固结灌浆高强度施工管理和工艺探讨.doc

第 1 页 共 17 页 小湾大小湾大坝坝特殊特殊坝坝基地基地质质条件下的固条件下的固结结灌灌浆浆和工和工艺艺探探讨讨 1.概述概述 1.1. 电站概况电站概况 小湾水电站位于云南省西部南涧县与凤庆县交界的澜沧江中游河段，在干 流河段与支流黑惠江交汇处下游 1.5km 处，系澜沧江中下游河段规划八个梯级 中的第二级。 小湾水电站工程属大（1）型一等工程，永久性主要水工建筑物为一级建筑 物。工程以发电为主兼有防洪、灌溉、养殖和旅游等综合利用效益，水库具有 不完全多年调节能力，系澜沧江中下游河段的“龙头水库” 。该工程由混凝土双 曲拱坝（坝高 294.5m） 、坝后水垫塘及二道坝、左岸泄洪洞及右岸地下引水发 电系统组成。水库库容为 149.14108m3，电站装机容量 4200MW（6700MW）, 保证出力为 1854MW，多年平均发电量为 188.9108kW.h。 1.2. 地层岩性地层岩性 本标段地质岩层为时代不明的中深变质岩系（M）及第四系。基岩岩性主要 为黑云花岗片麻岩和角闪斜长片麻岩，两种岩层均夹薄层透镜状片岩。 黑云花岗片麻岩，其中夹一层厚约 160m200m 的角闪斜长片麻岩(P)及多 层片岩。该层岩体中有高岭石化等蚀变现象，蚀变带层厚 420m740m，主要分 布在坝后抗力岩体部位的、号山梁及其下游地段。角闪斜长片麻岩夹片岩， 该层厚约 100m120m，主要分布在坝基和邻近坝基的坝后抗力岩体部位。 片岩夹层平均间距约 4m20m，平均厚度约 0.20m0.35m。主要分布在坝 基及上下游部位。 第四系（Q）地层分布较广，分布在河床及河漫滩部位的冲积层（Qal）分 选和成层性较差，具强透水性，厚度一般为 16m31m。分布在冲沟部位及平缓 的山坡上的坡积层（Qdl）结构较松散，厚度一般为 2m5m，局部（冲沟附近） 厚 5m10m。分布在冲沟地段及两岸陡坡下的山坳地带的崩积层（Qcol）块石 以骨架形式存在，缝隙间一般充填砾质或碎石质粉土。 第 2 页 共 17 页 1.3 地质构造地质构造 本标段内岩层呈单斜构造，产状为 N7585W，NE7590。破裂结构面 较发育，坝基建基面无 I 级断层分布，主要地质缺陷有：级断层 F11、级 结构面、微风化卸荷岩体和裂面高岭土化岩体、蚀变岩体（E4+5、E1、E9 等蚀 变岩带） 。 级断层 F11，在高程 1245m1207m 之间坝趾附近出露，与拱坝中心线呈 小角度相交，向东延伸逐渐远离坝基，总体产状为 N8590 W，NE7590。断层破碎岩带宽约 4m，由分布于上、下游侧的两个主裂 面和破碎岩体组成，两条主裂带宽度分别为 20cm50cm、10cm30cm，主要由 灰绿色糜棱岩及碎裂岩组成。 坝基级结构面产状主要为近 EW 向陡倾角，宽度一般为 2cm10cm，主要 为片状岩、碎块岩夹糜棱岩等。另外，还发育有若干条较短小的近 EW 向陡倾角 挤压面，一般宽度 0.5cm5cm 不等，主要为片状岩、压碎岩及少量糜棱岩。 坝基岩体裂面高岭土化现象主要分布在 1190m1235m 高程 F11 上游侧约 6m10m 范围，有挤压错动性质，较紧密，局部可见高岭土膜；分布于建基面 1196m1245m 高程之间的岩体有具压扭性质，节理裂隙多紧密，面上见高岭土 膜。 坝前右岸大椿树沟至左岸饮水沟一线存在 II 级断层 F7，与坝踵之间最近 距离约 50m。其总体产状近 EW，N7490，断层面呈舒缓波状，沿走向和倾 向产状均有变化，局部倾角仅 4550，有时反倾。其破碎带总宽度一般 18.6m37m，其中主裂带宽度一般为 0.8m2.5m，主要由灰白色断层泥和泥化 糜棱岩组成，部分地段发育有两个主裂带，主裂带两侧主要为碎块岩和碎裂岩。 1.4 岩体风化岩体风化、蚀变、蚀变 岩体风化 坝址地段岩体风化以表层均匀风化为主，在断层带、节理密集带、蚀变带 和较厚的云母片岩夹层分布部位常出现局部囊状风化和夹层风化现象。坝址地 段两岸强风化岩体底界埋深（铅直，下同）一般为 10m20m，右岸局部可达 26m，河床部位一般无强风化岩体分布。弱风化岩体底界埋深一般为 第 3 页 共 17 页 40m50m，局部可达 70m88m，河床部位一般为 23m31.5m。 蚀变岩体 本标地段分布有相对较大的蚀变带 4 条，有 E1、E4、E5、E9，它们性状不 一，其中以 E5 强度最低，E1、E9 性状相对较好。延伸方向均以近 SN 向为主， 局部追踪近 EW 向结构面发育。岩体蚀变以高岭石化蚀变为主伴随黄铁矿化蚀变， 主要发生在黑云花岗片麻岩中。 除以上规模较大的蚀变带之外，在本标地段还有零星发育的蚀变岩体，一 般表现为沿近 SN 向节理两侧岩体发生蚀变，宽度一般为 5cm20cm，以轻微蚀 变为主。另外，在较大的蚀变带附近，沿近 EW 向结构面有蚀变现象，多为轻 微中等蚀变。 1.5. 卸荷卸荷岩体岩体 本标地段河谷深切，相对高差达 1000 余米，岸坡陡峻,两岸山坡岩体卸荷 作用强烈，卸荷裂隙发育。岩体卸荷深度发育一般规律是：在山脊部位明显大 于冲沟部位，高高程部位大于低高程部位。山脊部位：强卸荷深度一般为 10m20m，卸荷深度一般为 40m90m；冲沟部位强卸荷深度一般为 3m20m， 卸荷深度一般为 15m55m。低高程部位：强卸荷深度一般为 3m10m，卸荷深 度一般为 15m40m；高高程部位强卸荷深度一般为 15m40m，卸荷深度一般为 55m90m。坝基建基面上在下列两个部位分布有卸荷岩体：1150m1070m 高 程之间近坝趾部位，呈长条形分布，在建基面上的出露宽度为 0m10m；1010m 近坝趾部位，呈长条形分布，建基面上的分布宽度为 0m3m（沿径向方向） 。微风化卸荷岩体中卸荷裂隙间隔成带分布，裂隙微张 张开，部分有少量次生泥充填，带间岩体相对完整，部分片岩夹层有软化现象， 部分节理裂隙有裂面高岭土化。卸荷裂隙主要为顺坡中缓倾角节理裂隙，产状 为 N015W，NE3145，间距 10cm50cm，延伸长度一般 3m5m。 1.6. 地应力测试地应力测试 枢纽区位于山高谷深，区域构造挤压强烈，属中高地应力区，在河谷底部 分布有高应力集中区。其测试成果见表 1-5。 平面地应力测试成果汇总表 表 1-5 第 4 页 共 17 页 编号测点位置 1(MPa)2(MPa)() 7-1 PD7 右壁 63m 5.201.40-80 7-1 PD7 左壁 98m 2.000.50-58 7-2 PD7 右壁 80m 5.20-0.35-67 7-2 PD7 硐底（100m） 15.002.305 13-1 PD13 右壁 28m 1.26-2.65-58 13-2 PD13 右壁 58m 10.202.40-43 13-3 PD13 右壁 83m 20.102.80-49 57-1 PD57 左壁 48m 10.003.60-26 57-2 PD57 左壁 58m 17.806.70-60 57-3 PD57 左壁 73m 10.804.70-54 注： 1.1、2代表垂直钻孔轴线的铅直平面内最大主应力、最小主应力，且 1、2互相垂直。 2. 代表最大主应力 1与水平面的夹角，逆时针旋转为正。 2.固固结结灌灌浆设计浆设计 2.1.固结灌浆的布置及分区固结灌浆的布置及分区 为提高坝基岩体的整体承载能力和适应小湾水电站高拱坝基础应力需要， 大坝坝基基础岩面全部布置有固结灌浆，并依据坝体受力情况及地质条件分为 A、B、C、D、E、F、G 七个区段，固结灌浆孔位结合坝体冷却水管等综合情况 布置。 A 区位于坝基中间部位，B 区在 EL990m 以下河床坝段上游坝踵部位，C 区 在 EL990m 以上上游坝踵部位，D 区在下游坝址部位，E 区右岸建基面高程 990.00m 高程以上的地质缺陷集中区部位，F 区在坝顶推力墩部位，G 区在坝址 贴角砼以外一定范围内的区域。固灌孔布置原则为：A 区间排距为 3.03.0m，B、C、D、F、G 区间排距为 2.52.5m，E 区间排距为 1.5 或 2.0m。 各区固结灌浆的目的及重要性： B、C 区的固结灌浆有补强帷幕灌浆作用， D 区固结灌浆位于拱坝高压应力区，是小湾坝基固结灌浆提高承载力的重点施 工部位。G 区固结灌浆是补强 D 区的岩体整体承载能力，E 区是重点解决地质缺 第 5 页 共 17 页 陷集中区部位的岩体质量，其它 A、F 区由于对基础应力要求较低，坝基固结灌 浆质量要求也相应较低。 另外、为提高坝基浅表层岩体的抗剪强度，在 EL1050m 以下 1232 坝段坝 基有盖重固结灌浆孔内布置有 332 锚筋桩，入岩 912m、砼内 36m。 2.2.固结灌浆的一般规定固结灌浆的一般规定 根据前期在 EL1000.00 高程附近无盖重灌浆生产性试验，由于坝基开挖卸 荷和地应力回弹等因素，浅表层 5m 范围岩体裂隙发育严重，灌浆质量难以保证， 设计决定在 EL1050.00m 以下即 1232 坝段进行有盖重固结灌浆，EL1050.00m 以上其它坝段根据试验情况决定采取灌浆方式。 有盖重固结灌浆要求本坝段砼最小盖重河床坝段不小于 56m，岸坡坝段 局部最小砼厚度不小于 4.5m，灌浆坝段的两侧坝段砼厚度不小于 3m 且龄期不 小于 3d。为防止抬动，同排孔同时灌浆的最小安全距离不小于 7m，若相邻孔有 串浆时，不得同时施灌，只留一个孔灌浆，串浆孔用 M20 砂浆回填。 有盖重固结灌浆施工一般在砼收仓 3d 后（强度大于 10MPa）开始钻孔施工。 2.3固结灌浆工程量固结灌浆工程量 右岸大坝坝基固结灌浆工程量达到 25.2 万米，其中单个坝段工程量 6266.0m，灌浆 4420.0mm。最高月施工强度达 12000m。 2.4.固结灌浆施工工艺固结灌浆施工工艺 2.4.1 固结灌浆总体施工工艺流程 以一个坝段为一个施工单元，根据实际混凝土的浇筑情况可分子单元施工， 每施工单元内的施工顺序如下： 物探孔抬动孔I 序孔序孔序孔（序排中奇数孔）孔（ 序排中偶数孔）检查孔加密孔。 2.4.2 灌浆孔单孔施工工艺流程 自下而上灌浆：钻机对中固定钻出全孔测量孔深自下而上分段进行 洗孔、压水自下而上分段灌浆安插锚筋桩注浆孔口二次回填 自上而下灌浆：钻机对中固定钻进第一段钻孔冲洗测量孔深裂隙 第 6 页 共 17 页 冲洗简易压水灌浆钻进第二段钻孔冲洗测量孔深裂隙冲洗简易 压水依次至设计孔深灌浆插锚筋桩注浆孔口二次回填 钻机对中固定钻进第一段测量孔深钻孔冲洗、压水第一段灌浆 钻至终孔测量孔深裂隙冲洗简易压水自下而上灌浆封孔扫孔插 锚筋桩注浆孔口二次回填 2.4.3 固结灌浆施工工艺 钻孔 钻孔要求分序、分段进行，钻孔孔底偏差控制不大于 1/40 孔深，孔位偏差 不超过 10cm。对兼有锚筋桩的固灌孔钻孔孔径不小于90mm，其它孔孔径不小 于50mm，除物探孔、检查孔必须采取回转钻机外，一般灌浆孔可使用适宜的 钻机。钻孔过程中遇岩层、岩性变化，发生掉钻、塌孔、钻速变化、回水变色、 失水、涌水以及打断冷却水管等异常情况，进行详细记录。 洗孔、压水 钻孔冲洗分孔壁冲洗和裂隙冲洗，孔壁冲洗采用导管通入大流量水流从孔 底向孔外冲洗的方法进行，孔口返清水为止；裂隙冲洗采用高低压脉动冲洗， 冲洗压力一般采用 80%的灌浆压力，压力超过 1MPa 时，采用 1.0MPa，裂隙冲洗 控制标准为回水澄清 1020min 结束，总冲洗时间不少于 20min，当临近的灌 浆孔正在灌浆或灌浆结束不足 24h，本段不得进行裂隙冲洗；压水试验必须在 裂隙冲洗后 24h 内进行，否则灌前应重新进行钻孔冲洗。先导孔、灌后检查孔 进行“单点法”压水试验，一般灌浆孔段的压水试验采用简易压水试验， “单点 法”压水试验和简易压水的压力为灌浆压力的 80%，若大于 1MPa 时，采用 1.0MPa，遇到特殊情况则按设计通知执行。简易压水试验压水时间为 20min， 每 5min 测读一次压水流量，取最后的流量值作为计算值。单点法压水试验稳定 标准：在稳定压力下每 5min 测读一次压水流量，连续四次读数中最大值与最小 值之差小于最终值的 10%；或最大值与最小值之差小于 1L/min 时即可结束，压 水时间一般不少于 30min。 灌浆 序孔、序孔：采用自上而下分段灌浆法；、序孔先单独灌注第一 段后，最后一钻到底自下而上分段灌注，灌浆段在洗孔、压水结束后应及时进 行灌浆作业，因故中断时间超过 24h，灌前应重新进行裂隙冲洗、压水试验。 第 7 页 共 17 页 灌浆时应尽快达到设计压力，对于接触段及灌浆过程中注入量较大的孔段，采 用分级升压或间歇升压法使灌浆压力与注入率相适应。钻孔结束待灌浆时，灌 浆孔孔口应妥善保护，严防污水、污物流入孔内。灌浆压力、灌浆孔段长和灌 前压水试验压力控制按照下表执行。 固结灌浆压力及分段表 孔序段次 1234 5 及以下 入岩深度（m）02255101015大于 15 段长（m） 23555 压水压力 （MPa） 0.60.81.01.01.0 I 序孔 序 孔 灌浆压力 （MPa） 0.81.21.61.61.6 段次 1234 5 以下 入岩深度(m)02255101015大于 15 段长(m) 23555 压水压力 （MPa） 0.81.01.01.01.0 序 孔 序 孔 灌浆压力 （MPa） 1.01.52.02.02.0 段次 123 4 及以下 段长(m) 2355 压水压力 （MPa） 0.60.81.01.0 检查 孔 灌浆压力 （MPa） 1.01.52.02.5 灌浆压力以回浆管压力表控制为主，压力表读数以中值为准。压力表指针 摆动范围控制在灌浆压力的 20%，且摆动幅度应做记录，资料分析整理时换算 成全压力。灌浆压力与注入率按照表 3.2-2 进行控制。 表 3.2-2 灌浆压力与注入率的参考关系 注入率 L/min 30 30202010 5 19 坝段10160.914.950.09 0.17 00.844343/100/ / / 20 坝段11180.610.140.06 0.20 01.364847/981/2/ / 21 坝段11176.42310.913.10 1.10 013.313626/72.24/11.12/5.64/11.1 22 坝段13225.31308.45.81 2.20 022.024736/76.62/4.34/8.55/10.6 23 坝段13204.31031.85.05 2.78 023.214228/66.72/4.87/16.75/11.9 合计58947.54676.24.94 1.40 023.21216180/839/4.213/614/6.5 4.3 灌后声波成果分析灌后声波成果分析 18#23#坝段检查孔及先导孔灌后声波检测成果 部位 孔数 (个) 最小波速 （m/s） 最大波速 （m/s） 平均波速 （m/s） 检测 范围 共测点 数（个） 大于 5000m/s 占 总点数百分 比（） 大于 4750m/s 占 总点数百分 比（） 大于 4500m/s 占总点数百分 比（） 全孔99192.194.296.9 18 坝段14352056805262 前 5m 35576.985.493.2 全孔130192.496.799.1 19#坝段 14 385059505259 前 5m 35078.689.796.3 全孔141587.289.892.9 20#坝段14194059505258 前 5m 37570.783.793.3 第 14 页 共 17 页 全孔131091.397.599.1 21#坝段15301058805197 前 5m 38183.794.297.4 全孔151690.296.699.7 22#坝段17397061005223 前 5m 40381.992.698.0 全孔71474.492.098.5 23#坝段7397058105095 前 5m 17767.289.398.3 灌后声波成果说明，部分坝段灌后声波成果不能满足设计要求，尤其是孔口段 5m 均不能满足设计要求的灌后声波值大于 5000m/s 的测点不小于 85的要求。 5 存在的问题 5.1 2123 坝段检查孔压水部分孔段透水率超标问题坝段检查孔压水部分孔段透水率超标问题 2123 坝段固结灌浆施工期间由于坝基二次开挖地应力回弹和基础混凝土 较薄等因素，加之表层卸荷裂隙发育，固结灌浆施工时部分孔段注入率很大，最 大孔段灌浆注入量达 19t 之多，串浆距离达 4060m 远，综合因素影响造成固灌 施工面相继出现混凝土仓面裂缝。为防止再次出现裂缝，经多次开会研究和咨询 专家意见，初期施工的 2123 坝段将 I、II 序孔第一段灌浆压力调整为 0.10.15MPa，并且对注入量较大孔段采取限流、限量、待凝浆液中掺加硅粉等 措施，虽然对裂缝的预防起到了一定的效果，但对灌浆质量造成了一定的负面影 响，后经检查孔压水检查部分孔段尤其孔口段透水率不能满足设计要求，证明了 灌浆压力、浆液配比对灌浆质量的重要性。 5.2 孔口段孔口段 5m 范围灌后声波合格率偏低问题范围灌后声波合格率偏低问题 从已施工坝段的灌后声波成果可以看出，不管是采取何种灌浆方式和灌浆压 力，按调整前和调整后的设计技术要求施工的坝段，孔口段 5m 范围内灌后声波 测试成果均不能满足设计要求的大于 5000m/s 的测点不小于 85的要求，说明 目前采取的有盖重固结灌浆工艺和灌浆压力需要进一步调整。 5.3 部分坝段在固结灌浆期间出现混凝土裂缝问题部分坝段在固结灌浆期间出现混凝土裂缝问题 已施工坝段 1723 坝段固结灌浆施工期间除 20、22 坝段没有出现仓面裂缝 外，其余坝段均不同程度的出现仓面裂缝，裂缝出现位置大多在固结灌浆注入率 较大孔段（单位注入量1000Kg/m）和坝段顺水流向中间部位附近，且裂缝深度 第 15 页 共 17 页 均未贯穿基岩，经分析研究认为复杂地质构造、缺陷、地应力回弹以及灌浆压水 压力的共同作用是产生裂缝的主要原因。在固结灌浆施工中采取何种灌浆方式 和灌浆参数是防止后续坝块裂缝产生需要研究和解决的问题之一。 5.4 固结灌浆施工多次上面问题固结灌浆施工多次上面问题 由于基础层混凝土受强约束区、地应力回弹等综合因素影响，混凝土层间间 歇期时间要求很短，应尽快做到快速上升，防止出现仓面裂缝。而大坝基础固结 灌浆施工要求在满足混凝土盖重的条件下尽早施工，一是减少混凝土钻孔量减 少投资，二是减少破坏坝体冷却水管的几率，保证坝体混凝土正常冷却。小湾大 坝基础固结灌浆单个坝块钻灌工程量达 4000m 以上，如果按 15d 间歇期控制，不 可能完成钻灌任务，不得不分几次上面施工，涉及来回倒运设备增加成本，而且 总施工工期加长，既耽误了混凝土浇筑也延长了固结灌浆的施工时间，并且由于 部分孔序混乱导致不便于对灌浆质量分析。 5.5 岸坡坝段固结灌浆施工与坝体冷却水管干扰问题。岸坡坝段固结灌浆施工与坝体冷却水管干扰问题。 岸坡坝段固灌，受设计技术要求限制（相邻坝段混凝土盖重不少于 3m）采用 一次施工，局部混凝土厚度可能会达到 20.0m，采用 3.0m 升层浇筑时，中间铺设 有两层冷却水管，这两层冷却水管在现场铺设时均无法测量实际坐标，加固固定 也不易控制，虽采用预埋定位三角柱+“U”型卡+拉铅丝固定等综合措施对中间层 加铺冷却水管进行加固，但在实际施工过程中观察仍有较多移位情况，在固结灌 浆钻孔过程中不可避免地会打断这些冷却水管，此外 20.0m 混凝土内，冷却水管 的层数接近 20 层，如果每层控制偏差在 10cm 以内，固结灌浆钻孔孔斜控制也难 以满足 1.5m 冷却水管布置，所以，今后如何处理岸坡坝段的固灌钻孔与冷却水 管的干扰，固灌与坝体温控的矛盾将是技术攻关的重点、难点之一。 6 工艺措施探讨和建议 由于目前小湾大坝基础固结灌浆在 EL.1050 高程以下拟采用有盖重固结灌浆， 鉴于已施工坝段的固结灌浆存在以上问题，因此，有必要对目前使用的固结灌浆 工艺和灌浆参数需要进一步研究和探讨。 6.1 有盖重固结灌浆改为无盖重加引管灌浆方式 第 16 页 共 17 页 小湾大坝坝基开挖很深，由于基岩卸荷回弹，表层裂隙发育严重，初期在进行 无盖重灌浆试验时，孔口 5m 范围内无回水