龙滩电站坝基岩体处理中的灌浆施工技术研究

漆巨彬

(中国水利水电第七工程局成都水电建设工程有限公司，成都，611130)



龙滩电站坝基岩体处理中的灌浆施工技术研究

漆巨彬

(中国水利水电第七工程局成都水电建设工程有限公司，成都，611130)

龙滩水电站坝基岩体处理以常规水泥灌浆为基础，在灌浆载体存在涌水的情况下，充分考虑施工方案对工程工期和造价的影响关系，研发了对涌水灌浆载体进行防渗堵漏及固结补强的灌浆关键技术，解决了高压深孔丙烯酸盐化学灌浆、断层及断层影响带环氧化学灌浆、仰孔环氧化学灌浆、断层取芯、仰孔取芯及封孔等关键技术难题。

龙滩水电站 坝基岩体 细微裂隙 断层 化学灌浆 仰孔取芯

1 工程概况

龙滩水电站是红水河综合利用规划的第四个梯级电站，坝址位于广西天峨县境内，距天峨县城15km，工程主要由大坝、地下发电厂房和通航建筑物三大部分组成。

坝基防渗帷幕由延伸至两岸的上游防渗帷幕、下游防渗帷幕及两岸横向防渗帷幕组成。上游帷幕布置在坝踵灌浆廊道内的上游部位，两岸帷幕布置在坝肩灌浆平洞内，两岸延伸至水库正常蓄水位与地下水位线的交点处；下游帷幕布置在河床坝段下游坝趾灌浆廊道内，部分在坝外；横向帷幕布置在横向灌浆廊道内，其上、下游分别与上游帷幕和下游帷幕连接，在河床部位形成一个全封闭的坝基抽排区。

2 项目来源及研究内容

2.1 细微裂隙岩体防渗堵漏技术研究

2.1.1 研究内容

河床坝段细微裂隙岩体为T2b5-15层砂岩与泥板岩互层或砂岩夹泥板岩，岩层中节理裂隙极细窄，但密度又较大，水泥灌浆(含湿磨细水泥)后质量检查孔虽透水率满足设计要求，但仍存在涌水现象，因此岩层可灌性差。若大坝正常蓄水后，各涌水通道在长期高压水头作用下将有可能进一步扩张延伸，对工程长期安全不利。

为确保河床部位坝基上游防渗帷幕的可靠性，在14#～19#坝段上游帷幕体(A、B帷幕线中间)增设一排化学灌浆加强孔，孔距1.5m，岩内钻灌深度30.0m～45.0m，最大灌浆压力4MPa，采用丙烯酸盐化学材料对坝基细微裂隙岩层进行加强灌浆处理。

2.1.2 施工技术

2.1.2.1 化学灌浆孔施工工艺流程。钻孔→冲洗→涌水流量及压力观测→压水试验→下一段钻孔(进行冲洗、涌水观测、压水试验后继续钻进，直至孔底)→灌浆(采用“自下而上分段灌浆法”进行施工)；

2.1.2.2 化学灌浆方式。化学灌浆采用纯压式灌浆，即在整个灌浆流程中，浆液的流动只有一个方向，不允许浆液从灌段内循环返出；

2.1.2.3 化学灌浆方法。采用“自下而上分段灌浆法”施工，即将灌浆孔一次钻进到底(各孔段自上而下逐段进行压水试验)，然后全孔进行一次裂隙冲洗，再从钻孔的底部往上逐段安装灌浆塞进行灌浆，直至孔口；

2.1.2.4 灌浆段长。第1段(接触段)为3.0m，第2段及以下各段不大于5.0m，每段长度允许误差不超过0.2m，且在下一段应消除差数；

2.1.2.5 压水试验。各孔段灌浆前必须进行压水试验，主要目的是为准确获得岩体透水情况，以便及时调整浆材胶凝时间，达到既能对细微裂隙进行有效灌注，又不至于使浆液渗透过远造成浪费。压水试验采用自上而下分段进行，压水压力与灌浆段的灌浆压力一致(最大压力4MPa)；

2.1.2.6 灌浆压力。第1段为2.0MPa，第2段为3.0MPa，第三段及以下各段为4.0MPa；

2.1.2.7 灌浆结束标准。第一种情况，在设计压力下，灌浆孔段吸浆量为零或吸浆量下降至(0.05～0.1)L/min时，灌浆即可结束；第二种情况，灌浆孔段吸浆量大，无法达到第一种情况规定的结束标准时，采用定量与定时相结合的方式控制，即根据地质情况和压水试验资料，估算所需浆量，当此浆量全部灌入孔段后，即可结束灌浆。

2.2 F60断层固结补强技术研究

2.2.1 研究内容

右坝肩F60断层为龙滩坝址右岸坝基最大的断层，F60断层穿越坝基上游帷幕体，在坝基及其上下游部位较为发育，是坝基渗流的集中通道。从其发育地段发现，断层发育于右岸坝肩，既是坝基的一部分，也是右岸坝肩高边坡的薄弱结构面。F60断层已界定为右坝肩不稳定块体的一条组合结构面，如处理不当形成渗漏通道，一方面很容易产生坝基渗透破坏，另一方面将造成地下水位抬升，对边坡稳定极为不利，一旦引起边坡变形将后患无穷。

右坝肩F60断层在前期施工中，主要通过水泥灌浆材料采用“风水联合冲洗置换灌浆”工艺进行施工。从灌后压水质量检查结果以及检查孔取芯成果分析，F60断层经水泥灌浆后透水率值较灌前有了明显减小，但不能满足设计防渗标准，且存在涌水现象(涌水流量最大值为18L/min，涌水压力最大值为0.19MPa)；断层区力学性能虽然得到了一定程度的改善，但断层区充填物胶结性状差，防渗帷幕体抗压强度较低和厚度较薄。因此，需采用环氧化学灌浆材料对F60断层进行防渗、原位加固灌浆处理，以改变F60断层区断层泥、砂、岩屑的力学性能，提高防渗帷幕体的强度，达到长效防渗、保证大坝正常运营的目的。

化学灌浆孔呈单排布置在右岸高程318m灌浆平洞底板与顶拱的两排水泥灌浆孔中间，孔距1.0m，共28个孔(底板16个，顶拱12个)。化学灌浆是在水泥灌浆后，F60断层的渗透性达到足够小的前提下采用，使用YDS高渗透性环氧化学灌浆材料对断层进行长效“浸渗”，实现对断层物的“黏结”。当化学灌浆材料胶凝后，随着时间的延长，补强、黏结、防渗、加固性能将逐渐显现。

2.2.2 施工技术

2.2.2.1 化学灌浆孔段施工工艺流程。钻孔→冲洗→压水试验→风顶水→化学灌浆→水泥顶浆→待凝→扫孔后进行下一段钻孔；

2.2.2.2 灌浆方法。为寻求适合F60断层环氧化学灌浆的灌浆方法，在化学灌浆试验施工中采用“自上而下分段灌浆法”和“孔口封闭灌浆法”进行对比试验。从对比试验结果分析，灌浆孔段采用“自上而下分段灌浆法”时，出现了绕塞返浆现象，灌浆施工不能连续正常进行，说明该灌浆方法不适合F60断层环氧化学灌浆施工；

2.2.2.3 灌浆方式。由于YDS环氧化学灌浆材料是高分子真溶液材料，因此，化学灌浆方式采用纯压式灌浆；

2.2.2.4 压水试验。本工程化学灌浆前充分考虑了以灌注丙酮代替压水试验的不足，分析了丙酮先行占据泥质孔隙而使后注化学浆液难以进入及稀释后注化学浆液的不利因素。验证了压水试验后，采用化学浆液进行“直接灌浆”的可行性和合理性；

2.2.2.5 灌浆分段。为降低灌浆孔段的灌浆循环次数，减少孔容占浆重复弃浆量，特进行了段长划分对比试验，以寻求适宜的段长。根据灌浆试验成果资料结合质量检查情况综合分析，最终调整了化学灌浆孔段的划分标准，穿越夹泥性断层孔段一般为3m，影响带范围孔段一般为3m～5m；

2.2.2.6 灌浆压力。底板化学灌浆孔的灌浆压力，第一段(基岩深度0～2m)为1.6MPa，第二段(基岩深度2m～5m)为2.0MPa，第三段及以下(基岩深度>5m)为2.0MPa。施工中若在设计压力下初始注入率小于0.05L/min.m，可根据现场实际情况，适当提高灌浆压力，但注入率不得大于0.15L/min.m。顶拱化学灌浆孔的灌浆压力，第一段(基岩深度0～2m)为1.0MPa，第二段(基岩深度2m～5m)这1.5MPa，第三段(基岩深度5m～10m)为2.0MPa。

化学灌浆孔段灌浆压力控制，一般在灌浆开始1h内应升压至设计压力，在升压过程中若注入率(n)>0.15L∕min.m，降压保持n=0.15L∕min.m灌注；若n﹤0.1L∕min.m，应以设计压力灌注，持续到灌注结束；

2.2.2.7 灌浆控制标准。采用定时定量相结合的方式，在设计灌浆压力下，当满足下列条件之一时，即可结束：n≤0.01L/min.m，且浆材纯灌历时T≥36h；0.01L/min.m

2.2.2.8 水泥顶浆：孔段化学灌浆结束，立即关闭进(回)浆阀门进行闭浆，待压力表指针自然回零卸压后，采用循环方式将0.5∶1水泥浆液(掺速凝剂)压入孔中顶出孔内残存化学浆液，屏浆30min后闭浆待凝8h～16h(涌水孔段除外)，方可进行扫孔及其下一段钻孔工作。

2.3 仰孔封孔技术研究

鉴于各类钻孔封孔质量的重要性，在仰孔封孔前，认真分析了仰孔封孔需解决的关键技术问题，通过多次试验研发了专用的“仰孔封孔器”。

“仰孔封孔器”由钢板、无缝钢管、进回浆孔道构成，即将50cmφ110mm无缝钢管焊接在20cm×20cm×0.5cm钢板上，并在底端钢板上预留两个孔道作为进回浆孔道，其工作原理如下：先将PVC管接在封孔器回浆孔道上，作为孔内回浆管，PVC管长度必须深入孔底，再将封孔器安装在钻孔孔口位置上，孔口管与孔壁之间用YDS环氧砂浆密封，孔口周边混凝土与“仰孔封孔器”间采用耐压橡胶通过膨胀螺栓预紧密封，将灌浆管接在封孔器的进浆孔道上，回浆管接在封孔器的回浆孔道上，然后用灌浆泵进行灌浆封孔。封孔采用0.5∶1的水泥浆进行循环式灌浆，水泥浆液从进浆孔道进入孔内，经过不断积累直至填满整个孔，从孔底回浆管回浆，然后控制阀门进行有压灌浆。封孔灌浆压力为最大水泥灌浆压力，注入率不大于1L/min后，继续灌注60min结束待凝。采用封孔器封孔灌浆，确保了孔内水泥浆液的密实封闭，保证了封孔质量。

2.4 取芯技术研究

为真实揭露F60断层地质分布情况，采用专用双管钻具金钢石钻进工艺施工，并配备专用的植物胶冲洗液，提高了F60断层岩样的采取率和获得率。在仰孔取芯施工中，为克服地球引力造成的不利影响，结合现场实际情况，研发了“仰孔钻进冲洗液供给器”及“芯样减震缓冲装置”，确保了芯样的完整性，真实反映了地质性状。

3 加固效果分析

3.1 细微裂隙岩体防渗堵漏灌浆处理主要成果

水泥灌浆灌后检查孔压水试验检查结果表明，河床坝段上游坝基经过水泥灌浆后，透水率值较灌前明显减小，检查孔的透水率值全部低于1Lu(设计防渗标准)。通过丙烯酸盐化学灌浆后，对所有灌浆孔和检查孔涌水流量和涌水压力进行了统计，成果见表1。

表1 涌水流量、压力对比统计 单位：L/min、MPa、%

从表1可以看出，灌后检查孔涌水流量和压力较灌前灌浆孔有了显著减少，涌水流量平均值减少率达94.1%，涌水压力平均值减少率达83.3%。说明通过深孔、高压丙烯酸盐化学灌浆后，坝基细微裂隙岩体得到了有效充填，达到了增强大坝帷幕体防渗效果，进一步降低坝基扬压力的目的。

3.2 F60断层固结补强灌浆处理主要成果

F60断层区灌区灌后岩体应满足：透水率q<1Lu；断层带(泥)岩样采取率>75%，断层影响带岩芯获得率>95%；声波波速>4000m/s。在水泥灌浆的基础上，采用YDS环氧化学灌浆材料进行加强处理，主要灌浆成果如下。

3.2.1 检查孔压水试验成果

质量检查孔采用“单点法”自上而下分段进行压水试验，压水试验压力为灌浆压力的80%，该值若大于2.0MPa，则采用2.0MPa；检查孔钻孔孔径为φ91mm，第一段(接触段)段长为2.0m，第二段为3.0m，第三段及以下各段为5.0m。

根据检查孔压水试验成果统计，F60断层在水泥灌浆的基础上进行化学补强灌浆后，检查孔各孔段透水率值范围为0.02Lu～0.08Lu，完全满足设计防渗标准(q<1Lu)，说明右岸坝基F60断层经YDS环氧化学灌浆材料补强灌浆后，岩体透水性显著降低。

3.2.2 涌水封堵成果

根据施工原始资料统计：①先导孔各涌水孔段通过湿磨细水泥灌浆后，其涌水流量有所降低，但仍然存在1.5L/min以上的流量，最大值为4.350L/min；待化学灌浆后，其涌水流量显著降低，最大值仅为0.038L/min；②湿磨细水泥灌后涌水流量与灌前相比，减少率为23%～92%；化灌后涌水流量与湿磨细水泥灌后相比，减水率为99%～100%。采用“复合灌浆法”对涌水孔段进行处理过程中，在灌注湿磨细水泥浆液时，根据注入率的大小调整适宜的灌浆压力，确保水泥材料能灌入宽大节理裂隙带或高压劈裂灌入断层破碎带，形成水泥浆脉，并形成水泥结石骨架结构，为后续化学灌浆奠定基础。再进行高渗透性YDS环氧化学浆液浸润灌浆，将细微裂隙充填密实，待化灌胶凝体强度上升后，最终形成有效的防渗帷幕体。

3.2.3 检查孔钻孔取芯成果

检查孔钻孔取芯成果见表2。

表2 检查孔钻孔取芯成果 单位：m、%

根据岩芯实物查看，岩石结构面周围水泥、化学浆脉明显，水泥、化学物质充填使结构面紧闭。

3.2.4 声波检测

3.2.4.1 检查孔声波检测成果

本工程底板和顶拱检查孔在灌浆结束3个月后，均进行了钻孔声波检测，各孔声波检测值均满足设计要求。其检测成果见表3。

表3 检查孔声波检测成果汇总 单位：m、m/s、%

3.2.4.2 化学灌浆前后岩体声波值变化情况

为了分析受灌岩体化学灌浆灌前灌后声波变化特征，将孔距仅为0.50m的先导孔和检查孔的灌前灌后岩体声波值变化情况进行对比分析，结果见表4。

表4 化学灌浆灌前灌后岩体声波变化情况对比分析 单位：m、m/s、%

根据表4资料显示，F60断层在水泥灌浆的基础上采用环氧化学灌浆材料补强灌浆后，岩体声波平均提高率为17.20%，最大提高率为69.31%，说明化学灌浆对提高岩体波速效果显著。

4 研究成果及创新点

4.1 本课题创造性地提出了对涌水地段防渗帷幕的灌注程序和灌注方法，提出在涌水地段采取提高灌浆压力、屏浆、闭浆、待凝等灌注程序，在材料上采用先水泥灌浆或湿磨细水泥灌浆再采用化学灌浆的灌注方法，使涌水地段得到成功处理。其原理是将水泥灌浆与化学灌浆有机结合，互相弥补各自的不足，先通过水泥灌浆封堵岩层中较大的渗漏通道，使岩层渗透性达到足够小，再进行化学灌浆，胶凝后达到防渗目的，既降低了成本，又保证了坝基防渗的可靠性。

4.2 在常规灌浆的基础上，结合龙滩工程的特点和要求，提出了适用于涌水细微裂隙岩体和涌水断层灌浆处理的施工工艺和技术参数。

4.3 丙烯酸盐化学灌浆钻灌最大深度为45.0m，最大灌浆压力为4MPa。目前国内尚无高压、深孔丙烯酸盐化学灌浆施工经验借鉴，因此，我们通过灌浆试验，积极探索适合坝基细微裂隙岩体的化学灌浆材料、施工程序及工艺，研究化学灌浆最佳的孔距布置、段长划分、灌浆压力等技术参数。

4.4 丙烯酸盐化学灌浆采用“自下而上分段灌浆法”进行灌注，既节约了化学浆液又提高了施工工效，较好地解决了其它施工工艺存在的不足。丙烯酸盐化学浆液价格昂贵，在保证工程质量的前提下如何节约化学浆材，有效控制了施工成本是本课题的一大亮点。

4.5 在仰孔化学灌浆施工中，分析了仰孔取芯、灌浆、封孔需解决的关键技术问题，首创了仰孔灌浆、仰孔封孔、仰孔取芯等新技术；并研发了专用“仰孔钻进冲洗液供给器”、“芯样减震缓冲装置”、“仰孔封孔器”等机具，并验证了实用效果。

4.6 为真实揭露F60断层地质分布情况，采用专用双管钻具金钢石钻进工艺施工，并配备专用的植物胶冲洗液，大大提高了F60断层岩样的采取率和获得率，显著提高钻进效率。

4.7 在化学灌浆屏浆结束时，采用胶凝时间短的水泥浆液进行孔内有压置换以缩短化学浆材的待凝时间，化学浆液的胶凝时间为7d左右，上一段灌浆结束后，采用水泥浓浆进行孔内置换化学浆液，只需要待凝8h～10h就可以扫孔，开展下一段钻孔灌浆施工，大大节约了待凝时间，提高了施工效率，加快了施工进度。

4.8 在F60断层化学灌浆施工中，采用化学浆液进行“直接灌浆”，避免了灌注丙酮先行占据泥质孔隙的不利因素，确保了复杂地质条件下的化学灌浆质量。

〔1〕熊 进，祝 红，董建军等.长江三峡工程灌浆技术研究，北京：中国水利水电出版社，2003.

〔2〕孙 钊.大坝基础灌浆.北京：中国水利水电出版社，2004.

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2095-1809(2015)05-0110-05

漆巨彬(1970-)，男，重庆市江津区人，高级工程师，主要从事水利水电地基与基础工程施工技术管理工作。