河床部位趾板帷幕灌漿施工技術(shù)分析

1、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(guò)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(dòng)變形監(jiān)測(cè)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。關(guān)鍵詞 趾板 帷幕灌漿 壓力 抬動(dòng)變形監(jiān)測(cè) 1 前言混凝土面板堆石壩自二十世紀(jì)八十年代在國(guó)內(nèi)開(kāi)始推廣以來(lái)，以其適用性、經(jīng)濟(jì)性和安全性等優(yōu)勢(shì)，越來(lái)越受到廣泛關(guān)注。二十年來(lái)，國(guó)內(nèi)已建和在建工程壩高超過(guò)100 m 以上的混凝土面板堆石壩已達(dá)數(shù)十座。由于面板堆石壩自身的特點(diǎn)和要求，壩工設(shè)計(jì)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

2、，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)：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(dòng)和拉裂趾板；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；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(gè)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(gè)十分值得關(guān)注的問(wèn)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(jì)的要求，趾板帷幕灌漿技

3、術(shù)復(fù)雜，質(zhì)量要求高，施工難度大。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)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(dòng)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(wèn)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(jì)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(jiān)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、類代表性斷層有四條。斷層

4、一般斜切壩基，同時(shí)NNENE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(shí)極易產(chǎn)生不利的抬動(dòng)變形。針對(duì)上述地質(zhì)條件和壩工設(shè)計(jì)要求，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)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(dòng)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(shí)

5、，試驗(yàn)采用了智能化抬動(dòng)變形報(bào)警裝置來(lái)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?jī)膳派羁坠探Y(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(duì)不透水層，河床部位孔深一般80.0100.0m。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q3Lu；帷幕灌漿后透水率q1Lu。為了提高趾板淺

6、層巖體灌漿效果，針對(duì)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(shí)，對(duì)每一灌段都設(shè)定一個(gè)起始?jí)毫鸵粋€(gè)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(jiàn)表1。表1 接觸段不同類別、不同孔序灌漿壓力控制表序號(hào)灌漿類別序孔序孔序孔起始?jí)毫δ繕?biāo)壓力起始?jí)毫δ繕?biāo)壓力起始?jí)毫δ繕?biāo)壓力1固結(jié)灌漿0.20.30.30.40.30.40.40.5/2輔助帷幕灌漿0.40.50.60.70.50.60.70.8/3主帷幕灌漿0.61.00.81.21.01.5此外，為防止趾板產(chǎn)生有害抬動(dòng)，在趾板順軸線方向每間隔10m布置一組抬動(dòng)變形觀測(cè)孔，

7、在壓水和灌漿過(guò)程中，趾板的抬動(dòng)變形要求采用自動(dòng)報(bào)警裝置進(jìn)行嚴(yán)格的監(jiān)測(cè)和控制。不同范圍的抬動(dòng)變形監(jiān)控標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表2。表2 趾板灌漿不同距離抬動(dòng)觀測(cè)允許變形值距離（m）1123455.5允許值（um）20016513095602503 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(gè)實(shí)施過(guò)程分為兩個(gè)時(shí)段進(jìn)行，2003年汛前35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)

8、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(jì)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(gè)次序加密施工，均采用孔口封閉灌漿法施工。灌漿全過(guò)程均采用三參數(shù)自動(dòng)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91mm，以下孔段一般為60mm，孔深80100m。灌漿分段長(zhǎng)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

9、漿壓力：接觸段起始?jí)毫?、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(jí)逐漸加壓，最大灌漿目標(biāo)壓力4.0Mpa。在實(shí)施過(guò)程中視抬動(dòng)變形值情況及注入率大小逐級(jí)升壓，最后在允許抬動(dòng)值范圍內(nèi)達(dá)到目標(biāo)壓力。灌漿材料為強(qiáng)度等級(jí)42.5級(jí)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(gè)比級(jí)，開(kāi)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(dòng)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(gè)帷幕灌漿施工采用了能自動(dòng)記錄、監(jiān)測(cè)和設(shè)有超限報(bào)警裝

10、置的“抬動(dòng)變形自動(dòng)記錄測(cè)控儀”，對(duì)帷幕灌漿全過(guò)程的趾板抬動(dòng)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(dòng)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(duì)所觀測(cè)對(duì)象的位移（或抬動(dòng)）值進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)測(cè)量、采集、分析和記錄、打印，并通過(guò)設(shè)定上、下控制限值對(duì)超限值進(jìn)行聲光報(bào)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(jì)見(jiàn)表3。表3 河床部位趾板帷幕灌漿成果統(tǒng)計(jì)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%)10101001001000

11、1000111010100100下游排6575.65107454.1186.6712467/54.041/33.08/6.58/6.580/64.528/22.611/8.95/4.05457.8525690.056.119869/70.419/19.410/10.280/81.613/13.35/5.110903.9518348.420.30196148/75.539/19.99/4.6133/67.953/27.07/3.63/1.5小計(jì)211937.45151492.578.19418284/67.999/23.727/6.58/1.9293/70.194/22.523/5.58/1.9

12、上游排5433.433660.78.459374/79.617/18.32/2.177/82.814/15.12/2.15440.373756.713.079481/86.211/11.72/2.180/85.114/14.99784.846433.68.08169146/86.420/11.83/1.8140/82.828/16.61/0.6小計(jì)191658.6415810.09.53356301/84.548/13.57/2.0297/83.456/15.73/0.9合計(jì)403596.09167343.546.53774585/75.6147/19.034/4.48/1.0590/76.2

13、150/19.426/3.48/1.0從表3中分析可知：（1）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。（2）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，先施工的下游排序孔占12.9%，序孔占5.1%，序孔占5.1%，合計(jì)占7.4%；后施工的上游排序孔占2.1%，序孔為0，序孔占0

14、.6%，合計(jì)占0.9%。遞增不甚明顯的是小于1Lu的孔段，下游排、序孔分別為64.5%、81.6%、67.9%，合計(jì)為70.1%；上游排、序孔分別為82.8%、85.1%、82.8%，合計(jì)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。（4）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，、序孔中

15、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%；、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(wú)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、序孔分別為8.45kg、13.07kg、8.08kg，小于10kg/m的孔段、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(dòng)變形觀測(cè)成果統(tǒng)計(jì)分析河床部位各孔段灌漿時(shí)的抬動(dòng)變形觀測(cè)成果見(jiàn)表4。表4 帷幕灌漿抬

16、動(dòng)變形值統(tǒng)計(jì)表灌漿層（段）位總段數(shù)抬動(dòng)值（um）區(qū)間（段數(shù)/頻率%）5050100100200200合計(jì)表層（接觸段）4014/352/53/7.52/521/52.5淺層（24段）12036/302/1.72/1.71/0.841/34.2深層（5段及以下）614151/24.62/0.32/0.30155/25.2合 計(jì)774201/25.96/0.87/0.93/0.4217/28.0從表4中分析可知：（1）河床部位整個(gè)帷幕灌漿過(guò)程中產(chǎn)生抬動(dòng)的孔段為217段，占灌漿總段數(shù)的28%。（2）從不同深度的抬動(dòng)變形情況看，越往表層抬動(dòng)的機(jī)率越大，越往深部，抬動(dòng)的機(jī)率越小。其中位于表層的接觸段產(chǎn)生

17、抬動(dòng)的段數(shù)占52.5%，位于淺層的24段為34.2%，位于4段以下的深部?jī)H為25.2%。（3）從抬動(dòng)量值的大小看，所有產(chǎn)生抬動(dòng)變形的孔段中，抬動(dòng)值小于50um的孔段占92.0%以上，抬動(dòng)值超過(guò)50um的僅占8%。而且，由淺層向深部抬動(dòng)值大于50um的孔段呈遞減趨勢(shì)，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(dòng)值均在設(shè)計(jì)控制指標(biāo)值之內(nèi)，僅有3段抬動(dòng)值超標(biāo)（200um）的情況，實(shí)施過(guò)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(chǎng)情況均顯示并未產(chǎn)生有害抬動(dòng)。4.3 關(guān)于灌漿目標(biāo)壓力的分析從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施情況及灌漿統(tǒng)計(jì)資料看，除極少數(shù)孔段因抬動(dòng)值超標(biāo)未達(dá)到設(shè)計(jì)壓力外，其余

18、孔段均達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)壓力，即接觸段序孔1.0Mpa，序孔1.2Mpa，序孔1.5Mpa，以下各段逐級(jí)加壓，均達(dá)到設(shè)計(jì)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(gè)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76mm金剛石鉆頭取芯鉆進(jìn)，分段作壓水試驗(yàn)，分段長(zhǎng)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(gè)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00.1Lu的為25段，占32.5%，0.10.5Lu的為47段，占61%，0.51.0Lu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(jì)要求，表明灌漿效果良好。5 結(jié) 語(yǔ)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：（1）水布埡