高水头施工环境下帷幕灌浆施工质量控制技术

刘红玉，郎发育

(中国水利水电第四工程局有限公司，青海 西宁 810007)

1 工程概况

黄登水电站拦河大坝为碾压混凝土重力坝，坝顶高程1 625 m，建基面最低高程1 422 m，最大坝高203 m，为目前在建最高碾压混凝土重力坝。大坝基础帷幕灌浆设计坝高大于70 m的坝段上游设双排帷幕，其余坝段上游设单排帷幕，上游主帷幕最大孔深148 m，主、副帷幕孔之间排距1.0 m，所有帷幕孔孔距均为2 m，采用梅花形布置。下游在建基面高程低于左1 520 m/右1 506 m的坝段坝趾附近设置单排封闭帷幕，下游封闭帷幕的底线按下游校核水深的1/2及帷幕孔深不小于25 m进行双控制，孔距2 m。灌浆工程量约11万m。

坝基岩性以变质火山角砾岩、变质火山细砾岩为主，变质凝灰岩呈夹层状产出，变质凝灰岩夹层岩石相对较软弱，岩体相对较破碎。厚度较大变质凝灰岩夹层，厚度性状变化大，层劈理化现象明显，此外尚有一些厚度较小或透镜状变质凝灰岩夹层分布。岩层横河展布，倾向下游，倾角70°～90°。河床坝段变质火山角(细)砾岩岩体完整，一般呈块状～整体块状，RQD值为一般为70%～90%。基岩面以下3～6 m范围内岩体中有近水平的缓倾角裂隙相对较发育，6～10 m可见零星的近水平的缓倾角裂隙发育，10m以下少见近水平的缓倾角裂隙发育，坝基岩层主要以陡倾角裂隙为主。岩体透水率q一般小于10 Lu，但微透水岩体顶界变化大，位于基岩面以下15～70 m。

2 施工环境

黄登水电站计划于2017年11月初下闸蓄水，设计要求大坝帷幕灌浆在2017年10月中旬前全部施工完成，总灌浆工程量约11万m，最高月生产强度达到12 000 m。受混凝土盖重及岸坡接触灌浆等因素制约，黄登大坝帷幕灌浆开始施工时间为2015年6月，当时正值黄登水电站汛期，两岸岸坡地下水位高程在1 490 m左右，坝前天然降水水位保持在1 470 m左右，河床坝段帷幕灌浆最早施工，施工建基面高程1 422 m，混凝土厚3～4 m，帷幕灌浆施工时承受水头在50～70 m之间，开始施工时，绝大多数孔段均出现不同程度的涌水，最大涌水量36 L/min，涌水压力达到0.25 MPa。按照原设计技术要求对涌水孔段处理措施，每个孔段灌浆历时将达到48 h以上，每月单台灌浆泵灌浆工程量不足70 m，月强度不足700 m/月，生产进度为月生产计划的1/5，严重制约黄登水电站业主确定的发电蓄水工期要求。因此，高水头施工环境下帷幕灌浆施工最大的困难就是孔口涌水问题。

3 涌水孔段的质量控制

3.1 现状调查

大坝河床坝段上游10～12号坝段基础帷幕灌浆于2016年6月22日开始施工，建基面高程为1 422 m，坝前水位和岸坡地下水位约1 490 m，围堰挡水。其中11、12号坝段抬动孔(入岩20 m)施工时，抬动孔均出现涌水现象，抬动装置无法正常安装，帷幕灌浆I、II序孔大多孔段也有涌水，涌水量最大为38 L/min，涌水压力0.25 MPa。按照相关规范和黄登水电站工程设计技术要求以及类似工程经验，涌水孔段正常灌浆结束后需闭浆待凝24～48 h，再进行二次复灌、待凝等措施，这导致每段灌浆历时超过48 h，严重制约帷幕灌浆施工进度。据统计，2015年6月22日至7月30日完成灌浆700 m，仅占当月计划的3 000 m的23%。

3.2 涌水孔段灌浆处理流程

涌水孔段处理过程为：①发现涌水；②安装孔口封闭器；③安装压力表、水表；④测涌水压力和流量；⑤洗孔、压水；⑥灌浆；⑦待凝；⑧扫孔后检查是否有涌水；⑨若无涌水进行下一阶段钻灌，若有涌水重复以上工序。

3.3 涌水孔段常规处理措施用时统计

选取几个典型涌水孔段，对工序处理用时进行统计，见表1。从表1可知，涌水孔段处理用时最长55.33 h，最短19.14 h，平均用时38.76 h；而无涌水孔段处理时间仅3 h。其中待凝用时占比为31.5/38.75=81%。

3.4 工艺改进对策

黄登大坝帷幕灌浆设计技术要求中对涌水孔段处理措施提出9条措施，主要措施是待凝、闭浆和添加速凝剂等，但对于不同涌水量、压力情况未详细说明，可操作性差。上网查阅类似工程涌水孔段的处理措施，未见有具体的可操作性的论文或作业指导书。

结合向家坝水电站帷幕灌浆涌水待凝试验：涌水量小于10 L/min、涌水压力在0.1～0.3 MPa的孔段待凝8 h后即可进行下段施工，涌水量大于30 L/min、涌水压力在0.4 MPa以内的孔段待凝24 h后即可进行下一段施工，待凝时间一般在8～24 h之内。

根据帷幕灌浆采用孔口封闭自上而下分段灌浆、不待凝的工艺理论，当灌浆注入率达到结束标准继续带压屏浆阶段是加速浆液固化阶段，防止已灌进裂隙的浆液倒流的主要措施。因此，黄登水电站工程帷幕灌浆工艺科研攻关小组依据灌浆理论，从工艺方面进行创新，变被动等待浆液固化转为人为加速浆液固化因为屏浆阶段是浆液在裂隙中不断凝结固化过程，故以延长屏浆时间为出发点人为缩短浆液固化时间，减少待凝时间，降低灌浆总历时。针对延长带压屏浆时间进行了试验。

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3.5 工艺改进试验研究

成立现场工艺试验攻关小组，制订试验大纲，除沿用闭浆待凝传统工艺外，结合灌浆理论，突破常规手段采取待凝、闭浆等措施，重点在延长屏浆时间方面进行不同工况工艺试验。

各道工序严格按工艺试验大纲方案、作业指导书执行，工艺试验攻关小组成员全程参与，选取前期所有I序孔涌水孔段进行不同工况下工艺试验，取得阶段性成果后，后续其他部位施工或在II、III序孔遇到涌水孔段进行验证。不断完善工艺措施，为以后类似工程提供借鉴。

(1)选取涌水量在5 L/min以下孔段，按照设计技术要求屏浆60 min进行正常灌浆，灌浆完成后，扫孔至该段底20 cm停钻停水，观测涌水情况。

表1 涌水处理流程涌水孔段处理工序用时统计 h

(2)选取涌水量在6～10 L/min范围内孔段，按照设计技术要求屏浆60 min和屏浆90 min进行两种工况灌浆，灌浆完成后，扫孔至该段底20 cm停钻停水，观测涌水情况。

(3)选取涌水量在11～30 L/min范围内孔段，按照设计技术要求屏浆90 min和屏浆120 min进行两种工况灌浆，灌浆完成后，闭浆待凝8 h和12 h后，扫孔至该段底20 cm停钻停水，观测涌水情况。

(4)选取涌水量大于31 L/min范围内孔段，按照设计技术要求屏浆90 min和闭浆待凝12 h和24 h后进行两种工况灌浆，灌浆完成后，扫孔至该段底20 cm停钻停水，观测涌水情况。

3.6 试验成果

通过屏浆时间延长和闭浆待凝试验，基本掌握了涌水特性，取得以下阶段性成果，具体如下:

(1)涌水量小于5 L/min、涌水压力小于0.1 MPa的孔段总计10段，正常灌浆即屏浆60 min后，扫孔至该段底20 cm处，停钻停水观测，均无涌水发生。

(2)涌水量在6～10 L/min、涌水压力在0.1～0.2 MPa之间的孔段总计有15段，按照屏浆60 min和屏浆90 min两种工况进行灌浆，扫孔至该段底20 cm处，停钻停水观测，屏浆60 min孔段有5段仍有少量涌水，但涌水量均很小(≤3 L/min)；屏浆90 min孔段均无涌水发生。

③ 涌水量在11～30 L/min、涌水压力在0.15～0.25 MPa的孔段总计15段，选择其中2段按照屏浆90 min和屏浆120 min两种工况进行灌浆，灌浆完成后，扫孔至该段底20 cm停钻停水，观测涌水情况。试验成果表明，屏浆90 min和屏浆120 min两种工况灌后仍有涌水，但涌水量减少很多(基本小于5 L/min，对该类孔段进行了二次复灌。另外，选择13段按照屏浆90 min后再闭浆待凝8 h和12 h待凝试验，扫孔至该段底20 cm处后，停钻停水观测均未见涌水。

(4)涌水量大于30 L/min、涌水压力在0.2 MPa以上孔段共有6段，该类孔段采用按照屏浆90 min、闭浆待凝12 h和24 h两种工况灌浆试验，二次扫孔至该段底后观测涌水情况，灌后扫孔观测两种工况均无涌水。

上述4种情况，重点对设计技术要求屏浆时间延长进行工艺试验，试验表明，延长灌浆屏浆时间对涌水孔段的处理措施非常有效，但屏浆过程中要增加钻杆的活动频次，原30 min活动一次钻杆，屏浆过程中须10～15 min活动一次，以防抱钻事故发生，另外，屏浆过程中浆液浓度应调整为1∶1或以下，减少孔内事故的几率。

4 其他工艺控制措施

(1)钻孔。钻孔施工前由测量单位放控制点。所有钻孔应按设计图纸统一编号、放点，开孔孔位偏差不得大于10 cm。应故变更孔位需征得监理人同意，并记录实际孔位。为保证帷幕灌浆孔钻孔的孔斜要求，开孔前钻机必须进行固定，水平段钻机地锚固定，斜坡段钻机与施工台车同步固定。帷幕灌浆孔全孔测斜。特别是严格控制孔深20 m以内的偏差，每5 m测量一次孔斜，孔深20 m以下及其余部位灌浆孔每10～15 m测量一次孔斜。孔斜控制较同类工程相比质量要求严格。

(2)孔口管埋设。孔口管埋设作为质量控制的首要重点，孔口管埋设长度=混凝土厚度+基岩段2 m+孔口10 cm外露。孔口管埋设深度是保证混凝土不被抬动的主要措施之一。

(3)灌浆。灌浆压力及段长。一般情况下，灌浆压力应尽快达到设计值，但所有接触段、坝基灌浆廊道先灌排Ⅰ序孔2～10 m灌浆段和其他注入率大于30 L/min的孔段，应采用分级升压方式逐级升压至设计压力，升压速度宜控制在0.5 MPa/10 min以内，分级升压时每级压力的纯灌时间不少于15 min。灌浆过程中，为防止混凝土及岩石发生抬动，必须协调控制灌浆压力与注入率，灌浆最大注入率不得大于30 L/min是该工程有别于其他工程的主要亮点之一。对注入量较大、灌浆难以正常结束的孔段，查明原因，对灌浆影响范围内的地下洞井、岸坡、结构分缝、冷却水管等进行彻底检查，如有串通应采取措施后再恢复灌浆。否则，灌浆时采取低压、浓浆、限流、限量、间歇灌浆措施，当灌注量接近1 t/m时采用待凝措施，防止灌浆范围过大造成不必要的投入，该措施为黄登大坝帷幕灌浆新创。

(4)动态调整灌浆参数。物探监测作为黄登大坝帷幕灌浆辅助质量控制手段之一，是本工程业主、设计有别于其他工程所采取的主要措施。先导孔取芯、灌前压水检查和水位观测等过程中发现异常情况时、以及其他孔段在灌浆过程中或质量检查中发现异常情况时，进行全孔壁孔内数字成像检测。提供清晰可见的地层结构详细资料，便于及时调整帷幕参数、动态设计。

5 结 论

黄登水电站帷幕灌浆工艺攻关小组通过对46段涌水孔段采取不同工艺现场试验，取得了丰富的试验成果，得出了重要的结论：延长屏浆时间对涌水孔段灌浆处理非常有效，这一试验成果，抛弃了传统的纯闭浆、待凝理念，另辟蹊径，变被动为主动，大大缩短了涌水孔段灌浆历时，加快了施工进度。自采取上述措施后，涌水孔段的灌浆总历时由原先的平均38.76 h减少到目前平均不到13 h，灌浆月计划由原来单月不足700 m到最高完成12 000 m，施工进度明显加快，按期保证了蓄水发电的节点控制目标。

黄登水电站自2017年11月下闸蓄水至2018年4月，坝前水位在1 559 m运行半年有余，水头达到137 m，从第三方检测单位数据检测可以看出，幕后扬压力和漏水量远小于设计值，其中坝基排水孔的总漏量为2.6 L/s，不足设计流量的1/10，幕后扬压力数据在0～0.2 MPa。黄登大坝帷幕灌浆工程赢得了业主和行业业内专业人士的高度评价，在澜沧江流域电站首个被评为样板工程，同行各专业人士多次观摩和学习。黄登水电站大坝帷幕灌浆取得的成果及成功的经验，可为后续同类工程提供可借鉴的宝贵经验。