长河坝水电站帷幕灌浆关键施工措施研究与应用

(中国水利水电第五工程局有限公司工程管理部，成都，610066)

1 工程概况

长河坝水电站为大渡河干流水电梯级开发的第10级电站，拦河大坝为砾石土心墙堆石坝，拦河大坝最大坝高240m，水库正常蓄水位1690m，正常蓄水位库容为10.15亿m3，总库容为10.75亿m3。

坝址地处鲜水河断裂带、龙门山断裂带和安宁河-小江断裂带所切割的川滇菱形块体、巴颜喀拉块体和四川地块交接部位，处于川滇菱形块体东缘外侧，区域地质构造背景复杂，区域构造稳定性较差。工程场地的地震危险性主要受外围强震活动的波及影响，区地震基本烈度8度，大坝地震设防烈度为9度。坝址基岩为晋宁期-澄江期的侵入岩，其岩性以花岗岩(γ2(4))、石英闪长岩(δ02(3))为主。

2 防渗帷幕设计布置

大坝主防渗面灌浆帷幕包括：在灌浆平洞内实施的坝肩帷幕、在岸坡混凝土板上实施的两层灌浆平洞间的三角区帷幕、在河床基础廊道内实施的主防渗墙底帷幕、在主防渗墙与副防渗墙之间设置的水平连接帷幕及在灌浆平洞内实施的搭接帷幕。钻灌总工程量为294403.43m。

左右岸共设置5层灌浆平洞(断面尺寸3m×4m)，各层平洞底板高程依次为1697m、1640m、1580m、1520m和1460m，各层帷幕除底层灌浆平洞为垂直帷幕外，向上游的倾角为5°～9°，上层帷幕伸入下层帷幕灌浆平洞底板以下5m。

为确保上、下层帷幕在平洞附近封闭形成整体，又避免由于帷幕灌浆压力过大，造成对下层平洞洞壁岩体的破坏和浆液流失，1640m、1580m、1520m和1460m高程平洞上游侧设8m～10m长的浅孔搭接帷幕，与主帷幕孔连接并使上、下层帷幕封闭成为整体。帷幕灌浆主要技术参数见表1所示。

表1 长河坝水电站帷幕灌浆主要技术参数

注：灌浆采用“孔口封闭，孔内循环灌浆方法”，当采用段顶卡塞灌浆时，灌浆塞应阻塞在灌浆段段顶以上0.5m处，防止漏浆。

3 施工技术特点、难点

(1)岩性以花岗岩、石英闪长岩为主，岩性级别高，岩体弱风化、强卸荷，存在5cm～20cm的软弱夹层，钻孔深度大，钻孔过程中容易出现孔斜超标及卡钻、掉钻事故。

(2)灌浆压力大，最大灌浆压力为5MPa，在最大设计压力下，注入率不大于1L/min，继续灌注30min，即可结束灌浆；灌浆施工过程中容易出现“铸钻”现象，且灌浆稳压难控制。

(3)帷幕灌浆使用普通硅酸盐水泥，水泥的细度通过80μm方孔筛的筛余量不大于5%，细微裂缝可灌性差。

(4)三角区帷幕在盖板混凝土上施工，左岸坡度为1∶0.55、1∶0.7、1∶0.95，右岸坡度为1∶0.5、1∶0.7、1∶0.95，采取高悬空排架的方式进行施工，污水与粉尘收集难度大。

4 施工关键技术

4.1 辅助系统建设

(1)原材料管理引进数字化监控系统

长河坝水电站灌浆水泥为甲方统供物资，为了合理规划使用，避免水泥二次倒运、水泥不足、现场污染浪费等问题，在各个地泵站、制浆点安装高清摄像头，并通过无线传输系统，将现场画面实时动态传输至项目部物资部门，实现进场水泥过泵称重、装卸、使用等全过程无死角监控。采用四参数灌浆记录仪(JT-Ⅵ型)，外置加密储存装置，密匙由业主专人保管，每周进行一次数据的拷贝，保证原始灌浆数据的真实性。在监控室配置备用电源，以便紧急断电情况下仍能继续进行监控，建设施工区域全覆盖的无线局域网，断网时用来传输监控数据。

(2)建设环保自动化制浆站

传统人工制浆耗费工时多，浆液比重波动大，且供浆能力有限，难以满足现场施工需求。本工程通过引进全自动制浆设备(ZDZJ-1)，可以在计算机屏幕上输入各种水灰比、制浆数量及外加剂数量，按确认键或回车，该系统可自动实现上灰、供水、搅拌、放浆等连续动作，真正实现了自动化管理。自动化制浆站提高了浆液质量，保障了浆液提供的连续性和及时性，减少了原材料的拌制耗损量，降低了制浆、贮浆、输送浆液的机械用量，提高机械利用率，减少了劳动力，从而节约水泥浆液的生产成本，具有较明显的经济效益；同时，自动化制浆站绿色环保，保证了作业人员的职业健康安全，具有显著的社会效益。

(3)修建边坡灌浆截污多级沉淀箱

为避免钻孔粉尘、灌浆污水污染盖板混凝土和流入下部心墙区，影响下部心墙区施工质量，且满足文明施工要求，在灌浆与填筑层之间的混凝土盖板上设置污水截排措施，经四级沉淀后将废水排入堆石体内。沉淀箱放置平台采用I14B工字钢搭设，底部采用插筋固定，沉淀箱用0.5mm厚钢板焊接，长4m宽2m，顶部和四个棱角用角钢加固。

本工程施工中制作的边坡灌浆截污多级沉淀箱配合边坡截污槽，解决了土石坝心墙区废水、浆液、废渣的合理处理，排放达到了文明施工要求，保障了坝体填筑施工质量，进一步提高了坝体的安全稳定。

4.2 合理选取并改进钻灌设备，降低成本投入

(1)采用无芯金刚石钻头，达到兼顾工效和经济的双重目的

传统金刚石取芯钻头适应硬性岩层，本工程帷幕灌浆平均孔深为65m，主防渗墙下帷幕最大深度达117m，但通常5m的灌浆段长，需取、下钻杆至少3次，且钻具提升过程中易出现掉块卡钻情况，作业人员劳动强度大且工效低。故本工程除先导孔与检查孔有取芯要求外，均采用内置φ60mm合金牙轮的φ62mm金刚石无芯钻头，既解决了冲击钻头封闭裂隙影响灌浆效果的问题，又解决了取芯钻头反复提取钻杆影响工效的问题。经测算，日钻进进尺比取芯钻机提高约20%。

(2)压水检查采用“顶压塞”

“顶压塞”，顾名思义是依靠一种向下压力，使顶压塞胶球受压膨胀达到阻水的目的。传统灌浆塞用于检查孔压水检查时，卡塞位置不易控制，反馈的灌后透水率值不精确。本工程采用的“顶压塞”，能够通过胶球底部钻杆长度精确调节压水检查段长，并借助钻机自身重力挤压，使胶球膨胀紧贴孔壁，达到封闭压水检查段的目的，其原理简单、施工快捷，且有利于灌后压水检查的质量管控工作。

图1 顶压塞工作原理示意

(3)应用水压式灌浆塞进行灌浆孔封孔

目前市场上销售的灌浆塞型式很多，按膨胀塞体材料和构造型式主要可分为：胶球式和胶囊式。但帷幕灌浆时间长、孔深较大时容易发生抱管、固管事故，这也是灌浆施工中的通病。对固死的管要重新移位开孔，特别是在钻进难度较大地段，近百米的进尺重新开孔，造成巨大的人力、物力浪费。

本工程帷幕灌浆封孔采用水压式灌浆塞阻塞，自下而上分段灌浆的方法施工。水压式灌浆塞总长度为1500mm，中间850mm为耐磨双层胶囊；两端总长650mm，一端由进浆、回浆、水压钢管组成，另一端是射浆管。封孔直径30mm～120mm，工作压力1MPa～8MPa，安全阀启动压力0.4MPa～0.5MPa，工作流量每小时可注水4t～4.5t，封孔深度可根据施工要求决定，取得了良好的经济效益。

(4)采用手提式金刚石水钻，进行人工封孔质量检查

在常规水泥灌浆施工中，除深孔帷幕外，大多采用孔口卡胶球式灌浆塞的方式进行封孔，在灌浆塞拔出后会形成30cm～50cm的脱空段。现行规范要求：灌浆结束后，采用干硬性水泥砂浆对脱空段封堵密实，孔口压抹齐平。但封堵质量受工人责任心等因素影响，普遍存在振捣不密实或只封堵孔口的问题，以致于孔口出现渗水和析出钙化物的情况，长此以往衬砌混凝土外表会产生大量钙化物痕迹，且钢筋会受到腐蚀，影响混凝土外观质量，威胁结构安全。

本工程在进行搭接帷幕灌浆孔脱空段封孔质量检查时，采用手提式金刚石水钻取芯的方式进行，重点检查析钙化物的灌浆孔，对于人工封孔质量管控起到了纠正、警示教育的积极作用。

4.3 依靠科技创新，提高施工质量与工效

(1)研发搭接帷幕布孔装置

本工程采用20mm×20mm的方钢制作一个矩形的样架，样架一侧(称为右侧)为灌浆平洞的中心线(即洞轴线的竖向垂线)，另一侧(称为左侧)为开挖边墙的设计边线。为避免地板局部不平整导致样架右侧边框与线锤线不平行，样架右侧边框比左侧边框长10cm，以便调节样架右侧边框线与线锤线平行。布孔时利用射线原理实现搭接帷幕孔精准布孔，兼具施工便捷与质量可控双重优势。

(2)开发帷幕灌浆孔斜自动整理程序软件与快速绘制灌浆柱状图程序软件

帷幕灌浆施工中使用的测斜仪多为便携式，仅能读取某测点的顶角和方位角，且无法计算、分析、判定帷幕孔是否合格。传统计算、分析帷幕孔测斜数据耗工耗时，且极易出错。通过开发帷幕灌浆孔斜自动整理程序软件，可下载安装在智能手机上运行，实现了帷幕孔斜数据快速计算、分析，成为帷幕灌浆孔成孔质量判定合格与否的必备工具。

在帷幕灌浆先导孔与检查孔岩芯描述时通常会根据手工记录的数据与岩芯照片进行柱状图的绘制，极易出现偏差，本工程开发的快速绘制灌浆柱状图程序软件可实现在作业现场随时进行岩芯描述，通过局域网实现岩芯数据共享。

图2 帷幕灌浆孔斜自动整理程序软件演示

图3 快速绘制灌浆柱状图程序软件演示

5 效果检查

帷幕灌浆质量检查以分析检查孔压水成果为主，结合钻孔取芯资料、钻孔全景图像、灌浆记录和测试成果等进行综合评定。检查孔的数量为灌浆孔总数的10%，一个单元工程内至少布置一个检查孔，检查孔在灌浆结束14d后进行分段卡塞单点压水试验，检查孔压水成果见表2。

表2 长河坝水电站帷幕灌浆压水检查统计表

注：设计要求透水率合格率90%以上，不合格段的透水率值不超过设计规定值的150%，上表中数据均未超过设计值的150%。

长河坝水电站于2016年10月26日开始下闸蓄水，整个蓄水期间，电站大坝沉降、位移等变化值均较小，坝体渗流量小于设计值。2017年11月17日，国家能源局对长河坝水电站进行巡视检查，通过数据分析，坝后渗漏量仅为设计值的1/4。国家能源局给予“可以复制、难以超越”的高度评价。

6 结语

长河坝水电站是一座集超高心墙堆石坝、河床深厚覆盖层、高地震烈度、狭窄河谷四大难度于一体的世界级高坝，在大坝帷幕灌浆施工过程中总结提炼关键技术，对后续同类工程施工与管控具有广泛的推广与应用价值。