水利水电工程中坝基固结灌浆试验设计研究

朱小磊ZHU Xiao-lei；徐龙云XU Long-yun

（①常州市城市防洪工程管理处，常州 213017；②江苏省水利建设工程有限公司，扬州 225002）

0 引言

作为水利水电工程重要的组成部分，坝基结构稳定性直接影响着水利水电工程的运行效率及安全性。但基于坝基位置的特殊性，容易出现渗漏，面临结构失稳的风险。随着现代科学技术的进步及工艺的优化与改进，固结灌浆法被应用于坝基结构优化中，其能够起到良好的防渗作用[1]。当然，在固结灌浆过程中也难免会遇到抬动、漏浆等问题，为进一步优化工艺，达到固结灌浆的目的，需要在施工作业中进行固结灌浆试验，结合试验结果设置合理的参数，对坝基问题予以有效的解决，消除安全隐患。

1 工程概况

大岗山水电站地处四川省雅安市，地处高山峡谷地区，地质条件非常复杂。国家“十一五”已经将大岗山水电站列为重点工程，与此同时其还是西部大开发的十大重点项目之一，总装机容量260 万千瓦，坝高210m，是大渡河流域唯一的混凝土高拱坝，设计抗震基本烈度为世界第一。坝区基岩以花岗岩为主，包括微红色与灰白色，局部有花岗岩与辉绿岩脉，经过多年的日晒风水、雨淋，基岩中有一部分已经在气液交代中发生变质，出现了蚀变。坝区大部分分布的是辉绿岩脉，其中穿插了其他类型的岩脉，辉绿岩脉多数在2m 宽度以上，约为151 条，5m 以上的有52条，为陡倾角。坝区顺辉绿岩脉可见有大裂隙、断层带分布，其会对坝肩抗滑稳定性产生一定的影响，对块体的侧裂面会产生不利影响。坝址区未见较大的断层，仅在右岸出现了较大规模的F1 断层，破碎带从0.9m 宽到7m 不等，其余断层以及破碎带均在0.1～0.3m。

2 工程问题分析

为了解灌浆对坝体整体功能的影响及对基岩强度的改善情况，明确岩石力学参数，研究进行现场固结灌浆试验，收集了岩体的施灌技术与方法、施工工艺等相关参数，其岩体的可灌性进行分析，从而设计出合理的拱坝处理参数[2]。基于拱坝建基面地质条件的差异性，将固结灌浆试验研究内容分为如下两个方面：①III2 类花岗岩岩体。对左岸拱坝建基面进行分析，发现在高程1000～1140m 范围内，可见有III2 类花岗岩岩体出露，1000～1070m 段出露的宽度最高能够达到7m，1070m 至1140m 之间段最大宽度仅为2m 左右，且基建面右岸可见1090m 高程范围内出露。②IV 类辉绿岩脉，为镶嵌-碎裂结构。拱坝基面可见多条辉绿岩脉，但大部分性状不佳，属于IV 岩类，仅有少数为V 类岩[3]。其中V 类岩顺着岩脉发育。断层大多数在大坝左右岸的拱端出露，另外拱端以里较近的范围内也有部分断层，呈近似平行的拱端走形，倾角陡，影响了拱坝坝基变形[4]。

3 试区与钻孔布置

通过对现场工程的勘探及综合分析，选取了两个固结灌浆试验区，其中A 区为右岸PD305 平洞，B 区为左岸PD207 平洞。A 试区灌注的是弱风化下段III2 类花岗岩岩体，B 试区灌注的则是β21 辉绿岩脉。左右岸试区均进行布孔，采用的是带有13 个灌浆孔的布孔，形状为正方形。A 试区呈现为陡倾角，可见裂隙发育，因此采用斜孔以便灌浆孔能够穿过尽量多的裂隙，其与竖直方向上保持20°的夹角。B 试区灌浆辉绿岩脉β21，倾角范围为70°～80°，沿岩脉的走向进行直孔布孔。

4 固结灌浆试验施工工艺

4.1 施工工艺流程

大岗山水电站坝体坝基灌浆采用分段灌注的方案，遵循自上而下的原则，施工单元严格按照设计图明确分区，需要注意的是在混凝土浇筑过程中可对施工子单元作出进一步的明细划分，固结灌浆施工工艺流程如图1 所示。

图1 固结灌浆施工工艺流程

4.2 灌浆材料的选择

①水泥制浆。岗山水电站坝体坝基灌浆所用水泥为32.5 级普通硅酸盐水泥，若需要使用到超细的水泥，则可以对32.5 级水泥进行磨细处理，细度应达到可通过80um方孔筛的程度，筛余量在5%以下。由于该工程固结灌浆作业项目大，需要用到较大的水泥量，因此采用了集中制浆的方案，完成制浆后，经砂浆泵运输至施工现场。纯水泥浆配置如表1 所示。

表1 水泥浆配置表

②掺合料。按照技术规范梳理固结灌浆浆液制备的流程，需要在其中适量掺入粉煤灰、砂石及水玻璃等，应经过试验明确掺入的比例，试验结果应由监理方进行审核，获得批准后可投入使用。

③外加剂和水。遵循技术说明合理选择速凝剂、减水剂等各项外加剂，为保障添加的合理性，可以进行现场灌浆试验，然后结合试验结果明确最佳的添加量。需要注意的是掺入的外加剂若溶于水，那么需要以水溶液的形式掺入，外加剂溶液的配置需要结合工程试验中心提供的配料单合理安排。坝基固结灌浆用水应进行抽样试验，所选取的水质必需符合洁净、无污染的标准，与水工混凝土拌要求相符，水温度均在40℃以下。

4.3 钻孔冲洗与灌前压水试验

在实施钻孔冲洗时，首先需要压力水冲洗，应注意参数的设置，压水试验应以灌浆孔段灌浆压力80%进行冲洗，以回水清澈，再延续冲洗10min 为冲洗结束标准。在灌浆前，针对两试区的水泥灌浆孔进行了简单的压水试验，压力设定为对应试区段压灌浆压力的80%，时间以20min为宜，对压力及流量予以监测，5min 测读一次数据，将最后的读数作为最终计算结果。应用五点法压水试验，首先测试了试区的灌前测试孔及灌后检查孔，并绘制了其对应的压力-透水率曲线，对P-Q 曲线的类型进行判别，以此为依据对试验压力下裂隙状态变化情况进行分析。P-Q 曲线类型共包括5 种，不同段次对应的P-Q 曲线如表2 所示。

表2 不同段次对应的P-Q 曲线

4.4 劈裂压水试验

劈裂压水试验主要目的是掌握被灌岩体对水力劈裂的抵抗性能，灌前分别在A 试区与B 试区选取了一段岩体比较完整的孔段依次进行了劈裂压水试验，总结了压力及流量变化情况，以便后续科学制定灌浆压力参数。以往学者在研究中发现岩体强度、完整性是影响被灌岩体抗水利劈裂性能的主要因素，另外其他的指标如试段埋深、节理面性状也会影响到劈裂性能。经试验将劈裂压水相关数据做如表3 汇报，从表中数据可以得知两试区岩体的启缝压力均较低，在弱风化下段为2.0MPa；辉绿岩脉仅为1.07MPa。试验还显示降压曲线向升压曲线右侧移动，提示岩体存在塑性变形，考虑是结构面、裂缝的充填物引起。

表3 劈裂压水试验结果

4.5 灌浆段长度及压力控制

灌浆段长5m，应控制好终孔段灌浆的深度，应不得超过6m。试区地形特殊，为中陡倾岩带，因此决定在第1、2段选择2m、3m 段长，设置启灌深度为0.5m，以防止抬动变形，最大程度上降低地表冒浆。通过灌前劈裂压水试验，最终将A、B 试区最大灌浆压力均设置为5.5MPa。由于试区灌浆孔为外围孔，研究应用双限压力控制措施，以避免浆液向试区无益流失。

4.6 灌浆浆液变换

通过对A 试区相关数据分析，发现灌前压水为15Lu孔段透水率，宜选择2∶1 水灰比浆液，I 序孔应保持10 L/min 以上的注入率，II 序孔与III 序孔注入率在15L/min，需要将其立即更换为比例为1∶1 的浆液实施灌注。若透水率在15Lu 以上的孔段，灌注作业可直接选择1∶1 浆液。若灌浆压力无变化，注入率减少，水灰比可保持不变。若注入浆液＞300L 或经过1h 灌注仍未出现灌浆压力及注入率的改变，或变化不明显，那么需要增加一级浓度。注入率＞30L/min 时，可结合实际情况进行浓度增级。

针对B 试区，其采用的是普通水泥浆液，开灌所用浆液水灰比为2:1，孔内水完全排出且开始正式灌注后，注意观察注入率，若超过15L/min，可以将其调整为1∶1 浆液实施灌注。若灌浆压力无变化，但注入率有减少，或后者保持不变，压力有明显升高，此时无需改变水灰比。若浆液注入量超过300L 或经过1h 灌注仍未出现灌浆压力及注入率的改变，或变化不明显，那么需要增加一级浓度。注入率＞30L/min 时，可结合实际情况，调整为0.8:1 或0.6:1。

灌浆结束标准：研究所用均为孔口封闭灌浆，在压力参数下，注入率不高于1L/min，延续灌注超过1h，表明已经完成本段次的灌浆，可以结束。

4.7 灌浆压力的控制

作为高压灌浆施工必需遵循的原则，灌浆压力控制直接影响着灌浆效果，在灌浆过程中应灌注吸浆率的变化规律，根据相关参数控制好灌浆压力，可在一定程度上防止或减小岩石的抬动。本研究结合以往经验，对灌浆压力参数及吸浆率控制如表4。

表4 灌浆压力及吸浆率控制参数

5 试验测试结果及分析

完成固结灌浆试验后，由建筑单位、监理单位等各个主体对试验结果进行综合分析，结合试验区段孔位情况，现场布设2 个检查孔，孔深设置为5m，对压水试验结果进行检验。同时观察了裂隙被浆液填充后的变化情况，分析了透水率。从获得的数据可以判断灌浆次序与注灰量、透水率递减保持一致，与灌浆的规律相符，详细结果见表5。

表5 灌浆前后A 区及B 区岩体力学性能及渗透性指标

由上可知，经过坝基固结灌浆，A、B 两个试区的岩体无论在完整性系数方面还是变模方面均得到了相应的提升，其透水率能够满足设计要求。同时，通过试验获得的数据可以预测，若进一步缩小孔距，增加灌浆压力，优化灌浆工艺，可以更进一步地改善A 试区III2 类岩体的力学性能。当然在对III2 类岩体进行处理时可以结合工程需求及工程位置，采用灌浆加固或其他相应的工程措施予以改进，以达到理想的效果。

6 结束语

综上所述，大岗山水电站坝基灌浆工程量大，在固结灌浆试验中将右岸PD305 平洞以及左岸PD207 平洞作为固结灌浆试验区，采用劈裂压水试验、钻孔冲洗与灌前压水试验以及劈裂压水试验等，明确了相关参数，试验结果表明固结灌浆能够提升岩体的透水率与完整性，对大坝坝基表层能够起到良好的补强效果，为大坝坝基灌浆施工提供技术层面的支持。