拱壩壩肩灌漿處理及接觸固結一體化工藝探討

程春雨

（中國葛洲壩集團第五工程有限公司，湖北 宜昌 443002）

拱壩主要以承受水平推力為主，壩體與壩肩基巖是否結合緊密、壩肩基巖的強度及完整性對保證拱壩安全至關重要。拱壩壩肩開挖坡面較陡，混凝土澆筑后存在接觸縫面張開的可能，須待相應灌區混凝土齡期和溫度達到設計要求后進行接觸灌漿處理。同時，拱壩壩肩除本身存在各種地質構造裂隙外，其開挖施工也會產生較多的爆破和卸荷裂隙，必須采用固結灌漿進行處理。傳統的接觸灌漿采取分灌區進行，需要開鑿澆筑止漿埂，安裝進漿、排氣結構；固結灌漿一般采用分序、分段造孔及時跟進灌注，施工工作量大，難以滿足混凝土澆筑按基巖約束區的短間隔期要求，甚至嚴重影響了整個大壩澆筑進度。此外，基巖裂隙與接觸面相互聯通，還會出現前期固結灌漿可能堵塞預埋的接觸灌漿進漿排氣結構等問題。

拱壩壩肩接觸、固結灌漿施工對保證拱壩施工質量和進度有著重要意義，為此，文章選取國內壩肩巖性不同的典型拱壩工程，總結、分析其所做的相關有益探索，探討壩肩接觸－固結灌漿方案的優化途徑。

1 拉西瓦水電站

拉西瓦水電站為一座雙曲拱壩，最大壩高250 m。壩址巖體為中生代印支期灰白色中粗粒塊狀花崗巖，巖塊致密堅硬，平均濕抗壓強度110 MPa，完整巖體縱波波速4 000 m/s以上，變形模量（Ⅱ類巖）15 GPa以上。拉西瓦水電站大壩壩肩接觸、固結灌漿采取了兩套系統分開進行處理，即先進行壩肩基巖固結灌漿，再進行接觸灌漿。為防止二期固結灌漿堵死接觸灌漿系統，該工程研制并采用了不可逆出漿盒熔蝕形成排氣通道的接觸灌漿系統。

1.1 固結灌漿施工

為解決邊坡壩段固結灌漿與壩體混凝土澆筑上升中的工期矛盾，拉西瓦水電站又將壩肩固結灌漿分兩期進行。首先將基巖面2.0 m以下進行無混凝土蓋重固結灌漿，即在混凝土澆筑前使用風動鉆機無巖芯鉆進，一次成孔，自下而上，采用新式液壓灌漿塞孔內循環分段灌漿法。二期對混凝土與基巖接觸段進行有蓋重埋管法固結灌漿，即在2.0 m以下的無蓋重固結灌漿結束后，將原孔掃孔至3.0 m（按搭接1.0 m厚考慮），然后按照單孔埋設、單孔引出的原則預埋灌漿管路，引出所澆筑混凝土的倉號外，待混土澆筑蓋重至12 m設計厚度后，再對其進行灌漿。單孔埋管時，先將孔內的積水與粉塵吹凈，進漿管距孔底10 cm，回漿管距孔口以下20 cm，管路與孔口段采用麻絲堵塞，再用鐵皮將孔口封閉，周邊用砂漿勾縫，防止澆筑時混凝土漿液進入孔中。

1.2 接觸灌漿施工

該工程的接觸灌漿是待一期固結灌漿施工和巖面清理完畢、巖石面局部找平后，采用預理J B J－60型單向注漿裝置，間距按2.0 m×3.0 m梅花形布置。為防止二期固結灌漿時漿液封堵裝置，施工時將裝置的橡皮套充分擠壓在巖面上，然后包裹一層土工布。排氣系統采取在澆筑止漿體時在其中部形成1個略短于止漿體的長三角槽。三角槽內布置1根長的排氣干管（1.5″硬塑料管，間隔50 cm相錯造Φ15 mm的圓孔）及1根長通丙酮管（通丙酮管為1.0″硬塑料管，以下游為起始方向前10 m間隔50 cm開孔，10～30 m范圍內間隔30 cm開孔，剩余部分間隔20 cm開孔，開孔孔徑控制不超過2 mm），上部覆蓋1.2 mm厚鐵皮制作的蓋板，蓋板端部設置10 cm的搭接，搭接部分采用瀝青和泥焦油涂抹，形成一個完整的隔離面，護蓋與止漿體之間采用2 mm厚的泡沫板作墊層，然后將蓋板牢固地釘在止漿體上，并將蓋板頂部和底部用水泥砂漿勾縫，保證蓋板與混凝土止漿體之間縫隙密封。

接觸灌漿是待混凝土溫度、齡期、縫展度等條件滿足設計要求后進行。灌漿前在通丙酮管路中通入0.2 MPa的壓力水，將包裹在花管外的牛皮紙擠壓破裂，排凈管道內的積水，壓入丙酮，溶解聚乙烯泡沫板形成縫隙，并在排氣管內壓入0.2 MPa的壓力水，以保證管路與縫面暢通，方可實施灌漿作業。灌漿的壓力以排氣口管口壓力作為控制值，壓力為0.25～0.35 MPa，灌漿漿液濃度由稀到濃，逐級變漿。施工采用3∶1、2∶1、1∶1、0.5∶1四個比級，當排氣管排漿濃度達到或接近進漿濃度，且管口壓力達到設計規定值、注入率不大于1 L/min、持續20 min灌漿，即可結束。

1.3 實施效果

拉西瓦水電站壩肩采取先固結后接觸灌漿的工藝，接觸灌漿吸漿量小，可灌性差，但從壓水和聲波測試來看，能夠滿足設計和規范要求。

2 小灣水電站

小灣水電站為混凝土雙曲拱壩，壩高294.5 m。小灣壩址區地質巖層基巖巖性主要為黑云花崗片麻巖和角閃斜長片麻巖，兩種巖層均夾薄層鏡狀片巖。小灣水電站大壩壩肩接觸、固結灌漿采取了兩套系統分開進行處理，即先期在壩縫尚未張開以前進行壩肩基巖固結灌漿，再進行接觸灌漿。

2.1 固結灌漿施工

小灣水電站大壩壩肩固結灌漿正式實施前進行了生產性試驗，施工采用排間分兩序，排內分兩序。Ⅰ、Ⅱ序施工采用自上而下分段孔內堵塞灌漿法。Ⅲ、Ⅳ序孔施工采用先單獨灌第一段后，再一鉆到底，自下而上分段灌漿法。試驗表明，該方法的無蓋重固結灌漿效果不佳，后全部改為有蓋重固結灌漿。

壩肩有蓋重固結漿采取在相應壩塊混凝土澆筑后再造孔灌注。因單個壩段灌漿量較大，一次施工完成會導致倉面間歇時間滿足不了基礎約束區短間歇上升的要求，對整個大壩的施工工期也會造成很大的影響。因此，在后期施工中改為先澆筑一個1.5 m層厚快速覆蓋固結灌漿施工面，倉號澆筑3 d后開始一期固結灌漿工作，施工完成后，再澆筑一個1.5 m升層，3 d后再進行二期固結灌漿施工，然后再澆筑一個1.5 m升層，開始固結灌漿檢查孔施工，各層施工間隔期控制在15 d以內。固結灌漿時其本壩段和相鄰壩段混凝土蓋重還須滿足要求，因此，單個壩段固結灌漿施工即使采用了兩期固結灌漿，需要占用的時間仍然較長。一期固結灌漿采用42.5級普通硅酸鹽水泥，二期采用了超細水泥。灌漿壓力和漿液濃度和一般工程類似，采取由小到大分級進行。

2.2 接觸灌漿施工

該工程的壩肩接觸灌漿采用了設置止漿埂、排氣槽、預埋管法，是待相應高程的大壩混凝土溫度、齡期等條件滿足設計要求后與接縫灌漿同時進行。灌漿漿液濃度由稀到濃，逐級變漿。施工采用四個比級，為3∶1、2∶1、1∶1、0.5∶1。當排氣管出漿濃度同進漿管相近時，改為高濃度級灌漿，直至結束。灌漿過程中調整進漿量，逐漸使排氣管升壓，并間歇性地開啟排氣管以排出稀漿。當排氣管排漿濃度達到或接近進漿濃度，且管口壓力達到設計規定值、注入率不大于1 L/min、持續20 min灌漿，即可結束。

2.3 實施效果

由于前面已經對壩肩進行了固結灌漿，加之壩肩接觸縫面張開較小，接觸縫面可灌性較差。對個別通暢性差的灌區采取從下游壩面打設灌漿和排氣孔進行處理。最終通過壓水和聲波測試來看，該處理方法能夠滿足設計和規范要求。

3 洞坪水電站

洞坪水電站拱壩最大壩高135 m。壩肩巖層為薄層灰巖、中厚層灰巖、極薄層灰巖夾泥質灰巖互層結構，斷層較少，裂隙有橫張卸荷裂隙、雁列式張裂隙及反傾向裂隙，多充填方解石脈。巖石強度中等，巖體質量屬Ⅱ類中硬巖石類，單軸抗壓強度約為40～60 MPa。巖體屬層狀結構，較完整，風化深度較淺，風化微弱。

3.1 壩肩接觸－固結灌漿設計方案

洞坪水電站大壩兩岸壩基采用了接觸－固結灌漿一體化工藝，即采用預埋管法，待相應高程壩塊接縫灌漿完成后一次性進行該層的接觸固結灌漿。按照拱壩接縫灌漿壩塊兩側平壓考慮，洞坪水電站壩肩接觸灌漿也是大致按10～12 m高設置為一個灌區，各灌區在基巖面刻鑿深度為40 cm、寬度為60 cm的止漿槽，埋設止漿片，澆筑止漿埂。按照一般接觸灌漿的設計思路，其進漿和排氣裝置最好按上、下層條帶狀布置，以使漿液灌注的時候能夠沿著整個接觸面流動充填，以達到飽滿的效果。由于在止漿埂中不便布置條帶狀進漿排氣的管道，且進漿槽密封有難度，故在設計中利用固結灌漿的埋管作為進漿及排氣管，采用點狀梅花形布置，排距約為2.5～3.0 m，每個灌區布置4～5排，每排8～10個孔。為達到灌漿孔能隨接觸縫面張開時形成連通，設計要求是當混凝土澆筑到鉆孔開孔高程倉位時，先埋設孔口管，待該埋管層混凝土澆筑3 d后再在混凝土面鉆孔，鉆孔深入基巖6 m。造孔完成后須要用水將鉆孔反復沖洗干凈，再進行壓水檢查，最后連接進、回漿管形成灌漿系統，用鐵皮封死孔口管頂部，其固結及接觸灌漿孔口處管路裝置及灌區設置見圖1。進漿管距孔底100 mm，回漿管距孔口以下150 mm。

圖1 固結及接觸灌漿孔口處管路裝置示意圖

3.2 壩肩接觸－固結灌漿施工

洞坪水電站壩肩接觸－固結灌漿斜孔是待相應高程基巖壩塊混凝土澆筑完成后采用地質鉆機打設，然后經沖孔、壓水，最后連接進、回漿管形成灌漿系統，將各排孔的進回漿干管均集中引至廊道內。止漿埂是先期澆筑混凝土，混凝土表面進行收面壓光，待混凝土達到3 d以上齡期，硬化收縮完畢后在表面涂刷隔離劑，再澆筑大壩混凝土。

壩肩接觸－固結灌漿的工序流程是：通水檢查及鉆孔沖洗→壓水試驗→灌漿、封孔。灌漿漿液濃度由稀到濃，逐級變漿。施工采用六個比級，為 5∶1、3∶1、2∶1、1∶ 1、0.8∶ 1、0.5∶1。某一比級漿液的單位注入量已達50 L/m以上或灌漿時間已達45 min，而灌漿壓力和單位吸漿量均無改變時，應變濃一個比級灌注。

當灌前壓水漏水量大于50 L時可按3∶1開灌，如大于100 L則可按2∶1開灌，如大于120 L則可按1∶1開灌。最大開灌水灰比不得濃于1∶1。

灌漿壓力以回漿管的壓力0.6～0.8 MPa進行控制，由于每排孔并聯孔數一般為7個以上，在設計壓力下單位孔長吸漿量小于0.08 L/min下單后，再繼續灌注45 min結束。最上排灌至0.5∶1的濃漿時，對排氣管進行間歇放漿，直至排氣管出漿濃度達到1.7以上后方可扎死管口。

灌漿過程中，排氣管敞開，灌漿采取一區多機，一臺機灌一排孔，從下到上逐排啟灌（下面一排孔回出上一排孔開灌的同一級或接近級漿后，即可啟灌上一排孔）。當各排孔吸漿量達到固結灌漿結束標準時，則從下到上逐排改灌最濃級漿（下面一排孔回出同一級濃漿后，即可改濃灌注上面的一排孔），令排氣管間斷放漿并仍按固結灌漿的要求結束灌漿并封孔。

3.3 實施情況

洞坪水電站兩岸壩肩接觸－固結灌漿，通過聲波測試和壓水試驗來看，均能達到設計要求，但在實施過程中出現的一些現象與設計想象有出入：一方面大部分灌區相互串通，表明止漿埂作用不大，同時由于相互串通，低濃度灌漿壓力不能達到設計要求，多個灌區是采用限流方式結束灌漿；另一方面在巖面刻鑿止漿槽時，由于巖石為薄層灰巖，存在大量的節理和裂隙，止漿槽鑿刻槽成型困難，耽誤了大量的工期，部分采用打設錨筋澆筑弧面止漿埂代替。

4 壩肩接觸－固結灌漿方案優化

比較前面三個工程實踐可知，小灣水電站壩肩全部采取澆筑混凝土后再造孔的有蓋重固結灌漿，對施工進度造成了較大影響，而拉西瓦水電站壩肩采用了無蓋重固結灌漿和有蓋重固結灌漿結合的方式，較好解決了工期和質量的矛盾。根據資料可知，白鶴灘水電站、溪洛渡水電站的壩肩固結灌漿均采用了無蓋重固結灌漿和有蓋重固結灌漿結合的工藝，實施效果較好。接觸灌漿處理方面，拉西瓦的工藝比較復雜，且存在一期固結灌漿堵塞進漿和排氣裝置的可能。洞坪水電站采取預埋管接觸－固結灌漿一體化工藝，實踐表明，該工藝簡單可行，但由于沒有進行一期固結，巖石裂隙多，后期灌漿壓力值難以達到質量控制標準，存在一定的質量風險。

結合上述工程經驗，可以優化改進壩肩接觸－固結灌漿一體化工藝，即對固結灌漿部分采用拉西瓦工程的工藝：采用兩期施工，一期在壩體混凝土澆筑前采用一鉆到底，孔內分段堵塞灌注，然后在孔口預埋鋼管，澆筑混凝土后再掃孔進入基巖3～4 m，安裝進漿及回漿管引出壩體，待后期壩體滿足接縫灌漿條件后結合接觸灌漿進行有蓋重二期固結灌漿。采取這種方法可以減少二期固結灌漿吸漿量，提高固結及接縫灌漿壓力。洞坪水電站壩肩接觸－固結灌漿孔采取一根干管將每排進漿管并聯方式引出的方式，筆者認為一次性并聯管孔太多，進漿分配及漿液擴散質量不易確定，建議可以將每排按照上下游各半區分開設置考慮，且灌漿時可以采用交叉排氣法逼迫漿液擴散以提高灌漿質量。

由于拱壩壩肩基巖裂隙較多，止漿槽開鑿過程中存在成型困難、形成的灌區封閉性差等問題，故建議取消。由于壩肩接觸－固結灌漿是在同高程層接縫灌漿完成以后進行，灌區底層灌漿壓力可以適當加大，灌區頂排接觸固結灌漿孔采用由稀到濃達到設計灌漿壓力后，及時對上部灌區灌漿孔采用清水進行沖洗，以防止堵塞上部灌漿孔。

5 結語

文章結合拉西瓦水電站、小灣水電站、洞坪水電站的壩肩接觸、固結灌漿施工工藝及實施效果，提出了壩肩接觸固結一體化的優化施工工藝，即：固結灌漿采用兩期施工，一期固結灌漿在壩體混凝土澆筑前，采用鉆孔、分段堵塞灌注、孔口預埋鋼管，待澆筑混凝土后再掃孔進入基巖3～4m，安裝進漿管、回漿管引出壩體，結合接觸灌漿進行有蓋重的二期固結灌漿；進漿管按照上下游分開設置，采用交叉排氣法提高灌漿質量；取消止漿槽，適當加大灌區底層灌漿壓力。該優化施工工藝簡單、便捷，能有效解決原有施工工藝存在的接觸縫面吸漿量小、可灌性差、后期灌漿壓力難以達標、質量風險大等缺陷，且有較好的理論基礎，具有推廣使用價值。