水布垭面板堆石坝河床部位趾板帷幕灌浆施工技术分析

摘要：水布垭大坝河床部位趾板帷幕灌浆有其自身特点和要求，通过灌浆试验及河床部位趾板帷幕灌浆的实施和灌浆成果分析，在帷幕布置、提高浅层灌浆压力、趾板抬动变形监测等方面取得了一定突破，确保了趾板帷幕灌浆的顺利实施。
　　 1前言
　　混凝土面板堆石坝自二十世纪八十年代在国内开始推广以来，以其适用性、经济性和安全性等优势，越来越受到广泛关注。二十年来，国内已建和在建工程坝高超过100m以上的混凝土面板堆石坝已达数十座。
　　由于堆石坝自身的特点和要求，坝工设计的重要组成部分--坝基防渗帷幕灌浆工程，就更为突出和重要。通常，面板坝帷幕灌浆与其他重力坝、拱坝坝基帷幕灌浆相比较，有以下不同特点：①面板坝帷幕灌浆是在压重较薄的趾板上进行，较高的灌浆压力极易造成抬动和拉裂趾板；②某一高程以下的河床部位蓄水后，一直处于水位以下，帷幕灌浆一但出现渗透破坏就很难有补灌条件；③由于帷幕灌浆在趾板上进行，工期一般较紧，且受季节限制，一般要求河床部位或某一高程以下的趾板帷幕灌浆必须在一个枯水期内完成。因此，如何做好面板坝河床部位的趾板帷幕灌浆，是一个十分值得关注的问题。
　　水布垭水电站混凝土面板堆石坝最大坝高达233m，最大坝前作用水头207m，坝高和坝前水头均为当今在建工程同类坝型世界之最。由于坝基地质条件和坝工设计的要求，趾板帷幕灌浆技术复杂，质量要求高，施工难度大。通过现场模拟趾板灌浆试验和河床部位趾板帷幕灌浆的实施，在提高浅层灌浆压力、灌浆方法、趾板抬动变形控制以及最终灌浆效果等方面都取得了一定突破，确保了趾板帷幕灌浆的顺利实施。本文结合河床部位趾板帷幕灌浆的实施情况和施工资料，就上述问题做一些技术分析与探讨。
　　 2坝基地质条件与帷幕灌浆设计布置
　　水布垭大坝坝基岩石主要为二叠系下统茅口组和栖霞组灰岩。其中茅口组为厚层至巨厚层灰岩，岩性坚硬完整；栖霞组岩层软硬相间，中厚层灰岩与炭泥质生物碎屑灰岩不等厚互层，其间多层面、多剪切带。坝址河段内断层较发育，按走向主要分为三组、按规模分为三类，其中穿越趾板的Ⅰ、Ⅱ类代表性断层有四条。断层一般斜切坝基，同时NNE-NE向裂隙和岸边卸荷裂隙较发育。茅口组灰岩属于强岩溶化地层，栖霞组为强岩溶化与弱岩溶化相间的地层。坝址区地层较平缓，平均倾角15°左右，以略倾上游为主，其层间剪切带等软弱夹层较发育。上述岩溶化断裂及剪切带等极易构成坝基主要渗漏通道，且在灌浆时极易产生不利的抬动变形。
　　针对上述地质条件和坝工设计要求，结合现场实际情况和施工条件，进行了较大规模的灌浆试验。试验采取不同的布孔形式和灌浆方法，模拟趾板条件下帷幕灌浆的效果。试验结果表明：趾板基础灌浆布孔采用“均布固结+帷幕”方式，能够有效提高趾板浅层灌浆压力，并能确保抬动变形安全，从而增强趾板浅部防渗幕体的抗渗能力。同时，试验采用了智能化抬动变形报警装置来控制趾板灌浆压力，从而找到了复杂地质条件下提高趾板基础浅部灌浆压力的有效途径。
　　根据灌浆试验结果，结合趾板布置及地质条件，水布垭趾板基础灌浆布孔型式（河床部位）为：标准趾板宽8.5m，均布3排固结孔，孔距2.0m，排距3.0m，钻孔深入基岩7.0m；近中部两排深孔固结兼辅助帷幕孔，孔距2.0m，排距3.0m，钻孔深入基岩17.0m；中间布置二排主帷幕孔，孔距2.0m，排距1.2m，钻孔深入相对不透水层，河床部位孔深一般80.0～100.0m.灌浆质量检查标准为：固结灌浆灌后岩体平均波速一般应＞3000m/s，透水率q≤3Lu；帷幕灌浆后透水率q≤1Lu.
　　为了提高趾板浅层岩体灌浆效果，针对不同灌浆类别和不同孔排序，分别采用了不同的灌浆压力，尤其是在接触段灌浆压力随着灌浆类别和次序的增加而逐渐提高。同时，对每一灌段都设定一个起始压力和一个目标压力。不同类别及孔序第一段（接触段）灌浆压力控制见表1。

序号	灌浆类别	Ⅰ序孔	Ⅱ序孔	Ⅲ序孔
起始压力	目标压力	起始压力	目标压力	起始压力	目标压力
1	固结灌浆	0.2～0.3	0.3～0.4	0.3～0.4	0.4～0.5	/	/
2	辅助帷幕灌浆	0.4～0.5	0.6～0.7	0.5～0.6	0.7～0.8	/	/
3	主帷幕灌浆	0.6	1.0	0.8	1.2	1.0	1.5

　　此外，为防止趾板产生有害抬动，在趾板顺轴线方向每间隔10m布置一组抬动变形观测孔，在压水和灌浆过程中，趾板的抬动变形要求采用自动报警装置进行严格的监测和控制。不同范围的抬动变形监控标准见表2.

距离（m）	＜1	1	2	3	4	5	＞5.5
允许值（um）	200	165	130	95	60	25	0

　 　3河床部位趾板帷幕灌浆工程的实施
　　河床部位趾板基础灌浆按照固结孔→辅助帷幕孔→固结检查→主帷幕孔→帷幕检查的顺序进行施工。整个实施过程分为两个时段进行，2003年汛前3～5月完成固结灌浆及辅助帷幕灌浆的施工；2003年汛后10月至2004年2月完成帷幕灌浆的施工及各项检查工作。
　　3.1固结及辅助帷幕灌浆施工
　　固结及辅助帷幕均采用地质回转钻机造孔，阻塞式孔内循环方法灌浆，其中固结孔较浅，采用全孔一次成孔，自下而上分段灌浆方法，辅助帷幕孔采用自上而下灌浆法，灌浆压力固结最大0.6Mpa，辅助帷幕最大1.0Mpa，浆液配比及结束标准等工艺均参照设计技术要求及灌浆规范执行。
　　3.2主帷幕灌浆施工
　　河床趾板主帷幕灌浆是在固结检查合格后进行，按照先下游排、后上游排的顺序，每排孔分三个次序加密施工，均采用孔口封闭灌浆法施工。灌浆全过程均采用三参数自动灌浆记录仪进行记录。
　　钻孔采用金刚石钻头进行，孔口段（接触段）孔径一般为Φ91mm，以下孔段一般为Φ60mm，孔深80～100m。
　　灌浆分段长度：接触段（孔口段）3.0m，以下各段为1.0m，2.0m，5.0m，5.0m。终孔段不大于7.0m。
　　灌浆压力：接触段起始压力Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ序孔分别为0.6、0.8、1.0Mpa，目标压力分别为1.0、1.2、1.5Mpa，以下各段逐级逐渐加压，最大灌浆目标压力4.0Mpa。在实施过程中视抬动变形值情况及注入率大小逐级升压，最后在允许抬动值范围内达到目标压力。
　　灌浆材料为强度等级42.5级普硅水泥，浆液为纯水泥浆，主要采用5、3、2、1、0.8、0.5：1等六个比级，开灌水灰比一般为5：1.浆液配比及变换标准参照规范和技术要求执行。
　　封孔全部采用“置换和压力灌浆封孔法”进行。
　　3.3灌浆压力与趾板抬动变形的监控
　　为了有效提高趾板灌浆压力，确保浅层帷幕灌浆效果，整个帷幕灌浆施工采用了能自动记录、监测和设有超限报警装置的“抬动变形自动记录测控仪”，对帷幕灌浆全过程的趾板抬动变形情况进行监控，以防止在较高压力状态下，趾板产生抬动变形和破坏。该装置采用了先进的智能化传感技术及单片机技术，对所观测对象的位移（或抬动）值进行长时间连续测量、采集、分析和记录、打印，并通过设定上、下控制限值对超限值进行声光报警。
　　 4帷幕灌浆效果分析与探讨
　　4.1灌浆成果资料分析
　　河床部位趾板帷幕灌浆成果统计见表3。

排 序

孔 序

孔数

灌浆 进尺 （m）

注 入 水泥量 （kg）

单位注入量（kg/m）

总 段 数

单位注灰量（kg/m）频率 （区间段数/频率%）

透水率（Lu）频率 （区间段数/频率%）

＜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

小计

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

小计

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

合计

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

　　从表3中分析可知：
　　（1）河床部位第一排主帷幕孔中灌前压水试验的透水率（相当于原始地层）小于1.0Lu的占64.5%，而大于10.0Lu的占12.9%，大于100Lu的仅占4%，这表明河床趾板部位基岩新鲜、完整性较好，一般透水性较弱，仅有局部存在断层，层间软弱带地质缺陷，透水性较强，这符合河床坝基的地质条件。
　　（2）各孔段灌浆压水试验的透水率随着灌浆孔序和排序的增加递减较明显，表明灌浆效果较好。其中递减较明显的是：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%，合计占7.4%；后施工的上游排Ⅰ序孔占2.1%，Ⅱ序孔为0，Ⅲ序孔占0.6%，合计占0.9%.递增不甚明显的是小于1Lu的孔段，下游排Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ序孔分别为64.5%、81.6%、67.9%，合计为70.1%；上游排Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ序孔分别为82.8%、85.1%、82.8%，合计为83.4%，这表明水泥灌浆在该类地层的细微裂隙中的灌浆效果是有限的。
　　（3）各孔段的单位注入量与灌前压水试验的透水率基本相匹配，如小于单位注入量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%，单位注入量符合压水试验成果及坝基地质条件。
　　（4）孔段单位注入量随着灌浆孔、排序的增加递减较为明显，其中最为明显的是首先施工的下游排，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ序孔中小于10kg/m的孔段分别占54%、70.4%、75.5%，大于100kg/m的孔段分别占13%、10.2%、4.6%；Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ序孔的平均单位注入量分别为186.67kg、56.11kg、20.3kg，随孔序加密下降明显。而后施工的上游排无论是平均单位注入量或主要区间的单位注入量变化均不甚明显，如平均单位注入量Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ序孔分别为8.45kg、13.07kg、8.08kg，小于10kg/m的孔段Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ序孔分别为79.6%、86.2%、86.4%，有改变但不甚明显，这表明水泥灌浆在细微裂隙中的扩散半径和灌浆效果是有限的。
　　4.2抬动变形观测成果统计分析
　　河床部位各孔段灌浆时的抬动变形观测成果见表4。

灌浆层（段）位	总段数	抬动值（um）区间（段数/频率%）
＜50	50～100	100～200	＞200	合计
表层（接触段）	40	14/35	2/5	3/7.5	2/5	21/52.5
浅层（2～4段）	120	36/30	2/1.7	2/1.7	1/0.8	41/34.2
深层（5段及以下）	614	151/24.6	2/0.3	2/0.3	0	155/25.2
合 计	774	201/25.9	6/0.8	7/0.9	3/0.4	217/28.0

　　（1）河床部位整个帷幕灌浆过程中产生抬动的孔段为217段，占灌浆总段数的28%.
　　（2）从不同深度的抬动变形情况看，越往表层抬动的机率越大，越往深部，抬动的机率越小。其中位于表层的接触段产生抬动的段数占52.5%，位于浅层的2～4段为34.2%，位于4段以下的深部仅为25.2%。
　　（3）从抬动量值的大小看，所有产生抬动变形的孔段中，抬动值小于50um的孔段占92.0%以上，抬动值超过50um的仅占8%.而且，由浅层向深部抬动值大于50um的孔段呈递减趋势，由表层的33%下降到深部的3%左右。
　　（4）表中有99.6%的孔段抬动值均在设计控制指标值之内，仅有3段抬动值超标（＞200um）的情况，实施过程中由于较好地控制了灌浆压力或采取待凝复灌措施，资料和现场情况均显示并未产生有害抬动。
　　4.3关于灌浆目标压力的分析
　　从现场实施情况及灌浆统计资料看，除极少数孔段因抬动值超标未达到设计压力外，其余孔段均达到设计目标压力，即接触段Ⅰ序孔1.0Mpa，Ⅱ序孔1.2Mpa，Ⅲ序孔1.5Mpa，以下各段逐级加压，均达到设计目标压力，各孔最大灌浆压力均达到4.0Mpa。
　　4.4检查孔压水试验成果分析
　　帷幕灌浆结束后，根据灌浆成果资料及坝基地质条件，共布置了4个压水试验检查孔。检查孔位于两排帷幕孔中间，孔深同帷幕深度。
　　检查孔钻孔采用Φ76mm金刚石钻头取芯钻进，分段作压水试验，分段长度等同灌浆孔，压水试验采用单点法，压水压力为接触段1.2Mpa，第二段1.5Mpa，其余各段均为2.0Mpa。
　　4个检查孔共作压水试验77段，结果表明，灌后压水试验的透水率在0～0.1Lu的为25段，占32.5%，0.1～0.5Lu的为47段，占61%，0.5～1.0Lu的为5段，占6.5%，最大值为0.8Lu，所有孔段的透水率均小于1.0Lu，满足设计要求，表明灌浆效果良好。
　　 5结语
　　水布垭大坝河床部位趾板帷幕灌浆的施工实践及各项施工成果资料表明：
　　（1）水布垭面板坝趾板帷幕灌浆设计布置合理，施工控制严格，灌浆质量满足要求，效果令人满意。
　　（2）本帷幕灌浆工程打破常规，提高浅层尤其是接触段灌浆压力，取得了较大突破，使接触段灌浆压力达到1.5Mpa，且效果显著。现场检查孔压水试验结果表明，灌浆帷幕能满足200m坝前作用水头的要求。
　　（3）实践证明，抬动变形自动记录测控仪的采用，对控制和提高浅层灌浆压力，防止趾板抬动破坏，起到了关键和重要作用，可在类似及其他灌浆工程中推广应用。
　　（4）由于坝基地质条件复杂，在两岸斜坡坝段由于趾板边界条件及坝基地质条件的有所变化，对于灌浆压力的操作，尤其是抬动变形监测亦更加细致和谨慎，以防止压力抬动破坏趾板。