三峽工程壩基巖體固結灌漿現場優化設計

吳金球

1、工程概況

三峽大壩壩頂高程185m，最大壩高181m，順水流向最大底寬136m。壩基為閃云斜長花崗巖，建基面基巖為弱風化帶及微風化、新鮮巖體。裂隙率2%，變形模量14.7～43.1GPa，聲波測試縱波速度Vp＝4.3～5.3km/s，動彈模18～87GPa；80%的地段屬于微弱或極微弱透水巖體，是良好的建壩基礎巖體。

壩基因結灌漿的目的是對壩基淺層爆破松動及地質缺陷部位的巖體進行補強加固，以提高壩基巖體的均勻性和整體性，減少壩基不可恢復變形，增強淺層巖體的抗滲能力。固結灌漿的范圍包括：壩踵、壩趾各1/4壩基寬度的區域，地質缺陷部位和基礎開挖、結構設計有特殊要求的部位。

固結灌漿孔：一般地段孔排距2.5m×2.5m，灌漿深度5m；地質缺陷或有特殊要求的部位孔排距2m×2m，灌漿深度10～20m。均為梅花型布孔，分兩序在3m混凝土蓋重條件下施工，I、II序各占50%。二期工程設計工程量鉆灌36.2萬延米。

2、 施工干擾和矛盾

三峽工程永久建筑物固結灌漿鉆灌工程量達36.2萬延米，單個壩塊鉆灌施工需占用直線工期0.5～1個月，在有蓋重的條件下的固結灌漿施工，必然造成大壩基礎混凝土在強約束區的長間歇，從而增加混凝土裂縫的可能性；而且存在固結灌漿造孔與蓋重混凝土的冷卻水管、基礎安全監測儀器的干擾，致使固結灌漿施工與混凝土澆筑的矛盾非常突出。三峽二期工程混凝土在大面積開挖結束后，開始澆筑基礎的當年澆筑強度即達448萬m3/年，最高月強度約50萬m3/月，都是世界水電工程混凝土施工之最。為減少固結灌漿的長間歇而造成的混凝土裂縫并達到緩解其工期矛盾的目的，需要對固灌漿進行優化設計。

大面積的常規固結灌漿只能根據建筑物結構的需要作系統布置，與受灌區的地質條件和可灌性沒有直接聯系，所以灌漿效果不甚理想。以左非12～18壩段實際灌漿資料為例，優化設計前后灌漿效果見下表。

由上表可知，優化設計前固結灌漿平均單耗極小，95%的孔段<10kg/m，有大量的工程量浪費。

另一方面，壩基開挖成型后，部份壩段揭露的淺層卸荷風化緩傾角裂隙，局部出現寬大爆破裂隙的處理，對固結灌漿提出了更高的要求。需要結合現場實際情況，研究專門的灌漿工藝措施，以加強重點部位的灌漿效果，滿足結構設計的要求。

因此，需要結合現場的實際情況，對系統布置的固結灌漿作出調整和優化，使其更具針對性。

3、優化設計條件

三峽建基巖體q>5Lu的孔段僅占17%，分析認為：這些孔段大多與卸荷風化、爆破裂隙、建基面開挖體型，混凝土封閉條件等因素密切相關，而這些缺陷多呈成片或線狀分布，具有較強的規律性和認知條件。而施工期地質編錄，全面積的物探測試，為優化設計準備了詳實可靠的資料，充分地利用這些資料，區別不同的地段及時地調整灌漿孔的布置，達到優化設計的目的是可行的。

一期完成的岸坡壩段3萬延米，6000余孔固結灌漿施工為二期工程積累了豐富的實踐經驗。在建立巖體裂隙密度、連通概化模型的基礎上，通過數據統計分析，得出注入率與地質模型、聲波波速的相關關系從已知推未知，提出優化設計原則，用于指導和調整固結灌漿工程設計積累經驗和工作基礎。

現場灌漿試驗完成后，邀請了國內著名專家對試驗成果進行了評審，對灌漿工程提出了專家建議，有關的結論及建議意見如下：

(1)質量檢查方法：以檢查孔壓水試驗和聲波測試作為質檢的主要的手段。壓水試驗合格標準為3Lu，單孔聲波測試90%

的測點，Vp≥4.5km/s，其余10%的測點≥4km/s。

(2)建議：

(a)設計單位應針對不同性狀和不同部位的斷層制定相應的處理措施。

(b)如為灌前檢測出建基面驗收單元的巖體平均的聲波波速Vp≥5.0km/s時，無須大面積布置固結灌漿孔，重點加強基巖淺層和特殊要求部位的防滲。物探資料、同條件的先灌部位資料、本部位前序孔的灌漿資料是作為優化設計的依據，基礎固灌工程宜作為動態優化設計工程項目予以安排。

4、優化設計內容

4.1 重點部位

一類為結構設計有特殊要求的部位，如：防滲灌漿帷幕外圍的一、二排兼作輔助帳幕的深固結孔；壩踵、壩址等防滲要求高、壩基應力集中和應力標準低的部位；需要聯合受力的建筑物間的陡直邊坡(如左廠l～5壩段下游廠壩邊坡等)重點部位鉆灌孔深度應予確保。多面臨空開挖體型突變部位的固結漿灌孔密度視地質條件、爆破情況調整或增補鉆孔布置，施灌過程中根據灌漿效果作進一步調整。必要時，修改以上部位鉆孔角度，傾向優勢結構面，以增加其灌漿效果。

二類為地質缺陷部位：如F7、fl050斷層，緩傾角裂隙面等部位是固結灌漿處理的又一重點，灌漿孔密度原則上以2.5m×2.5m孔排距為主，視現場實際情況可以調整為5.0m×5.0m。鉆孔分兩序施工。其灌漿效果的提高主要依賴于灌漿工藝的提高。

三類為爆破裂隙發育、巖體松動區等施工缺陷部位：以針對性布孔為主，或按5.0m×5.0m規則布置予以補強。

4.2 改進灌漿工藝

根據灌漿試驗成果，三峽壩基塊狀巖體對灌漿壓力的耐壓性較強，在找平混凝土封閉或3m混凝土蓋重條件下，固結灌漿I序孔設計灌漿壓力采用0.3～0.50MPa，II序孔可采用0.5～0.7MPa。對地質缺陷部位的灌漿，為防止巖體的有害拾動，相應布置2.5×2.5m孔排距、L＝3m砂漿錨桿和一定量的抬動觀測裝置，控制變形量小于200μm。而灌漿壓力視吸漿量大小決定，并通過試驗建立吸漿量與灌漿壓力的關系。灌漿結束時必須達到設計壓力，以保證灌漿效果。

4.3 漿材

固結灌漿材料主要使用525#普通硅酸鹽水泥，灌漿中盡可能使用濃漿。視現場裂隙張開情況，將開灌水灰比選擇為3:1或1:1，并根據吸漿量的大小，及時變漿。對于處于結構受力部位的松散性構造巖體，為滿足結構受力要求，已在研究采用高強度的化學材料灌漿的可行性和處理效果，作為貯備的技術措施。

4.4 調整施工安排和鉆孔布置

在防滲灌漿帳幕前，原設計有l～2排兼輔助防滲帳幕的固結灌漿孔，孔排距2.0×2.0m，孔深10～20m，要求使用巖芯鉆機造孔，分段灌漿，有蓋重的條件下施工。以確保混凝土與巖體接觸面的防滲效果。該類孔施工占用直線工期最長，成為三峽工程總工期關鍵路線上的卡關因素。為此，提出了這類孔移至基礎灌漿廊道內打斜孔。這樣雖然增加了少量投資，但卻縮短了直線工期、緩解了基礎約束區混凝土長間歇的矛盾。調整布置見圖一。

1.壩軸線

2.基礎灌漿排水廊道

3.混凝土縱橫

4.常規固結灌漿孔

5.固結灌漿兼輔助帷幕孔 (優化設計前)

6.固結灌漿兼輔助帷幕孔(優化設計后廊道內深孔)

7.固結灌漿兼輔助帷幕孔(優化設計后廊道外淺孔)

8.基礎防滲灌漿帷幕

圖1 基礎結構灌漿兼輔助帷幕灌漿孔優化設計

4.5 封閉式無蓋重灌漿

通過多年的摸索，結合其它工程經驗和三峽工程現場試驗論證，三峽工程固結灌漿施工推薦找平混凝土灌漿施工法，不僅可縮短工期、充分利用不宜開澆基礎混凝土的空隙時間進行因灌施工。減少建基面污染，避免固結灌漿造孔與基礎埋件的干擾等問題，還節省了3m厚的混凝土造孔工程量，從而節省投資。

4.6 減少鉆孔工程量

有條件地選擇帳幕后，壩址部位上游一定范圍當地質條件優良、巖體完整、聲波波速Vp>5000m/s的地段取消其全部I、II序固結灌漿孔。

利用固結灌漿分序施工的條件，密切跟蹤鉆灌施工的過程,實施動態設計。根據I序孔的施工情況，當I序孔壓水試驗吸水量較小、可灌性差、灌漿效果不明顯時，取消II序灌漿孔施工。

根據II序孔施工情況，當II序孔壓水試驗滿足設計檢查標準時，則免予布置檢查孔，可直接允許后續工程施工。

5、結束語

三峽工程基礎因結灌漿工作在業主單位的支持下成立多專業的優化設計小組，形成了以基本資料收集，到數據分析優化設計決策一條龍的動態設計體制，確保了優化設計工作的及時和有效，收到了較好的工程效益。

(1)根據已進行的部分壩段實際優化設計統計，減少鉆灌工程1/4，測算三峽工程可減少鉆灌工程量約5萬m，節省投資2000萬元。

(2)固結灌漿工藝、施工安排調整及大面積鉆孔布置調整，縮短了直線工期，解決了基礎約束區薄層混凝土的長間歇問題，避免了固結灌漿造孔與基礎處理埋件的干擾和影響。

(3)根據現場實際的地質資料布置固結灌漿孔，有更好的針對性，對提高巖體的完整性、均勻性、抗滲性，確保工程質量，加強固結灌漿效果更為有利。

6、致謝

本文在寫作過程中得到了中國工程院鄭守仁院士、林文亮教授級高工的指導，一并致謝!