西藏高寒地區(qū)冬季固結灌漿施工技術

趙建剛，楊震中

(1. 水電九局西藏建設工程有限公司，西藏 拉薩 850000；2. 中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司，貴州 貴陽 550081)

DG水電站位于西藏自治區(qū)山南地區(qū)，為二等大(2)型工程，開發(fā)任務以發(fā)電為主。水電站基礎處理工程主要工作內容為大壩基礎固結灌漿、基礎防滲帷幕灌漿。固結灌漿設計總工程量為36 065.0 m，其中大壩基礎固結灌漿分為有蓋重和無蓋重固結灌漿，根據開挖地質條件孔深為5.0、8.0、12.0 m三種。根據西藏高寒地區(qū)的特點以及壩址區(qū)特殊施工條件，介紹固結灌漿施工技術中的一些關鍵工藝和施工經驗。

1 工程施工特點

本工程所處高海拔、大氣稀薄、太陽輻射強區(qū)域，海拔高程為3 451.0 m，施工區(qū)具有以下幾個特點：

1)氣壓低、氧氣稀薄。氣壓低缺氧是高海拔地區(qū)的主要特征，缺氧對工程施工中的人工和施工機械效率有很大的影響。

2)風力大。本工程冬半年(即11月～次年4月)受境內西風帶控制，多數情況下下午出現大風天氣，工地風沙蔓延。

3)晝夜溫差大。根據華東院在西藏DG壩址設立的氣象站實測氣溫資料，從2011年5月至2013年12月，每一小時讀測一次，實測最高氣溫為30℃，最低時氣溫為-13℃，每天的氣溫變幅一般在18℃左右，氣溫日變幅較大。該氣溫特征對晝夜連續(xù)進行固結灌漿施工影響很大。

2 與常規(guī)固結灌漿區(qū)別

2.1 常規(guī)固結灌漿

1)灌漿方式。針對吸漿量大的孔段一般采用純壓式灌漿方式；吸漿量小的孔段一般采用循環(huán)式灌漿方式。

2)灌漿方法。大壩基礎固結灌漿一般可采用全孔一次灌漿法、自上而下、自下而上、上下結合、孔口封閉灌漿等方法。淺孔固結灌漿針對地質條件差的部位一般采用自上而下灌漿方法；巖層相對完整的部位采用自下而上灌漿方法；深孔固結灌漿一般采用孔口封閉自上而下分段灌漿方法。岸坡段無蓋重固結灌漿在混凝土澆筑后達到強度進行分段鉆灌施工。

3)灌漿分段。灌漿孔的基巖灌漿段長不大于6 m時，可采用全孔一次灌漿法；大于6 m時宜分段灌漿。

4)冬季灌漿時段。通常在保證漿液溫度的情況下，正常進行連續(xù)灌漿作業(yè)。

5)冬季保溫。制漿站和灌漿站采取搭設保溫暖棚，內設煤爐或電暖器取暖；制漿用水采用電熱棒或燒柴油等加熱；輸水、輸漿管路采用棉被保暖或部分埋入土內。

2.2 高寒地區(qū)固結灌漿

1)灌漿方式。本工程統(tǒng)一采用循環(huán)式灌漿方式，相比純壓式灌漿主要優(yōu)點在于灌漿過程中始終保證漿液有一定的流動性，不容易“固管”。

2)灌漿方法。本工程固結灌漿統(tǒng)一采用自上而下分段灌漿。針對岸坡段的固結灌漿，采取先進行除孔口第1段(段長2.0 m或3.0 m)以下各段的灌漿，孔口第1段采取預埋灌漿管的方式，待混凝土達到設計強度的50%以后，利用下一倉混凝土澆筑前的間歇時間進行灌漿。采用此方法施工取消了混凝土鉆孔工序，避免了造孔產生的大量粉塵，減少了鉆混凝土工程量，避免了施工交叉干擾、不占用直線工期，加快了邊坡部位混凝土的澆筑速度；另外還避免鉆孔易造成冷卻水管、預埋件等破壞；避免了混凝土表面因固結灌漿長時間的暴露，產生溫度裂縫及繼續(xù)澆筑時新老混凝土變形不一致等問題。

3)灌漿分段。按照設計及規(guī)范要求，灌漿孔的基巖灌漿段長不大于6 m時，可采用全孔一次灌漿法，本項目針對Ⅲ區(qū)(設計入巖孔深為5.0 m)，由于固結灌漿處于冬季施工，氣溫低，晝夜溫差大，為了保證灌漿質量以及提高以下各段的灌漿壓力，將入巖孔深5.0 m的孔段分為2.0 m、3.0 m兩段灌注。

4)冬季灌漿時段。考慮到冬季地凍深度影響，采取分段灌漿，孔口第1段采取預埋灌漿管的方式，待氣溫上升后再進行灌漿；其余時段進行除孔口第1段(段長2.0 m或3.0 m)以下各段的灌漿。

5)冬季保溫。制漿站和灌漿站采取搭設保溫暖棚，內設暖風機供暖；輸水、輸漿管路采用橡塑海綿+鋁箔膠帶+電熱絲保溫；制漿用水采用柴油鍋爐加熱，相比傳統(tǒng)的煤爐、電暖氣取暖、電熱棒加熱水安全、環(huán)保、節(jié)能。

3 固結灌漿設計

1)本工程大壩基礎固結灌漿分為有蓋重固結灌漿和無蓋重固結灌漿兩類。對于混凝土厚度≥3.0 m界定為有蓋重固結灌漿區(qū)域、混凝土厚度<3.0 m界定為無蓋重固結灌漿。

2)孔深設計。根據開挖地質條件的不同，大壩基礎固結灌漿共劃分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ區(qū)，Ⅰ區(qū)設計入巖孔深12.0 m、Ⅱ區(qū)設計入巖孔深8.0 m、Ⅲ區(qū)設計入巖孔深5.0 m。

3)布孔方式及間排距。固結灌漿孔位布置采用梅花型布置型式，間排距為3.0 m×3.0 m。

4)段長劃分。根據設計技術要求及《水工建筑物水泥灌漿施工技術規(guī)范》(DL/5148-2012)中6.3項第(2)條提出“灌漿孔的基巖灌漿段長不大于6 m時，可采用全孔一次灌漿法”，而根據前期固結灌漿試驗情況及西藏DG水電組織召開的大壩固結灌漿試驗報告專題會評審意見，為了保證灌漿施工質量，灌漿Ⅲ區(qū)設計孔深為5 m的孔段，要求分成2次灌漿，灌漿段長劃分為2 m和3 m；設計孔深為8.0 m的灌漿孔段長劃分為3.0 m和5.0 m；設計孔深為12.0 m的灌漿孔段長劃分為3.0、4.0、5.0 m。

4 灌漿施工

4.1 灌漿材料和灌漿設備

固結灌漿施工所用的水泥為西藏高爭建材股份有限公司生產的普通硅酸鹽P.O42.5級水泥。水泥細度要求通過80 um方孔篩篩余量不大于5%。在高寒地區(qū)冬季施工時，江水在0℃～7℃之間，山水全部結冰，室外環(huán)境溫度一般在-12℃～17℃，要在此環(huán)境下進行灌漿作業(yè)，首先應做好鉆孔灌漿防寒保暖措施，將室外環(huán)境溫度盡量提高到零度以上，同時采用鍋爐加熱使水溫提高到20℃～40℃，保證漿液溫度保持在5℃～40℃之間；灌漿用水應符合《混凝土用水標準》JGJ63-2006的規(guī)定。拌合用水的溫度不得高于30℃，若水溫超30℃時應采取降溫措施。

4.2 主要施工方法

4.2.1 施工流程

固結灌漿施工按照《西藏DG水電站大壩及廠房基礎處理施工技術要求》及《水工建筑物水泥灌漿施工技術規(guī)范》(DL/T5148-2012)第6.1.4條規(guī)定，遵循分排、分序、加密的原則，灌漿孔排與排之間和同一排孔與孔之間分二序施工。

固結灌漿施工工藝流程為：測量放樣→鉆孔定位→分段鉆孔→沖洗→壓水試驗→分段灌漿→封孔→質量檢查。

4.2.2 鉆孔工藝

固結灌漿鉆孔采用回轉式地質鉆機鉆孔，開孔至終孔采用金剛石鉆進工藝，為了保證固結灌漿施工進度，不影響2019年3月大壩首倉碾壓混凝土的澆筑，在施工現場對采用日本全自動液壓鑿巖機、潛孔鉆鉆孔進行鉆孔試驗，通過物探檢測手段對灌漿孔沖洗前后鉆孔錄像、聲波檢測數據對比以及檢查孔壓水檢查驗證，鉆孔沖洗采用清水沖洗并延長沖洗時間，是能夠保證灌漿質量的，也為后期大規(guī)模固結灌漿開展以及加快施工進度奠定了基礎。

4.2.3 灌漿工藝

1)灌漿方法。

施工工藝：固結灌漿分排分序分段鉆孔、沖洗、壓水、灌漿、封孔、質量檢查。

壓水試驗：固結灌漿孔灌前壓水試驗在巖石裂隙沖洗結束后進行，壓水試驗孔數不少于總孔數的5%，試驗采用單點法，其余灌漿孔結合裂隙沖洗并進行簡易壓水，壓水試驗壓力為設計灌漿壓力的80%，并不大于1.0 MPa。

灌漿：部分灌漿孔采用常規(guī)“阻塞灌漿法”進行灌漿，自上而下分段、孔內循環(huán)灌注。針對岸坡段無蓋中固結灌漿，由于貼破混凝土澆筑滯后，為了保證施工進度、質量、且避免與混凝土澆筑產生施工干擾、不占用直線工期及鉆孔施工易破壞預埋件、避免混凝土層面因固結灌漿時間過長產生溫度裂縫以及繼續(xù)澆筑時新老混凝土變形不一致等問題，先進行(除孔口第1段外)的灌漿，孔口第1段(段長2.0 m或3.0 m)采用引埋灌漿管的方法，待澆筑后混凝土強度達到50%的設計強度后進行灌注。

2)固結灌漿段長與灌漿壓力。該工程固結灌漿分為有蓋重和無蓋中灌漿，灌漿段長與灌漿壓力、不同孔序與段次、灌漿段長和壓力有所區(qū)別，具體灌漿段長和壓力劃分見表1、表2所示。

表1 無蓋重固結灌漿段長與壓力劃分表

表2 有蓋重固結灌漿段長與壓力劃分表

3)漿液變換。

水灰比：固結灌漿采用的水灰比為2∶1、1∶1、0.8∶1、0.5∶1四個比級，開灌水灰比為2∶1。

變漿標準：固結灌漿漿液濃度遵循由稀變濃的原則逐級變換，施工過程中嚴格按照《水工建筑物水泥灌漿施工技術規(guī)范》(DL/T5148-2012)規(guī)定要求進行控制執(zhí)行。

漿液變換原則：當灌漿壓力保持不變，注入率持續(xù)減少時，或當注入率保持不變而灌漿壓力持續(xù)升高時，不得改變水灰比；當某一比級漿液注入量已達300L以上，或灌注時間已達30 min，而灌漿壓力和注入率均無明顯改變時，應換濃一級水灰比漿液灌注；當注入率大于30 L/min時，根據施工具體情況，可越級變濃。

4)灌漿結束標準。單孔灌漿各灌漿段的結束條件為：灌漿段在最大設計壓力下，當注入率不大于1.0 L/min，繼續(xù)灌注30 min，可結束灌漿。

5)封孔。一般采用全孔灌漿封孔法：全孔灌完后，先用導管灌漿法將孔內余漿置換成0.5的濃漿，而后將灌漿塞塞在孔口，繼續(xù)使用濃漿進行純壓式灌漿封孔。封孔壓力采用該灌漿孔最大設計壓力，灌漿持續(xù)時間不小于30 min。

4.2.4 特殊情況處理

1)按照《西藏DG水電站大壩及廠房基礎處理施工技術要求》及《水工建筑物水泥灌漿施工技術規(guī)范》(DL/T5148-2012)中規(guī)定的灌漿特殊情況處理方法進行相應處理。

2)根據本工程施工特點及固結灌漿試驗結果，主要采用以下處理方法：

施工順序：為了防止吃漿量過大擴散過遠，灌漿時可先施工完周邊孔，形成周圍封閉后，內部再進行分排分序施工；

針對吃漿量大的孔段，在灌漿施工中宜采用低壓、限流、濃漿、間歇、待凝的方式處理。

限流和間歇時間控制：針對吃漿量大的孔段，灌漿過程中在漿液變換至0.5∶1濃漿后采用限流方式處理，限流標準為35～40 L/min；間歇時間：若吃漿量過大或出現地面冒漿情況，由于冬季氣溫過低，水泥凝固慢，間歇時間控制在15～20 min之間。

耗漿量控制和待凝時間確定：當耗灰量達到3.0T/段后壓力或流量無明顯變化的情況下采取待凝處理方式，待凝時間定為冬季灌漿待凝24 h/次、夏季灌漿待凝12 h/次。

在寒冷的冬季施工時，為了保證灌漿質量必須做好防寒保暖措施。本項目采取對集中制漿系統(tǒng)及灌漿區(qū)域搭設保溫暖棚，內部安裝暖風機供暖。灌漿供水、供漿管路采用電熱絲加熱+橡塑海綿+鋁箔膠帶保暖。拌制漿液的水采用鍋爐加熱到20℃～30℃，視其環(huán)境溫度的高低決定，漿液溫控制在40℃以內。因外界溫度低，考慮溫差較大，熱量損失較快，因此水溫及漿液溫度可適當調高些，但不能超過規(guī)范規(guī)定。

由于冬季地凍深度影響，采取分段灌漿，孔口以下第一段采取預留灌漿管暫不進行灌漿，待氣溫上升后再進行灌漿。

根據設計圖紙及施工技術要求，大壩基礎固結灌漿分為有蓋重和無蓋重固結灌漿，對于混凝土厚度≥3.0 m界定為有蓋重固結灌漿區(qū)域、混凝土厚度<3.0 m界定為無蓋重固結灌漿。依據大壩基礎開挖揭露地質條件的不同以及壩高和壩基應力應變情況，大壩基礎固結灌漿共劃分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ區(qū)，Ⅰ區(qū)設計入巖孔深12.0 m、Ⅱ區(qū)設計入巖孔深8.0 m、Ⅲ區(qū)設計入巖孔深5.0 m，灌漿孔間排距均為3.0×3.0。根據冬季分時段氣溫情況，采取分段灌漿，保證灌漿質量。

4.2.5 自動化灌漿記錄儀監(jiān)測系統(tǒng)

在高寒地區(qū)進行大壩基礎固結灌漿施工時，由于本項目固結灌漿工程量大，且灌漿時記錄量大，為了確保記錄數據具有足夠的可靠性和準確性，必須嚴格控制灌漿施工質量，施工時采用三參數(壓力、流量、水灰比)灌漿自動記錄儀。灌漿與壓水壓力、流量、漿液水灰比等參數，全部根據灌漿自動記錄儀記錄的原始資料進行統(tǒng)計和分析。灌漿自動記錄儀在大循環(huán)灌漿工藝中管路連接如圖1所示。

圖1 大循環(huán)三參數灌漿工藝管路連接圖

4.2.6 冬季灌漿保溫措施

1)制漿站保溫。冬季施工時，固結灌漿漿液溫度要求不低于5℃，因此必須提高制漿站的出機漿溫。制漿站采取搭設保溫暖棚保溫(外側采用橡塑海綿包裹，內部采用暖風機供暖)；制漿站和灌漿場面分別設置一個容量為2.0 m3的鍋爐(燃料采用柴油)，目的是保證漿液溫度控制在5℃～40℃范圍內以及制漿用水溫度不得高于30℃。

2)輸漿、灌漿管路保溫。冬季施工時，為了減小輸漿、灌漿管路水泥漿的溫度損失，輸漿及灌漿管路需做好保溫措施。輸漿管路包括：制漿站到壩前或壩后的臨時灌漿站到工作面的所有管路。輸漿管路采用外裹一層橡塑海綿+鋁箔膠帶+電熱絲(每隔25 m/段)加熱保溫；制漿站送漿完畢后，及時通水清洗管路并用12 m3的空壓機送風將管路中的積水沖洗干凈，防止管路結冰堵塞。

3)灌漿站保溫。灌漿站不管是集中或分散的都需要做好保溫措施，以避免冬季鉆灌設備、攪拌桶等受冰凍影響，灌漿效率降低。采取在灌漿站搭設保溫暖棚，內部采用暖風機供暖，保證室內溫度保持在5℃范圍內。

4)鉆灌設備保溫。除在暖棚內保溫外，鉆機檢修、停鉆時，在鉆機機油油箱部位擺放電暖器，保證機械正常運行，灌漿結束后對灌漿泵拆除放水，防止結冰，保證正常使用。

5)灌漿孔孔口保溫。灌漿孔封孔結束后，灌漿孔口采用酒精噴燈進行加熱加速凝固，然后采用草袋、棉紗等分層覆蓋，加速水泥砂漿凝固。

圖2 高速制漿機采用保溫暖棚包裹圖

圖3 制漿用水采用鍋爐加熱圖

4.2.7 固結灌漿質量檢查

1)固結灌漿質量檢查方法。以壓水試驗為主，輔以測量巖體波速和靜彈性模量，并結合灌漿孔鉆孔、檢查孔取芯(即檢查孔巖芯的采取率、裂隙情況、漿液結石密實度、強度)、孔內錄像和灌漿資料進行對比分析等進行綜合評定。

2)壓水試驗方法。固結灌漿質量檢查孔的孔數為灌漿總孔數的5%，壓水試驗采用“單點法”。

3)固結灌漿質量檢查標準。透水率q≤5.0Lu。壓水試驗孔段合格率，在上游帷幕線上游和下游帷幕線下游的范圍內的合格率應在90%以上，其余范圍為85%以上，不合格孔段的透水率不超過設計規(guī)定值的150%，且不集中，則灌漿質量認為合格。

5 灌漿效果分析

以下表3～表5以大壩8號壩段灌漿成果進行統(tǒng)計分析為例：

5.1 灌漿前、后壓水試驗情況

灌漿前巖體透水率最大無回水，不起壓；最小8.53Lu；平均155.17Lu；3～10Lu的孔段占總孔段數的1.0%；10～50Lu的孔段占總孔段數的30.0%；50～100Lu的孔段占總孔段數的25.0%；>100Lu的孔段占總孔段數的44.0%；

表3 固結灌漿各孔段透水率頻率分布表

表4 固結灌漿各孔段單位注灰量頻率分布表

表5 固結灌漿檢查孔透水率頻率分布表

灌后質量檢查孔壓水試驗其呂榮值大小分布為：<1Lu的孔段占總孔段數的13.0%；1～3Lu的孔段占總孔段數的74.0%；3～5Lu的孔段占總孔段數的13.0%；最大透水率為3.66Lu，最小透水率為0.91Lu，平均透水率為1.92Lu。

5.2 灌漿孔水泥耗量情況

該單元平均單耗為378.33 kg/m，其中Ⅰ序孔平均單耗為468.19 kg/m，Ⅱ序孔平均單耗為288.47 kg/m。 10～50 kg/m的孔段占總孔段數的5.2%；50～100 kg/m的孔段占總孔段數的7.1%；100～1 000 kg/m的孔段占總孔段數的85.7%；>1 000 kg/m的孔段占總孔段數的2.0%；

5.3 結論

1)水泥單耗量隨著分排、孔序、加密的進行，單耗量逐漸減小, Ⅱ序孔比Ⅰ序孔降低了38.4%。

2)灌漿前、后平均透水率減小非常顯著, 檢查孔透水率小于設計規(guī)定值。

3)灌漿效果明顯, 單耗量及透水率隨著分排、分序、加密的進行呈逐漸減小趨勢，符合灌漿規(guī)律, 灌漿

工藝參數基本適用西藏雅魯藏布江DG水電站工程黑云母花崗閃長巖。

6 施工中應注意的事項

1)加強鉆灌設備的日常保養(yǎng)和維護，做好灌漿前所需要的各項工作準備，確保灌漿工作的連續(xù)進行。

2)在對接觸段進行灌漿時，卡塞位置一定要在混凝土內，確保混凝土在與基巖接觸面上不會出現漏灌的現象。

3)對射漿管和卡塞位置嚴格按照設計技術要求及規(guī)范施工，防止少下或不下射漿管，影響灌漿質量。

4)冬季灌漿要做好防寒保暖措施，保證漿液溫度控制在設計或規(guī)范規(guī)定范圍內。

5)灌漿過程中加大質量監(jiān)控力度(特別是漿液溫度、孔深、射漿灌下設、漿液濃度、結束標準等)。

6)大壩河床段的固結灌漿工作正是在寒冷的冬季情況下施工的,室外氣溫在-12℃～-17℃之間,實測的地下水溫 1℃～3.5℃, 為此水泥漿液在地層中凝固的時間較長 由于裂隙壓力的流動甚至可能會造成水泥漿的失敗，這可能是由于水溫及地下水流動所造成的。所以在灌漿過程中應根據地下水溫度對漿液溫度進行動態(tài)調整，加速漿液在孔內凝固，保證灌漿質量。

7 經濟效益

工程實際施工中從壩右0+025.35～壩左0+092.00，壩上0-007.50～壩下0+094.50利用冬季提前進行固結灌漿施工，不占用直線工期，圓滿地完成了施工任務，保證了2019年3月碾壓混凝土的正常施工。

壩基進行固結灌漿處理后，提高了巖體的整體性及彈性模量，提高了抗變形能力和地基不均勻沉降。本工程采用日本全自動液壓鑿巖機和潛孔鉆進行固結灌漿鉆孔相比常規(guī)地質鉆機鉆孔工效提高40～50倍，節(jié)省了人力，按照每天完成同樣的鉆孔量計算，采用鑿巖機或潛孔鉆比采用地質鉆鉆孔降低成本28.0元/m，故完成7 432.0 m固結灌漿量，能夠降低施工成本20.8萬元。

8 結 語

在高寒地區(qū)對大壩基礎進行固結灌漿施工時，需嚴格按照施工流程進行灌漿。在灌漿之前，要準備充足的灌漿材料，并確保材料質量的過關。同時在施工過程中，要對施工中所需要注意的事項進行全面的分析，從而提高大壩等基礎固結灌漿效果。特別是在冬季施工時，在加熱過程中，水溫和水泥漿液溫度均應嚴格控制，并防止因凍水進入地下后結冰破壞原來的地質結構。同時，為了防止鉆灌設備在嚴冬時節(jié)被凍壞，影響生產，造成經濟損失，也應做好設備的保溫措施。