白鶴灘水電站左岸廠區(qū)帷幕灌漿水泥損耗分析與研究

蒙 萬(wàn) 謙，雷 艦

(中國(guó)水利水電第七工程局成都水電建設(shè)工程有限公司，四川 成都 610030)

1 概 述

在白鶴灘水電站左岸引水發(fā)電系統(tǒng)工程中，樞紐區(qū)防滲帷幕由大壩基礎(chǔ)防滲帷幕、地下廠房防滲帷幕和二道壩防滲帷幕三部分組成，其中兩岸大壩基礎(chǔ)防滲帷幕分別與地下廠房防滲帷幕相連接，形成上游側(cè)完整的防滲體系，以減小上游庫(kù)水位對(duì)下游和壩肩抗力體的滲流[1]。地下廠房的防滲帷幕在平面上與壩區(qū)防滲帷幕相連，采用半包圍廠房的布置方案。廠房防滲帷幕北側(cè)與大壩基礎(chǔ)防滲帷幕相連接，南側(cè)折向山體內(nèi)906.69 m半包廠房。立面上，廠房防滲帷幕布置在壓力管道(鋼襯)上游側(cè)距廠房上游側(cè)墻86.5 m的位置，防滲帷幕從825 m高程向下延伸至550 m高程，總深度約為275 m，共布置了5層帷幕灌漿廊道，每層廊道布置2排深孔帷幕灌漿孔，排距1.5 m，孔距2 m，各層廊道間布置銜接帷幕，整體形成封閉帷幕體。左岸地下廠房防滲帷幕灌漿量達(dá)50萬(wàn)m。

白鶴灘水電站左岸廠區(qū)洞群龐大，縱橫交錯(cuò)，灌漿施工作業(yè)面分布分散，帷幕灌漿工程量大，同一施工時(shí)段多個(gè)部位施工強(qiáng)度高，漿液需求量大，且因受現(xiàn)場(chǎng)施工場(chǎng)地條件限制，制漿系統(tǒng)無(wú)法根據(jù)各個(gè)施工作業(yè)面就近布置。為確保施工期帷幕灌漿的漿液供應(yīng)，左岸廠區(qū)采用建立自動(dòng)化集中制漿系統(tǒng)，通過(guò)各層洞室層間對(duì)穿傳遞孔埋設(shè)輸漿管路，將水泥漿液從集中制漿系統(tǒng)輸送至各施工作業(yè)面，并保證漿液供應(yīng)滿足帷幕灌漿施工需求。

(1)地層巖性。頂層灌漿廊道上覆巖層厚度為60～200 m，以基巖為主；2號(hào)斜坡南側(cè)靠近NW向陡壁部位覆蓋層較厚，為20～30 m，基巖厚30～40 m，為峨眉山組P2β42～P2β62層隱晶質(zhì)玄武巖、杏仁狀玄武巖[2]、角礫熔巖及凝灰?guī)r等。

高程825～550 m防滲帷幕巖體由峨眉山組P2β34～P2β42層玄武巖構(gòu)成，巖性為隱晶質(zhì)玄武巖、杏仁狀玄武巖、角礫熔巖、斜斑玄武巖及凝灰?guī)r等；高程550～740 m段分布P2β32、P2β33層第一類、第二類柱狀節(jié)理玄武巖。

(2)地質(zhì)構(gòu)造。沿線未發(fā)育大的斷層，層間錯(cuò)動(dòng)帶C2、C3-1、C3貫穿整個(gè)線路，層間錯(cuò)動(dòng)帶C4、C5在頂層灌漿廊道上部發(fā)育，層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶大多規(guī)模較小，其中P2β32、P2β33層相對(duì)發(fā)育，主要發(fā)育有LS3152、LS3253、LS3254、LS3255、LS3256等。

(3)巖體風(fēng)化卸荷。沿線弱風(fēng)化及弱卸荷巖體埋深多在50 m以內(nèi)，高程834 m以下均為微新無(wú)卸荷巖體。

(4)水文地質(zhì)情況。地下廠房防滲線路部位巖體埋深較大，均處于微新無(wú)卸荷巖體內(nèi)，受風(fēng)化卸荷影響甚微，完整性較好，結(jié)構(gòu)緊密，巖體透水性差。沿線巖體以微透水～弱透水巖體為主。微透水巖體(相對(duì)隔水層)頂板埋深為115～220 m，高程為760～810 m。局部錯(cuò)動(dòng)帶發(fā)育部位巖體呈弱透水。

2 水泥損耗原因分析

筆者結(jié)合左岸廠區(qū)帷幕灌漿施工的實(shí)際情況進(jìn)行了系統(tǒng)分析，帷幕灌漿施工過(guò)程的水泥損耗由制漿損耗、系統(tǒng)供漿損耗、灌漿施工過(guò)程損耗、施工環(huán)境影響引起的損耗、特殊地質(zhì)巖性引起的損耗組成。

2.1 制漿損耗

水泥漿液的制漿方式主要為“人工+制漿機(jī)”制漿和自動(dòng)化集中制漿兩種。“人工+制漿機(jī)”制漿主要適用于袋裝水泥制漿，該方式制漿系統(tǒng)布置較為靈活，可隨工作面就近布置，但制漿稱量主要靠人工控制，稱量誤差偏差較大且制漿過(guò)程浪費(fèi)相對(duì)較大，導(dǎo)致制漿水泥損耗偏高；自動(dòng)化集中制漿主要適用于散裝水泥，制漿系統(tǒng)的布置相對(duì)較為固定，制漿方式為全自動(dòng)化系統(tǒng)控制制漿，稱量系統(tǒng)精度高，稱量誤差較小，因此其制漿損耗的主要原因?yàn)榉Q量偏差所導(dǎo)致。

2.2 供漿損耗

白鶴灘水電站左岸廠區(qū)防滲排水系統(tǒng)帷幕灌漿工程共布置5層灌漿廊道及最底部的一條截滲廊道，垂直高程達(dá)275 m，單條帷幕灌漿廊道長(zhǎng)達(dá)906.39 m。由于洞群內(nèi)施工工作面分散，同一時(shí)段多部位高強(qiáng)度同時(shí)施工，漿液需求量大，為確保高峰期灌漿時(shí)水泥漿液的供應(yīng)，制漿采用自動(dòng)化集中制漿系統(tǒng)制漿，通過(guò)各層洞室層間對(duì)穿傳遞孔埋設(shè)輸漿管路，將水泥漿液從集中制漿系統(tǒng)輸送至各施工作業(yè)面，集中制漿站至施工作業(yè)面輸漿管線平均長(zhǎng)度達(dá)1.5 km。每次供漿前，供漿管路需先通水檢查管路的通暢性，然后供漿，供漿完成后必須用水進(jìn)行管路沖洗，從而導(dǎo)致供漿的前一部分和后一部分漿液被水稀釋、致使?jié){液濃度達(dá)不到灌漿要求而浪費(fèi)掉[3]。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)各個(gè)施工作業(yè)面供漿情況進(jìn)行測(cè)算，單次供漿損耗量達(dá)10%～12%。

2.3 灌漿施工過(guò)程的損耗

(1)棄灰損耗。白鶴灘水電站帷幕灌漿施工工藝均采用卡塞或孔口封閉孔內(nèi)循環(huán)式灌漿方式。灌漿時(shí)，孔內(nèi)漿液將循環(huán)至攪拌桶內(nèi)，孔內(nèi)存在的少量巖粉也會(huì)隨著漿液循環(huán)返回?cái)嚢柰埃诟鞴酀{孔段灌漿結(jié)束后，攪拌桶內(nèi)剩余的這部分漿液將不能再使用，需全部棄掉，該部分漿液的損耗在灌漿施工過(guò)程中占總損耗量的45%。

(2)封孔置換損耗。在帷幕灌漿施工中，灌漿的最后一道重要工序?yàn)楣酀{封孔。帷幕封孔施工采用0.5∶1的濃漿將孔內(nèi)水先進(jìn)行置換，待孔口返濃漿后阻塞帶壓封孔。特別是深孔帷幕，孔深普遍比較深，漿液置換過(guò)程中由于孔內(nèi)有水，濃漿進(jìn)孔后部分漿液會(huì)被稀釋，導(dǎo)致其濃度不滿足規(guī)范要求的部分必須浪費(fèi)掉，致使?jié){液損耗量較大，該部分漿液損耗占總損耗量的15%。

(3)施工工藝損耗。白鶴灘水電站帷幕灌漿工程深孔帷幕施工阻塞工藝均采用孔口封閉、孔內(nèi)循環(huán)法進(jìn)行灌漿，該施工工藝會(huì)造成已灌段重復(fù)進(jìn)行循環(huán)灌漿，已灌段孔內(nèi)重復(fù)有孔內(nèi)占漿，這種灌漿阻塞工藝也是導(dǎo)致水泥漿液損耗增大的原因之一。

2.4 施工環(huán)境影響損耗

白鶴灘水電站多年平均氣溫高達(dá)21 ℃，極端最高氣溫達(dá)43 ℃以上，尤其是4～9月份氣溫較高。灌漿的技術(shù)要求：溫度超過(guò)40 ℃的漿液將作為廢漿棄掉。在白鶴灘這種高溫地區(qū)，水泥漿液在高速攪拌和通過(guò)灌漿泵高壓循環(huán)灌漿的條件下漿液的溫度上升較快，漿液溫度極易達(dá)到40 ℃。特別是在濃漿封孔的時(shí)候，漿液極易導(dǎo)致超溫，這部分超溫的漿液必須作為廢漿棄掉，這也是導(dǎo)致水泥漿液損耗的原因之一。

2.5 特殊地質(zhì)巖性引起的損耗

白鶴灘水電站左岸廠區(qū)巖體以微透水巖體為主，少量為弱透水下段(1 Lu≤q<3 Lu)透水巖體，局部為弱透水上段(3 Lu≤q<10 Lu)透水巖體。整體透水性較小，水泥灌注單耗整體較小，可灌性較差。帷幕灌漿單耗小于10 kg/m孔段占比為79%(其中零單耗占比為45%)。白鶴灘水電站左岸引水發(fā)電系統(tǒng)帷幕灌漿大部分孔段單耗均在10 kg/m范圍內(nèi)，單次漿液制備量在滿足注入量、孔管占、封孔量、槽內(nèi)余灰等必要耗量外均作棄灰，損耗占比較大。這種特殊的弱透水性巖層是導(dǎo)致水泥損耗整體偏高的主要原因之一。

3 降低水泥損耗的方法研究

3.1 制漿損耗

制漿損耗的主要原因?yàn)榉Q量偏差和人為拌制浪費(fèi)所造成。隨著現(xiàn)代化工業(yè)的進(jìn)步，目前自動(dòng)化集中制漿系統(tǒng)的技術(shù)已趨向成熟，可實(shí)現(xiàn)智能化、信息化。根據(jù)灌漿工程施工現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，可以采用建立智能化制漿系統(tǒng)代替人工制漿。集中制漿集中供漿，不僅可以提高稱量系統(tǒng)的精度及制漿精度，也可以減少人為因素造成的浪費(fèi)，從而有效降低制漿損耗[4]。白鶴灘水電站左岸廠區(qū)帷幕灌漿制漿即采用自動(dòng)化集中制漿系統(tǒng)，從而有效地降低了制漿損耗。

3.2 供漿損耗

白鶴灘水電站左岸廠區(qū)系統(tǒng)帷幕灌漿由于點(diǎn)多面廣，為確保供漿滿足各施工部位的供漿需求，采用自動(dòng)化集中制漿系統(tǒng)制漿[5]，通過(guò)傳遞孔輸送至各施工作業(yè)面。其供漿損耗主要為供漿的前一部分和后一部分漿液被供漿管路內(nèi)的水稀釋所造成。因此，供漿次數(shù)越多，損耗將越大。解決的措施為：根據(jù)各層廊道帷幕灌漿施工資源配置情況，在各層廊道建立供漿中轉(zhuǎn)站，更換大體積儲(chǔ)漿桶，盡量減少集中制漿站到各施工作業(yè)機(jī)組的供漿頻次，減少長(zhǎng)距離輸漿管路的供漿頻次，從而有效降低了供漿損耗。

3.3 灌漿施工過(guò)程中的損耗

(1)棄灰損耗。棄灰損耗主要為各孔段灌漿結(jié)束后下攪拌桶內(nèi)剩余棄掉的水泥漿液。該部分損耗在整個(gè)灌漿施工損耗中占比較大。該部分損耗與配漿人員的熟練程度和精準(zhǔn)控制有關(guān)。為控制好配漿量，各灌漿作業(yè)機(jī)組需配置熟練的配漿人員，必須嚴(yán)格在上攪拌桶配漿好后放至下攪拌桶使用。根據(jù)各孔段灌前壓水試驗(yàn)掌握地層的可灌性，合理計(jì)算用漿量，在保證灌漿用量的情況下，盡量少配勤配，用多少配多少，避免單次漿液配制過(guò)多而造成灌漿結(jié)束后棄灰量過(guò)大。從配漿環(huán)節(jié)有效控制棄漿損耗。

(2)封孔置換損耗。封孔置換損耗主要為濃漿置換過(guò)程中由于孔內(nèi)有水、濃漿進(jìn)孔后部分漿液會(huì)被稀釋而導(dǎo)致漿液濃度不滿足要求而必須浪費(fèi)掉的一部分。這部分損耗主要是因?yàn)楣酀{孔內(nèi)的積水對(duì)漿液稀釋造成的，因此，封孔前，可將射漿管下至孔底，先采用風(fēng)將孔內(nèi)的積水吹干，盡量減少孔內(nèi)積水對(duì)漿液的稀釋，然后再向孔內(nèi)注入濃漿進(jìn)行封孔。該方法可以有效地降低因孔內(nèi)積水對(duì)漿液稀釋造成的損耗。

(3)施工工藝損耗。白鶴灘水電站帷幕灌漿工程深孔帷幕施工阻塞工藝均采用孔口封閉、孔內(nèi)循環(huán)法進(jìn)行灌漿，該方法會(huì)導(dǎo)致已灌段孔內(nèi)重復(fù)占有漿液，這部分漿液在灌漿結(jié)束后均需棄掉，進(jìn)而增大了水泥漿液損耗。由于白鶴灘水電站左岸廠區(qū)帷幕灌漿廊道對(duì)應(yīng)部位的巖體總體較為完整，在鉆孔施工過(guò)程中極少出現(xiàn)塌孔現(xiàn)象，造孔成型較好。在這種情況下，可以采用一次成孔自下而上分段卡塞的施工工藝進(jìn)行灌漿。該方法在保證灌漿質(zhì)量的同時(shí)，亦可有效減少已灌段重復(fù)占漿的問(wèn)題，從而有效地解決了因阻塞工藝引起的漿液損耗，同時(shí)亦可提高施工功效，降低施工成本。

3.4 施工環(huán)境影響損耗

根據(jù)技術(shù)要求，漿液溫度超過(guò)了40 ℃便視為廢漿，不可用于帷幕灌漿施工。由于白鶴灘水電站常年平均氣溫較高，極端最高氣溫可達(dá)43 ℃以上，尤其是4～9月份氣溫較高，再加上深孔帷幕最大設(shè)計(jì)灌漿壓力為6 MPa，濃漿結(jié)束孔段及封孔段在長(zhǎng)時(shí)間高壓屏漿循環(huán)條件下，漿液溫度極易超過(guò)規(guī)范要求的5 ℃～40 ℃范圍，無(wú)法再用于灌漿作業(yè)，只能作超溫棄漿處理，進(jìn)而造成水泥損耗偏高。根據(jù)白鶴灘水電站這種高溫施工區(qū)，在進(jìn)行帷幕灌漿施工時(shí)，可以提前合理規(guī)劃施工進(jìn)度計(jì)劃，盡可能避開(kāi)高溫時(shí)段施工。如果根據(jù)工期要求難以避開(kāi)高溫施工時(shí)段，可以采取對(duì)制漿所用的系統(tǒng)水進(jìn)行冷卻處理，儲(chǔ)灰罐采取遮蔽措施以降低水泥溫度，廊道施工作業(yè)面采取通風(fēng)降溫等方法，可有效降低由于高溫環(huán)境引起的漿液超溫棄漿損耗。

3.5 特殊地質(zhì)巖性引起的損耗

白鶴灘水電站左岸廠區(qū)巖體以微透水巖體為主，整體透水性較小，可灌性差。在這種情況下，可以根據(jù)灌前壓水透水率情況進(jìn)行預(yù)判，灌漿前先精準(zhǔn)計(jì)算配漿量，在滿足灌漿漿液比重要求的情況下，采取系統(tǒng)供應(yīng)稀漿的方式，盡量減小單次供漿損耗。

4 結(jié) 語(yǔ)

白鶴灘水電站左岸廠區(qū)巖體以微透水巖體為主，整體透水性較小。帷幕灌漿大部分孔段單耗均在10 kg/m范圍內(nèi)，可灌性較差，導(dǎo)致帷幕灌漿施工過(guò)程中水泥損耗居高不下。筆者結(jié)合白鶴灘水電站左岸廠區(qū)帷幕灌漿現(xiàn)場(chǎng)施工的實(shí)際情況，從制漿、供漿、灌漿施工過(guò)程、施工工藝、施工環(huán)境、特殊地質(zhì)巖性等方面對(duì)水泥損耗原因進(jìn)行了系統(tǒng)分析，找出了帷幕灌漿施工水泥損耗的根本原因。針對(duì)帷幕灌漿過(guò)程中存在的水泥損耗各個(gè)環(huán)節(jié)分別制定了可實(shí)施的改進(jìn)措施和方法，有效地降低了水泥損耗。目前，白鶴灘水電站左岸廠區(qū)帷幕灌漿已接近尾聲，在前期施工過(guò)程采取的這些降低水泥損耗的措施和方法得到了實(shí)踐和檢驗(yàn)，有效地控制了灌漿施工過(guò)程中的水泥損耗；同時(shí)亦降低了由于損耗偏高增加的排污壓力，可謂一舉兩得。這些降低水泥損耗的措施和方法對(duì)其它類似的地下工程灌漿施工控制水泥損耗具有借鑒價(jià)值。