水布埡面板堆石壩帷幕灌漿施工工藝.doc

水布埡面板堆石壩河床部位趾板帷幕灌漿施工技術分析要水布埡大壩河床部位趾板帷幕灌漿有其自身特點和要求，通過灌漿試驗及河床部位趾板帷幕灌漿的實施和灌漿成果分析，在帷幕布置、提高淺層灌漿壓力、趾板抬動變形監(jiān)測等方面取得了一定突破，確保了趾板帷幕灌漿的順利實施。關鍵詞趾板帷幕灌漿壓力抬動變形監(jiān)測1前言混凝土面板堆石壩自二十世紀八十年代在國內(nèi)開始推廣以來，以其適用性、經(jīng)濟性和安全性等優(yōu)勢，越來越受到廣泛關注。二十年來，國內(nèi)已建和在建工程壩高超過100m以上的混凝土面板堆石壩已達數(shù)十座。由于面板堆石壩自身的特點和要求，壩工設計的重要組成部分壩基防滲帷幕灌漿工程，就更為突出和重要。通常，面板壩帷幕灌漿與其他重力壩、拱壩壩基帷幕灌漿相比較，有以下不同特點：面板壩帷幕灌漿是在壓重較薄的趾板上進行，較高的灌漿壓力極易造成抬動和拉裂趾板；某一高程以下的河床部位蓄水后，一直處于水位以下，帷幕灌漿一但出現(xiàn)滲透破壞就很難有補灌條件；由于帷幕灌漿在趾板上進行，工期一般較緊，且受季節(jié)限制，一般要求河床部位或某一高程以下的趾板帷幕灌漿必須在一個枯水期內(nèi)完成。因此，如何做好面板壩河床部位的趾板帷幕灌漿，是一個十分值得關注的問題。水布埡水電站混凝土面板堆石壩最大壩高達233m，最大壩前作用水頭207m，壩高和壩前水頭均為當今在建工程同類壩型世界之最。由于壩基地質條件和壩工設計的要求，趾板帷幕灌漿技術復雜，質量要求高，施工難度大。通過現(xiàn)場模擬趾板灌漿試驗和河床部位趾板帷幕灌漿的實施，在提高淺層灌漿壓力、灌漿方法、趾板抬動變形控制以及最終灌漿效果等方面都取得了一定突破，確保了趾板帷幕灌漿的順利實施。本文結合河床部位趾板帷幕灌漿的實施情況和施工資料，就上述問題做一些技術分析與探討。2壩基地質條件與帷幕灌漿設計布置水布埡大壩壩基巖石主要為二疊系下統(tǒng)茅口組和棲霞組灰?guī)r。其中茅口組為厚層至巨厚層灰?guī)r，巖性堅硬完整；棲霞組巖層軟硬相間，中厚層灰?guī)r與炭泥質生物碎屑灰?guī)r不等厚互層，其間多層面、多剪切帶。壩址河段內(nèi)斷層較發(fā)育，按走向主要分為三組、按規(guī)模分為三類，其中穿越趾板的、類代表性斷層有四條。斷層一般斜切壩基，同時NNENE向裂隙和岸邊卸荷裂隙較發(fā)育。茅口組灰?guī)r屬于強巖溶化地層，棲霞組為強巖溶化與弱巖溶化相間的地層。壩址區(qū)地層較平緩，平均傾角15左右，以略傾上游為主，其層間剪切帶等軟弱夾層較發(fā)育。上述巖溶化斷裂及剪切帶等極易構成壩基主要滲漏通道，且在灌漿時極易產(chǎn)生不利的抬動變形。建設工程教育網(wǎng)針對上述地質條件和壩工設計要求，結合現(xiàn)場實際情況和施工條件，進行了較大規(guī)模的灌漿試驗。試驗采取不同的布孔形式和灌漿方法，模擬趾板條件下帷幕灌漿的效果。試驗結果表明：趾板基礎灌漿布孔采用“均布固結+帷幕”方式，能夠有效提高趾板淺層灌漿壓力，并能確保抬動變形安全，從而增強趾板淺部防滲幕體的抗?jié)B能力。同時，試驗采用了智能化抬動變形報警裝置來控制趾板灌漿壓力，從而找到了復雜地質條件下提高趾板基礎淺部灌漿壓力的有效途徑。根據(jù)灌漿試驗結果，結合趾板布置及地質條件，水布埡趾板基礎灌漿布孔型式（河床部位）為：標準趾板寬8.5m，均布3排固結孔，孔距2.0m，排距3.0m，鉆孔深入基巖7.0m；近中部兩排深孔固結兼輔助帷幕孔，孔距2.0m，排距3.0m，鉆孔深入基巖17.0m；中間布置二排主帷幕孔，孔距2.0m，排距1.2m，鉆孔深入相對不透水層，河床部位孔深一般80.0100.0m。灌漿質量檢查標準為：固結灌漿灌后巖體平均波速一般應3000m/s，透水率q3Lu；帷幕灌漿后透水率q1Lu。為了提高趾板淺層巖體灌漿效果，針對不同灌漿類別和不同孔排序，分別采用了不同的灌漿壓力，尤其是在接觸段灌漿壓力隨著灌漿類別和次序的增加而逐漸提高。同時，對每一灌段都設定一個起始壓力和一個目標壓力。不同類別及孔序第一段（接觸段）灌漿壓力控制見表1。表1接觸段不同類別、不同孔序灌漿壓力控制表序號灌漿類別序孔序孔序孔起始壓力目標壓力起始壓力目標壓力起始壓力目標壓力1固結灌漿0.20.30.30.40.30.40.40.5/2輔助帷幕灌漿0.40.50.60.70.50.60.70.8/3主帷幕灌漿0.61.00.81.21.01.5此外，為防止趾板產(chǎn)生有害抬動，在趾板順軸線方向每間隔10m布置一組抬動變形觀測孔，在壓水和灌漿過程中，趾板的抬動變形要求采用自動報警裝置進行嚴格的監(jiān)測和控制。不同范圍的抬動變形監(jiān)控標準見表2。表2趾板灌漿不同距離抬動觀測允許變形值距離（m）1123455.5允許值（um）20016513095602503河床部位趾板帷幕灌漿工程的實施河床部位趾板基礎灌漿按照固結孔輔助帷幕孔固結檢查主帷幕孔帷幕檢查的順序進行施工。整個實施過程分為兩個時段進行，2003年汛前35月完成固結灌漿及輔助帷幕灌漿的施工；2003年汛后10月至2004年2月完成帷幕灌漿的施工及各項檢查工作。3.1固結及輔助帷幕灌漿施工固結及輔助帷幕均采用地質回轉鉆機造孔，阻塞式孔內(nèi)循環(huán)方法灌漿，其中固結孔較淺，采用全孔一次成孔，自下而上分段灌漿方法，輔助帷幕孔采用自上而下灌漿法，灌漿壓力固結最大0.6Mpa，輔助帷幕最大1.0Mpa，漿液配比及結束標準等工藝均參照設計技術要求及灌漿規(guī)范執(zhí)行。3.2主帷幕灌漿施工河床趾板主帷幕灌漿是在固結檢查合格后進行，按照先下游排、后上游排的順序，每排孔分三個次序加密施工，均采用孔口封閉灌漿法施工。灌漿全過程均采用三參數(shù)自動灌漿記錄儀進行記錄。鉆孔采用金剛石鉆頭進行，孔口段（接觸段）孔徑一般為91mm，以下孔段一般為60mm，孔深80100m。灌漿分段長度：接觸段（孔口段）3.0m，以下各段為1.0m，2.0m，5.0m，5.0m。終孔段不大于7.0m。灌漿壓力：接觸段起始壓力、序孔分別為0.6、0.8、1.0Mpa，目標壓力分別為1.0、1.2、1.5Mpa，以下各段逐級逐漸加壓，最大灌漿目標壓力4.0Mpa。在實施過程中視抬動變形值情況及注入率大小逐級升壓，最后在允許抬動值范圍內(nèi)達到目標壓力。灌漿材料為強度等級42.5級普硅水泥，漿液為純水泥漿，主要采用5、3、2、1、0.8、0.5:1等六個比級，開灌水灰比一般為5:1。漿液配比及變換標準參照規(guī)范和技術要求執(zhí)行。封孔全部采用“置換和壓力灌漿封孔法”進行。3.3灌漿壓力與趾板抬動變形的監(jiān)控為了有效提高趾板灌漿壓力，確保淺層帷幕灌漿效果，整個帷幕灌漿施工采用了能自動記錄、監(jiān)測和設有超限報警裝置的“抬動變形自動記錄測控儀”，對帷幕灌漿全過程的趾板抬動變形情況進行監(jiān)控，以防止在較高壓力狀態(tài)下，趾板產(chǎn)生抬動變形和破壞。該裝置采用了先進的智能化傳感技術及單片機技術，對所觀測對象的位移（或抬動）值進行長時間連續(xù)測量、采集、分析和記錄、打印，并通過設定上、下控制限值對超限值進行聲光報警。4帷幕灌漿效果分析與探討4.1灌漿成果資料分析河床部位趾板帷幕灌漿成果統(tǒng)計見表3。表3河床部位趾板帷幕灌漿成果統(tǒng)計表排序孔序孔數(shù)灌漿進尺(m)注入水泥量(kg)單位注入量(kg/m)總段數(shù)單位注灰量(kg/m)頻率(區(qū)間段數(shù)/頻率%)透水率(Lu)頻率(區(qū)間段數(shù)/頻率%)101010010010001000111010100100下游排6575.65107454.1186.6712467/54.041/33.08/6.58/6.580/64.528/22.611/8.95/4.05457.8525690.056.119869/70.419/19.410/10.280/81.613/13.35/5.110903.9518348.420.30196148/75.539/19.99/4.6133/67.953/27.07/3.63/1.5小計211937.45151492.578.19418284/67.999/23.727/6.58/1.9293/70.194/22.523/5.58/1.9上游排5433.433660.78.459374/79.617/18.32/2.177/82.814/15.12/2.15440.373756.713.079481/86.211/11.72/2.180/85.114/14.99784.846433.68.08169146/86.420/11.83/1.8140/82.828/16.61/0.6小計191658.6415810.09.53356301/84.548/13.57/2.0297/83.456/15.73/0.9合計403596.09167343.546.53774585/75.6147/19.034/4.48/1.0590/76.2150/19.426/3.48/1.0從表3中分析可知：（1）河床部位第一排主帷幕孔中灌前壓水試驗的透水率（相當于原始地層）小于1.0Lu的占64.5%，而大于10.0Lu的占12.9%，大于100Lu的僅占4%，這表明河床趾板部位基巖新鮮、完整性較好，一般透水性較弱，僅有局部存在斷層，層間軟弱帶地質缺陷，透水性較強，這符合河床壩基的地質條件。（2）各孔段灌漿壓水試驗的透水率隨著灌漿孔序和排序的增加遞減較明顯，表明灌漿效果較好。其中遞減較明顯的是：大于10Lu的孔段，先施工的下游排序孔占12.9%，序孔占5.1%，序孔占5.1%，合計占7.4%；后施工的上游排序孔占2.1%，序孔為0，序孔占0.6%，合計占0.9%。遞增不甚明顯的是小于1Lu的孔段，下游排、序孔分別為64.5%、81.6%、67.9%，合計為70.1%；上游排、序孔分別為82.8%、85.1%、82.8%，合計為83.4%，這表明水泥灌漿在該類地層的細微裂隙中的灌漿效果是有限的。（3）各孔段的單位注入量與灌前壓水試驗的透水率基本相匹配，如小于單位注入量10kg/m的孔段占75.6%，大于100kg/m的孔段占5.4%，而透水率小于1Lu的占76.2%，大于10Lu的占4.4%，單位注入量符合壓水試驗成果及壩基地質條件。（4）孔段單位注入量隨著灌漿孔、排序的增加遞減較為明顯，其中最為明顯的是首先施工的下游排，、序孔中小于10kg/m的孔段分別占54%、70.4%、75.5%，大于100kg/m的孔段分別占13%、10.2%、4.6%；、序孔的平均單位注入量分別為186.67kg、56.11kg、20.3kg，隨孔序加密下降明顯。而后施工的上游排無論是平均單位注入量或主要區(qū)間的單位注入量變化均不甚明顯，如平均單位注入量、序孔分別為8.45kg、13.07kg、8.08kg，小于10kg/m的孔段、序孔分別為79.6%、86.2%、86.4%，有改變但不甚明顯，這表明水泥灌漿在細微裂隙中的擴散半徑和灌漿效果是有限的。4.2抬動變形觀測成果統(tǒng)計分析河床部位各孔段灌漿時的抬動變形觀測成果見表4。表4帷幕灌漿抬動變形值統(tǒng)計表灌漿層（段）位總段數(shù)抬動值（um）區(qū)間（段數(shù)/頻率%）5050100100200200合計表層（接觸段）4014/352/53/7.52/521/52.5淺層（24段）12036/302/1.72/1.71/0.841/34.2深層（5段及以下）614151/24.62/0.32/0.30155/25.2合計774201/25.96/0.87/0.93/0.4217/28.0從表4中分析可知：（1）河床部位整個帷幕灌漿過程中產(chǎn)生抬動的孔段為217段，占灌漿總段數(shù)的28%。（2）從不同深度的抬動變形情況看，越往表層抬動的機率越大，越往深部，抬動的機率越小。其中位于表層的接觸段產(chǎn)生抬動的段數(shù)占52.5%，位于淺層的24段為34.2%，位于4段以下的深部僅為25.2%。（3）從抬動量值的大小看，所有產(chǎn)生抬動變形的孔段中，抬動值小于50um的孔段占92.0%以上，抬動值超過50um的僅占8%。而且，由淺層向深部抬動值大于50um的孔段呈遞減趨勢，由表層的33%下降到深部的3%左右。（4）表中有99.6%的孔段抬動值均在設計控制指標值之內(nèi)，僅有3段抬動值超標（200um）的情況，實施過程中由于較好地控制了灌漿壓力或采取待凝復灌措施，資料和現(xiàn)場情況均顯示并未產(chǎn)生有害抬動。4.3關于灌漿目標壓力的分析從現(xiàn)場實施情況及灌漿統(tǒng)計資料看，除極少數(shù)孔段因抬動值超標未達到設計壓力外，其余孔段均達到設計目標壓力，即接觸段序孔1.0Mpa，序孔1.2Mpa，序孔1.5Mpa，以下各段逐級加壓，均達到設計目標壓力，各孔最大灌漿壓力均達到4.0Mpa。4.4檢查孔壓水試驗成果分析帷幕灌漿結束后，根據(jù)灌漿成果資料及壩基地質條件，共布置了4個壓水試驗檢查孔。檢查孔位于兩排帷幕孔中間，孔深同帷幕深度。檢查孔鉆孔采用76mm金剛石鉆頭取芯鉆進，分段作壓水試驗，分段長度等同灌漿孔，壓水試驗采用單點法，壓水壓力為接觸段1.2Mpa，第二段1.5Mpa，其余各段均為2.0Mpa。4個檢查孔共作壓水試驗77段，結果表明，灌后壓水試驗的透水率在00.1Lu的為25段，占32.5%，0.10.5Lu的為47段，占61%，0.51.0Lu的為5段，占6.5%，最大值為0.8Lu，所有孔段的透水率均小于1.0Lu，滿足設計要求，表明灌漿效果良好。5結語水布埡大壩河床部位趾板帷幕灌漿的施工實踐及各項施工成果資料表明：（1）水布埡面板