裂隙封闭材料，包含改性环氧胶泥和聚合物基快硬水泥材料。两种新型裂隙封闭材料均具有操作简单、凝结速度快、抗渗性能好等优点。

细小裂隙（宽度＜2 mm）可采用聚合物基快硬水泥，初凝时间5 min，抗渗压力大于1.5 MPa。较宽裂隙（2 mm≤宽度＜10 mm）可采用改性环氧胶泥，初凝时间8～10 min，抗渗压力大于1.5 MPa。

（2）宽大裂隙“外封堵内填充”封闭结构。针对建基岩体宽大裂隙（宽度≥10 mm），提出了“外封堵内填充”的封闭结构［14］。外部封堵层一般采用聚合物基快硬水泥对裂隙进行预封闭，可在后续静压注浆填充内部空隙时形成外部“模板”作用。内部填充体是通过静压注浆方式，利用浆液自重及本身良好的流动性来填充裂隙的内部空隙，并与裂隙两侧岩面紧密结合。“外封堵内填充”的岩体裂隙封闭结构见图8。

图8 “外封堵内填充”的岩体裂隙封闭结构Fig.8 Rock mass fissure sealing structure of ＂external sealing and internal filling＂

（3）裸岩裂隙封闭新工艺。为有效提高裂隙封闭质量，提出了“裂隙清理→涂刷封闭材料→预压水检查”的裸岩裂隙灌前封闭工艺，先采用高压水冲洗基岩面，将裂隙内充填物冲洗干净后，再沿裂隙涂刷封闭材料，达到养护时间后即可进行预压水检查，发现外漏后及时对裂隙采用聚合物基快硬水泥进行封堵，直至无外漏后，再进行后续压水和灌浆施工。

4.3 无盖重固结灌浆抬动观测新方法

在高拱坝坝基无盖重固结灌浆时，若发生岩体抬动变形而未得到有效监测和处理，不仅会影响灌浆质量，甚至可能造成坡面局部岩体失稳，影响施工安全。传统的抬动变形观测装置和方法只适用于混凝土水平仓面上灌浆抬动变形观测，无法适应于拱坝两岸陡坡坝段建基面上灌浆抬动变形观测。

针对高拱坝基岩固结灌浆抬动变形观测要求，研发了任意方向灌浆抬动变形观测装置［15］，通过在测杆孔底焊接圆形钢板，在钢板上缠绕防渗土工膜形成止浆塞，测杆为中空结构，圆形钢板以内的测杆设置花管段，可向任何角度钻孔孔底注入水泥浆液，以形成牢靠的锚固段；套管外侧缠绕防渗土工膜作为隔浆体，以避免内测杆、外套管间的间隙被浆液充填，保证测杆不受灌浆影响；在孔口测杆上安装激光传感器（或千分表），以观测岩体的抬动变形。任意方向灌浆抬动变形观测装置见图9。

图9 任意方向灌浆抬动变形观测装置示意Fig.9 Schematic diagram of grouting lifting deformation observation device in any direction

5 全坝无盖重固结灌浆技术应用

5.1 乌东德水电站大坝全坝无盖重固结灌浆方案

乌东德水电站大坝固结灌浆范围为全坝基，并向坝基上游延伸5 m，向坝基下游延伸10 m。灌浆孔深为13～15 m，梅花形布置，Ⅱ级岩体孔排距为3 m×3 m，Ⅲ级岩体孔排距为2.5 m×2.5 m，局部加密至2.5 m×1.25 m。灌浆分段为:第一段3 m，第二段及以下各段5 m。灌浆压力为:第一段0.7～1.0 MPa，第二段1.0～1.2 MPa，第三段2.0～2.5 MPa。

5.2 全坝无盖重固结灌浆施工

乌东德水电站大坝全坝基采用无盖重固结灌浆工艺，按左岸岸坡、河床坝段、右岸岸坡分别进行了灌前压水试验和固结灌浆分序成果统计，总体均呈逐序递减趋势，灌浆过程中浆液外漏情况均得以有效处理，两岸陡倾坡面抬动问题得到有效监控。

左岸岸坡坝段I、II、III、IV 序孔灌浆平均透水率为30.90、12.17、4.28、1.58 Lu，单位注入量为69.09、19.85、14.60、6.22 kg/m。河床坝段I、II、III、IV 序孔灌浆平均透水率为85.56、22.58、4.65、2.08 Lu，单位注入量为105.88、60.11、27.98、12.57 kg/m。右岸岸坡坝段I、II、III、IV 序孔灌浆平均透水率为18.33、3.79、7.44、0.82 Lu，单位注入量为41.98、15.28、9.20、3.14 kg/m。

5.3 全坝无盖重固结灌浆效果

（1）压水检查成果。大坝岸坡1～5 号、10～15 号坝段检查全部合格，无盖重固结灌浆效果优良。大坝河床6～9号压水检查少量孔段不合格，主要原因为压水前大坝建基面清理过程中裂隙封闭材料被清除，压水检查时部分孔段发生外漏，实际不合格孔段更少。针对不合格孔段进行引管补灌后，压水检查满足合格标准。

（2）声波测试成果。大坝1～15 号坝段声波测试成果见表2。浅部3 m 以上单孔声波平均值Vp灌前为4 818 m/s，灌后为5 350 m/s，低波速区（小于4 500 m/s）占比灌前为29.6%，灌后为3.5%。深部3 m 以下单孔声波平均值Vp灌前为5 492 m/s，灌后为5 791 m/s，低波速区（小于4 700 m/s）占比灌前为7.6%，灌后为1.1%。灌后声波测试全部满足合格标准，表明无盖重固结灌浆效果良好。

表2 1～15号坝段声波测试成果表Tab.2 Acoustic wave test results of 1～15 # dam sections

5.4 无盖重固结灌浆工期效益

无盖重固结灌浆占用的直线工期仅为混凝土浇筑施工前河床7～9号坝段及缓坡6号坝段的无盖重灌浆时段，工期约1个月；其余部位均不占用混凝土浇筑的直线工期。若本工程采用常规的有盖重固结灌浆，受混凝土间歇期不能过长能因素的限制，有盖重固结灌浆施工至少需要“三进三出”混凝土浇筑仓面，其对工程直线工期的影响将达4个月。可见，乌东德水电站采用无盖重固结灌浆技术，工期效益明显，可节省直线工期3个月以上。

6 结 语

（1）新型高强度裂隙封闭材料和建基岩体裂隙封闭工艺，有效解决了裸岩裂隙的封闭难题，为无盖重固结灌浆提升灌浆压力、保证灌浆质量提供了重要基础。

（2）“表封闭、浅加密、深升压、少引管”全坝无盖重固结灌浆方法，经过现场固结灌浆试验和坝基固结灌浆实践，可满足大坝基岩固结灌浆质量要求，灌浆效果优良。

（3）任意方向灌浆抬动变形观测装置和方法，可有效监控高拱坝无盖重固结灌浆中的建基岩体抬动变形，结合岸坡块体及倾坡外裂隙的锚固措施，可降低高拱坝两岸陡坡坝段无盖重固结灌浆施工安全风险。

（4）项目依托乌东德水电站，成功应用了特高拱坝全坝无盖重固结灌浆技术，既保证了无盖重固结灌浆质量，又避免了与混凝土浇筑、岸坡接触灌浆之间的相互干扰，为300 m级特高拱坝建设和乌东德水电站如期蓄水发电创造了非常有利的条件。