水布埡面板堆石壩河床部位趾板帷幕灌漿施工技術(shù)分析

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摘要：水布埡大壩河床部位趾板帷幕灌漿有其自身特點(diǎn)和要求，通過灌漿試驗(yàn)及河床部位趾板帷幕灌漿的實(shí)施和灌漿成果分析，在帷幕布置、提高淺層灌漿壓力、趾板抬動變形監(jiān)測等方面取得了一定突破，確保了趾板帷幕灌漿的順利實(shí)施。

　　1前言

　　混凝土面板堆石壩自二十世紀(jì)八十年代在國內(nèi)開始推廣以來，以其適用性、經(jīng)濟(jì)性和安全性等優(yōu)勢，越來越受到廣泛關(guān)注。二十年來，國內(nèi)已建和在建工程壩高超過100m以上的混凝土面板堆石壩已達(dá)數(shù)十座。

　　由于堆石壩自身的特點(diǎn)和要求，壩工設(shè)計的重要組成部分--壩基防滲帷幕灌漿工程，就更為突出和重要。通常，面板壩帷幕灌漿與其他重力壩、拱壩壩基帷幕灌漿相比較，有以下不同特點(diǎn)：①面板壩帷幕灌漿是在壓重較薄的趾板上進(jìn)行，較高的灌漿壓力極易造成抬動和拉裂趾板；②某一高程以下的河床部位蓄水后，一直處于水位以下，帷幕灌漿一但出現(xiàn)滲透破壞就很難有補(bǔ)灌條件；③由于帷幕灌漿在趾板上進(jìn)行，工期一般較緊，且受季節(jié)限制，一般要求河床部位或某一高程以下的趾板帷幕灌漿必須在一個枯水期內(nèi)完成。因此，如何做好面板壩河床部位的趾板帷幕灌漿，是一個十分值得關(guān)注的問題。

　　水布埡水電站混凝土面板堆石壩最大壩高達(dá)233m，最大壩前作用水頭207m，壩高和壩前水頭均為當(dāng)今在建工程同類壩型世界之最。由于壩基地質(zhì)條件和壩工設(shè)計的要求，趾板帷幕灌漿技術(shù)復(fù)雜，質(zhì)量要求高，施工難度大。通過現(xiàn)場模擬趾板灌漿試驗(yàn)和河床部位趾板帷幕灌漿的實(shí)施，在提高淺層灌漿壓力、灌漿方法、趾板抬動變形控制以及最終灌漿效果等方面都取得了一定突破，確保了趾板帷幕灌漿的順利實(shí)施。本文結(jié)合河床部位趾板帷幕灌漿的實(shí)施情況和施工資料，就上述問題做一些技術(shù)分析與探討。

　　2壩基地質(zhì)條件與帷幕灌漿設(shè)計布置

　　水布埡大壩壩基巖石主要為二疊系下統(tǒng)茅口組和棲霞組灰?guī)r。其中茅口組為厚層至巨厚層灰?guī)r，巖性堅硬完整；棲霞組巖層軟硬相間，中厚層灰?guī)r與炭泥質(zhì)生物碎屑灰?guī)r不等厚互層，其間多層面、多剪切帶。壩址河段內(nèi)斷層較發(fā)育，按走向主要分為三組、按規(guī)模分為三類，其中穿越趾板的Ⅰ、Ⅱ類代表性斷層有四條。斷層一般斜切壩基，同時NNE-NE向裂隙和岸邊卸荷裂隙較發(fā)育。茅口組灰?guī)r屬于強(qiáng)巖溶化地層，棲霞組為強(qiáng)巖溶化與弱巖溶化相間的地層。壩址區(qū)地層較平緩，平均傾角15°左右，以略傾上游為主，其層間剪切帶等軟弱夾層較發(fā)育。上述巖溶化斷裂及剪切帶等極易構(gòu)成壩基主要滲漏通道，且在灌漿時極易產(chǎn)生不利的抬動變形。

　　針對上述地質(zhì)條件和壩工設(shè)計要求，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況和施工條件，進(jìn)行了較大規(guī)模的灌漿試驗(yàn)。試驗(yàn)采取不同的布孔形式和灌漿方法，模擬趾板條件下帷幕灌漿的效果。試驗(yàn)結(jié)果表明：趾板基礎(chǔ)灌漿布孔采用“均布固結(jié)+帷幕”方式，能夠有效提高趾板淺層灌漿壓力，并能確保抬動變形安全，從而增強(qiáng)趾板淺部防滲幕體的抗?jié)B能力。同時，試驗(yàn)采用了智能化抬動變形報警裝置來控制趾板灌漿壓力，從而找到了復(fù)雜地質(zhì)條件下提高趾板基礎(chǔ)淺部灌漿壓力的有效途徑。

　　根據(jù)灌漿試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合趾板布置及地質(zhì)條件，水布埡趾板基礎(chǔ)灌漿布孔型式（河床部位）為：標(biāo)準(zhǔn)趾板寬8.5m，均布3排固結(jié)孔，孔距2.0m，排距3.0m，鉆孔深入基巖7.0m；近中部兩排深孔固結(jié)兼輔助帷幕孔，孔距2.0m，排距3.0m，鉆孔深入基巖17.0m；中間布置二排主帷幕孔，孔距2.0m，排距1.2m，鉆孔深入相對不透水層，河床部位孔深一般80.0～100.0m.灌漿質(zhì)量檢查標(biāo)準(zhǔn)為：固結(jié)灌漿灌后巖體平均波速一般應(yīng)＞3000m/s，透水率q≤3Lu；帷幕灌漿后透水率q≤1Lu.

　　為了提高趾板淺層巖體灌漿效果，針對不同灌漿類別和不同孔排序，分別采用了不同的灌漿壓力，尤其是在接觸段灌漿壓力隨著灌漿類別和次序的增加而逐漸提高。同時，對每一灌段都設(shè)定一個起始壓力和一個目標(biāo)壓力。不同類別及孔序第一段（接觸段）灌漿壓力控制見表1。

　　表1接觸段不同類別、不同孔序灌漿壓力控制表

序號　 灌漿類別　 Ⅰ序孔　 Ⅱ序孔　 Ⅲ序孔　 起始壓力　 目標(biāo)壓力　 起始壓力　 目標(biāo)壓力　 起始壓力　 目標(biāo)壓力　 1　 固結(jié)灌漿　 0.2～0.3　 0.3～0.4　 0.3～0.4　 0.4～0.5　 /　 /　 2　 輔助帷幕灌漿　 0.4～0.5　 0.6～0.7　 0.5～0.6　 0.7～0.8　 /　 /　 3　 主帷幕灌漿　 0.6　 1.0　 0.8　 1.2　 1.0　 1.5　

　　此外，為防止趾板產(chǎn)生有害抬動，在趾板順軸線方向每間隔10m布置一組抬動變形觀測孔，在壓水和灌漿過程中，趾板的抬動變形要求采用自動報警裝置進(jìn)行嚴(yán)格的監(jiān)測和控制。不同范圍的抬動變形監(jiān)控標(biāo)準(zhǔn)見表2.

　　表2趾板灌漿不同距離抬動觀測允許變形值

距離（m）　 ＜1　 1　 2　 3　 4　 5　 ＞5.5　 允許值（um）　 200　 165　 130　 95　 60　 25　 0　

　　3河床部位趾板帷幕灌漿工程的實(shí)施

　　河床部位趾板基礎(chǔ)灌漿按照固結(jié)孔→輔助帷幕孔→固結(jié)檢查→主帷幕孔→帷幕檢查的順序進(jìn)行施工。整個實(shí)施過程分為兩個時段進(jìn)行，2003年汛前3～5月完成固結(jié)灌漿及輔助帷幕灌漿的施工；2003年汛后10月至2004年2月完成帷幕灌漿的施工及各項(xiàng)檢查工作。

　　3.1固結(jié)及輔助帷幕灌漿施工

　　固結(jié)及輔助帷幕均采用地質(zhì)回轉(zhuǎn)鉆機(jī)造孔，阻塞式孔內(nèi)循環(huán)方法灌漿，其中固結(jié)孔較淺，采用全孔一次成孔，自下而上分段灌漿方法，輔助帷幕孔采用自上而下灌漿法，灌漿壓力固結(jié)最大0.6Mpa，輔助帷幕最大1.0Mpa，漿液配比及結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)等工藝均參照設(shè)計技術(shù)要求及灌漿規(guī)范執(zhí)行。

　　3.2主帷幕灌漿施工

　　河床趾板主帷幕灌漿是在固結(jié)檢查合格后進(jìn)行，按照先下游排、后上游排的順序，每排孔分三個次序加密施工，均采用孔口封閉灌漿法施工。灌漿全過程均采用三參數(shù)自動灌漿記錄儀進(jìn)行記錄。

　　鉆孔采用金剛石鉆頭進(jìn)行，孔口段（接觸段）孔徑一般為Φ91mm，以下孔段一般為Φ60mm，孔深80～100m。

　　灌漿分段長度：接觸段（孔口段）3.0m，以下各段為1.0m，2.0m，5.0m，5.0m。終孔段不大于7.0m。

　　灌漿壓力：接觸段起始壓力Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ序孔分別為0.6、0.8、1.0Mpa，目標(biāo)壓力分別為1.0、1.2、1.5Mpa，以下各段逐級逐漸加壓，最大灌漿目標(biāo)壓力4.0Mpa。在實(shí)施過程中視抬動變形值情況及注入率大小逐級升壓，最后在允許抬動值范圍內(nèi)達(dá)到目標(biāo)壓力。

　　灌漿材料為強(qiáng)度等級42.5級普硅水泥，漿液為純水泥漿，主要采用5、3、2、1、0.8、0.5：1等六個比級，開灌水灰比一般為5：1.漿液配比及變換標(biāo)準(zhǔn)參照規(guī)范和技術(shù)要求執(zhí)行。

　　封孔全部采用“置換和壓力灌漿封孔法”進(jìn)行。

　　3.3灌漿壓力與趾板抬動變形的監(jiān)控

　　為了有效提高趾板灌漿壓力，確保淺層帷幕灌漿效果，整個帷幕灌漿施工采用了能自動記錄、監(jiān)測和設(shè)有超限報警裝置的“抬動變形自動記錄測控儀”，對帷幕灌漿全過程的趾板抬動變形情況進(jìn)行監(jiān)控，以防止在較高壓力狀態(tài)下，趾板產(chǎn)生抬動變形和破壞。該裝置采用了先進(jìn)的智能化傳感技術(shù)及單片機(jī)技術(shù)，對所觀測對象的位移（或抬動）值進(jìn)行長時間連續(xù)測量、采集、分析和記錄、打印，并通過設(shè)定上、下控制限值對超限值進(jìn)行聲光報警。

　　4帷幕灌漿效果分析與探討

　　4.1灌漿成果資料分析

　　河床部位趾板帷幕灌漿成果統(tǒng)計見表3。

　　表3河床部位趾板帷幕灌漿成果統(tǒng)計表

排
序　 孔
序　 孔數(shù)　 灌漿
進(jìn)尺
（m）　 注 入
水泥量
（kg）　 單位注入量（kg/m）　 總
段
數(shù)　 單位注灰量（kg/m）頻率
（區(qū)間段數(shù)/頻率%）　 透水率（Lu）頻率
（區(qū)間段數(shù)/頻率%）　 ＜10　 10～100　 100～1000　 ＞ 1000　 ＜1　 1～10　 10～100　 ＞
100　 下
游
排　 Ⅰ　 6　 575.65　 107454.1　 186.67　 124　 67/54.0　 41/33.0　 8/6.5　 8/6.5　 80/64.5　 28/22.6　 11/8.9　 5/4.0　 Ⅱ　 5　 457.85　 25690.0　 56.11　 98　 69/70.4　 19/19.4　 10/10.2　 　　 80/81.6　 13/13.3　 5/5.1　 　　 Ⅲ　 10　 903.95　 18348.4　 20.30　 196　 148/75.5　 39/19.9　 9/4.6　 　　 133/67.9　 53/27.0　 7/3.6　 3/1.5　 小計　 21　 1937.45　 151492.5　 78.19　 418　 284/67.9　 99/23.7　 27/6.5　 8/1.9　 293/70.1　 94/22.5　 23/5.5　 8/1.9　 上
游
排　 Ⅰ　 5　 433.43　 3660.7　 8.45　 93　 74/79.6　 17/18.3　 2/2.1　 　　 77/82.8　 14/15.1　 2/2.1　 　　 Ⅱ　 5　 440.37　 3756.7　 13.07　 94　 81/86.2　 11/11.7　 2/2.1　 　　 80/85.1　 14/14.9　 　　 　　 Ⅲ　 9　 784.84　 6433.6　 8.08　 169　 146/86.4　 20/11.8　 3/1.8　 　　 140/82.8　 28/16.6　 1/0.6　 　　 小計　 19　 1658.64　 15810.0　 9.53　 356　 301/84.5　 48/13.5　 7/2.0　 　　 297/83.4　 56/15.7　 3/0.9　 　　 合計　 40　 3596.09　 167343.5　 46.53　 774　 585/75.6　 147/19.0　 34/4.4　 8/1.0　 590/76.2　 150/19.4　 26/3.4　 8/1.0　

　　從表3中分析可知：

　?。?）河床部位第一排主帷幕孔中灌前壓水試驗(yàn)的透水率（相當(dāng)于原始地層）小于1.0Lu的占64.5%，而大于10.0Lu的占12.9%，大于100Lu的僅占4%，這表明河床趾板部位基巖新鮮、完整性較好，一般透水性較弱，僅有局部存在斷層，層間軟弱帶地質(zhì)缺陷，透水性較強(qiáng)，這符合河床壩基的地質(zhì)條件。

　?。?）各孔段灌漿壓水試驗(yàn)的透水率隨著灌漿孔序和排序的增加遞減較明顯，表明灌漿效果較好。其中遞減較明顯的是：大于10Lu的孔段，先施工的下游排Ⅰ序孔占12.9%，Ⅱ序孔占5.1%，Ⅲ序孔占5.1%，合計占7.4%；后施工的上游排Ⅰ序孔占2.1%，Ⅱ序孔為0，Ⅲ序孔占0.6%，合計占0.9%.遞增不甚明顯的是小于1Lu的孔段，下游排Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ序孔分別為64.5%、81.6%、67.9%，合計為70.1%；上游排Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ序孔分別為82.8%、85.1%、82.8%，合計為83.4%，這表明水泥灌漿在該類地層的細(xì)微裂隙中的灌漿效果是有限的。

　　（3）各孔段的單位注入量與灌前壓水試驗(yàn)的透水率基本相匹配，如小于單位注入量10kg/m的孔段占75.6%，大于100kg/m的孔段占5.4%，而透水率小于1Lu的占76.2%，大于10Lu的占4.4%，單位注入量符合壓水試驗(yàn)成果及壩基地質(zhì)條件。

　?。?）孔段單位注入量隨著灌漿孔、排序的增加遞減較為明顯，其中最為明顯的是首先施工的下游排，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ序孔中小于10kg/m的孔段分別占54%、70.4%、75.5%，大于100kg/m的孔段分別占13%、10.2%、4.6%；Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ序孔的平均單位注入量分別為186.67kg、56.11kg、20.3kg，隨孔序加密下降明顯。而后施工的上游排無論是平均單位注入量或主要區(qū)間的單位注入量變化均不甚明顯，如平均單位注入量Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ序孔分別為8.45kg、13.07kg、8.08kg，小于10kg/m的孔段Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ序孔分別為79.6%、86.2%、86.4%，有改變但不甚明顯，這表明水泥灌漿在細(xì)微裂隙中的擴(kuò)散半徑和灌漿效果是有限的。

　　4.2抬動變形觀測成果統(tǒng)計分析

　　河床部位各孔段灌漿時的抬動變形觀測成果見表4。

　　表4帷幕灌漿抬動變形值統(tǒng)計表

灌漿層（段）位　 總段數(shù)　 抬動值（um）區(qū)間（段數(shù)/頻率%）　 ＜50　 50～100　 100～200　 ＞200　 合計　 表層（接觸段）　 40　 14/35　 2/5　 3/7.5　 2/5　 21/52.5　 淺層（2～4段）　 120　 36/30　 2/1.7　 2/1.7　 1/0.8　 41/34.2　 深層（5段及以下）　 614　 151/24.6　 2/0.3　 2/0.3　 0　 155/25.2　 合 計　 774　 201/25.9　 6/0.8　 7/0.9　 3/0.4　 217/28.0　

　　（1）河床部位整個帷幕灌漿過程中產(chǎn)生抬動的孔段為217段，占灌漿總段數(shù)的28%.

　?。?）從不同深度的抬動變形情況看，越往表層抬動的機(jī)率越大，越往深部，抬動的機(jī)率越小。其中位于表層的接觸段產(chǎn)生抬動的段數(shù)占52.5%，位于淺層的2～4段為34.2%，位于4段以下的深部僅為25.2%。

　?。?）從抬動量值的大小看，所有產(chǎn)生抬動變形的孔段中，抬動值小于50um的孔段占92.0%以上，抬動值超過50um的僅占8%.而且，由淺層向深部抬動值大于50um的孔段呈遞減趨勢，由表層的33%下降到深部的3%左右。

　　（4）表中有99.6%的孔段抬動值均在設(shè)計控制指標(biāo)值之內(nèi)，僅有3段抬動值超標(biāo)（＞200um）的情況，實(shí)施過程中由于較好地控制了灌漿壓力或采取待凝復(fù)灌措施，資料和現(xiàn)場情況均顯示并未產(chǎn)生有害抬動。

　　4.3關(guān)于灌漿目標(biāo)壓力的分析

　　從現(xiàn)場實(shí)施情況及灌漿統(tǒng)計資料看，除極少數(shù)孔段因抬動值超標(biāo)未達(dá)到設(shè)計壓力外，其余孔段均達(dá)到設(shè)計目標(biāo)壓力，即接觸段Ⅰ序孔1.0Mpa，Ⅱ序孔1.2Mpa，Ⅲ序孔1.5Mpa，以下各段逐級加壓，均達(dá)到設(shè)計目標(biāo)壓力，各孔最大灌漿壓力均達(dá)到4.0Mpa。

　　4.4檢查孔壓水試驗(yàn)成果分析

　　帷幕灌漿結(jié)束后，根據(jù)灌漿成果資料及壩基地質(zhì)條件，共布置了4個壓水試驗(yàn)檢查孔。檢查孔位于兩排帷幕孔中間，孔深同帷幕深度。

　　檢查孔鉆孔采用Φ76mm金剛石鉆頭取芯鉆進(jìn)，分段作壓水試驗(yàn)，分段長度等同灌漿孔，壓水試驗(yàn)采用單點(diǎn)法，壓水壓力為接觸段1.2Mpa，第二段1.5Mpa，其余各段均為2.0Mpa。

　　4個檢查孔共作壓水試驗(yàn)77段，結(jié)果表明，灌后壓水試驗(yàn)的透水率在0～0.1Lu的為25段，占32.5%，0.1～0.5Lu的為47段，占61%，0.5～1.0Lu的為5段，占6.5%，最大值為0.8Lu，所有孔段的透水率均小于1.0Lu，滿足設(shè)計要求，表明灌漿效果良好。

　　5結(jié)語

　　水布埡大壩河床部位趾板帷幕灌漿的施工實(shí)踐及各項(xiàng)施工成果資料表明：

　?。?）水布埡面板壩趾板帷幕灌漿設(shè)計布置合理，施工控制嚴(yán)格，灌漿質(zhì)量滿足要求，效果令人滿意。

　?。?）本帷幕灌漿工程打破常規(guī)，提高淺層尤其是接觸段灌漿壓力，取得了較大突破，使接觸段灌漿壓力達(dá)到1.5Mpa，且效果顯著。現(xiàn)場檢查孔壓水試驗(yàn)結(jié)果表明，灌漿帷幕能滿足200m壩前作用水頭的要求。

　　（3）實(shí)踐證明，抬動變形自動記錄測控儀的采用，對控制和提高淺層灌漿壓力，防止趾板抬動破壞，起到了關(guān)鍵和重要作用，可在類似及其他灌漿工程中推廣應(yīng)用。

　?。?）由于壩基地質(zhì)條件復(fù)雜，在兩岸斜坡壩段由于趾板邊界條件及壩基地質(zhì)條件的有所變化，對于灌漿壓力的操作，尤其是抬動變形監(jiān)測亦更加細(xì)致和謹(jǐn)慎，以防止壓力抬動破壞趾板。