高压灌浆在锦屏一级水电站大坝右岸防渗工程中的应用

刘 涛 王元鹏

（长江水利委员会工程建设监理中心，湖北 武汉 430010）

1 工程概况

锦屏一级水电站为目前世界在建最高双曲拱坝，装机容量为6×600MW，采用引水至布置在右岸山体内的地下式厂房发电。最大坝高达到305m，坝顶高程为 EL1885m，正常蓄水位为 EL1880m，底层防渗帷幕孔口高程为EL1601m，水头高达约300 m，大坝防渗处理最深达到171.5m，最大灌浆压力达到6.5MPa，其灌浆施工技术难度之大在国内是鲜见的。地质构造以Ⅱ、Ⅲ级大理岩，微张～闭合裂隙及层间错动断层为主，局部有陡倾角裂隙发育且局部岩层受构造挤压强烈，断层、节理、破碎带发育。

防渗灌浆工程总量达到38万多米,防渗施工最高月强度达到3.0万m。防渗系统包括主防渗线路及厂房 1670m高程以上帷幕灌浆，其施工在EL1601m、EL1670m、EL1730m、EL1785m、EL1829m、EL1885m高程共六层灌浆平洞及基础灌浆廊道内进行，上下两层间的三角形区域帷幕灌浆在坝体内进行。防渗帷幕采用“孔口封闭、高压灌浆法”施工。

2 帷幕灌浆试验

右岸帷幕灌浆共布置3个帷幕灌浆试验区，试验目的：选择适宜的钻孔和灌浆施工设备；选择合理的施工程序、施工工艺和方法、灌浆材料及配合比、灌浆压力、灌浆孔排间距、钻灌次序等参数的合理性；提出不同区域和不同级别岩体的灌浆方案；选择合理可靠的灌浆检查手段，测试灌浆帷幕防渗效果；提出保证灌浆效果的安全技术措施和质量保证措施。

帷幕灌浆试验结果表明：五级水灰比3∶1、2∶1、1∶1、0.8∶1、0.5∶1 较四级水灰比 2∶1、1∶1、0.8∶1、0.5∶1可灌性好；通过升压试验结合基岩抬动变形数据、灌前平均透水率、灌浆单耗等数据分析后，认为在原设计基础上适当提高灌浆压力（提高灌浆压力最大至6.5MPa），岩石可灌性得到进一步改善；采用的“孔口封闭、自上而下、分段钻孔、分段灌浆”工艺是适宜的；由普通水泥材料改为湿磨细水泥材料灌注，岩石内细缝得到更好的充填；灌浆采用的机具、设备、仪器、仪表等满足要求。

3 帷幕灌浆施工工艺

3.1 施工设备

钻孔设备采用回转式地质钻机XY-42及XY-2。灌浆采用SNS或TTB100/20灌浆泵，灌浆采用NW-2005或GJY-Ⅵ型三参数灌浆自动记录记录仪，抬动观测采用千分表人工观测或NW-2005抬动自己观测仪进行监测。制浆采用自动称量、水泥储存量为2×250t、高速制浆、能制备水灰比（重量比）为0.5∶1的浆液且连续供浆能力不低于250L/min的自动化集中制浆站。

3.2 灌浆孔布置和施工次序

为满足深孔帷幕灌浆浅部基岩快速升压要求，在帷幕灌浆平洞底板布置了4排固结灌浆孔。帷幕灌浆孔坝基帷幕1829以上布置1排，1829～1730布置2排，1730以下布置3排，排距1.3m，除断层及影响带部位加密灌浆区孔间距为 1.0m外其余孔距均为2.0m，呈梅花型布孔。按分排、分序原则按下游排→上游排→中间排的顺序施工，排内分Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ序，逐序分段钻孔灌浆。上层主体帷幕深入下层帷幕平洞底板以下 10m，在上下层主体帷幕之间以浅孔搭接帷幕的形式进行防渗帷幕封闭。

3.3 灌浆孔钻孔

灌浆钻孔孔位偏差小于10cm，孔深20m以上每钻进5m调校钻机一次；20m以下每钻进10m调校钻机一次，施工中经常检查钻机的稳固情况、钻机角度、并根据测斜成果更换钻具、调整液压压力等措施防止钻孔偏斜超标。发现钻孔偏斜超过规定时，及时采取纠偏措施。

3.4 灌浆方法

（1）深孔帷幕灌浆采用了“小口径、孔口封闭、自上而下分段灌浆”方法,在孔口段用灌浆阻塞封闭进行基岩第1段灌浆后，埋设孔口管，安装孔口封闭器自上而下分段钻灌，如此循环钻灌直至结束。该法灌浆具有如下优点：除了主要对新钻段进行灌浆以外，还可以使以上各段都能得到若干次的重复灌浆，有利于提高灌浆质量；每段灌浆结束后，一般不需待凝，即可开始下一段的钻孔，加快了进度；使用孔口封闭器有利于使用大的灌浆压力。

（2）一个坝段或一个单元工程内，后序排上的第一序孔宜在前序排上最后次序孔在岩石中均灌完15m后再开始钻进。同一排上相邻的两个次序孔之间，以及后序排上第一次序孔与其相应部位前序排上最后次序孔之间，在岩石中钻孔灌浆的间隔高差不得小于15m。

（3）各灌浆段灌浆结束后一般可不待凝，但在灌前涌水、灌后返浆或遇其它地址条件复杂情况，则宜采取延长屏浆时间、闭浆、待凝等措施。

3.5 孔口管埋设

采用孔口封闭法灌浆时，在基岩第1段灌浆完成后埋设孔口管。

（1）据试验结果，第1段灌浆段长2m，使用灌浆栓塞在孔口卡塞进行循环式灌浆。

（2）依据设计技术要求，孔口管埋入岩石中的深度应大于2.0m，在孔口管下料加工时，孔口管长度宜超过第1段孔深15～20cm。

（3）基岩第1段灌浆完毕，将孔内浆液置换成水灰比为0.5∶1的水泥浆后，下设孔口管（取芯孔埋设Ф89mm孔口管、一般灌浆孔埋设Ф76mm孔口管）并定位。待凝时间不少于72h。

3.6 灌浆

（1）灌浆段长及灌浆压力。

防渗帷幕灌浆0～5m分2段,以下一般采用5m一段，特殊情况适当缩减或加长，但不大于 10m。灌浆压力根据不同排序、不同深度，最小为1.5 MPa，最大为6.5 MPa。

（2）主要灌浆材料及其配比。

由于大部分岩石条件较好，且大部分裂隙属陡倾微张～闭合裂隙，如采用普通水泥则可灌性较差，因此本工程大部分防渗帷幕采用湿磨细水泥，遇宽大裂隙、断层、溶蚀槽、涌水较大等特殊地层，采用普通水泥灌注。通过前期试验，采用浆液水灰比 5∶1、3∶1、2∶1、1∶1、0.8∶1、0.6∶1、0.5∶1 等7个比级灌浆。当某一比级浆液的注入量已达300L以上或灌注时间已达 1h ，而灌浆压力和注入率均无改变或改变不显著时，应改浓一级。当注入率大于30L/min时，根据具体情况越级变浓。

（3）灌浆结束标准。

在设计压力下，当注入率不大于 1L/min时，继续灌注不少于60min。

（4）封孔。

每个帷幕灌浆孔在全孔灌浆结束后，采用“置换和压力灌浆封孔法”封孔。将灌浆塞塞在孔口，灌入水灰比为0.5∶1的浓浆，压力一般为本孔灌浆最大压力，当注入率不大于1L／min且延续30min后可停止。

4 特殊情况及处理措施

4.1 对灌浆段注入量大,灌浆难于结束时的处理措施

遇到一些注入量较大难以升压的孔段，处理方法是采用低压浓浆灌注，当低压浓浆灌注仍无法结束时，采用限流、限量措施，注入率控制在20L/min以内，单耗达1000kg/m如仍无法达到结束标准时，再采用间歇、待凝、扫孔复灌，或采用掺加水玻璃进行灌注，直至达到灌浆结束标准。间歇待凝时间一般为20～30 min，待凝时间视具体情况在8～12h，水玻璃的掺加量一般为水泥重量的3%。

4.2 对溶蚀裂隙、断层破碎带、软弱岩体、溶洞灌浆的处理措施

在钻孔过程中遇到卡钻、掉钻、失水、返水或返渣异常等情况时，利用电磁波 CT成像检测，结合电磁波 CT检测成果、孔内电视检测结果、钻孔地质剖面图、压水检测成果等进行对比分析，在基本确定溶蚀裂隙、断层破碎带、软弱岩体、溶洞等特殊地质岩体的发育情况及空间分布形态的基础上先查明溶洞充填类型和规模，再采用以下措施进行处理：对已经挖好的溶洞清理干净后，采用 C25混凝土回填；采用水泥浆加速凝剂、水泥砂浆或水泥-水玻璃浆液等材料进行回填、固结灌浆后，再施工该部位的帷幕灌浆。

4.3 涌水孔的处理措施

灌浆施工前发现两处涌水量较大部位：一处涌水流量50L/s，涌水压力0.3MPa；一处涌水流量为200L/s，涌水压力0.5MPa。为保证帷幕灌浆施工质量，在大规模帷幕灌浆前，对涌水点按以下措施处理：灌浆采用设计灌浆压力加上涌水压力，根据需要添加3%（干水泥质量）的水玻璃；灌浆采用灌浆栓塞孔口阻塞、纯压灌浆。屏浆时间在原设计基础上延长一倍，灌浆完成后采取闭浆措施。

4.4 搭接帷幕渗水孔处理措施

搭接帷幕主要为上仰孔，在前期施工过程中由于施工工艺不成熟原因，导致灌浆封孔后空口出现结露、滴水、钙化物析出等现象，经分析，原因是：由于封孔浓浆置过程中仅采用单管埋至距孔底20～50cm，孔内积水、空气、稀浆等无法置换出孔外，导致孔内浆液所承受压力未能达到设计最大灌浆压力，封孔不密实造成；本工程岩石地基岩石裂隙大部分为微张～闭合裂隙，采用水泥灌浆无法对个别特殊地层进行有效充填，地下水经过一段时间后，从孔内往外渗出。

对渗水孔进行扫孔后，采用预埋设“双管”的方式即在孔口埋设灌浆管及回浆（排气）管（灌浆管采用外端带丝扣的钢管，埋入孔内20cm；回浆管采用高强PVC管，埋入长度至孔底20～50cm）待孔口封堵水泥砂浆达到一定强度后，从灌浆管注入W/C=0.5的水泥浆液，当回浆管返出浆液比重与进浆比重一致时将回浆管球阀关闭进行屏浆），灌浆压力及灌浆时间严格执行设计技术要求标准。

4.5 地质缺陷部位处理措施

锦屏一级水电站右岸防渗帷幕线上的f13、f14及f18断层，断层带宽1～3m不等，主要由碎裂岩、角砾岩、糜棱岩或夹泥组成，多为散体结构，普遍弱或强风化，属Ⅴ1级岩体，地质性状较差。由于上述断层上游均与水库联通，水库运行期间在长期高压水渗透作用下，结构面的充填物质可能发生逐渐软化、泥化等现象，产生渗透破坏，形成渗漏通道。为加强该部位防渗可靠性与耐久性，在普通水泥灌浆完成后，还需要进一步采用水泥—化学复合灌浆处理。

5 灌浆成果资料分析

5.1 岩体可灌性分析

EL1601、EL1670、EL1730、EL1785、EL1829 坝基帷幕洞各灌浆孔平均单位注灰量分别为9.55kg/m、25.37kg/m、27.38kg/m、13.99kg/m、24.76kg/m（见表1），说明岩石总体可灌性较差，但采用了合适的施工工艺及合理的灌浆参数、合适的灌浆材料后，岩石裂隙得到进一步充填，灌浆单耗随灌浆次序增进而降低，符合灌浆规律。

表1 各层坝基帷幕洞水泥单位注入量统计表（kg/m）

5.2 灌浆质量检查

（1）为了检查幕体在灌浆后的透水性情况，在各个单元工程灌浆完 14天后，在相应的单元钻检查孔进行压水试验，所有段次的透水率均小于设计值防渗标准1Lu，达到了设计对防渗帷幕的要求。

（2）灌后检查孔芯样表明：岩石裂隙充填较好，灌后检查孔岩芯采取率达到 95%以上，浆液结石充填厚度多在 0.5～5mm之间。由此可见帷幕灌浆达到了封堵渗水通道的目的。

（3）大坝初期蓄水至EL1710m后，幕后EL1595排水廊道内排水孔排水量在0～5.7L/min之间，说明灌浆效果较好。

6 结 语

锦屏一级水电站大坝防渗帷幕工程地质条件复杂，工程施工过程中对遇到的特殊情况进行了及时的处理措施。经过灌浆处理后，基岩的防渗性能得到改善，帷幕灌浆质量检查结果表明工程质量达到了设计要求。本次施工表明采用“孔口封闭、高压灌浆法”的施工工艺是可行和有效的，主要表现在以下几点。

（1）在大规模帷幕灌浆施工开始前选取具有代表性的岩层、采用不同比级浆液水灰比、采用不同压力、采用不同的灌浆材料、不同的施工机具设备等进行对比试验最终确定合理、科学的施工工艺、方法、参数、材料是非常有必要的。

（2）采用“小口径、孔口封闭、自上而下分段灌浆”方法,具有除了主要对新钻段进行灌浆以外，还可以使以上各段都能得到若干次的重复灌浆，有利于提高灌浆质量；每段灌浆结束后，一般不需待凝，即可开始下一段的钻孔，提高了施工效率；使用孔口封闭器有利于使用大的灌浆压力。

（3）从灌浆成果资料以及灌后检查孔取芯、压水试验结果分析，锦屏一级水电站大坝右岸防渗帷幕灌浆所采用的施工工艺、方法、参数、材料、机具、设备等是符合要求的。

（4）溶蚀裂隙带或溶洞内采用回填混凝土、灌注水泥砂浆、水泥浆液掺加水玻璃等方式先进行回填、固结灌浆，能起到很好的堵漏效果，待其具备一定强度后再按照设计要求进行钻孔灌浆形成防渗帷幕，防渗帷幕具有良好的抗渗性能和稳定性。

（5）在岩石条件较好且裂隙以微张～闭合区域灌浆采用湿磨细水泥、稀浆开灌、提高灌浆压力、孔口封闭等灌浆措施后，防渗性能得到很大提高。