呼和浩特抽水蓄能電站下水庫圍堰高壓旋噴灌漿施工技術

姚自友，逯紅波，伏沛文

（中國人民武裝警察部隊水電第一總隊第一支隊，河北 唐山 063004）

1 工程概況

1.1 工程簡介

呼和浩特抽水蓄能電站位于內蒙古自治區呼和浩特市東北部的大青山區，距離呼和浩特市中心約20 km。電站總裝機容量1 200 MW，裝機4臺，單機容量300 MW。電站建成后接入蒙西電網，在電網中擔任調峰、填谷、調頻、調相以及事故備用等任務。

下水庫位于哈拉沁溝與大西溝交匯處上游，主要建筑物有攔河壩和攔沙壩，總庫容703.75萬m3。攔沙壩和攔河壩均采用碾壓混凝土重力壩，壩頂高程1 401.00 m，壩頂寬6.0 m。攔沙壩最大壩高51.5 m，壩頂長200.0 m；攔河壩最大壩高64.0 m，壩頂長237.0 m。

根據工程實際情況，下水庫圍堰防滲體系采用堰基以下高壓灌漿、堰基以上粘土防滲墻組成的復合防滲結構體系。

1.2 工程地質條件

1.2.1 上游圍堰

上游圍堰區為較為開闊的 “U”形河谷，河谷寬約135 m。河床靠近左岸，高程1 375 m左右，寬約35 m；河床的右側為河漫灘，高程1 380～1 385 m，寬約100 m。

圍堰區的基巖主要為片麻狀黑云母花崗巖和斜長角閃巖，覆蓋層包括河床第四系沖洪積砂卵礫石層和分布在圍堰右岸坡角處的第四系崩坡積物。其中河床砂卵礫石層厚度一般為15～20 m，最大厚度23 m，大致分上下兩層。上層厚約5～10 m，巖性為卵礫石、漂石，其中漂石的粒徑一般為15～20 cm，最大可達1.5 m，含量約25%；卵礫石粒徑多為5～15 cm，次棱角狀和次圓狀含量約61%；砂含量11%；泥含量約3%。下層厚度約6～16 m，巖性主要為礫質砂層，河床部位砂層最厚，向兩側變薄，砂層主要以中粗砂為主，其間含有卵、礫石和少量漂石，漂石、礫石、砂含量分別約為10%、38%和52%，漂石的粒徑一般小于20 cm，卵礫石的粒徑一般為5～10 cm。圍堰區構造以裂隙為主，巖石風化卸荷不嚴重，強風化帶厚約5～8 m，自然邊坡巖體基本穩定。

圍堰區地下水主要是覆蓋層孔隙水及兩岸基巖裂隙水。孔隙潛水主要分布于河床沖洪積砂卵礫石層中，兩岸基巖裂隙水補給河水，河床地下水位一般在1 375 m左右。河床砂卵礫石層的滲透系數為9～13 m/d，屬強透水巖層，按上、下游水位差16 m初步計算，圍堰地基覆蓋層的滲漏量約為11 000 m3/d。

強風化片麻狀花崗巖體屬中～強透水層，弱風化巖體為弱～中透水層，下部微新巖體一般為微～極微透水層。

1.2.2 下游圍堰

下游圍堰區為較開闊的 “U”形河谷，河谷寬度一般為80 m，現河床靠近左岸，寬約40 m，高程1 355 m，河床的右側分布有哈拉沁溝緩坡狀河漫灘，高程1 357～1 363 m，寬約40 m。

圍堰區的基巖主要為片麻狀黑云母花崗巖和斜長角閃巖，覆蓋層包括河床第四系沖洪積砂卵礫石層和分布在圍堰兩岸坡角處的第四系崩坡積物。其中河床砂卵礫石層厚度一般為15～20 m，大致可分為上下兩層，上層巖性主要是卵礫石、漂石，厚約10～15 m，其中漂石的粒徑多為15～30 cm，最大可達2 m，含量約33%；卵礫石粒徑以5～15 cm為主，含量約50%；砂含量15%；泥含量3%左右。下層厚度約6～8 m，巖性為礫質砂層，以中粗砂為主，含卵、礫石和少量漂石，其中漂石體積含量約占10%，礫石含量約占42%，砂含量48%。圍堰區構造以NE、NW兩組裂隙為主，巖石風化卸荷不嚴重，強風化帶厚度約為5～8 m，兩岸自然邊坡基本穩定。

圍堰區地下水主要是覆蓋層孔隙水及兩岸基巖裂隙水。孔隙水主要分布于河床沖洪積砂卵礫石層中，兩岸基巖裂隙水補給河水，地下水位一般在1 355 m左右。河床砂卵礫石層的滲透系數為13～19 m/d。按上、下游水位差6 m初步計算，圍堰地基覆蓋層滲漏量約為20 000 m3/d。

基巖片麻狀花崗巖體屬弱透水層，弱風化巖體為中等透水層，下部微新巖體為微～極微透水層。

2 圍堰設計及施工方案

2.1 設計方案

根據樞紐布置特點、壩址地形地質條件和水文特征等，按照現場實際的邊界條件，采用的圍堰滲透結構體系為：上游圍堰堰基高壓旋噴灌漿（以下簡稱 “高噴灌漿”）、上部粘土心墻，下游圍堰采用高噴灌漿。

2.2 高壓旋噴防滲墻施工

2.2.1 施工方案

施工方案為：①上游圍堰堰基高噴灌漿施工。清理現有地面并找平，碾壓后進行堰基以下高噴灌漿，地面高程為1 385～1 387 m，灌漿孔底高程約為1 352 m，最大孔深33～35 m。②下游圍堰高噴灌漿施工。在堰頂直接進行高噴施工，最大孔深27.7 m。③灌漿采用三管法旋噴形式。

2.2.2 灌漿孔布置及工藝參數

高噴灌漿孔布設在堰體中心線上，上下游圍堰均布置單排孔，孔距0.8～1.0 m，分兩序施工。采用潛孔鉆鉆孔，套管跟進，終孔后下入硬質PVC花管。

灌漿水壓30～50 MPa，漿壓1.5～2.0 MPa，氣壓0.7～0.8 MPa，采用32.5普通水泥，漿液密度1.6～1.7 g/cm3，提升速度為6～12 cm/min。

2.2.3 灌漿材料

高壓噴射漿液采用普通硅酸鹽水泥拌制，強度不低于32.5 MPa。為減緩水泥漿液沉淀速度，在水泥中摻加3%水泥質量的膨潤土和3%膨潤土質量的碳酸鈉。遇漏漿和吃漿量大的孔位時灌注水玻璃。

采用三重管法噴射注漿的水灰比為0.8∶1。漿液存放時間為：當環境氣溫在10℃以下時不超過5 h；在10℃以上時不超過3 h；當漿液的存放時間超過有效時間時，按降低強度等級使用或按廢漿處理。

2.2.4 終孔深度的確定

終孔深度的確定原則是按設計要求鉆入強風化基巖下限1.0 m。根據設計地層勘探報告結合地質鉆機取芯判定。

高噴灌漿孔軸線每20 m左右劃分為一個單元工程，每個單元工程在一序孔中選定1個先導孔。在每個單元工程內必須先完成先導孔的施工。

根據先導孔返出的粉顆粒和進尺速度變化，初步判斷進入基巖1.0 m左右時，應采用地質巖芯鉆在先導孔內取0.3～0.5 m長巖芯，由地質監理確認達到終孔要求后，該先導孔的深度就代表該單元工程的設計深度，其他孔按此深度控制。

2.2.5 現場高壓噴射注漿試驗

選擇地質條件具有代表性的區段，并按室內試驗選定的漿液配合比進行高壓定噴和高壓旋噴灌漿工藝試驗，以選定布孔方式、孔距、孔深以及噴射流量、壓力、旋速和提升速度等工藝參數。試驗結束后，鉆取芯樣進行固結體的均勻性、整體性、強度和滲透性等試驗。

2.2.6 施工特殊情況及處理

（1）噴射灌漿應由下而上連續進行。接、卸換管時動作要迅速，防止坍孔和堵塞噴嘴；接、卸換管及事故處理后，下管位置應比原停噴高度下落20～50 cm，進行復噴搭接，以保證墻（樁）的上下連貫。

（2）在插入旋噴管前先檢查高壓水與空氣噴射情況，各部位密封圈是否封閉，插入后先做高壓水射水試驗，合格后方可噴射漿液。如因塌孔插入困難時，可用低壓（0.1～2 MPa）水沖孔，但必須把高壓水噴嘴用塑料布包裹，以免被泥土堵塞。

（3）噴射過程中發生故障時，應停止提升和旋噴，以防樁體中斷，同時立即進行檢查，排除故障；如發現有漿液噴射不足影響樁體的設計直徑時，應進行復噴。

（4）大量漏漿和冒漿處理。在旋噴過程中，往往有一定數量的土粒隨著漿液沿噴射管管壁冒出地面。通過對冒漿的觀察，可以及時了解土層狀況、旋噴的大致效果和旋噴參數的合理性等。根據經驗，冒漿（內有土粒、水及漿液）量小于注漿量20%為正常現象，超過20%或完全不冒漿時，應查明原因并采取相應措施：①地層中有較大空隙引起不冒漿或嚴重漏漿的，可在漿液中摻加適量的速凝劑，縮短固結時間，使漿液在一定土層范圍內凝固；另外，還可在空隙地段增大注漿量，填滿空隙后再繼續正常旋噴。②冒漿量過大的主要原因一般是有效噴射范圍與注漿量不相適應，注漿量超過旋噴體凝結所需的漿量所致。減少冒漿量的措施有提高噴射壓力、適當縮小噴嘴孔徑或減小注漿量、加快提升和旋轉速度三種。對于冒出地面的漿液，如能迅速進行過濾、沉淀、除去雜質和調整濃度，達到要求后可回收利用。但回收處理后的漿液中難免會有砂粒，故只有三重管旋噴注漿法可以利用冒漿再注漿。

（5）在含粘粒較少的地層中進行高噴灌漿時，孔口回漿經處理后方可重復使用；在粘性土或軟塑-流塑狀淤泥質土層中，孔口回漿不宜重復使用。

3 高噴灌漿施工質量控制措施

高噴灌漿施工質量控制措施主要有以下幾點：

（1）鉆孔鉆機要穩固，開孔前校正鉆孔垂直度，鉆孔偏斜不得超過1%。

（2）下噴射管前應進行地面試噴，檢查機械及管路運行情況。

（3）圍堰堰體高噴灌漿過程中，應嚴格控制孔底原位噴射，返漿后再提升。

（4）在孔口返漿量小或不返漿的情況下，應停止提升噴射管，繼續輸漿并加濃漿液，若仍無效時，應從孔口回填細砂，直至孔口返漿。

（5）在鉆孔過程中應較準確記住大漂石的位置，在噴射過程中應適當降低提升速度，先在正常壓力下噴射，然后將壓力降低30%進行重復噴射，盡量提高漂石四周的密實度。

（6）嚴格分次序施工，一序孔灌漿結束7 d后，相鄰的二序孔方可施工。

4 高噴防滲墻工程質量評價

4.1 質量標準

根據DL/T 5200—2004《水電水利工程高壓噴射灌漿技術規范》第5.0.3條的要求，高噴墻合格技術標準見表1。

表1 高噴墻墻體性能指標

4.2 檢查孔布設情況

高噴灌漿結束14 d后，按照防滲面積小于1 000 m2為一單元打一檢查孔進行壓水試驗，檢查孔孔深視具體情況確定，孔徑不宜小于91 mm，芯樣應予暫時保留。

4.3 試驗結果

高壓旋噴灌漿結束后，在上游圍堰及下游圍堰共計打了3個檢查孔進行注水試驗，試驗結果見表2。表 2 中滲透系數計算公式為 kh=[qln（2L/D）]/（2×3.14LHc），式中，D為鉆孔直徑，cm；L為試驗段長度，cm；Hc為靜水頭，cm；q為注水流量，cm3/s。試驗結果滿足規范要求。

5 結語

對現場施工情況進行了檢查，攔沙壩壩基開挖至1 358 m高程，圍堰上游水位穩定在1 375 m左右，基坑中未出現較大滲漏情況，證明在含有較多漂石、塊石的地層中，鉆孔時對大塊石進行精確定位，在高噴施工時在塊石底部和頂部控制提升速度，采取變壓施工等綜合措施后，所形成的高噴體可以達到較好的防滲效果。

表2 檢查孔注水試驗成果