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浅析乌苏特吾勒水电站工程大坝帷幕灌浆试验施工工艺

发表时间：2021/4/20 来源：《基层建设》2020年第33期作者：王戈1

[导读] 摘要：为指导后续大坝帷幕灌浆施工，根据现场实际条件及施工部位提供情况，按“技术可行、安全可靠、确定参数”的原则编制本工程帷幕灌浆试验方案，以确保大坝帷幕灌浆试验顺利完成。

        葛洲坝集团第三工程有限公司新疆乌鲁木齐 830000
        摘要：为指导后续大坝帷幕灌浆施工，根据现场实际条件及施工部位提供情况，按“技术可行、安全可靠、确定参数”的原则编制本工程帷幕灌浆试验方案，以确保大坝帷幕灌浆试验顺利完成。
        ，本文针对帷幕灌浆的施工工艺、参数确定等方面进行经验总结，以供其它类似工程做参考及借鉴。
        关键词：帷幕灌浆、施工工艺、参数确定
        一、引言
        乌苏特吾勒拦河坝地基处理施工项目主要包括坝基固结灌浆、坝基帷幕灌浆。其中防渗帷幕布置在拦河坝左右岸坝肩、防渗墙浅槽段、左岸灌浆平洞部位。设计帷幕灌浆底线进入大坝基岩渗透率为5Lu范围以内。左岸帷幕灌浆包括左岸灌浆平洞帷幕灌浆、左坝肩边坡帷幕灌浆、基座部位基岩帷幕灌浆、防渗墙墙下帷幕灌浆，帷幕灌浆轴线长度为151.5m。右岸帷幕灌浆包括右岸防渗墙墙下右坝肩及边坡部位帷幕灌浆轴线长度为194.64m。
        二、施工工艺
        2.1试验工程量
        帷幕灌浆施工内容主要包括抬动观测孔、钻孔、先导孔取芯、灌浆、检查孔等，主要工程量见表1。
                                                                     表1 生产性帷幕灌浆工程量

        2.2试验地质条件
        右岸▽2239.5高程G3帷幕灌浆平洞位于坝址右坝肩部位，挤压破碎带较集中发育，基岩片理面挤压揉皱现象常见，通过前期勘探孔钻孔验证，发现局部段存在岩芯破碎，风化严重的情况，如在钻勘探孔ZKB5b时，在孔深28.5~29.0m处发现挤压破碎带，带内为褐黄色角砾岩，角砾含量约占60%~65%，粒径以1~4cm为主，呈次棱角状，母岩成分为片岩，大部分锈染严重，质软，手捻可成粉末；岩屑含量约占35%~40%，呈粉细砂状，矿物组成以石英、云母和长石为主。
        2.3灌浆准备
        在项目正式开始前，技术人员应对现场管理及施工人员进行设计技术交底；现场施工人员应做好灌浆设备的检查工作，督促设备管理人员和操作手保养好设备，不得影响正常施工。由测量人员根据设计图纸进行帷幕灌浆试验孔测量放样。现场应做好标记，标识醒目。放样时，现场施工员须跟踪、陪同测量人员一起完成现场放样，并做好成果保护。
        2.4施工机具
        （1）标准及要求
        ① 帷幕灌浆试验施工应配备高压灌浆泵、高速搅拌机、普通搅拌机、三参数自动记录仪、压力表、高压阀门、阻塞器、比重秤、温度计等设备和器材，并考虑充足的备用量。
        ② 水泥浆液搅拌机的搅拌能力应与灌浆泵的排浆量相适应，并能保证均匀、连续制浆。
        ③ 灌浆泵应采用三缸以上活塞式高压灌浆泵，允许工作压力应大于最大灌浆压力的1.5倍，并要求压力摆动范围在20%以内和要有足够的排浆量、稳定的工作性能。
        ④ 自动记录仪采用三参数（压力、流量、水灰比）自动记录仪，灌浆和压水全过程须采用自动记录仪。
        ⑤ 灌浆管路宜采用高压钢丝编制胶管，能承受1.5倍的最大灌浆压力。
        ⑥ 孔口封闭器或高压灌浆塞，孔口封闭器和孔口管埋设安装要符合相关技术要求，并确保安全工作。
        ⑦ 压力表最大标值宜为最大灌浆压力的2.0～2.5 倍；
        ⑧ 本工程帷幕灌浆试验钻孔设备需要满足钻孔深度不小于80m。
        （2）主要设备选型
        本工程帷幕灌浆试验段施工机具综合考虑后续主体项目钻孔灌浆施工需要，如下表所示：
                                                                            主要施工设备

        2.5 施工工艺流程
        本工程帷幕灌浆试验采取至上而下分段钻进灌浆，终孔后全孔一次灌浆封孔的高压小口径全封闭法。帷幕灌浆采用“小口径钻孔、孔口封闭、自上而下分段、孔内循环法”灌浆法，孔口无涌水的孔段，灌浆结束后不待凝。在断层、破碎带等地质条件复杂地区宜待凝，待凝时间根据地质条件和设计要求确定。
        2.6施工方法
        2.6.1孔序划分
        乌苏特吾勒大坝防渗帷幕灌浆试验孔设计为沿灌浆轴线单排布置，分三序施工，孔间距2m，Ⅰ序灌浆孔中心间距为8.0m，Ⅱ序灌浆孔加密灌浆至间距4.0m，Ⅲ序灌浆孔加密至间距2.0m（一切以设计图纸为准），最大灌浆深度45.8m。

         乌苏特吾勒大坝帷幕灌浆试验孔分序示意图
        2.6.2 钻孔
        （1）钻孔孔径
        帷幕灌浆试验：孔口封闭法常规帷幕灌浆孔孔口管段直径不小于φ91mm，以下各段钻孔为φ56mm；先导孔孔口管段直径不小于φ110mm，以下各段为φ76mm。
        检查孔：帷幕灌浆部位质量检查孔孔径一般为φ76mm。循环式灌浆法孔口封闭灌浆法，灌浆管的外径与钻孔径之差宜为10～20mm，若用钻杆作为灌浆管，应采用外平接头连接。
        （2）钻孔孔斜
        帷幕灌浆试验孔（含先导孔）、压水检查孔、抬动观测孔孔底偏差值按以下原则控制：
        ①当孔向为垂直的或顶角小于5º时，孔底偏差不得大于下表的规定。深孔钻进时，应严格控制孔深20m以内的偏差。
        ②对顶角大于5°且有测斜要求的，孔底允许偏差值可适当放宽，但方位角的偏差不应大于5°。
          钻孔孔底最大允许偏差值表         单位：m

        ③各类钻孔均应分段进行孔斜测量，并详细记录钻孔段偏差值。
        （3）钻孔孔深
        帷幕灌浆试验段钻孔终孔孔深暂按照设计图纸指示的孔底高程控制。帷幕灌浆试验段先导孔深度较防渗帷幕设计底线加深5m，若试验段帷幕灌浆检查孔透水率未达到设计防渗标准，后续主体帷幕灌浆孔深需要增加灌浆段长，具体由设计方根据帷幕试验段检查孔现场检查结果分析决定。
                  帷幕灌浆分段段长         单位：m

        注：接触段2m为深入基岩深度，接触段钻灌结束后扫孔埋设孔口封闭器。
        （4）孔斜保证措施
        按设计规定的位置和方向把灌浆孔钻到规定深度，是对钻孔质量的最基本要求，在钻孔施工时，为防止发生偏差可采取以下措施：
        ①将钻机固定在地基上，钻进中不摇晃；
        ②仔细找准位置，校正好立轴方向，按要求的孔向和孔位开孔；
        ③钻进中不断地检查竖机、钻杆的方向有无变化，发现问题及时纠正；
        ④熟悉所用钻机和钻孔方法的特点，钻研技术，总结经验教训，提高操作者的技能；
        ⑤钻孔的终孔深度应符合设计规定。孔内残留岩心和沉淀不应超过20厘米；
        ⑥钻进结束等待灌浆或灌浆结束等待钻进时，孔口均应堵盖，妥加保护。
        2.6.3 灌浆孔冲洗
        灌前冲洗的目的，是要将钻孔内的及糊在岩缝口处的岩粉碎屑及泥砂等冲出孔外，以便于浆液进入。自上而下孔口封闭法帷幕灌浆各段灌前均应进行裂隙冲洗。具体按设计文件及DL/T5148-2012要求执行。
        （1）钻孔冲洗采用压力水脉动冲洗或风水联合冲洗，在断层破碎带及裂隙发育等地质条件较复杂的区域，应通过现场试验确定的采用冲洗方式。质量检查孔不得用压力水脉动冲洗，也不得用风水联合冲洗。
        （2）冲洗结束标准：钻孔冲洗要求冲洗后孔底残留物厚度不得大于20cm。裂隙冲洗要求至回水澄清时止，或总的冲洗时间不少于20min。对回水达不到澄清要求的孔段，应按甲方的指示进行处理。
        （3）裂隙冲洗压力：裂隙冲洗一般采用压力水冲洗，可结合压水试验进行，特殊情况下可以用脉动水、风等冲洗。帷幕灌浆试验孔裂缝冲洗压力一般采用80％的灌浆压力，若80％的灌浆压力超过1MPa时，则采用1MPa；采用风压冲洗时，风压一般采用50％的灌浆压力，如50％的灌浆压力超过0.5MPa，则采用0.5MPa。
        （4）同一孔段的冲洗结束后24h内必须进行灌浆作业，否则灌前应重新进行冲洗。
        （5）当邻近有正在灌浆的孔或邻近的孔灌浆结束不足24h时，不得进行冲洗。
        2.6.4 压水试验
        各灌浆段在灌浆前应进行简易压水，先导孔和检查孔压水试验采用一级压力的单点法压水，简易压水可与裂隙冲洗结合进行。
        （1）压水试验应在钻孔冲洗或裂隙冲洗后，灌浆前24h内分段进行。
        （2）压水方式：
        帷幕灌浆试验先导孔和检查孔采用五点法压水试验；常规帷幕灌浆试验孔灌前采用简易压水法。
        （3）压水试验压力
        压水试验压力一般采用灌浆压力的80%，该值若大于1MPa时，采用1MPa。
        （4）压水试验稳定标准
        ① 简易压水试验：在稳定压力下，压水20min，每5min测读一次压入流量，取最终读数为计算岩体透水率q的计算值。
        ② 岩体透水率的计算按DL/T5148-2012附录A的规定进行。
        2.6.5帷幕灌浆
        （1）灌浆方式
        本工程大坝基岩帷幕灌浆采用“小口径钻孔、孔口封闭、自上而下分段、孔内循环法”灌浆法，即孔口封闭灌浆法，灌浆孔示意图如下图所示。孔口封闭灌浆法适用于块状、厚层或高倾角岩层的高压灌浆，对于本工程呈破碎断裂带分布，倾角走向较为复杂基岩使用该类型灌浆。

                  孔口封闭法灌浆孔示意图
        （2）灌浆分段与灌浆压力
        帷幕灌浆压力及段长划分试验按下表执行，根据灌浆试验成果可进行调整。
           分段段长及对应的最大灌浆压力值单位：m

        注：试验段灌浆压力根据灌浆过程中反映出的情况进行适当调整。
        （3）灌浆水灰比及变换标准
        帷幕灌浆试验孔内浆液采取循环式，确保孔内浆液处于新鲜流动状态，保证灌浆效果，孔内循环式灌浆整体布置示意图如下图所示：

                 孔内循环式灌浆整体布置示意图
        1）水泥浆液采用3：1、2：1、1：1、0.8：1、0.5：1（水灰比、重量比）等五个比级，开灌水灰比为3：1。灌浆试验开灌水灰比可依据现场实际进行相应调整。灌浆浆液应由稀到浓逐级变换。
        2）浆液变换应遵循如下原则：
        ①当灌浆压力保持不变，注入率持续减少时，或注入率不变而压力持续升高时，不得改变水灰比。
        ②当某级浆液注入量已达300L以上，或灌注时间已达30min，而灌浆压力和注入率均无显著改变时，应换浓一级水灰比浆液灌注；
        ③当注入率大于30L/min时，根据施工具体情况，可越级变浓；
        ④每段的灌浆结束应根据实际的岩石条件和要求进行调整，当最大设计压力下的注入量小于1L/min且持续超过30分钟时，灌浆即可结束；
        3）灌浆过程中，应及时记录浆液密度和回浆温度，浆液变换及灌浆结束时亦应测记浆液密度，其测值应反映在灌浆综合成果表中。
        （4）灌浆试验结束标准
        ①帷幕灌浆试验在规定压力下，当注入率不大于1L/min，继续灌注30min，且总的灌浆时间不少于90min，灌浆即可结束。
        ②如遇到灌浆量30min内持续在1-2L/Min，而搅拌桶内无明显浆液输出，视为仪器误差，可正常结束灌浆；
        ③当长期达不到结束标准时，应及时研究处理措施，不得擅自停灌。
        （5）封孔
        ①帷幕灌浆试验全孔灌浆结束，以0.5:1的新鲜普通水泥浆液置换孔内稀浆或积水，采用全孔灌浆封孔法封孔。
        ②封孔灌浆时间不少于1hr，封孔灌浆压力采用该灌浆孔的最大灌浆压力。
        ③已进行“全孔灌浆封孔法”的灌浆试验孔，待孔内水泥浆液凝固后，应清除孔内污水、浮浆，若灌浆孔上部空余孔段大于3m时，采用“导管注浆封孔法”进行封孔；小于3m时可使用水泥砂浆封填密实。
        2.6.6 抬动观测
        灌浆区域的抬动观测孔，通过测量相对位移值，监测、控制灌浆抬动值，以确保帷幕灌浆施工安全。首先钻进观测孔，孔深应深入基岩一定深度，然后下入两种规格的观测管，将两管间隙及观测管与孔隙间隙灌入粉细砂，并密实填满间隙，接着在外观测管上部伸出部分与地表浇筑到一起，防止地面水泥浆进入孔内。在进行压水灌浆前，将千分表与管架固定在内侧观测管上，使伸缩杆与地面观测平台接触，进行抬动变形观测。设置抬动观测孔注意事项如下：
        （1）设有抬动变形观测的部位，其观测孔临近10m～20m范围内的灌浆孔段在裂隙冲洗、压水试验及灌浆过程中均应进行观测，并认真记录观测成果。
        （2）灌浆（含压水）累计抬动变形允许值为0.2mm。
        （3）抬动变形观测应委派专人进行连续观测记录，如施工中发现超过规定的允许值，应立即降压并停止施工，及时采取处理措施。抬动变形观测一般情况下每5min侧记一次读数，发生抬动时应加密测读，并加强抬动变形现场巡视。当发生抬动迹象时，应降压施工，当变形值上升速度较快或超过规定的允许值，应立即卸压暂停施工并作好详细记录，及时研究采取相应处理措施。
        （4）抬动变形观测使用的千分表，应经常检查，确保其灵敏性和准确性。
        （5）抬动变形观测过程中，应严格防止碰撞观测装置，保证在正常工作状态下观测，确保测试精度。
        （6）灌浆工作结束后，抬动观测孔应进行封孔处理。
        抬动观测孔安装如下图所示。

        帷幕灌浆抬动观测孔安装图
        2.6.7 检查孔施工
        帷幕灌浆检查孔应自上而下分段钻进、分段阻塞并进行压水试验。
        （1）帷幕灌浆试验质量检查应以分析检查孔压水试验成果为主,结合钻孔岩芯、灌浆记录和物探测试成果等进行综合评定。
        （2）灌浆单元工程结束后，全套的灌浆资料需及时整理上报；
        （3）帷幕灌浆试验压水检查、物探测试检查一般应在灌浆结束后14d后进行；
        （4）灌后压水质量检查孔应结合相应部位灌浆综合成果布置；
        （5）检查数量：帷幕灌浆试验压水质量检查孔数为灌浆总孔数的10%，故本灌浆试验布置一个检查孔；
        （6）帷幕灌浆试验检查孔应提取岩芯，绘制钻孔柱状图。岩芯应全部拍照，根据业主要求，重要岩芯可移交业主长期保留；
        （7）帷幕灌浆试验孔的封孔质量应逐孔进行孔口外观检查，并钻孔取芯抽检，抽检比例按灌浆总孔数的1%控制；
        （8）检查合格标准
        本工程大坝帷幕灌浆试验灌后基岩透水率设计合格标准为不大于5Lu。其中坝体混凝土与基岩接触段的透水率合格率应为100%，其余各段合格率应达90%以上。不合格的孔段透水率不超过设计规定值的150%，且不集中，方可认为合格；
        （9）质量检查孔必须按灌浆孔要求进行灌浆封孔；
        （10）检查不合格的孔段应根据工程要求和不合格程度确定是否需要进行扩大补充灌浆和检查。
        三、参数确定
        试验完成后，经监理、业主、设计及施工单位结合灌浆成果统计、施工工艺等进行综合讨论，对帷幕灌浆试验的设备选型、灌浆压力、灌浆分段、灌浆方法、浆液变换、抬动观测、检查孔压水所能达到的设计标准、检查孔取芯等施工工艺及参数均得到确定，为下一步施工奠定了良好的基础。
        四、经验总结
        帷幕灌浆是水工建筑物防渗处理的重要手段，其成功与否，对保证水工建筑物的安全运行起着重要的作用，而且帷幕灌浆属于隐蔽工程，在施工中无法非常直观的对其施工质量和效果进行判断，因此在施工前期进行帷幕灌浆试验是非常有必要且也非常重要，通过帷幕灌浆试验，来对施工设备、施工参数、检查标准、施工过程控制等方面均能起到很重要的作用。
        五、参考文献
        [1] 《新疆乌苏特吾勒水库工程大坝基础帷幕灌浆施工方案》2011.06
        [2]《SL62-94水工建筑物水泥灌浆施工技术规范》
        [3] 《乌苏特吾勒工程招标文件》 2011年5月