小湾水电站特殊坝基固结灌浆施工和工艺探讨（卢元海,方伟）

摘要: 小湾水电站大坝开挖深度大，存在较大的地应力和岩体回弹变形，表层岩体裂隙发育、连通率好，坝基固结灌浆在有盖重条件下施工，基础层混凝土仓面面积大，温控要求严格、间歇期短，固结灌浆施工与坝体混凝土温控以及坝基地应力回弹释放存在较大矛盾。主要就小湾大坝坝基基础固结灌浆施工及存在的问题进行分析，并对特殊地质条件下的固结灌浆施工工艺和相关参数进行探讨。

关 键 词: 坝基;固结灌浆;施工工艺;小湾水电站

中图分类号: TV543 文献标识码: A

1 概述

1.1 电站概况

小湾水电站位于云南省西部南涧县与凤庆县交界的澜沧江干流中游河段与支流黑惠江交汇处下游1.5km处，系澜沧江中下游河段规划8个梯级中的第2级。该工程为混凝土双曲拱坝，坝高294.5m，电站装机容量4200MW。

1.2 地层岩性

地质岩层为时代不明的中深变质岩系（M）及第四系。基岩岩性主要为黑云花岗片麻岩和角闪斜长片麻岩，两种岩层均夹薄层透镜状片岩。岩层呈单斜构造，破裂结构面较发育。坝址地段河谷深切，岩体卸荷作用强烈，卸荷裂隙发育。

1.3 固结灌浆施工难点

1.3.1 工程量大、工期紧与混凝土施工干扰

小湾水电站大坝基础固结灌浆工程量达25.2万m3 ，工期紧，与混凝土施工干扰较大。为利于温控及混凝土防裂，坝体混凝土层间间歇期控制在14～20d，固结灌浆安排在混凝土层间间歇期内施工，一般分两期施工。分两期施工造成施工不连续，增加了钻灌设备的投入、二次倒运费和人员设备的窝工，同时也延长了单个坝段固结灌浆的净施工工期。

1.3.2 施工工艺复杂，灌浆方法多

小湾大坝坝基固结灌浆总体分2排序、4孔序施工。除常规采用的普通水泥灌浆外，一般Ⅲ、Ⅳ序孔增加了超细水泥灌浆。施工方法包括自上而下分段灌浆、自下而上分段灌浆、综合灌浆法等。

灌浆材料、灌浆方法多，对原材料的使用、保存都带来不便，材料消耗增大，同时也给现场操作带来一定的不便。

1.3.3 坝基地质条件比较复杂

坝基岩体卸荷松弛严重，结构面发育严重，岸坡坝段裂隙发育，大部分裂隙连通性良好。大透水率、大耗浆量孔段较多，在压水、灌浆过程出现串、冒、漏情况给施工带来一定难度。同时大透水率、大耗量孔段，施工过程中易造成坝体抬动变形，存在一定的风险性。

2 固结灌浆设计

2.1 固结灌浆的布置及分区

为提高坝基岩体的整体承载能力和适应小湾水电站高拱坝基础应力需要，大坝坝基基础岩面全部布置有固结灌浆，并依据坝体受力情况及地质条件分为A～G7个区段。

固灌孔布置原则为:A区间排距为3.0m×3.0m，B、C、D、F、G区间排距为2.5m×2.5m，E区间排距为1.5m或2.0m。除贴角部位外，坝基固结灌浆一般为20～25排，呈矩形布置，孔深为10～25m不等。

2.2 固结灌浆的一般规定

小湾坝基采用有盖重灌浆方式。要求本坝段混凝土最小盖重河床坝段不小于5～6m，岸坡坝段局部最小混凝土厚度不小于4.5m，灌浆坝段的两侧坝段混凝土厚度不小于3m且龄期不小于3d。

2.3 固结灌浆总体施工工艺流程

施工顺序如下:物探孔→抬动孔→Ⅰ序孔→Ⅱ序孔→Ⅲ序孔（Ⅱ序排中奇数孔）→Ⅳ孔（Ⅱ序排中偶数孔）→检查孔→加密孔。

2.4 固结灌浆施工工艺

（1）钻孔。钻孔要求分序、分段进行，钻孔孔底偏差控制不大于1/40孔深，孔位偏差不超过10cm。

（2）洗孔、压水。钻孔冲洗分孔壁冲洗和裂隙冲洗，裂隙冲洗采用高低压脉动冲洗，冲洗压力一般采用80%的灌浆压力，压力超过1.0MPa时，采用1.0MPa。

先导孔、灌后检查孔进行“单点法”压水试验，一般灌浆孔段采用简易压水试验，“单点法”压水试验和简易压水的压力为灌浆压力的80%，若大于1MPa时，采用1.0MPa。

（3）灌浆分段及压力。Ⅰ、Ⅱ序孔采用自上而下分段灌浆法;Ⅲ、Ⅳ序孔先单独灌注第1段后，一钻到底自下而上分段灌注。灌浆压力、灌浆孔段长和灌前压水试验压力控制按照表1执行。

灌浆压力以回浆管压力表控制为主，压力表读数以中值为准。灌浆压力与注入率按照表2进行控制。

（4）灌浆材料与使用部位。A、F、G区各次序孔均采用42.5级普通水泥浆液。B、C、D、E区Ⅰ、Ⅱ序孔采用42.5级普通水泥浆液，Ⅲ、Ⅳ序孔采用磨细水泥浆液。

（5）浆液比级和变浆标准。Ⅰ、Ⅱ序孔对于不起压、不回水、透水率大于100Lu的孔段，采用0.6∶1单个水灰比灌注;否则按1∶1、0.8∶1、0.6∶1三级水灰比普通水泥浆液灌注。Ⅲ、Ⅳ序孔采用1∶1、0.8∶1、0.6∶1三级水灰比磨细水泥浆液灌注。

（6）灌浆结束标准。灌浆段在最大设计压力下，当单位注入率不大于1.0L/min，继续灌注30min，即可结束灌浆。

（7）封孔。灌浆结束后采用全孔一次封孔。全孔灌完后，采用0.5∶1的浓浆全孔置换稀浆，封孔压力采用该孔所在序的第1段灌浆压力，屏浆30min后结束。

2.5 固结灌浆的质量标准

小湾水电站固结灌浆质量检查，主要采用压水试验、测量岩体波速、孔内数字成像和静弹性模量，并结合对灌浆检查孔取芯（即检查孔岩芯的采取率、裂隙情况、浆液结石密度、厚度）和灌浆资料进行对比分析等综合评定，并根据试验及分析成果对灌浆质量进行判断。

2.5.1 灌后透水率标准

固结灌浆检查孔压水试验采用“单点法”，孔数按灌浆孔总数的5%控制，固结灌浆质量的压水试验检查标准:D区透水率q≤1Lu，A、B、C、E区透水率q≤3Lu，F、G区透水率q≤5Lu。压水试验孔段合格率为85%以上，不合格孔段的透水率值不超过设计规定值的50%，且不得集中，则认为灌浆质量合格。

2.5.2 灌后岩体声波标准

坝基岩体波速验收标准:0～2m声波波速大于4750m/s，2～5m及5m以下声波波速大于5000m/s。单孔声波波速合格点数量不得低于85%，小于设计标准的85%的测试值不得超过3%，且不得集中。

3 固结灌浆成果分析

3.1 灌浆成果分析

已施工坝段灌浆成果统计见表3，从表3灌浆成果统计资料可以看出:总体灌浆成果符合递减规律，Ⅰ序孔单位注入量占总注入量的82%，说明基岩裂隙连通性较好，通过Ⅰ序孔的灌浆，大部分裂隙得到了有效灌注。另外，接触段单位注入量占总注入量的60%，说明表层裂隙发育严重，其主要原因由基岩卸荷回弹所致。

3.2 检查孔压水成果分析

19～23号坝段检查孔压水成果汇总见表4，19～23号坝段固结灌浆布设检查孔共计58个，压水216段。从已施工坝段的检查孔压水成果来看，21～23号坝段有部分孔段压水透水率不满足设计要求，大部分为接触段，其主要原因有以下几方面:①灌浆压力偏低，部分Ⅰ、Ⅱ序孔的灌浆压力为0.10～0.15MPa;②检查孔压水压力（1.0MPa）与灌浆压力不对应;③检查孔段长（5m）与灌浆孔段长（2m）不对应;④浆液水灰比过浓（0.6∶1）、部分孔段（透水率≥5Lu）浆液掺加硅粉后灌注，影响灌浆质量。2006年4月20日以后，根据前期灌浆成果分析，设计对固结灌浆的压力、浆液、段长重新进行了调整，后续施工的19、20号坝段固结灌浆，检查孔压水透水率全部合格。

3.3 灌后声波成果分析

从表5灌后声波成果说明，灌后声波成果除23号坝段全孔测点不能满足设计要求的大于85%，其余坝段全孔声波测值满足设计要求，但从孔口段5m测点单独统计看，各坝段均不能满足设计要求灌后声波值大于5000m/s的测点不小于85%的要求，对于小湾高拱坝基础，固结灌浆主要是改善浅表层岩体的承载力。

4 存在的问题

4.1 21～23号坝段检查孔压水部分孔段透水率超标

21～23号坝段固结灌浆施工期间第1段灌浆压力采用0.1～0.15MPa，并且对注入量较大孔段采取限流、限量、待凝、浆液中掺加硅粉等措施，虽然对裂缝的预防可能起到了一定的作用，但对灌浆质量造成了一定的负面影响。

4.2 孔口段5m范围灌后声波合格率偏低问题

从已施工部分坝段的灌后声波成果可以看出，按调整前的设计技术要求施工的坝段，不管是采取何种灌浆方式和不合理的灌浆压力，孔口段5m范围内灌后声波测试成果多数不能满足设计要求。说明采取的有盖重固结灌浆工艺和灌浆压力需进一步优化调整。

4.3 部分坝段在固结灌浆期间出现混凝土裂缝问题

已施工的17～23号坝段固结灌浆施工期间，除20、22号坝段没有出现仓面裂缝外，其余坝段均不同程度在出现仓面裂缝。裂缝出现位置大多在固结灌浆注入率较大孔段（单位注入量大于1000kg/m）和坝段顺水流向中间部位附近，且裂缝深度均未贯穿基岩，经分析研究认为复杂地质构造、缺陷、地应力回弹以及灌浆压水压力的共同作用是产生裂缝的主要原因。在固结灌浆施工中采取何种灌浆方式和灌浆参数是防止后续坝块裂缝产生需要研究和解决的问题之一。

5 工艺措施探讨和建议

5.1 有盖重固结灌浆和无盖重加引管灌浆分析

小湾大坝坝基开挖很深，由于基岩卸荷回弹，表层裂隙发育严重，初期在进行无盖重灌浆试验时，孔口5m范围内无回水、无压力，5m以下均能达到设计压力。鉴于已施工坝段的固结灌浆孔口段虽采取了有盖重固结灌浆，但是为了防止抬动采用的灌浆压力较低，灌后压水检查和声波测试难以满足设计要求。

采用无盖重加引管固结灌浆方式，5m以下自上而下分段灌浆，5m以上采用引管后期高压固灌，为防止后期灌浆时多孔互串堵塞管路，5m以上灌浆可一次性先行低压灌浆后扫孔至5m孔深后埋管，3～4个孔并联一组管路。

如小湾大坝坝基采用该固结灌浆方式，可以有效解决上述存在的问题。①减少对混凝土浇筑的工期占压，能够做到快速均匀上升，有效防止地应力回弹，避免仓面裂缝产生;②孔口段5m范围采用引管后期在廊道内高压固灌，能够保证灌浆质量;③避免固结灌浆施工与冷却水管干扰问题。缺点之一就是建基面第1层混凝土浇筑时仓内管路较多，投入加大，也不利于浇筑平仓设备的施工，后期均采用有盖重施工。

5.2 有盖重固结灌浆的施工工艺简化

从已施工完坝段的固结灌浆成果分析，Ⅰ序孔和Ⅱ序孔之间单位注入量递减规律明显，Ⅲ、Ⅳ序孔单位注入量均较小且递减不明显，说明目前固结灌浆的孔序需要进一步简化，可调整为两序施工。简化施工工艺可以提高施工进度、缩短工期，坝基固结灌浆在允许间歇期内就可一次完成，避免人员设备窝工和成本增加。

5.3 岸坡坝段固结灌浆

为满足设计技术要求，岸坡坝段固灌均采用一次施工，局部混凝土厚度可能会达到20.0m，冷却水管的避让难以有效解决，另外，增加了钻孔工程量和施工工期。如分期分批施工，由河床到岸坡方向满足混凝土盖重4.5m后即可施工，孔序从垂直水流方向分序变为由河床到岸坡方向分序，既可以解决固灌与冷却水管干扰，也可解决固灌孔序无规律问题。对于在固结灌浆施工过程中可能出现的相邻坝段或裸露基岩串、冒、漏浆，采用嵌缝封堵、间歇、待凝二次复灌方法处理。

6 结语

小湾右岸大坝坝基固结灌浆前期已完成6个坝段施工，虽然严格按照设计技术要求施工，质量控制措施到位，但仍出现一些问题，浅表层5m灌浆质量未完全达到设计要求。为保证后续施工坝段的固结灌浆质量和避免出现类似问题，建议尽快推行无盖重加引管的固结灌浆方式，另外，对固结灌浆的灌前洗孔、压水压力和大耗浆量孔段灌浆方式进行调整。

作者简介: 卢元海，男，中国水利水电建设工程咨询西北公司小湾监理中心项目总监，工程师。