水利工程施工技术工程实例水电工程施工技术.docx

水利工程施工技术工程实例水电工程施工技术.docx

《水利工程施工技术工程实例水电工程施工技术.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《水利工程施工技术工程实例水电工程施工技术.docx（39页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

水利工程施工技术工程实例水电工程施工技术

第十一节工程实例

Ⅰ长江三峡水利枢纽二期厂坝工程帷幕灌浆

1工程概况与地质条件

长江三峡水利枢纽是开发和治理长江的关键性骨干工程，主要由拦河大坝、电站厂房、航运工程和茅坪防护工程组成。

拦河大坝为混凝土重力坝，坝轴线长2309.5m，坝顶高程185m，坝高181m，正常蓄水位175m，水库总库容393亿m3，装机容量1820万kW，年发电量847亿度。

三峡大坝厂坝段已完建工程包括左岸非溢流坝（左非1～18号坝段）、升船机坝段、临时船闸坝段、左岸厂房坝段（左厂1～14号坝段）、左导墙坝段、泄洪坝段（泄1～23号坝段）、右岸纵向围堰坝段（图2-11-1）。

右纵以右为正在建设的三期工程。

图2-11-1长江三峡工程枢纽布置图

上：

平面布置图；下：

上游立视图

三峡坝基岩性主要为闪云斜长花岗岩，岩性较完整、均一，力学强度高，微新岩石饱和抗压强度85～110MPa，变形模量15～30GPa，纵波波速4600～5800m/s。

坝址区长度大于400m，宽度大于2m的断层有16条，主要有F23、F215、F4、F5、F7、F12、F410～F413断层组、f18断层组、f20、f548、f603等。

坝区基岩裂隙以大于60°的陡倾角裂隙为主，占裂隙总数的55%～70%，30°～60°的中倾角裂隙占10%～20%。

地下水主要为裂隙潜水，局部具有承压性。

岩体绝大部分透水性微弱，小于1Lu的约占85%～90%，断层、裂隙密集带透水性相对较强。

随着深度增加，岩体透水性有减弱的趋势。

透水率小于1Lu的相对不透水岩体顶面高程河床段一般为-50～0m，深槽部位达-120m；两岸漫滩为0～50m；山体为30～190m。

这是设计防渗帷幕的底线。

建基岩体以微新岩体为主，局部利用弱风化带下部岩体，优良岩体占95%以上，少量的中等及中等以下岩体进行了处理。

建基面高程从两侧向主河床逐渐降低，中间为深槽，最低高程4m。

坝基渗控设计采用常规防渗排水与封闭抽排相结合的方案。

上游设主帷幕，在主河床及开挖高程较低的坝段下游设封闭帷幕，主帷幕和封闭帷幕后设排水系统（图2-11-2）。

已建厂坝工程防渗帷幕轴线总长1644.47m，防渗帷幕水泥灌浆117746m。

图2-11-2泄洪坝段典型剖面图

2主要技术要求和施工方法

2.1布孔形式和防渗标准

主帷幕和封闭帷幕一般按单排孔布置，规模较大性状较差的断层、裂隙密集带、风化透水深槽等地质条件较差部位，主帷幕采用双排孔布置，岸坡局部全强风化岩体段的主帷幕采用2～3排孔布置。

主帷幕单排孔孔距一般为2.0m，双排及三排孔部位为2.0～2.5m，排距0.2～0.8m。

封闭帷幕孔距一般为2.5m，透水性较强的地段，视情况局部加密至1.25m。

为增强浅层岩体的防渗性能，结合基岩固结灌浆，在主帷幕前布置两排各深10m和20m的固结灌浆兼辅助帷幕灌浆孔，在封闭帷幕后布置一排深10m的固结灌浆兼辅助帷幕灌浆孔，孔排距2m×2m。

要求帷幕防渗标准为q≤1Lu。

2.2孔深与段长

孔深要求满足：

①H≥（1/3）h+c（h为幕前水深，主帷幕为上游水深，封闭帷幕为下游水深；c为常数，取5～8m）；

②深入相对不透水岩体顶板以下5m；

③终孔段满足透水率q≤1Lu，单位注灰量≤20kg/m。

实际施工主帷幕孔深一般为60～80m，局部地段达125m，封闭帷幕孔深一般为40～60m，局部达85m左右。

灌浆段长第一段2m，第二段1m，第三段2m，以下各段5m。

2.3灌浆压力

灌浆按分排、分序加密的原则进行，采用小口径钻孔孔口封闭灌浆法。

设计灌浆压力主帷幕按中值5.4MPa，峰值6MPa控制；封闭帷幕按4～5MPa控制。

各部位及各孔段灌浆压力见表2-11-1。

表2-11-1不同盖重各段灌浆压力表（MPa）

部位

第一段

第二段

第三段

第四段及以下

盖重大于30m主帷幕

1.5

3.0

4.5

6.0

盖重小于30m主帷幕及封闭帷幕

1.0

1.5

2.0

4.0

2.4灌浆材料与浆液配比

灌浆材料采用湿磨细水泥，细度要求D97<40μm，现场按D95<40μm控制。

水灰比采用3:

1、2:

1、1:

1、0.6:

1四个比级。

F215断层及其与F23断层交汇带、f1050断层在采用湿磨水泥浆液灌注后，再采用CW型环氧浆液灌注；岸坡及山体段的局部全强风化带部位在采用湿磨水泥灌浆后，再灌注丙烯酸盐浆液。

水泥浆液集中进行拌制和输送，42.5级普通硅酸盐水泥浆经2或3台湿磨机串联磨制后送入储浆搅拌桶（图2-11-3）供灌浆使用。

外加剂为UNF-5型高效减水剂，掺量0.7%。

浆液粘度采用标准漏斗粘度计检测，要求漏斗粘度小于30s；细度主要采用沉降法，用激光粒度仪校核，每10吨水泥检测一次。

图2-11-3湿磨水泥制浆工艺示意图

2.5灌浆结束条件

水泥灌浆的结束条件为：

在设计压力下，1～3段注入率小于0.4L/min、以下各段小于1.0L/min，延续灌注时间不少于90min。

2.6主要设备配置

据统计，二期厂坝工程帷幕灌浆共投入XY-2、XU-300等回转式钻机96台，柱塞式灌浆泵82台，GJY-Ⅲ等型号自动记录仪40台，湿磨机30台，基本上采取三钻一灌配置，备用一台灌浆泵。

3主要技术问题及处理措施

3.1大耗浆孔段

三峡工程坝基岩石总体良好，可灌性普遍较差。

但也有少数孔段的透水率和单位注入量较大（如表2-11-3）。

它们是保持帷幕连续的薄弱点，是岩体中最需要改善和可能获得最佳改善效果的部位，是主要的耗浆段，帷幕灌浆的首要任务就是要封堵这些裂隙、孔隙或通道。

因此规定凡遇到这样的大耗浆孔段，灌浆必须连续进行，不要中断、待凝。

3.2涌水

灌浆施工过程中，部分钻孔出现涌水。

涌水部位主要在集中河床深槽左厂14～泄4号坝段及右纵1、2号坝段。

涌水段数占灌浆段数50.3%，单孔平均涌水量0.63L/min,最大涌水量36L/min。

涌水压力一般为0.01～0.1MPa,最大0.15MPa。

各孔段涌水量之和3782.08L/min。

涌水是由于坝基岩体裂隙水在四周河水水压（水头51m～62m）作用下，当钻孔揭露裂隙含水带后，地下水的排泄释放过程，属于地下水正常迳流。

对钻孔涌水采取如下措施：

涌水严重部位，增加灌浆孔深、改单排帷幕为双排帷幕，加密灌浆孔；一般涌水孔段，提高灌浆压力（设计压力+涌水压力）；提高结束标准，要求屏浆时间不少于1小时，闭浆待凝24～48小时。

通过以上处理后，涌水孔段灌后扫孔一般均无涌水，且钻孔涌水量与涌水孔段频率随帷幕灌浆排序、孔序增加而减少。

3.3左厂1～５号坝段缓倾角裂隙区

左厂1～5号坝段处于岸坡地段，由于坝基下游厂房基坑开挖形成临空面，倾向下游的缓倾角裂隙较发育，有可能对坝基深层抗滑稳定问题不利。

所以对该部位渗控工程帷幕进行了加强处理：

坝基设三层平行帷幕的纵向地下排水洞和两条横向排水洞，并沿排水洞及帷幕廊道设排水孔幕形成厂坝联合封闭抽排区；将主帷幕、主排水前移，孔深加深至75～85m，高程到10m，主排水相应加深至高程23m；在主帷幕前增加一排孔深40m的帷幕孔。

3.4深槽部位深厚透水带

将深槽部位左导墙～泄4号坝段帷幕加深至-120m高程，左导墙～泄2#坝段封闭帷幕加深至-80m高程;泄5～10号及泄14～19号两个风化深槽部位的帷幕前排加深到与后排等深。

3.5孔口段升压灌浆

根据上级质量专家组的意见，结合现场试验，孔口段（浅层5m）灌浆压力升至2.5～4.0MPa,对在升压前已完成施工的部位,主帷幕前增加一排孔深8m的浅孔，采用3.5～4.0MPa压力进行补充灌浆。

经调整后，第1、2、3段灌浆压力均达到了“不小于2倍坝前水头”的要求。

3.6透水率偏大、吸浆量偏小孔段

施工中采用提高灌浆压力、加排、加密、加深等措施后，部分灌浆孔孔口段仍存在透水率偏大单位注入量偏小，以及涌水孔段不吸浆或吸浆量很小等现象。

具体表现为：

灌前压水透水率q=1～3Lu，单位注入量≤1kg/m；q=3～5Lu，单位注入量≤5kg/m；q≤5Lu，单位注入量≤10kg/m。

这些部位灌浆孔曾加密至Ⅴ序，仍无效果。

出现这种现象的主要原因是岩体裂隙微细，用颗粒悬浮型浆液，即使是湿磨细水泥浆，也不能进行有效灌注。

对该部位进行了补充化学灌浆，在主帷幕的中心线上增补了一排灌浆孔，灌注丙烯酸盐浆液。

灌浆孔深5m，距原水泥灌浆孔距一般1.0～2.5m，孔径Φ56mm～76mm，分两序加密，每孔分两段压水（第1段2m，第2段3m），全孔一次灌浆。

灌浆压力主帷幕为2.5MPa；封闭帷幕1.5MPa。

3.7陡倾角裂隙发育部位处理

为了提高钻孔穿透陡倾角裂隙的机率，在陡倾角裂隙发育的几个典型坝段，补充布置了顶角30°的12个斜孔，但其透水率、单位注入量与直孔无明显差别。

4主要灌浆成果

三峡二期厂坝工程帷幕灌浆完成情况如表2-11-2,泄洪坝段主帷幕各排序灌浆情况如2-11-3。

灌浆完成以后布置了15%～20%的检查孔进行压水试验、弹性波测试，还布置了大口径钻孔检查。

质量评定以压水试验岩体透水率为主，其它测试资料为辅。

合格标准为q≤1.0Lu,接触段及其下一段的合格率应为100%,以下各段应达90%以上,且q≤2.0Lu。

表2-11-2长江三峡二期工程厂坝段帷幕灌浆完成情况表

工程部位

孔数

钻孔灌浆进尺（m）

水泥注

入量

（kg）

平均单位注入量（kg/m）

钻混凝土

基岩灌浆

合计

主帷幕

左非1～18号坝段

328

2943

16164

19107

189450

11.7

左厂1～14号坝段

557

3574

30328

33902

246987

8.1

左导～右纵

617

4343

38440

42783

384653

10.0

合计

1502

10860

84932

95792

821090

9.7

封闭

帷幕

安Ⅲ～左厂14坝段

181

865

11871

12736

172337

14.5

左导～右纵

381

1880

20943

22823

196347

9.4

合计

562

2745

32814

35559

368684

11.2

总计

2064

13605

117746

131351

1189774

10.1

注：

左导～右纵包括其间的泄洪坝段；左非1～18坝段工程量中包含了升船机坝段和临时船闸；未包括检查孔和补充化学灌浆工程量。

表2-11-3长江三峡大坝泄洪坝段主帷幕灌浆综合统计表

排序

孔序

孔数

灌浆进尺（m）

注入量（kg）

单位注入量（kg/m）

灌浆压水段数

单位注入量区间段数

透水率（Lu）区间段数

＜1

1~10

10~50

50~

100

＞100

平均值

＜1

1~3

3~5

5~

10

10~50

下游排

Ⅰ

63

4736

129324

27.3

985

256

368

261

48

52

0.76

847

95

11

17

15

Ⅱ

61

4244

36164

8.5

894

306

411

160

10

7

0.29

812

64

8

10

Ⅲ

133

9267

67959

7.3

1955

668

918

345

16

8

0.23

1859

76

13

6

1

小计

257

18247

233447

12.8

3834

1230

1697

766

74

67

上游排

Ⅰ

250

3459

24338

7.0

727

298

303

113

12

1

0.27

690

26

8

3

Ⅱ

50

3587

28665

7.9

747

258

324

155

7

3

0.24

712

30

2

2

1

Ⅲ

98

7059

45763

6.4

1475

532

706

229

4

4

0.21

1400

69

3

3

小计

398

14105

98766

7.0

2949

1088

1333

497

23

8

浅排

Ⅰ

26

216

365

1.7

78

46

27

5

0.21

77

1

Ⅱ

24

197

375

1.9

72

44

24

4

0.10

67

5

Ⅲ

50

413

660

1.6

150

98

44

8

0.12

145

4

1

小计

100

826

1400

1.7

300

188

95

17

合计

555

33179

333612

10.1

7083

2506

3125

1280

97

75

检查孔

52

788

784

4

注：

浅排是在上下游排孔施工完成后，为提高孔口段灌浆压力而在幕前补加的一排深8m的浅孔；检查孔大于1Lu的4个试段为1.45、1.95、2.8、1.12，之后进行了补灌处理。

主帷幕和封闭帷幕水泥灌浆共布设229个检查孔，压水试验3049段，透水率小于1Lu的3012段，占98.8%，对不合格孔段进行了补灌和补灌后检查，均满足小于1Lu的要求。

补充化灌结束后也进行了检查，压水试验透水率为0.01～0.11Lu，满足设计要求，微细裂隙已得到了有效灌注。

从表2-11-2可以看出，二期厂坝工程帷幕灌浆总体注入量较小，各部位平均单位注入量为8.1～14.5kg/m之间，总平均单位注入量10.10kg/m，灌浆情况与坝址地质条件是相符的。

具体从位于河床部位的泄洪坝段的主帷幕灌浆资料可以看出，最先灌注的下游排Ⅰ序孔灌前压水985段，透水率小于1Lu的有847段，占86%，平均透水率0.76Lu。

但该序孔中也有不少较大注灰量的孔段，全序孔平均单位注入量27.3kg/m。

随着灌浆排序和次序的增加，透水率、单位注灰量递减规律明显。

检查孔压水试验788段中仅有4段超标，合格率99.5%。

对超标孔段进行了补灌处理。

三峡二期厂坝工程的防渗帷幕经过了上、下游围堰拆除基坑充水，以及库区蓄水至135m、139m的考验，目前帷幕运行正常，幕后渗水量和坝基扬压力均小于设计允许值。

Ⅱ小浪底水利枢纽2号灌浆洞GIN法帷幕灌浆

1工程简况

小浪底水利枢纽大坝为壤土斜心墙堆石坝,最大坝高154m，水库库容为126.5亿m3。

具有防洪、防凌、减淤、灌溉、供水、发电等综合效益。

坝区地层为第四系黄土、砂砾石层、三叠系下统和二叠系上统的硅质砂岩、钙质泥钙质粉细砂岩、泥质粉砂岩、泥岩和粉土岩。

地层褶皱轻微,断裂构造发育,穿越帷幕轴线的断层主要有右岸F1、F233、F231、F23等,左岸F236、F238、F240和F28等。

岩层破碎，裂隙发育，可灌性好。

根据土石坝坝基防渗的要求以及黄河多泥沙的特点，小浪底坝基防渗帷幕的设计思想是以垂直防渗为主，水平防渗为辅。

帷幕灌浆的主要目的是封堵岩层中的宽大裂隙，不求封闭所有的细小裂隙，前堵后排，堵排结合，以排为主。

在保证坝基渗透稳定和建筑物安全的前提下，尽可能使帷幕灌浆设计和施工简化。

帷幕防渗标准为5Lu。

大坝的防渗帷幕线总长2900ｍ,其中右岸帷幕绝大部分在坝基表面直接进行,部分地段分两层实施,即坝基地面为第一层,1、2号灌浆洞为第二层。

为了研究吸收GIN灌浆法的合理因素，探索GIN法对小浪底水利枢纽灌浆工程的适用性，在已经进行过的有关灌浆试验的基础上，确定在右坝肩2号灌浆洞内的一段帷幕线上再次进行生产性试验施工，完成工程量钻孔1888.7m，灌浆1864.9m。

2号灌浆洞长97m，GIN灌浆区选在洞内帷幕线的中段，桩号DG0+764.25～DG0+807.00，长42.75m（图2-11-4）。

其中0+764.00～0+770为3排孔帷幕，其余为单排孔帷幕。

单排及三排孔的中排为直孔，三排孔的上下游排分别倾向上下游，顶角1.22°。

该段地层主要为粘土岩和砂岩互层，灌浆洞近河床一端为F1断层，倾向NE，倾角80～85°。

除中段外其他部位仍进行常规方法的灌浆，都使用稳定性浆液，两种灌浆方法的施工条件相近，可以相互进行比较。

生产性试验的目的是为了探求：

（1）适合不同地质条件、不同孔深的GIN；

（2）适宜的灌浆工艺；（3）最优浆液配合比；（4）灌浆结束条件。

图2-11-42号灌浆洞帷幕灌浆施工剖面图

2施工设备和灌浆浆液

采用SGZ－Ш型回转钻机造孔，BW－200/4和GBW－100/10型灌浆泵进行灌浆及压水试验。

根据GIN法的要求，经过大量的室内和现场试验，确定使用的稳定性浆液由42.5级普通硅酸盐水泥浆加入膨润土和RC-M减水剂配制而成，其主要性能如表2-11-4。

表2-11-4GIN法灌浆试验浆液指标

项目

浆液性能指标

要求指标

水灰比

0.7:

1

（0.6-0.7）:

1

密度/g.cm-3

1.65

1.6-1.67

析水率（2h）/%

3.0

<5

粘度（马氏）/s

34

28-35

28b结石强度/MPa

21.3

>15

凝聚力/Pa

1.95

<4

3灌浆方法

施工采用回转式钻机钻孔，每个灌浆段钻进完毕后，先用压力水冲洗，冲洗压力为灌浆压力的80%，并不大于1MPa。

对先导孔和检查孔均进行3级压力5个阶段的压水试验，3级压力为分别0.3、0.6、1.0MPa。

其余孔段作简易压水。

灌浆基本工艺采用孔口封闭法，灌浆过程按GIN法要求控制。

施工顺序为3排帷幕区先施工下游排，后施工上游排，最后中间排。

每排分3序施工，孔距2m。

最大灌浆压力依据灌段的深度增加而递增，各灌段的最大压力如表2-11-5所示。

但每段实际施工时不一定要达到最大压力值，因为GIN法要求的是灌浆压力与注入量的乘积达到设计的灌浆强度值（GIN），之后应降低压力。

统计资料表明有61.27%的孔段未达到设计最大压力。

设计的灌浆强度值如表2-11-6所示。

表2-11-5各段最大灌浆压力值

段次

1

2

3

4

5

6

7段及以下

孔深（m）

2

5

10

15

20

25

≥30

压力（MPa）

0.7

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

表2-11-6设计的灌浆强度值

孔深（m）

≤20

20～40

＞40

GIN

MPa*L/m

80～100

150～200

200～250

MPa*kg/m

78～97（120）

146～194

194～243

灌浆过程中，首先向计算机系统中输入各灌浆段相应的GIN，计算机自动生成GIN曲线（包络线），操作人员根据该曲线调控灌浆压力和注入量。

本次灌浆试验的灌浆结束条件为：

（1）达到规定的GIN，且注入率小于2L/min时，持续10min可以结束；

（2）达到规定的GIN但注入率较大时，应调整压力，使之沿GIN曲线下滑，直到注入率小于2L/min时，再持续10min可结束（灌浆过程中压力不得小于最低压力值）；

（3）达到最大灌浆压力，注入率小于1L/min时，持续30min结束；

（4）若注入率较大而压力达不到最低压力时，应按规定采取措施，包括限流、限量及间歇等，直至达到上述标准。

4灌浆过程的计算机控制

4.1计算机监控系统

计算机监控系统为中国水利水电基础工程局与天津大学电力及自动化工程系研制的GIN法灌浆数据采集与处理系统。

系统由工业主控机、监视器、打印机、数据采集及转换器、压力传感器、流量传感器等组成（图2-9-9和图2-9-10），可同时管理8台灌浆泵，监控8个灌浆过程。

可按要求准确、及时地显示观测参数，如时间、压力、注入率、注入量等，同时还可以显示灌浆压力和时间（P-t）、注入率和时间（F-t）、累计注入量和时间（C-t）、可灌性和时间（F/P-t）、可灌性和注入水泥量（F/P-C）、灌浆压力和注入灰量（P-C）共6种过程曲线，也可以通过打印机随时将这些参数和曲线打印出来。

考虑到洞内潮湿、狭窄等诸多不便利的条件，同时为将来实行远距离集中监控灌浆摸索经验，本次施工将监控系统的主机、监视器、打印机布置于洞外机房（控制室）内，数据转换箱布置于洞内工作面，用专用传输电缆将二者连通。

流量传感器、压力传感器安装在灌浆孔口附近。

工作面与控制室之间另有有线电话相通，技术人员除可通过屏幕获得灌浆过程的各种信息外，并可利用电话及时、直接指挥和管理灌浆过程。

4.2监控过程

就某一灌浆段而言，由于其GIN是确定的，构成GIN的两个因素（灌浆压力P和注入量C）又是可控的，也就是说整个灌浆过程是容易控制的。

灌浆压力通过调整注入率来控制，要求达到P×C之值不突破GIN包络线。

从所有灌浆试验的P-C过程线来看，GIN法灌浆过程大体上可分为3种情况（图2-11-5）。

图2-11-5灌浆过程曲线

第1种情况是细微裂隙地层。

这种情况下注入率很小，压力升高很快，当压力达到最大值后，保持稳定到结束，此时灌浆曲线位于OEAH区域（图2-11-5中曲线①），灌浆结束点落有AE线上。

这些情况多见于岩层比较完整，裂缝稀少、细微的地段或已进行了Ⅰ、Ⅱ序孔灌浆的地段。

第2种情况是裂隙中等发育区。

这种情况下的灌浆压力随注入量的增加平稳上升，当P-C过程曲线逼近或达到GIN曲线即AB包络线时，应降低灌浆压力，使P-C过程曲线沿AB包络线下滑直至达到结束条件。

P-C过程曲线位于AOB区域，灌浆结束点落在AB包络线上（如曲线②）。

如果所规定的GIN值适当，大多数孔段的过程曲线应处在该区域。

由于结束条件规定当P-C过程线达GIN包络线后，应继续灌浆至注入率小于某一值后持续一个时段，所以有一些灌浆段的结束点沿AB线下滑到了下面一个区域。

第3种情况是宽大裂隙地层的灌浆过程。

在这种情况下，耗浆量大，难以升压，有时甚至呈无压自流状态。

此时的P-C过程曲线位于BGOF区域（如曲线③）。

由于最初的结束条件规定当注入量达2000L/m时可结束灌浆，所以一些灌段的灌程曲线超过了BF线。

有一些孔段因故中断后复灌，或按技术要求间歇一次或数次后达到结束条件，但总是可以划归于上述3种情况中的某一种。

5灌浆成果分析

5.1单位注入量

GIN法灌浆各序孔单位注灰量如表2-11-7。

由表中可以看出，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ次序孔单位注入量有一定递减规律，Ⅱ序孔单位注入量为Ⅰ序孔的73.37%，Ⅲ序孔为Ⅰ序孔的37.55%。

值得注意的是，第Ⅰ、Ⅱ序孔单位注灰量的频率分布规律基本一致，表明这两序孔间影响较小，这是因为限定GIN和注入量两个因素的结果，使第Ⅰ序孔只能进行有限的扩散。

表2-11-7GIN法帷幕灌浆单位注灰量情况表

孔序

孔数

段数

灌浆

进尺（m）

总注入量

（t）

单位注入量

（kg/m）

单位注入量区间（kg/m）段数/频率（%）

＜20

20～100

100～500

500～1000

＞1000