高寒地区复杂地质条件下混凝土高拱坝基础固结灌浆技术研究与应用

马生龙

(新疆伊犁河流域开发建设管理局，新疆 乌鲁木齐 830000 )

1 工程概述

1.1 基础概况

JH二级枢纽工程主要由混凝土拱坝、水垫塘、二道坝、发电引水系统、生态放水洞、过鱼设施、边坡、危岩体处理、进水塔及临时设施等建筑物组成(平面示意图如图1所示)。混凝土拱坝为抛物线型双曲拱坝，坝顶高程880.50 m, 建基面高程713.00 m，最大坝高167.50 m，坝顶全长288.40 m,水库总库容为3.68亿m3。安装4台混流式水轮发电机组，电站装机容量160 MW。

1.2 水文、气象及地质条件

(1)拱坝为地处严寒、强震区的高拱坝，设计地震基岩水平动峰值加速度为422.5 gal(0.431 g)，极端最高气温为41.6 ℃，极端最低气温为-36.4 ℃，极端最大温差78.0 ℃，且气候干燥。多年平均风速1.7 m/s，最大风速25.1 m/s，最大积雪深度为23 cm，最大冻土深度141 cm[1]。

(2)Jef4岩脉岩性为蚀变花岗闪长斑。岩脉宽度约5.7～6.6 m，岩脉内存在不同程度的蚀变，根据现场估测蚀变程度占比，强蚀变约占10%～15%，强蚀变主要发育位置为断层下接触面。断层下接触面产状为NW∠275°～280°、NE∠40°～50°，面较平直，光滑，充填物质为断层泥及强蚀变花岗闪长斑岩，厚度约30～40 cm，为软弱接触[2]。断层内主要发育1组结构面：产状为NW∠280°～300°、NE∠35°～47°，面平直，粗糙，泥质充填，张开2～5 mm，裂隙间距30～60 cm，延伸长度大于15 m。岩脉内局部沿裂隙面发育破碎带，破碎带主要由碎块石组成，在上部、中部、下部均有不同程度的分布。岩脉岩体以镶嵌～碎裂结构为主，岩体完整性差～较破碎。岩脉岩体质量为AⅣ-1类。

(3)坝址区主要分布6条断层，分别为Jef4、Jef36、Jef61、Jef8、Jef51、Jef38，均属于Ⅲ级结构面，其中Jef4为横向分布的在岩脉中局部发育的软弱破碎蚀变带，其产状变化较大，坝线下游拱座及抗力体部位产状较稳定，产状为NW∠271°、NE∠29°，岩脉厚度一般为2.4～7.1 m，总体性状为岩块岩屑夹泥型，对拱坝的坝肩稳定和变形稳定起主导作用[3]。设计方案是对Jef4在左右岸坝基开挖揭露部分进行表层开挖、置换，并根据坝体变形稳定和坝肩稳定要求，进行内部抗剪洞混凝土置换，并加强抗力体范围内断层的帷幕灌浆、固结灌浆和排水。因断层厚度较大，Jef4抗剪洞断面尺寸为10 m×8 m，施工难度较大。

图1 混凝土拱坝平面布置示意

2 坝基固结灌浆

拱坝坝基采用岩石盖重灌浆、无混凝土盖重灌浆及混凝土盖重引管灌浆等方式及其组合方式；断层处理开挖面、部分坝段无混凝土盖重灌浆；1#～4#、12#～16#坝段、左右岸高程718.00～760.00 m无盖重加引管有盖重固结灌浆；水泥采用抗硫酸盐水泥，强度等级为42.5，且所用水泥的细度要求通过80 μm方孔筛的筛余量不大于5%，性能满足规范要求。灌浆分三序进行，均采用自下而上分段灌浆法。本文主要讨论预留保护层岩石盖重灌浆结合混凝土盖重引管灌浆的方法，由于地质条件复杂，施工时段为冬季和初春，气温较低，经过参建各方多次专题会议讨论和邀请国内地质专家论证后采用本方案[4]。

预留保护层岩石盖重灌浆结合混凝土盖重引管灌浆主要适用于高程718.00 m以下河床坝段和坝基Jef4断层处理部位固结灌浆。首先在预留的5 m保护层(或需挖除岩体上Jef4处理部位)上进行岩石盖重固结灌浆，待灌浆质量检查合格后开挖保护层；保护层挖除后再次进行浅层为主的灌浆质量检查，检查不合格的部位，采用混凝土盖重钻孔灌浆或引管灌浆进行补灌处理。

3 固结灌浆施工

3.1 灌浆孔钻孔及测试

按拱坝设计技术要求钻孔，灌浆孔孔径为φ56 mm；物探测试孔、质量检查孔、取芯孔、抬动监测孔孔径不小于φ76 mm[5]。

物探测试进行声波测试(跨孔法)。坝基固结物探孔孔深均为8 m；固结灌浆兼物探测试孔，当固灌孔孔深大于8 m时，先钻进8 m进行物探测试，完毕后继续钻进到固结灌浆设计深度，进行固结灌浆并封孔；抬动变形观测采用千分表人工观测,深度超过灌浆范围5 m。累计基岩抬动变形允许值为200 μm，混凝土抬动变形允许值为100 μm。

3.2 灌浆施工程序

岩石盖重固结灌浆，先对0～5 m保护层采用低压封闭灌浆，再进行坝基孔段岩石盖重灌浆；坝基孔段和无盖重固结灌浆方法采用自下而上灌浆法：钻机对中调平固定、开孔钻至设计孔深、阻塞全孔洗孔、压水、阻塞最后一段压水、灌浆、阻塞上一段灌浆(依次至全孔结束)、封孔。

3.3 灌浆分段及灌浆压力

拱坝坝基灌浆孔的基岩灌浆段采用分段灌注方法，各分段长度为5～6m，当拱坝坝基岩体破碎、孔壁不稳、钻孔中遇有大裂隙、断层或集中岩溶漏水时，应再缩短灌浆段长度(为2～3 m)，并作为单独一段进行灌浆。基岩累计抬动变形值不允许超过200 μm，混凝土累计抬动变形值不允许超过100 μm。以确保拱坝坝基固结灌浆质量和混凝土、岩面不发生有害抬动为原则[6]。抬动观测装置如图2所示。

图2 抬动观测装置

拱坝坝基灌浆过程中，按分级加压的方式使灌浆压力逐步达到设计值(如表1)，灌浆压力和注入率相适应，必须严格控制灌浆注入率与压力的关系(如表2)。

表1 岩石盖重固结灌浆压力值 MPa

表2 固结灌浆注入率和压力关系参考

3.4 浆液水灰比

固结灌浆Ⅰ序孔、Ⅱ序孔、Ⅲ序孔均采用抗硫酸盐水泥，Jef4断层高压固结灌浆用湿磨细水泥浆液,浆液水灰比采用3∶1、2∶1、0.8∶1、0.5∶1四个比级。拱坝坝基EL713高程透水率大于20 Lu的孔段，用1∶1的单一水灰比灌注，对于不起压不回水、透水率大于100 Lu的孔段，用0.5∶1的单一水灰比灌注[7]。灌浆记录仪记录，同时灌浆现场做详细的手工记录。

3.5 特殊情况处理

灌浆过程中任何特殊情况与处理，应如实详细地在灌浆记录中予以反映，其处理措施的选择与采用，均以将损失减小到最小程度，确保灌浆质量为原则。

3.6 断层带及大耗浆段处理

(1)钻孔穿过断裂构造发育带，发生塌孔、掉块或集中渗漏时，立即停钻，查明原因。采取固壁待凝后重新钻孔[7]。

(2)当灌浆段注入量大，灌浆难于结束时，结合地勘或先导孔资料查明原因。根据具体情况，用下列措施处理：①降低灌浆压力，用低压或自流式灌浆。②将进浆量限制在30～40 L/min或更小，使用浓浆灌注，待进浆量明显减小后升高压力，再次限制浆液，反复进行，直至达到结束标准。③使用上述方法仍无效，压力升不上去，且耗浆量已较大，可采用浓浆间歇灌注，待大裂隙堵上后，再进行正常灌浆。④必要时可暂停灌浆，待凝后重新钻开，重新复灌。⑤浆液中掺加速凝剂。

3.7 涌水处理

拱坝坝基高程713.00 m孔口有涌水的孔段，灌浆前测记涌水量和涌水压力，根据涌水情况，采取了自上而下分段灌浆、缩短灌浆段长、提高灌浆压力、灌注浓浆、灌注速凝浆液、屏浆、闭浆措施；有效的制止涌水，灌后针对该段固结灌浆质量检查，均达到设计要求[8]。

3.8 回浆失水变浓处理

灌浆过程中采用适当加大灌浆压力；采用分段阻塞循环式灌注；换用相同水灰比的新浆灌注；加密灌浆孔；若上述处理措施效果不明显，应研究改用细水泥浆、水泥膨润土浆或化学浆液灌注。

3.9 冬季低温条件下灌浆施工

(1)当工作面日平均温度在5 ℃以下或日平均温度虽在5 ℃以上，但日最低温度在-3 ℃以下时，灌浆工作应按冬季施工进行：①灌浆浆液温度在浆液注入灌浆孔以前宜保持在10 ℃以上，灌浆时受灌岩层温度不宜低于5 ℃，并在灌后5 d内，宜保持此温度。②灌浆泵及浆液搅拌设备应设置在避风防寒的灌浆房内，灌浆房内温度宜保持在10 ℃以上，浆材存放点温度应在0 ℃以上。③输浆及供水管路须采取保温防冻措施。采用热水搅拌水泥浆液，水温不得超过40 ℃，待水温均匀后，再加入水泥，水泥不得预先加热。④灌浆时的气温、灌浆房内温度、灌入前浆液温度均应定时测量，前两项每4～8 h测量一次，灌浆时浆液温度应每小时测一次。

(2)引管固结灌浆兼做接触灌浆时浆液温度以10 ℃为宜，最低不低于5 ℃。

4 质量检查和标准

(1)灌后物探测试孔岩体波速测试，孔段合格率在孔深0～5 m时为90%以上，5～20 m时为85%以上。检查标准：固结灌浆后Ⅲ1级岩体声波速度90%以上应大于5000 m/s，小于4500 m/s的测试段比例小于5%；Ⅲ2级岩体声波速度90%以上应大于4500 m/s，小于4000 m/s的测试段比例小于5%。灌后不合格段不应集中在局部区域，并应消除集中分布的低波速段[9]。

(2)固结灌浆检查孔压水试验检查，检查应在该部位灌浆结束4 d后进行。具体孔位待分析灌浆资料后现场确定。合格标准为：单元工程内检查孔85%以上的试段透水率q≤3 Lu，其余试段的透水率不大于设计规定值的1.5倍，且分布不集中。

(3)检查孔均应采取岩芯，岩芯采取率应不小于95%，获得率(RQD值)应不小于80%，混凝土与岩石结合面胶结良好。要求对岩芯进行编录、描述拍照，并妥善保存。

5 结 语

由于作业环境恶劣，地质条件复杂，设计要求高等因素。施工前进行了相似条件下的灌浆生产性试验，根据生产性试验结果进一步优化灌浆参数，调整灌浆孔间排距、压力、灌浆孔深度等，最终以适宜的钻孔设备及施工方法，灌浆质量验收合格，按期完成固结灌浆施工，为后续高拱坝混凝土浇筑提供有利条件。