枸皮滩水电站坝基无盖重固结灌浆试验研究.docx

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枸皮滩水电站坝基无盖重固结灌浆试验研究

枸皮滩水电站坝基无盖重固结灌浆工艺试验

1慨述

枸皮滩水电站大坝基础为茅口组灰岩，坝基及拱座地质条件复杂，存在规模较大、溶蚀较强烈的Fb112、Fb86、Fb113、Fb114、Fb82等层间错动带；规模较大的断层和沿NW、NWW向部分规模较小的裂隙性断裂形成的溶缝。

此外，坝基开挖爆破，造成建基面及以下一定深度内岩体不同程度损伤，局部岩块松动；影响了基岩完整性和岩体强度。

根据坝基和拱座不同部位的应力情况及地质条件，原设计固结灌浆方案为：

河床坝段固结灌浆深度为8～12m，可采用无盖重或有盖重灌浆工艺；岸坡坝段固结灌浆深度为15～25m，采用有盖重灌浆工艺；防渗帷幕前布置一排深（25～30m）固结孔。

固结灌浆孔为铅垂孔，间排距一般按照3×3m，梅花型布置，分Ⅱ序施工。

为验证无盖重固结灌浆工艺的可行性。

已在岸坡27＃、河床14＃坝段分别进行无盖重固结灌浆生产性试验（2#和19#坝段试验区正在准备），利用分序加密固结灌浆工艺对表层岩体进行处理，提高岩体完整性，封闭岩体浅表层裂隙，使之具备岩石盖重的条件。

2无盖重固结灌浆试验意义

2.1减少施工干扰

枸皮滩水电站大坝固结灌浆工程量大，每个坝段固结灌浆施工约需30天。

如采用有盖重固结灌浆，由于大坝混凝土在强约束区间歇期太长，可能发生新老混凝土变形不一致问题。

并且占用了混凝土浇筑的直线工期，严重影响混凝土施工进度。

而无盖重固结灌浆，在相应坝段混凝土浇筑前施工，因此可减少固结灌浆与混凝土浇筑相互施工干扰。

2.2避免钻坏预埋管路和仪器

在有盖重固结灌浆时，为避免基础混凝土间歇期太长，通常采用折中的解决办法：

暂停固结灌浆施工，改在浇筑完第二层混凝土后进行，有时固结灌浆部位的混凝土盖重已达到6～15m。

不仅大量增加混凝土钻孔量，还经常发生钻坏混凝土内埋设的结构钢筋、冷却管以、安全检测仪器及岸坡接触灌浆预埋管等问题；有些工程采用从原孔引管至坝后进行处理，不但操作复杂，而且灌后质量检查也无法回避以上问题。

采用无盖重固结灌浆则无此弊端，并减少大量混凝土钻孔量（节约预埋管）。

3无盖重灌浆生产性试验施工

3.1简介

为探求枸皮滩水电站坝基及拱座无盖重固结灌浆的可行性，优选合理的固结灌浆施工工艺和参数。

根据枸皮滩水电站坝基开挖揭露的地质条件，经过业主、设计、监理和施工四方多次会议讨论，初步选定在右坝肩（27＃坝段全部）进行固结灌浆试验；由于枸皮滩坝基和岸坡地质条件（分别为P1m1-2、P1m1-3、P1m1-1）不尽相同，因此在27＃坝段试验基础上，又分别在岸坡（19＃和2＃坝段下游侧部分）和河床（14＃坝段中部）等3处采用无盖重固结灌浆进行生产性试验（以下简称灌浆试验）。

以探求本工程（特别是岸坡坝段）在无盖重条件下进行固结灌浆的可行性，以及合适的施工工艺和相应施工参数。

灌浆试验于2005年07月22日首先在右坝肩（27＃坝段）进行。

该试验区于2005年9月11日完成固结灌浆试验。

2005年10月6日在大坝基坑河床部位14＃坝段进行灌浆试验，11月8日结束。

而19＃和2＃坝段固结灌浆试验区由于受场地制约，试验施工尚未进行。

3.2主要工程量

固结灌浆试验主要工程量见下表（表3－1）

完成的主要工程量表表3-1

试验部位

工程项目

单位

工程量

备注

27＃

坝

块

抬动观测孔装置

套

2

Φ110mmL=5m

物探测试孔

个

5

Φ76mmL＝11m

物探孔压水试验

段

15.0

灌前、灌后声波测试

m

110.0

单孔

灌前、灌后地震波测试

对

10

跨孔，计106m

固结灌浆

m

732

Φ56mm

检查孔钻孔

个

7

Φ76mmL=9m

检查孔压水

段

19

14＃

坝

块

抬动观测装置

套

1

Φ110mmL=10m

物探测试孔

个

3

Φ76mmL=16m

灌前、灌后声波测试

孔

6

单孔

灌前、灌后地震波测试

对

6

跨孔

固结灌浆

m

2059.3

检查孔钻孔

m

234.4

检查孔压水

段

51

13个孔

2＃

和

19＃

坝

块

抬动观测装置

套

2

各一套

物探测试孔

个

10

灌前、灌后声波测试

孔

20

单孔

灌前、灌后地震波测试

对

20

跨孔

固结灌浆

m

63

检查孔钻孔

m

81

检查孔压水

段

3.3试验布置及施工参数

3.3.1施工布置原则

固结灌浆试验布孔时，其重点是如何有效封堵表层岩体裂隙问题，以期将表层岩体作为盖重的目的。

试验区固结灌浆分别采用了以下两种孔排距及加密形式：

（1）27#、19＃及2＃坝段采用矩形布孔方式，孔排距2.5m×2.5m，分Ⅱ序施工。

待表层灌浆全部结束后进行质量检查，如仍然无法达到完全封闭表层岩体之目的，表层（第一段）继续加密至孔距2.5m×1.25m。

最后按照常规分Ⅱ序（2.5×2.5m）进行第二段以下灌浆。

（2）14#坝段在原有盖重布孔（梅花形）方式上，表层（第一段）孔排距加密至1.5m×3m，分Ⅲ序施工。

待表层灌浆全部结束后进行质量检查，如仍然无法达到完全封闭表层岩体之目的，继续加密至孔距1.5m×1.5m，最后按照常规分Ⅱ序（3×3m）进行第二段以下灌浆。

3.3.2施工参数

（1）段长：

表层3m、第二段及以下各段一般5m，终孔段不大于6m。

（2）灌浆压力：

通过27#坝段现场试验发现，表层灌浆压力在0.1～0.3Mpa时，全部孔段未发生抬动变形；因此，在后续14＃、2＃和19＃坝段固结灌浆试验时，相应提高各次序孔表层灌浆压力。

各试验区灌浆压力见表3-2。

各孔段灌浆压力对应表表3-2

试验区

孔序

第一段

第二段

第三段

第四段

备注

27＃

坝段

Ⅰ序孔

0.1～0.3

0.3～0.5

0.5～0.7

1、严格控制抬动变形量。

在允许变形范围内尽可能采用较大值。

2、第二段及以下各段，若灌前压水值小于3Lu，可暂不灌浆，继续钻进下一段，然后两段合并灌浆。

Ⅱ序孔

0.3～0.5

0.5～0.7

0.7～1.0

Ⅲ序孔

0.5

/

/

14＃

坝段

Ⅰ序孔

0.3～0.5

0.7

1.0

Ⅱ序孔

0.5～0.7

0.7～1.0

1.0

Ⅲ序孔

0.7

/

/

19＃

坝段

Ⅰ序孔

0.3～0.5

0.5

0.7

1.0～1.5

Ⅱ序孔

0.5～0.7

0.7

1.0

1.5

Ⅲ序孔

0.7～1.0

/

/

/

2＃

坝段

Ⅰ序孔

0.3～0.5

0.5

0.7

1.0～1.5

Ⅱ序孔

0.5～0.7

0.7

1.0

1.5

Ⅲ序孔

0.7～1.0

/

/

/

灌浆压力与注入率关系表表3-3

灌浆压力（MPa）

0.2～0.1

0.2～0.5

0.5～1.0

1.0～1.5

注入率（L/min）

30～50

20～30

10～20

＜10

（3）灌浆压力控制原则：

根据压力和注入率的关系（表3-3）进行控制。

串通孔灌浆或多孔并联灌浆时，分别控制灌浆压力。

为防止产生抬动变形，灌浆过程中严格控制灌浆压力。

在不产生抬动的前提下尽快达到设计压力。

但注入率较大时，按0.05Mpa分级升压方式逐级升至设计压力，每级纯灌时间不少于15min，尽可能在较小压力下将周边孔隙充填密实，防止发生有害抬动。

3.4灌前物探测试

物探孔孔向垂直于基岩面，孔深同固结灌浆试验孔。

其中

（1）27＃坝段试验区布置5个，7月29日～8月1日共进行灌前检测，单孔测试5组、对孔穿透试验5组。

灌前单孔波速平均5322m/s，最小3333m/s；灌前跨孔检测情况：

平均3711m/s、最小2736m/s。

（2）14＃坝段试验区布置3个物探孔，孔深10m。

10月8日完成3组单孔声波测试、3对跨孔穿透试验。

灌前单孔波速平均5160m/s。

最小3175m/s；跨孔检测情况：

灌前平均5074m/s、最小4804m/s。

灌前检测，

（2）19＃、2＃坝段试验区分别布置5个物探孔，尚未开始施工。

3.5灌浆质量检查

固结灌浆试验采用检查孔压水试验和声波测试两种检查方式。

3.5.1钻孔压水检查

（1）灌浆试验检查孔压水检查分两次进行，第一次在表层第1段灌浆结束3天后，主要检查表层灌浆效果；第二次在试验区灌浆结束3天后进行全孔灌浆质量检查；27＃坝段表层布置的10个检查孔最大透水率为2.52Lu，本试验区3个灌浆质量检查孔的透水率全部小于1Lu。

3.5.2灌后物探检查

灌后物探测试利用灌前声波孔，测点与灌前物探测试相对应，在试验区固结灌浆全部结束14天后进行。

声波检测结果如下。

（1）27＃坝段单孔声波测试声波平均值为5629m/s，最小值4000m/s。

单孔提高2～12％，较差孔段波速值一般提高10～34％；但较完整孔段波速值提高不明显（详见表3－4）。

27＃坝段固结灌浆单孔声波测试统计表表3-4

波速特征值

最小值（m/s）

最大值（m/s）

平均值（m/s）

灌前

灌后

灌前

灌后

灌前

灌后

3333

4000

5882

5882

5322

5629

灌前、灌后波速频态分布

波速范围（m/s）

所占百分比（％）

灌前

灌后

3000～3500

0.37

/

3500～4000

4.44

/

4000～4500

14.44

1.48

4500～5000

7.78

4.07

5000～5500

11.11

21.11

＞5500

61.85

73.33

（2）27＃坝段跨孔声波采用地震波测试法，雷管激发方式。

声波测试声波平均值为3996m/s，最小值3167m/s。

与单孔波速值类似，在较完整孔段提高不明显，一般提高1～2％；较差孔段波速值一般提高10～28％，跨孔地震波整体提高6～9％（详见表3－5）。

27＃坝段固结灌浆跨孔地震波测试统计表表3-5

波速特征值

最小值（m/s）

最大值（m/s）

平均值（m/s）

灌前

灌后

灌前

灌后

灌前

灌后

2736

3167

4688

4688

3711

3996

灌前、灌后波速频态分布

波速范围（m/s）

所占百分比（％）

灌前

灌后

2500～3000

9.9

/

3000～3500

26.1

1.0

3500～4000

30.2

52.2

4000～4500

31.8

44.8

4500～5000

2.0

2.0

（3）14＃坝段单孔声波测试声波平均值为5439m/s，最小值4444m/s。

各孔的灌后单孔声波值平均提高4.25％～8.66，各孔低速部位（低于5000m/s）灌后提高幅度达到9～23％（详见表3－6）。

14＃坝段固结灌浆单孔声波测试统计表表3-6

波速特征值

最小值（m/s）

最大值（m/s）

平均值（m/s）

灌前

灌后

灌前

灌后

灌前

灌后

3175

4444

5882

5988

5160

5439

灌前、灌后波速频态分布

波速范围（m/s）

所占百分比（％）

灌前

灌后

3000～3500

2.80

/

3500～4000

2.10

/

4000～4500

20.49

2.78

4500～5000

11.19

13.89

5000～5500

32.84

19.44

＞5500

40.56

63.89

（4）14＃坝段跨孔声波平均值为5222m/s，最小值4391m/s。

固结灌浆后各对孔跨孔声波平均提高2.56～3.47％，灌前浅层（0～7.7m）低速部位（低于5000m/s）在灌后提高幅度4.4～10.1％。

最小提高2.19％（详见表3－7）。

14＃坝段固结灌浆跨孔声波测试统计表表3-7

波速特征值

最小值（m/s）

最大值（m/s）

平均值（m/s）

灌前

灌后

灌前

灌后

灌前

灌后

4379

4391

5714

5882

5074

5222

灌前、灌后波速频态分布

波速范围（m/s）

所占百分比（％）

灌前

灌后

4000～4500

1.75

1.75

4500～5000

40.35

19.3

5000～5500

43.86

56.14

＞5500

14.04

22.81

（5）19＃、2＃坝段试验正在准备中。

（6）物探测试结果显示，27＃坝段单孔（跨孔地震波）声波测试低于5000m/s（3500m/s）试段比例从灌前27.03％（36％）降至4.07％（1.0％）；14＃坝段单孔（跨孔）声波测试低于5000m/s（5000m/s）试段比例从灌前25.39％（42.1％）降至2.78％（21.05％）。

声波（地震波）测试表明，灌后波速较低孔段（主要分布在表层段）波速提高较明显，说明通过灌浆处理，灌前与灌后波速特征差异较明显，岩体波速值整体上得到提高，特别在表层低波速区明显提高，说明岩体的完整性和均匀性得到改善，基本达到固结灌浆试验的预期效果。

3.6试验成果及资料分析

3.6.1表层灌浆压水资料分析

（1）27＃坝段表层平均透水率：

Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ序孔分别为24.24Lu、26.78Lu和11.56Lu，检查孔平均1.2Lu，出现后序孔平均透水率大于先序孔不符合灌浆规律的现象（见表3－8和图3－1）。

据分析，乃是由于灌前地表裂隙封堵处理效果不好，压水时发生地表冒水，另外，Ⅲ序加密孔仍有个别孔相互串通，说明在现行的施工参数下，表层灌浆扩散范围有限，对局部地质条件较差部位进行Ⅲ序孔加密灌浆是必要的。

灌后检查孔压水符合设计要求，说明适当加密孔距，能够达到灌浆质量标准。

但由于个别后序孔出现大串通现象，造成各次序孔透水率累计频率曲线递减规律不明显,局部相进甚至重合（图3－1）。

27＃坝段表层无盖重固结灌浆分序统计表表3－8

孔序

段数

单耗（kg/m）

透水率（Lu）

平均数

＜10

10～50

50～100

100～1000

1000～5000

平均数

＜3

3～5

5～10

10～50

50～100

100～1000

Ⅰ

25

199.4

7

10

3

2

3

24.2

3

6

4

8

4

Ⅱ

28

50.93

3

5

3

5

26.8

4

6

4

8

2

2

Ⅲ

57

30.33

10

36

7

4

11.6

21

11

13

10

2

27＃坝段表层无盖重固结灌浆累计频率曲线图3－1

（2）14＃坝段试验区局部缺陷部位挖除后采用混凝土回填，其中无盖重部位表层Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ序孔平均透水率分别为3.88Lu、2.5Lu和2.9Lu。

填塘混凝土部位表层Ⅰ、Ⅱ序孔平均透水率分别为8.1Lu和1.98Lu。

各次序孔透水率累计频率曲线递减规律比较明显,局部相近（见表3－9～表3－10和图3－2～图3－3）。

14＃坝段表层固结灌浆分序统计表表3－9

孔序

段数

单耗（kg/m）

透水率（Lu）

平均数

＜10

10～50

50～100

100～1000

平均数

＜3

3～5

5～10

10～50

50～100

无盖重

Ⅰ

38

15．53

24

12

0

2

3.88

21

11

5

1

0

Ⅱ

36

5．04

30

6

0

0

2.5

30

4

1

1

0

Ⅲ

47

5．8

43

3

0

1

2.9

42

2

1

1

1

填塘砼

Ⅰ

25

19．08

17

5

1

2

8.1

13

3

3

5

1

Ⅱ

28

3．27

26

2

0

0

1.98

21

6

1

0

0

14＃坝段表层无盖重固结灌浆累计频率曲线图3－2

14＃坝段表层填塘砼固结灌浆累计频率曲线图3－3

（3）27＃和14＃坝段固结灌浆试验区检查孔钻孔取芯及压水试验：

检查孔芯样中水泥结石少，特别在夹泥层中很少见到水泥结石。

但表层及以下各段灌后压水试验均小于3Lu。

3.6.2灌浆资料分析

（3）可灌性：

27＃坝段相比14＃坝段地质条件差，由于无盖重灌浆特点，灌前采用人工封堵表层裂隙，但效果不理想；因此表层灌浆时仍存在串漏现象，27＃坝段表层段灌浆单耗为77.6kg/m；而14＃坝段试验区灌前已将地质缺陷部分挖除并回填混凝土，14＃坝段水泥耗量小于27＃坝段，分别为10.91kg/m（有盖重）和8.63kg/m（无盖重）。

总体上可灌性较好。

（2）各次序孔灌浆单耗：

27＃坝段表层段Ⅰ序孔灌浆单耗为199.4kg/m，Ⅱ序孔灌浆单耗为50.9kg/m，Ⅲ序孔灌浆单耗为36.3kg/m；Ⅱ序孔的递减率为272.5%，Ⅲ序孔减率为40.2%。

从以上数据可以看出，表层段随孔序的增加其灌浆水泥单耗递减的规律非常明显。

但是从灌浆单位注入率累计频率曲线（图3－1）发现，在单耗小于40kg/m区间范围内Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ序孔反常规，未出现单耗随孔序递减规律，究其原因，Ⅰ序孔灌浆压力太低是主要原因之一，由于担心发生抬动变形，Ⅰ序孔的灌浆压力仅0.1～0.3Mpa（灌浆初期基本上采用下限），灌浆扩散半径不够所致；由于Ⅰ序孔灌浆效果有限，Ⅱ序孔灌浆时，其周边仍然有许多需要充填和封堵的裂隙存在，出现27＃坝段固结灌浆后序孔单耗与前序孔相近甚至超过前序孔的现象。

因此在14＃坝段灌浆试验时，在抬动检测允许范围内，相应提高了Ⅰ序孔灌浆压力，14＃坝段无盖重部位表层段Ⅰ序孔灌浆单耗为15.53kg/m，Ⅱ序孔灌浆单耗为5.04kg/m，Ⅲ序孔灌浆单耗为5.8kg/m。

从图3－2可以看出合理的递减规律。

相比14＃坝段有盖重条件下（图3－3）固结灌浆，其累计频率曲线递减趋势不明显，而且Ⅲ序孔灌浆平均单耗还略大于Ⅱ序孔。

3.7存在的问题及建议

枸皮滩坝基无盖重固结灌浆试验是在裸露基岩上直接进行灌浆试验，与国内其他水电工程在找平混凝土上进行的“无盖重固结灌浆”存在较大差异，试验中发现有以下几点问题需要在今后试验和施工中逐步摸索和完善。

（1）灌前基岩裂隙封堵，在有盖重或找平混凝土面上进行固结灌浆时，绝大部分孔段不会出现外漏问题。

仅灌浆边缘部位局部先序孔存在渗漏问题，一般在压水时可发现渗漏点，通过简单嵌缝、浓浆和低压灌浆处理即可达到封堵效果。

而在裸露基岩上，灌前封堵工作则困难重重，一是在灌前对基岩特点了解甚少，无法进行针对性的嵌缝处理，因此封堵效果差。

第二对爆破造成的浅层细小裂隙无法进行有效处理。

因此灌浆时各序孔均有漏水、漏浆情况发生。

造成资料数据的规律性不强，影响到对灌浆效果的准确分析。

（2）压力与流量关系，因此本次试验特别规定了压力与流量的相关限制条件（表3－3），以防止发生有害抬动。

但是按照压力与流量关系进行施工，由于在遇较大裂隙灌浆流量较大时，必须降低压力在小流量下灌浆，浆掖扩散范围受限，而周边后序孔在较高压力下吸浆量依然较大，因此对各序孔灌浆单耗产生较大影响，造成各序孔灌浆累计频率数据的不准确。

进而影响到灌浆效果的分析和评价。

在27＃和14＃坝段试验中，未发现一例抬动现象。

建议利用抬动变形控制灌浆压力，即在允许抬动变形范围内，尽快升至设计压力。

并通过试验来确定和验证适合该地区的压力与流量关系。

以利在施工中大规模推广。

（3）表层段压力选择，由于担心无盖重灌浆时表层发生大量串漏浆现象，Ⅰ序孔第一段灌浆压力非常低（0.1～0.3Mpa），虽然在一定程度上减轻串漏浆问题，但是灌浆扩散范围有限，封闭效果差。

可能在一定程度上影响各序孔的灌浆单耗。

应适当予以提高，根据本次试验情况，建议减少Ⅰ、Ⅱ序孔灌浆压力差值，初步确定Ⅰ序孔灌浆压力为Ⅱ序孔的70％进行试验。

（4）基岩接触面灌浆，无盖重灌浆时，灌浆塞封堵占用了基岩接触面30cm的长度，该段无法灌浆，仅在最终封孔时进行回填处理，这是无盖重灌浆的盲区。

在岸坡坝段布置有接触灌浆管，即专为基岩表与混凝土接触面处理而设立。

本次试验在水平建基面等无接触埋管坝段，采用了长度20cm的灌浆塞，以尽量缩短灌浆盲区，但是由于封堵长度短，并受表层孔壁平整性和裂隙等因素影响，封闭效果尚不太理想。

需要今后不断加以改进和研究解决。

（5）采用无盖重固结灌浆施工时，要求所有表层Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ序孔进行灌前压水，后序孔压水兼作为先序孔的检查孔，以利比较。

Ⅲ序孔是否全部施工需根据其灌前压水情况和地质条件综合评价后确定。

（6）施工优化问题，第二段及以下各段当灌前压水＜3Lu，可暂不灌浆，待下一段钻完一并灌浆。

从本次试验施工及检查情况来看，可有效提高施工效率，并减少建基面污染。

4结语

经过27＃和14＃坝段无盖重固结灌浆生产性试验（受条件制约，19＃和2＃坝段试验施工尚在准备阶段），结合灌浆资料综合分析，可以认为：

（1）在现行规定的施工参数下，表层段Ⅰ、Ⅱ序孔灌浆完成后，Ⅲ序孔灌前压水透水率不能满足设计要求，因而进行加密灌浆是必要的。

（3）表层段封闭灌浆完成后，以下各段在岩石盖重下灌浆质量是可靠的。

试验区灌浆结束后，灌后质量检查孔透水率全部小于1Lu。

（4）累计频率曲线递减规不明显，给灌浆质量分析造成一定困难，一方面需要在灌浆参数选择方面进一步优化和验证，建议提高表层段灌浆压力，以确保表层灌浆效果。

同时在施工过程中还必需严格按造制定技术要求实施。

增补灌后检查孔数量，对可能存在隐患和有疑问的部位加强检查。

（5）建议固结灌浆过程中，避免采用停灌待凝的方法人为中断灌浆，对吸浆量较大的孔段多采用低压、浓浆、间歇灌浆的方式处理，确保固结灌浆质量。

（5）通过固结灌浆试验及河床（11#～16#）坝段及岸坡（10#、17#、18#）（全面采用无盖重固结灌浆）施工说明，在混凝土浇筑与灌浆工期矛盾突出部位，基础混凝土内预埋较多结构钢筋、管路、仪器的部位，无盖重固结灌浆是较好的选择。

在裸岩上直接进行无盖重固结灌浆，是在以往“找平混凝土上进行无盖重灌浆”的延续和发展，其结果将对今后进行固结灌浆产生积极影响，为固结灌浆的设计、施工提供了更加灵活、多样的解决办法。