斐濟(jì)南德瑞瓦圖水電站灌漿施工與國(guó)內(nèi)之異同

鐘永兵，習(xí)書田，鐘林

(中國(guó)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(jì)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(zhǎng)71.7 m，活庫(kù)容1 009 000 m3。基礎(chǔ)高程490 m，壩頂高程530.5 m，壩基采用帷幕灌漿進(jìn)行防滲處理。

該工程為EPC合同，項(xiàng)目業(yè)主為斐濟(jì)當(dāng)?shù)谾EA電力公司，咨詢工程師是世界大壩委員會(huì)成員，工程師為全球MWH在新西蘭的分公司成員，設(shè)計(jì)單位為中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，采用的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范主要參照澳大利亞、新西蘭或美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)。帷幕灌漿主要執(zhí)行美國(guó)陸軍工程師團(tuán)1984年頒布的EM1110－2－3506技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，施工時(shí)段為2009年10月至2011年8月。

2 工程地質(zhì)條件

通過(guò)前期勘探及后期補(bǔ)充勘探發(fā)現(xiàn)，壩址區(qū)地層為N1－N2Mba組的火成巖，主要為玄武巖，按產(chǎn)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(fā)育，裂隙內(nèi)部分充填有礦物晶體、鐵質(zhì)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(fēng)化侵蝕產(chǎn)物;Ra組沉積巖巖性有砂巖、泥質(zhì)砂巖和砂質(zhì)泥巖，其不整合面埋深在現(xiàn)河床底以下約36 m的深度。勘探孔壓水試驗(yàn)結(jié)果表明其透水性較大。

3 灌漿工程設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙及技術(shù)要求，需要對(duì)壩基進(jìn)行固結(jié)灌漿和帷幕灌漿，固結(jié)灌漿孔間距3 m，基礎(chǔ)在509 m高程以上時(shí)孔深4 m，在509 m以下時(shí)孔深6 m。帷幕灌漿設(shè)計(jì)為單排，間距1.5 m，分三序施工，深度為基礎(chǔ)以下2/3水頭深，平均灌注深度30 m，河床中部在廊道內(nèi)施工，兩岸在壩體上施工。

4 施工工藝流程

(1)固結(jié)灌漿。

布置孔位→設(shè)備就位→鉆孔→沖洗→簡(jiǎn)易壓水試驗(yàn)(選擇有代表性的孔)→固結(jié)灌漿→封孔→驗(yàn)收。

(2)帷幕灌漿。

孔位布置→設(shè)備就位→首段鉆孔→首段裂隙沖洗→簡(jiǎn)易壓水試驗(yàn)→首段灌漿→待凝→鉆孔到設(shè)計(jì)深度→孔底段簡(jiǎn)易壓水試驗(yàn)→自下而上分段灌漿→全孔一次性封孔→驗(yàn)收。

5 主要施工方法之異同

5.1 鉆孔

根據(jù)美國(guó)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，灌漿孔允許使用沖擊式或回轉(zhuǎn)式鉆機(jī)鉆進(jìn)。但本工程HSE工程師要求，不能采用以風(fēng)為介質(zhì)的沖擊鉆進(jìn)技術(shù)，其原因是采用以風(fēng)為介質(zhì)的沖擊鉆進(jìn)，鉆進(jìn)過(guò)程要產(chǎn)生大量的粉塵，對(duì)施工環(huán)境與作業(yè)人員的健康產(chǎn)生污染和危害;咨詢工程師則認(rèn)為在采用沖擊鉆(比如潛孔錘、風(fēng)鉆)鉆進(jìn)過(guò)程中，微細(xì)粉塵在風(fēng)的作用下容易堵塞微細(xì)裂隙以及對(duì)原地質(zhì)條件產(chǎn)生破壞，使得灌漿孔的可灌性差，灌漿質(zhì)量得不到保障。從這一點(diǎn)上看，與國(guó)內(nèi)《水工建筑物水泥灌漿施工技術(shù)規(guī)范》(DL/T5148－2001，以下簡(jiǎn)稱國(guó)內(nèi)灌規(guī))也是相吻合的。

基于上述因素，最終決定固結(jié)和帷幕鉆孔均采用中國(guó)重慶探礦機(jī)械廠生產(chǎn)的XY－2PC地質(zhì)巖芯鉆機(jī)，鉆具為小口徑牙輪鉆頭或金剛石復(fù)合片全斷面鉆頭，鉆孔直徑76 mm，采用清水循環(huán)鉆進(jìn)。檢查孔采用金剛石鉆頭配單動(dòng)雙管鉆具取芯鉆進(jìn)，孔徑91 mm。

5.2 裂隙沖洗與壓水試驗(yàn)

國(guó)內(nèi)灌規(guī)認(rèn)為灌漿孔在灌漿前必須采用壓力水進(jìn)行裂隙沖洗。但本工程工程師則認(rèn)為水作為沖洗液在造孔過(guò)程中就已經(jīng)把鉆屑、巖粉攜帶出了孔外，成孔后待孔內(nèi)返水澄清，可不必進(jìn)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(jìn)行專門的沖洗。

關(guān)于灌前壓水試驗(yàn)的要求，與國(guó)內(nèi)灌規(guī)相比有較大的差別，國(guó)內(nèi)灌規(guī)規(guī)定灌前壓水試驗(yàn)是選擇灌漿孔的5%進(jìn)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(gè)灌漿孔灌前必須進(jìn)行壓水試驗(yàn)，壓力為1bar(0.1 MPa)，通過(guò)每段壓水試驗(yàn)的呂榮值(Lu)選擇開灌水灰比，對(duì)于呂榮值大于或等于10的，開灌水灰比為1∶1;對(duì)于呂榮值小于10的，開灌水灰比為2∶1(后改為1.5∶1)。

通過(guò)本工程工程師對(duì)壓水試驗(yàn)的要求可以看出，國(guó)外規(guī)范對(duì)灌前壓水試驗(yàn)不單是要達(dá)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(dá)到最優(yōu)灌漿的目的。

5.3 灌漿材料

根據(jù)美國(guó)陸軍工程師團(tuán)灌漿技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)(EM1110－2－3506)和工程師現(xiàn)場(chǎng)指示，本工程對(duì)灌漿材料的要求和規(guī)定與國(guó)內(nèi)規(guī)范或設(shè)計(jì)要求有一定出入，主要體現(xiàn)在對(duì)水泥細(xì)度指標(biāo)要求特別高。

本工程采用斐濟(jì)當(dāng)?shù)厮鄰S生產(chǎn)的火山灰水泥，要求比表面積不小于3 500 cm2/g(ASTM C204)，通過(guò)No.200目(0.075)美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)篩的篩余量為0;而國(guó)內(nèi)灌規(guī)中對(duì)普通硅酸鹽水泥細(xì)度的要求是通過(guò)80μm方孔篩的篩余量不大于5%。此標(biāo)準(zhǔn)低于美國(guó)規(guī)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(biāo)，類似于國(guó)內(nèi)大壩灌漿對(duì)水泥顆粒粒徑與地層裂隙寬度的匹配要求，國(guó)內(nèi)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(guó)內(nèi)普通水泥能灌入巖石裂隙的寬度在0.25～0.4 mm范圍內(nèi);而按照美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)和本工程監(jiān)理工程師指示，要求所采用的水泥能灌入極其細(xì)微的裂隙，這一要求實(shí)際上已經(jīng)達(dá)到了國(guó)內(nèi)采用磨細(xì)或超細(xì)水泥灌漿的技術(shù)要求。

5.4 灌漿方式與方法

國(guó)外灌漿對(duì)灌注方式、方法并無(wú)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(duì)灌注方法工程師也沒有做出硬性規(guī)定，采用純壓式還是循環(huán)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(duì)由于地質(zhì)原因無(wú)法鉆至孔底的孔段才先灌注，待凝后繼續(xù)鉆進(jìn)至孔底，然后再回到自下而上的灌漿方法上來(lái)。從這一點(diǎn)看，與國(guó)內(nèi)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(huán)式灌漿有較大不同，而且按照國(guó)內(nèi)規(guī)范中的規(guī)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(zhǎng)的劃分

國(guó)內(nèi)規(guī)范規(guī)定的固結(jié)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(gè)比級(jí)，開灌水灰比可視地層透水率情況確定，固結(jié)灌漿一般不超過(guò)2∶1，帷幕灌漿原則上從5∶1開始。在本工程中，通過(guò)前期的灌漿試驗(yàn)并取得工程師和業(yè)主方咨詢工程師的認(rèn)可，最終確定固結(jié)和帷幕灌漿的水灰比均只采用2∶1、1∶1、0.6∶1三個(gè)比級(jí)。灌漿過(guò)程中，通過(guò)對(duì)2∶1的水泥漿液進(jìn)行析水試驗(yàn)得出，水灰比為2∶1的漿液通過(guò)2 h的沉淀后析水率高達(dá)70%，工程師認(rèn)為這樣不利于形成致密的水泥結(jié)石。通過(guò)分析論證，最終將帷幕灌漿開灌水灰比改為1.5∶1。

國(guó)內(nèi)灌規(guī)認(rèn)為帷幕灌漿的灌漿段長(zhǎng)宜為5～6 m，但根據(jù)美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)和工程師現(xiàn)場(chǎng)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(jù)前序孔灌漿情況進(jìn)行調(diào)整，最大段長(zhǎng)超過(guò)10 m。混凝土蓋重與基巖間國(guó)內(nèi)稱之為接觸段，段長(zhǎng)一般控制在基巖內(nèi)2～3 m。而國(guó)外沒有這一說(shuō)法，與下部基巖灌漿段長(zhǎng)基本一致進(jìn)行劃分。按照這樣的段長(zhǎng)控制，減少了單孔灌注總段數(shù)，縮短了單孔總灌漿時(shí)間，大大提高了工效，完工后的質(zhì)量檢查全部滿足要求，由此證明這是一種切實(shí)可行的施工方法。

5.6 漿液變換原則

按照國(guó)內(nèi)灌規(guī)要求，漿液變換是由稀漿開始，在漿液注入率大、灌漿壓力無(wú)變化時(shí)，逐級(jí)或越級(jí)換漿。但本工程的工程師則不認(rèn)同這種換漿方式，他認(rèn)為應(yīng)按照美國(guó)灌漿標(biāo)準(zhǔn)要求多灌濃漿，所以，每級(jí)漿液都有一個(gè)灌漿量的要求，當(dāng)水灰比為2∶1的漿液灌注水泥干料消耗量累計(jì)達(dá)到100 kg時(shí)變換成水灰比為1∶1的漿液;在該比級(jí)漿液下灌注時(shí)，當(dāng)水泥消耗量達(dá)到400 kg時(shí)變換成0.6∶1的漿液，最終直至灌漿結(jié)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(dá)到灌漿滲透范圍內(nèi)盡量灌注濃漿，從而不使?jié){液無(wú)限制的擴(kuò)散而浪費(fèi)水泥。這種漿液變換方式好操作、易監(jiān)控，同時(shí)也能達(dá)到較好的灌漿效果。

5.7 灌漿壓力控制

按照國(guó)內(nèi)灌規(guī)要求，一般是逐級(jí)升壓直到設(shè)計(jì)壓力，采用孔口封閉法灌漿施工時(shí)還要嚴(yán)格控制每級(jí)壓力下的注入率，以免引起地層或混凝土蓋重抬動(dòng)。而美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)則不這樣認(rèn)為，它要求采用濃漿、高壓灌注并且盡快提升到設(shè)計(jì)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(fā)生抬動(dòng)可能性的發(fā)生，因此提倡盡快升壓但又不允許超過(guò)巖石臨界壓力。他們認(rèn)為:超出巖石臨界壓力進(jìn)而將巖石劈裂進(jìn)行灌漿是不必要的，甚至很危險(xiǎn)。因此一般情況下確定的壓力不會(huì)太高。本工程帷幕灌漿最大壓力為1.5 MPa，這一點(diǎn)與國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)理念也有所不同，國(guó)內(nèi)大型水電工程由于特殊地質(zhì)條件，往往采用高壓帷幕灌漿，最大壓力已經(jīng)有超過(guò)6 MPa的例子，這在國(guó)外是很少見的。

5.8 灌漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)

國(guó)內(nèi)灌規(guī)規(guī)定的灌漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)為:采用自下而上分段帷幕灌漿施工，在達(dá)到設(shè)計(jì)壓力下、注入率不大于1 L/min的條件下，持續(xù)灌注30 min，可結(jié)束灌漿。

工程師認(rèn)為國(guó)內(nèi)的這種灌漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)是沒有必要的，如果是在灌注稀漿結(jié)束的情況下，這種方法是可行的;但如果是在灌注濃漿結(jié)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(xiàn)灌漿事故，進(jìn)而影響灌漿質(zhì)量。本工程采用的美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范基本以灌注濃漿為主。通過(guò)對(duì)灌漿試驗(yàn)進(jìn)行分析總結(jié)，工程師批準(zhǔn)執(zhí)行的的灌漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)為:在達(dá)到設(shè)計(jì)壓力、注入率不大于1 L/min的條件下，持續(xù)灌注15 min即可結(jié)束灌漿。在實(shí)際施工中，按照此法灌注很少出現(xiàn)堵管事故，每段次可節(jié)約15 min時(shí)間，這對(duì)整個(gè)工程來(lái)說(shuō)卻不是一個(gè)小數(shù)。在本工程工期要求非常緊、質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)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(zhì)量同樣滿足要求。

5.9 質(zhì)量檢查

國(guó)內(nèi)灌規(guī)中帷幕灌漿一般采用鉆孔取芯結(jié)合壓水試驗(yàn)進(jìn)行檢查，壓水試驗(yàn)呂榮值滿足要求即認(rèn)為質(zhì)量合格。根據(jù)工程師要求，本工程帷幕灌漿質(zhì)量評(píng)定通過(guò)第Ⅲ序孔的單耗和壓水試驗(yàn)呂榮值進(jìn)行綜合分析評(píng)判，在地質(zhì)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(duì)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(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)灌注，這一點(diǎn)與國(guó)內(nèi)灌漿規(guī)范上的要求也是不一樣的。

筆者也認(rèn)為僅僅通過(guò)灌后壓水試驗(yàn)來(lái)確定灌漿質(zhì)量是否合格是不完全準(zhǔn)確的。由于灌漿屬于隱蔽工程，巖石裂隙的發(fā)育、走向及地層情況都是通過(guò)地質(zhì)勘查來(lái)大致判定的，在某些大吸漿孔(段)，灌后通過(guò)個(gè)別檢查孔壓水雖然能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，但并不代表該部位或區(qū)域的所有灌漿孔質(zhì)量都合格，帷幕質(zhì)量均滿足要求。通過(guò)在大吸漿量孔(段)增設(shè)第Ⅳ序灌漿孔，并對(duì)其灌漿資料統(tǒng)計(jì)和成果繪圖進(jìn)行對(duì)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(guò)檢查孔壓水試驗(yàn)確定壓水呂榮值合格，則帷幕質(zhì)量的可靠性才能得到大大提高。

6 結(jié)語(yǔ)

(1)本工程灌漿施工全部采用美國(guó)灌漿技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和工程師現(xiàn)場(chǎng)指示要求，施工中還采用了先進(jìn)的自動(dòng)記錄儀進(jìn)行監(jiān)控，灌漿質(zhì)量得到了有效的保證。

(2)從對(duì)第Ⅲ序孔注入量及檢查孔壓水試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析得知，帷幕灌漿完全達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，灌漿質(zhì)量可信、可靠。

(3)施工中根據(jù)實(shí)際情況靈活調(diào)整帷幕灌漿參數(shù)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(guó)灌漿技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)雖然與國(guó)內(nèi)灌漿規(guī)范存在諸多差異，在國(guó)內(nèi)施工中也存在較大爭(zhēng)議，但因其操作和執(zhí)行起來(lái)非常簡(jiǎn)單，相對(duì)于國(guó)內(nèi)灌規(guī)在某些方面寬松得多，在EPC總承包國(guó)際項(xiàng)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(shù)規(guī)范，DL/T5148－2001［S］.