斐濟南德瑞瓦圖水電站灌漿施工與國內之異同

鐘永兵，習書田，鐘林

(中國水利水電第十工程局有限公司，四川成都610072)

1 工程概述

斐濟南德瑞瓦圖水電站大壩位于Qaliwana和Nukunuku河流交匯處，為混凝土重力壩，最大壩高40 m，壩頂寬8.5 m，壩頂長71.7 m，活庫容1 009 000 m3。基礎高程490 m，壩頂高程530.5 m，壩基采用帷幕灌漿進行防滲處理。

該工程為EPC合同，項目業主為斐濟當地FEA電力公司，咨詢工程師是世界大壩委員會成員，工程師為全球MWH在新西蘭的分公司成員，設計單位為中水北方勘測設計研究有限責任公司，采用的技術標準和規范主要參照澳大利亞、新西蘭或美國標準。帷幕灌漿主要執行美國陸軍工程師團1984年頒布的EM1110－2－3506技術標準，施工時段為2009年10月至2011年8月。

2 工程地質條件

通過前期勘探及后期補充勘探發現，壩址區地層為N1－N2Mba組的火成巖，主要為玄武巖，按產狀有4種巖性:枕狀玄武巖、塊狀玄武巖、柱狀玄武巖、火山角礫巖(或火山集塊巖)。玄武巖中氣孔比較發育，裂隙內部分充填有礦物晶體、鐵質礦物和粘土礦物，單層厚0.5～1 m。Mba組與下伏的N1層Ra組沉積巖為不整合接觸，有沉積間斷，局部夾有紅色的粘土夾礫石，為風化侵蝕產物;Ra組沉積巖巖性有砂巖、泥質砂巖和砂質泥巖，其不整合面埋深在現河床底以下約36 m的深度。勘探孔壓水試驗結果表明其透水性較大。

3 灌漿工程設計

根據設計圖紙及技術要求，需要對壩基進行固結灌漿和帷幕灌漿，固結灌漿孔間距3 m，基礎在509 m高程以上時孔深4 m，在509 m以下時孔深6 m。帷幕灌漿設計為單排，間距1.5 m，分三序施工，深度為基礎以下2/3水頭深，平均灌注深度30 m，河床中部在廊道內施工，兩岸在壩體上施工。

4 施工工藝流程

(1)固結灌漿。

布置孔位→設備就位→鉆孔→沖洗→簡易壓水試驗(選擇有代表性的孔)→固結灌漿→封孔→驗收。

(2)帷幕灌漿。

孔位布置→設備就位→首段鉆孔→首段裂隙沖洗→簡易壓水試驗→首段灌漿→待凝→鉆孔到設計深度→孔底段簡易壓水試驗→自下而上分段灌漿→全孔一次性封孔→驗收。

5 主要施工方法之異同

5.1 鉆孔

根據美國技術標準和規范，灌漿孔允許使用沖擊式或回轉式鉆機鉆進。但本工程HSE工程師要求，不能采用以風為介質的沖擊鉆進技術，其原因是采用以風為介質的沖擊鉆進，鉆進過程要產生大量的粉塵，對施工環境與作業人員的健康產生污染和危害;咨詢工程師則認為在采用沖擊鉆(比如潛孔錘、風鉆)鉆進過程中，微細粉塵在風的作用下容易堵塞微細裂隙以及對原地質條件產生破壞，使得灌漿孔的可灌性差，灌漿質量得不到保障。從這一點上看，與國內《水工建筑物水泥灌漿施工技術規范》(DL/T5148－2001，以下簡稱國內灌規)也是相吻合的。

基于上述因素，最終決定固結和帷幕鉆孔均采用中國重慶探礦機械廠生產的XY－2PC地質巖芯鉆機，鉆具為小口徑牙輪鉆頭或金剛石復合片全斷面鉆頭，鉆孔直徑76 mm，采用清水循環鉆進。檢查孔采用金剛石鉆頭配單動雙管鉆具取芯鉆進，孔徑91 mm。

5.2 裂隙沖洗與壓水試驗

國內灌規認為灌漿孔在灌漿前必須采用壓力水進行裂隙沖洗。但本工程工程師則認為水作為沖洗液在造孔過程中就已經把鉆屑、巖粉攜帶出了孔外，成孔后待孔內返水澄清，可不必進行灌漿前的裂隙沖洗，按照工程師意見，本工程大壩帷幕灌漿孔一般情況下沒有進行專門的沖洗。

關于灌前壓水試驗的要求，與國內灌規相比有較大的差別，國內灌規規定灌前壓水試驗是選擇灌漿孔的5%進行，目的主要是了解巖石的滲透性和可灌性。但本工程按照工程師的要求，每個灌漿孔灌前必須進行壓水試驗，壓力為1bar(0.1 MPa)，通過每段壓水試驗的呂榮值(Lu)選擇開灌水灰比，對于呂榮值大于或等于10的，開灌水灰比為1∶1;對于呂榮值小于10的，開灌水灰比為2∶1(后改為1.5∶1)。

通過本工程工程師對壓水試驗的要求可以看出，國外規范對灌前壓水試驗不單是要達到了解巖石滲透性和可灌性的目的，最重要的是確定開灌水灰比，以達到最優灌漿的目的。

5.3 灌漿材料

根據美國陸軍工程師團灌漿技術標準(EM1110－2－3506)和工程師現場指示，本工程對灌漿材料的要求和規定與國內規范或設計要求有一定出入，主要體現在對水泥細度指標要求特別高。

本工程采用斐濟當地水泥廠生產的火山灰水泥，要求比表面積不小于3 500 cm2/g(ASTM C204)，通過No.200目(0.075)美國標準篩的篩余量為0;而國內灌規中對普通硅酸鹽水泥細度的要求是通過80μm方孔篩的篩余量不大于5%。此標準低于美國規范要求。

此外，本工程灌漿還提出可灌度(指能灌入地層中最小裂隙的能力，用N表示，N=D15/D85)，它要求N值大于25。N值的大小主要取決于灌漿材料，尤其是水泥的物理性能指標，類似于國內大壩灌漿對水泥顆粒粒徑與地層裂隙寬度的匹配要求，國內一般按照漿材粒徑需小于裂隙寬度的1/3～1/5的原則選擇灌漿材料，一般情況下，國內普通水泥能灌入巖石裂隙的寬度在0.25～0.4 mm范圍內;而按照美國標準和本工程監理工程師指示，要求所采用的水泥能灌入極其細微的裂隙，這一要求實際上已經達到了國內采用磨細或超細水泥灌漿的技術要求。

5.4 灌漿方式與方法

國外灌漿對灌注方式、方法并無特殊要求，采用自下而上或自上而下的方式由承包商自行確定，對灌注方法工程師也沒有做出硬性規定，采用純壓式還是循環式全由承包商自行確定。為方便施工，大大提高施工效率，本工程全部采用自下而上分段卡塞純壓式灌注。只對由于地質原因無法鉆至孔底的孔段才先灌注，待凝后繼續鉆進至孔底，然后再回到自下而上的灌漿方法上來。從這一點看，與國內普遍推行的大壩帷幕灌漿采用小口徑、孔口封閉、自上而下循環式灌漿有較大不同，而且按照國內規范中的規定，帷幕灌漿是不能采用純壓式的。

5.5 灌漿水灰比及灌注段長的劃分

國內規范規定的固結和帷幕灌漿水灰比一般采用5∶1、3∶1、2∶1、1∶1、0.8∶1、0.6∶1、0.5∶1等七個比級，開灌水灰比可視地層透水率情況確定，固結灌漿一般不超過2∶1，帷幕灌漿原則上從5∶1開始。在本工程中，通過前期的灌漿試驗并取得工程師和業主方咨詢工程師的認可，最終確定固結和帷幕灌漿的水灰比均只采用2∶1、1∶1、0.6∶1三個比級。灌漿過程中，通過對2∶1的水泥漿液進行析水試驗得出，水灰比為2∶1的漿液通過2 h的沉淀后析水率高達70%，工程師認為這樣不利于形成致密的水泥結石。通過分析論證，最終將帷幕灌漿開灌水灰比改為1.5∶1。

國內灌規認為帷幕灌漿的灌漿段長宜為5～6 m，但根據美國標準和工程師現場指示，本工程帷幕灌漿第Ⅰ序孔自上到下依次采用6 m、7 m和8 m，第Ⅱ、Ⅲ序孔則根據前序孔灌漿情況進行調整，最大段長超過10 m。混凝土蓋重與基巖間國內稱之為接觸段，段長一般控制在基巖內2～3 m。而國外沒有這一說法，與下部基巖灌漿段長基本一致進行劃分。按照這樣的段長控制，減少了單孔灌注總段數，縮短了單孔總灌漿時間，大大提高了工效，完工后的質量檢查全部滿足要求，由此證明這是一種切實可行的施工方法。

5.6 漿液變換原則

按照國內灌規要求，漿液變換是由稀漿開始，在漿液注入率大、灌漿壓力無變化時，逐級或越級換漿。但本工程的工程師則不認同這種換漿方式，他認為應按照美國灌漿標準要求多灌濃漿，所以，每級漿液都有一個灌漿量的要求，當水灰比為2∶1的漿液灌注水泥干料消耗量累計達到100 kg時變換成水灰比為1∶1的漿液;在該比級漿液下灌注時，當水泥消耗量達到400 kg時變換成0.6∶1的漿液，最終直至灌漿結束。

從以上分析可以看出，漿液變化的主要目的是為了控制灌漿量(水泥消耗量)，在達到灌漿滲透范圍內盡量灌注濃漿，從而不使漿液無限制的擴散而浪費水泥。這種漿液變換方式好操作、易監控，同時也能達到較好的灌漿效果。

5.7 灌漿壓力控制

按照國內灌規要求，一般是逐級升壓直到設計壓力，采用孔口封閉法灌漿施工時還要嚴格控制每級壓力下的注入率，以免引起地層或混凝土蓋重抬動。而美國標準則不這樣認為，它要求采用濃漿、高壓灌注并且盡快提升到設計壓力。采用稠度很大的漿液灌注可以避免或大大降低地層發生抬動可能性的發生，因此提倡盡快升壓但又不允許超過巖石臨界壓力。他們認為:超出巖石臨界壓力進而將巖石劈裂進行灌漿是不必要的，甚至很危險。因此一般情況下確定的壓力不會太高。本工程帷幕灌漿最大壓力為1.5 MPa，這一點與國內設計理念也有所不同，國內大型水電工程由于特殊地質條件，往往采用高壓帷幕灌漿，最大壓力已經有超過6 MPa的例子，這在國外是很少見的。

5.8 灌漿結束標準

國內灌規規定的灌漿結束標準為:采用自下而上分段帷幕灌漿施工，在達到設計壓力下、注入率不大于1 L/min的條件下，持續灌注30 min，可結束灌漿。

工程師認為國內的這種灌漿結束標準是沒有必要的，如果是在灌注稀漿結束的情況下，這種方法是可行的;但如果是在灌注濃漿結束的條件下，采用這種方式灌注，很容易造成管路堵塞而出現灌漿事故，進而影響灌漿質量。本工程采用的美國標準和規范基本以灌注濃漿為主。通過對灌漿試驗進行分析總結，工程師批準執行的的灌漿結束標準為:在達到設計壓力、注入率不大于1 L/min的條件下，持續灌注15 min即可結束灌漿。在實際施工中，按照此法灌注很少出現堵管事故，每段次可節約15 min時間，這對整個工程來說卻不是一個小數。在本工程工期要求非常緊、質量標準要求特別高的的情況下能夠縮短灌漿施工周期是一件很不容易的事情，雖然灌漿工期縮短了，但灌漿質量同樣滿足要求。

5.9 質量檢查

國內灌規中帷幕灌漿一般采用鉆孔取芯結合壓水試驗進行檢查，壓水試驗呂榮值滿足要求即認為質量合格。根據工程師要求，本工程帷幕灌漿質量評定通過第Ⅲ序孔的單耗和壓水試驗呂榮值進行綜合分析評判，在地質條件差、巖石破碎、存在較大裂隙的孔(段)，第Ⅲ序孔的吸漿量相對于其它巖層較好孔(段)要高得多，因此，要在這些孔(段)周圍增加第Ⅳ序加密灌漿孔進行補強灌注，這一點與國內灌漿規范上的要求也是不一樣的。

筆者也認為僅僅通過灌后壓水試驗來確定灌漿質量是否合格是不完全準確的。由于灌漿屬于隱蔽工程，巖石裂隙的發育、走向及地層情況都是通過地質勘查來大致判定的，在某些大吸漿孔(段)，灌后通過個別檢查孔壓水雖然能達到設計要求，但并不代表該部位或區域的所有灌漿孔質量都合格，帷幕質量均滿足要求。通過在大吸漿量孔(段)增設第Ⅳ序灌漿孔，并對其灌漿資料統計和成果繪圖進行對比分析后，如能得出第Ⅳ孔的每m耗灰量比第Ⅲ序孔顯著下降，并通過檢查孔壓水試驗確定壓水呂榮值合格，則帷幕質量的可靠性才能得到大大提高。

6 結語

(1)本工程灌漿施工全部采用美國灌漿技術標準和工程師現場指示要求，施工中還采用了先進的自動記錄儀進行監控，灌漿質量得到了有效的保證。

(2)從對第Ⅲ序孔注入量及檢查孔壓水試驗數據進行綜合分析得知，帷幕灌漿完全達到了設計要求，灌漿質量可信、可靠。

(3)施工中根據實際情況靈活調整帷幕灌漿參數在本工程取得成功，值得在其它類似工程帷幕灌漿施工中采用。

(4)美國灌漿技術標準雖然與國內灌漿規范存在諸多差異，在國內施工中也存在較大爭議，但因其操作和執行起來非常簡單，相對于國內灌規在某些方面寬松得多，在EPC總承包國際項目施工中，利于控制成本，提高工效，縮短施工工期。

［1］水工建筑物水泥灌漿施工技術規范，DL/T5148－2001［S］.