控制性水泥灌浆在围堰砂卵石地层的应用

一、工程简介

（一）猴子岩水电站导流洞简介

猴子岩水电站位于四川省甘孜藏族自治州康定县孔玉乡，是大渡河干流水电规划“三库22级”的第9级电站。坝址控制流域面积约54036km2，多年平均流量774m3/s。水库正常蓄水位1842m，电站装机容量1700MW，单独运行年发电量69.964亿kWh。

猴子岩水电站枢纽建筑物由面板堆石坝、泄洪洞、放空洞、发电厂房、引水及尾水建筑物等组成。大坝为面板堆石坝，坝顶高程1848.50m，河床趾板建基面高程1625.00m，最大坝高223.50m。引水发电建筑物由进水口、压力管道、主厂房、副厂房、主变室、开关站、尾水调压室、尾水洞及尾水塔等组成，采用“单机单管供水”及“两机一室一洞”的布置格局。

两条导流洞断面尺寸均为13m×15m（城门洞型，宽×高），同高程布置在左岸，进口高程1698.00m，出口高程1693.00m。工程初期导流采用断流围堰挡水、隧洞导流的导流方式。

（二）进口明渠段地质条件

导流洞闸室和现代河床之间为Ⅰ级阶地，沿导流洞轴线长107m，为导流洞明渠段，底板高程1698m，底宽17m，向河床方向逐渐敞开。明渠大部分为覆盖层，上部为崩坡积层，厚度0～15m，主要由块碎土组成，结构较松散；下部为河床③层含泥漂（块）卵（碎）砂砾石层上，地基具一定承载力，但局部架空，渗透性强，渗透系数K值为1.59×10－2～7.56×10－2cm/s；

再往下为河床②粉质粘土层，渗透系数K值为2.33×10－5～1.4×10－6cm/s，可作防渗。

（三）围堰方案

1．围堰布置及结构型式选择。鉴于围堰处于大渡河岸左侧，采用混凝土心墙或粘土心墙挡水围堰，需要基础开挖至基岩，河床为砂卵石地层，厚度约30m，工作面狭窄，施工期挡水解决困难。原投标选定的旋喷水泥帷幕灌浆的方案，实施操作复杂不能满足工期要求且造价较高。现考虑选用土石围堰，结合相应控制水泥灌浆防渗处理。

2．围堰布置及结构形式。1#、2#导流洞进口全年围堰采取土工膜斜墙土石围堰形式，由原河床的含泥漂（块）卵（碎）砂砾石直接开挖形成全年围堰，堰顶高程为1711m，堰顶宽10.00m（1#公路路面宽7.50m），迎水面边坡为1:0.5，采用钢筋笼护坡；背水面边坡1:0.8，采用石块护坡。围堰防渗采用两布一膜的复合土工膜（350g/0.5mm PE/350g）。围堰迎水面采用钢筋石笼护坡，设置1m厚的钢筋石笼护坡。

3．围堰基础处理。依据现场开挖出露的地质地条件、含泥漂（块）卵（碎）砂砾石粒径大小和均匀程度，对围堰基础采用防渗（帷幕）灌浆方法进行处理。围堰防渗灌浆施工包括进口段、进口左岸段（上游段）和进口右岸段（下游段），防渗帷幕轴线总长约206m。其中进口段轴线长69.7m，在枯水期防渗施工平台施工，枯水期防渗平台设计高程为1700.00m，在原有河床上开挖修整而成，距大渡河边约20m。左岸段和右岸段轴线分别为80.3m和55.9m，在全年围堰的保护下施工。

二、防渗（帷幕）灌浆施工

（一）防渗（帷幕）灌浆施工原理简述

导流洞进口围堰的防渗帷幕主要采用控制性水泥灌浆工艺实施，同时利用控制浆液能顶水上行的水泥灌浆堵漏工艺对局部较大渗漏通道进行封堵施工。

控制性水泥灌浆技术及其控制浆液能顶水上行的水泥灌浆堵漏工艺是立足于从灌浆可控性角度出发，结合流体和固体的受力特征，应用水泥浆液加化学外加剂后能使水泥浆液迅速失去流动而变成凝固体的特性，而形成的新的灌浆工艺构思和施工措施。它通过控制水泥浆液的凝胶时间，使水泥浆液在扩散过程中迅速失去流动性，其渗透压力会迅速消失，但水泥结石体还不会产生骨架作用，即软塑体，仍能被挤压滑动，从而有效地控制灌浆升压问题，且不会导致产生浆液流失。该技术就是利用这一原理，使地层产生挤压密实变形和挤压滑动，控制灌浆压力对地层产生的附加压应力值达到足够值后而对地层进行回填置换和挤密、挤实。 br>

（二）灌浆孔的布置及主要工程量

1．灌浆孔的布置。

（1）根据所采用工法的原理，结合以往工程的施工经验，导流洞进口围堰、进口左右岸的防渗帷幕灌浆原则上采用一排孔布置，施工过程中对局部较大的渗漏部位再在上游面增加第一排孔（间距为1.0m）。

（2）灌浆孔分I、II序，先施工I序孔，后施工II序孔。

（3）灌浆孔深按15.0m（EL1700.0m ～EL1685.0m）控制。

2．主要工程量。围堰（包括进口左、右岸段）灌浆帷幕轴线长约206m，最大孔深约15m，累计钻孔、灌浆工程量约3090m。

（三）控制性水泥灌浆主要施工程序及方法

1．施工程序。针对本工程的实际情况，进口围堰的控制性水泥灌浆施工程序主要分为以下四个步骤，即①砼盖帽浇筑(粘土层的挤压密实)②河床砂砾石的防渗处理(预埋孔口PVC管接触缝注浆固定钻机I序孔钻孔跟管拔套管并下射浆管进行控制性水泥灌浆Ⅱ序孔钻孔跟管拔套管并下射浆管进行控制性水泥灌浆Ⅲ序孔钻孔跟管拔管并下射浆管进行控制性水泥灌浆)③局部加强④质量检查。施工重点在于第二步。

2．主要工序施工方法说明。

（1）防渗墙盖帽混凝土浇筑施工。先进行盖帽混凝土浇筑，后进行防渗施工。防渗帷幕的顶部浇筑一盖帽混凝土C15，盖帽混凝土中预埋土工膜，盖帽混凝土起到连接防渗帷幕与土工膜的关系。

（2）接触缝灌浆施工。在围堰防渗钻孔灌浆施工前，先利用预埋PVC管的孔进行砼盖帽与软覆盖层面之间接触缝灌浆，灌浆前钻入覆盖层孔深1.0m左右再灌浆。施工顺序先I序孔再Ⅱ序孔，最后Ⅲ序孔，同一序可同时施工，灌浆时压力达0.5MPa左右不进浆即可结束灌浆。

（3）钻孔及孔口管的镶铸。

1）在已完成防渗轴线砼盖帽预埋的PVC管(Φ150mm)上，采用液压跟管钻机钻孔，Φ91mm钻头开孔，至孔深1.5m后预埋Φ90mm，L=1.50m孔口管，孔口管的材料选用硬质PVC管或PPR管材。

2）控制性水泥灌浆孔钻孔直径为Φ108mm，孔深15.0m，孔距1.0m；钻孔的孔位、孔向、孔斜等指标按DL/T5148-2001相关要求控制。

3）采用一次成孔再在孔内埋进浆管分段灌浆法施工。灌浆孔先施工Ⅰ序孔后施工Ⅱ序孔，最后施工Ⅲ序，同一孔序之间可同时进行施工。粘土层内的孔口管镶铸采用膜袋灌浆技术，如图1所示：

图 1利用膜袋灌浆技术在粘土层内镶铸孔口管工艺示意图

4）孔口管镶铸好后待凝12h，改用Φ75mm钻头自上而下分段钻孔。段长根据施钻情况灵活掌握，一般5～8m为一段。

5）钻孔达设计孔深后，移开钻机，先预埋灌浆射浆管，再用液压拔管机拔出套管，进行孔口阻塞器安装，完成后进行灌浆施工。每一段灌浆结束后需待凝12h，方再开始下一段的钻孔施工。

（4）灌浆。

1）灌浆采用双液灌浆法，即3SNS高压灌浆泵灌水泥浓浆，化学灌浆泵灌注化学控制液。采用化学控制液，两种浆液视不同情况或在孔内、或在地层内混合，加灌化学控制液视孔内升压情况和进浆量变化情况灵活掌握。

2）灌浆自上而下分段进行。

3）阻塞采用滤水式压浆阻塞方式进行，下一段的阻塞器阻塞在上一灌浆段的底段，其中第一段灌浆阻塞约距孔口下1.0米。钻孔完成后即可安装射浆管和阻塞器，预埋射浆管为一钢管，阻塞器压好后待凝12小时以上再进行灌浆。

4）水泥选用强度等级为32.5的普通硅酸盐水泥，水灰比全部选用0.8∶1一个级配。用比重计经常抽查水泥浆比重 ，保证使用合格的浆液。

5）根据现场施工情况，先施工Ⅰ序孔，完成后再施工Ⅱ序孔。控制性水泥Ⅰ序孔和Ⅱ序孔灌浆自上而下分三段进行，控制性水泥灌浆技术对灌浆段长没有明确的数值要求，根据施钻情况灵活掌握。

6）完成第一段灌浆后接着下一段灌浆施工，直至完成第二孔段的灌浆后接着进行终孔的附加推剪水泥灌浆。完成第三孔段的灌浆后接着进行终孔的附加推剪水泥灌浆。

7）灌浆压力以机身压力控制，各段压力值按表1标准执行。

8）灌浆结束标准：达到要求灌浆压力且已灌入一定的浆液量后即可结束灌浆。

（5）特殊情况处理：1）塌孔的处理：用压力水进行冲洗，循环进行钻灌，直至不塌孔为止；2）压力起不来：停停灌灌，待凝，并重新扫孔多次钻灌。

（6）质量检查。控制性水泥灌浆的质量检查以压水试验为主，结合取芯检查、基坑渗漏水量综合评定。检查孔数量按总孔数的5%控制。

（四）施工顺序

1．先进行进口段的防渗灌浆施工，后进行进口左岸段防渗灌浆施工，最后进行进口右岸段的防渗灌浆施工。

2．导流洞进口围堰防渗帷幕灌浆工程计划工期为45天，按2009年3月1日～4月15日控制。

3．防渗帷幕施工如与进口边坡开挖发生施工干扰，可适当调整防渗施工部位。

（五）灌浆防渗效果

1．灌浆施工2009年3月中水位高程1700左右，控制灌浆后，沿河侧开挖槽和盖重混凝土区域水量明显减少。

2．开挖发现防渗墙与导流洞洞口基岩接触部位有少量渗水，随机进行了控制水泥补强灌浆；

3．围堰内基坑底板有黑色沙粒渗漏点，靠基坑中部发育。说明围堰防渗控制深度15m，不足以满足30m厚河床覆盖层，存在从防渗墙底部河水绕渗现象。

4．进口底板开挖高程1698，揭露处水泥结块成墙连续，硬度高需要爆破拆除，具备良好防渗效果。

5．进口边坡覆盖层开挖紧随围堰施工完成后进行，开挖至1700高程，正值2009年6月大渡河主汛期，围堰内布置700m3/h水泵抽水，水面保持1697高程，低于底板施工工作面，满足正常施工要求。

三、结语

1．猴子岩水电站导流洞进口覆盖层中多大孤石，施工中易卡钻，且为砂卵石地层，成孔困难，必须采用地质钻跟管护壁。

2．原投标选定的旋喷水泥帷幕灌浆的方案，实施不能满足工期要求，工程造价约350万元，而根据现场确定的控制性水泥灌浆的方案，工程造价为250万元，说明了该新技术的良好经济效益。

3．控制水泥浆凝胶时间并能达速凝条件，较好解决了串冒水泥浆的问题；应用控制水泥浆能顶水上行的灌浆堵漏工艺，使流动水的有害影响变成有利条件，形成水泥灌浆防渗帷幕。

4．应用水泥灌浆附加推剪挤压法多用于岩层破碎地带处理，进行深覆盖层帷幕灌浆在国内外工程中尚不多见，本次工程为用水泥灌浆改善松散覆盖层强度、防渗指标等参数提供了参考。

作者简介：丁西武（1974-），男，湖北黄冈人，中国人民武装警察部队水电第一总队工程师，研究方向：工程施工及工程造价管理；刘建坤（1984-），男，山东临沂人，中国人民武装警察部队水电第一总队助理工程师，研究方向：水电工程施工管理。