雅礱江兩河口水電站大壩灌漿技術

楊培洲，孫起軍，李豐年，劉國泰

(1.雅礱江流域水電開發有限公司，四川 成都 610051； 2.四川森嶸建設工程股份有限公司，四川 成都 610073； 3.中國水利水電建設工程咨詢西北有限公司，陜西 西安 710100)

0 引 言

土石壩工程施工簡便，適應性強，成本較低，是水電工程較為常用的一種壩型，但同時也對大壩基礎防滲提出了更高要求。壩基滲透穩定性與大壩安全密切相關，合理的防滲結構設計與可靠的施工質量是大壩安全的重要保障。國內外統計結果表明，因滲流破壞而引發的事故或垮壩案例占所有事故案例總數的30%～40%，可見防滲處理對土石壩安全具有重要影響[1]。目前，中國已規劃且在建壩高大于200 m的土石壩已不下數十座，其中不乏壩高大于300 m的土石壩。超高土石壩的建設對設計、施工及運行管理帶來了新的挑戰[2]。國內如小浪底[3]、長河壩[4]、糯扎渡[5]、瀑布溝[6]、苗尾[7]、瀘定[8]等同類型水電站在基礎防滲方面具有不同的特點和難點。兩河口水電站是中國高海拔地區300 m級土石壩建設的里程碑，在借鑒其他電站成功經驗的基礎上，不斷探索與改進大壩基礎處理技術，取得了良好的灌漿處理效果。

1 工程概況

雅礱江兩河口水電站礫石土直心墻堆石壩最大壩高295 m，壩頂高程2 875.00 m，樞紐防滲帷幕由河床基礎防滲帷幕、左右岸壩肩基礎防滲帷幕及地下廠房防滲帷幕組成。帷幕灌漿通過沿心墻基礎面布設的河床基礎灌漿廊道和左、右兩岸分層設置的灌漿平洞進行。左、右兩岸各設置了6層帷幕灌漿平洞，上下層平洞軸線位于同一豎直斷面內。地下廠房采用壩廠聯合的防滲類型，下游側與大壩防滲帷幕銜接，共5層灌漿平洞[9]。

大壩基礎基巖固結灌漿布置在心墻基礎范圍內，心墻基礎厚1 m的混凝土蓋板兼做固結灌漿蓋重?；A固結灌漿按照間排距2.5 m的梅花形布置，左壩肩、河床段及右壩肩高程2 640 m以下固結灌漿孔深8 m，右壩肩高程2 640.00～2 700.00 m固結灌漿孔深12 m，右壩肩高程2 780.00～2 875.00 m固結灌漿孔深15 m。左、右壩肩心墻基礎局部弱風化、弱卸荷深度較深，固結灌漿須在這些部位適當作加深處理，最大深度分別為左岸15 m、右岸20 m[10]。

2 壩肩地質條件

兩河口水電站壩址為橫向谷，巖層陡傾向下游，巖層由三疊系上統兩河口組下段(T3lh1)及中段(T3lh2)地層組成，地層巖性總體為變質砂巖夾板巖及砂巖板巖互層。巖層產狀為N60°～75°W/SW∠60°～75°，與河流近垂直相交。右壩肩邊坡部位斷層相對較發育，規模較大的斷層主要有f 8，f 9，f 10，f 11，f 12，f 4等。開挖后大壩建基面巖體以Ⅲ2類和Ⅳ類為主，右岸中高高程建基面主要為V類巖體。巖體卸荷程度相對較高，且傾向坡外的中緩傾角節理較發育。壩區巖體普遍發育北偏東走向的裂隙，形成左右岸的順坡和反坡裂隙，順坡裂隙組發育程度高于反坡裂隙組，其中左岸建基面主要發育5組優勢裂隙，有兩組為陡傾角順坡向裂隙(分別為N65°W/SW∠70°～80°和N30°～75°E/NW(SE)∠65°～85°)，開挖揭示右岸主要發育4組優勢裂隙，有一組為陡傾角順坡向裂隙(N75°～90°W/SW(NE)∠75°～80°)。由于裂隙的相互切割，壩基巖體完整性較差，需要進行固結灌漿處理，以提高巖體完整性、滿足壩基承載要求[9]。

3 壩肩卸荷基礎固結灌漿

3.1 抬動變形問題

壩基固結灌漿在混凝土蓋板基礎上進行，灌漿孔垂直蓋板，分兩序施工，總體按先低后高、先周邊后中間的順序進行。施工中出現的主要問題包括：巖體順坡向卸荷裂隙發育，完整性較差，灌漿易發生抬動變形或劈裂，質量控制難度大；砂板巖地層各向異性明顯，灌漿壓力與巖石條件難以匹配，抬動控制難度大；發生過抬動的灌漿單元無法同時進行多個孔的施工，施工進度受制約。

3.2 抬動機理分析及預防措施

灌漿壓力對灌漿效果有重要影響。在條件允許的情況下，以采用較大的灌漿壓力為好，但較大的灌漿壓力往往易造成完整性較差巖石的破壞。岸坡卸荷巖體裂隙發育，巖體完整性較差，巖體側向抗抬動能力不足，灌漿壓力與巖石條件不匹配，是抬動產生的主要原因。各類巖體都有對應的臨界灌漿壓力，如果超過臨界壓力，巖體就會發生抬動變形或劈裂破壞，且抬動劈裂一般從巖體中的薄弱結構面形成并擴展。在軟弱巖體的灌漿施工中，當灌漿壓力超過巖體臨界抬動灌漿壓力，注漿率與抬動值也隨之增大；若注入率發生突變，則基本可判斷巖體已劈裂。對于Ⅳ，Ⅴ類易抬動巖體，采用逆向控制原理，以臨界抬動流量控制灌漿壓力，實現灌漿壓力與巖石抗抬能力的匹配，既避免抬動破壞的發生，也使裂隙得到較好的充填，達到灌漿壓力動態設計的效果。

為防止產生抬動劈裂破壞，根據灌漿成果及巖石類別調整灌漿壓力，加強施工過程中灌漿泵的檢修與維護，始終保持灌漿泵正常工作狀態；原漿入槽需過濾水泥結塊，保持灌漿管路暢通、長度適宜，進、回漿管路安裝雙穩壓罐，減少灌漿壓力波動峰值；灌漿升壓按0.1～0.3 MPa/5 min進行控制，孔口壓力表及壓力傳感器處于灌漿孔口5 m范圍內，高程基本與孔口齊平；安排專人進行抬動觀測并保持通訊暢通，發生抬動則及時降低灌漿壓力，同時需要在以下方面加強控制：① 對卸荷巖體采用自上而下分段鉆孔的分段灌漿方法施工；② 灌漿一般采用高壓灌漿泵，需要控制最大泵量在40 L/min左右；③ 采用分級升壓方式進行灌前壓水、裂隙沖洗及灌漿，并加強抬動監測；④ 以臨界抬動流量控制灌漿壓力，灌漿結束后待凝24 h，掃孔復灌。

3.3 卸荷基礎固結灌漿效果評價

通過采取針對性措施，完成壩基固結灌漿10.78萬m，平均單位注入量為33.49 kg/m，Ⅰ序孔平均單位注入量為50.42 kg/m，Ⅱ序孔平均單位注入量為16.27 kg/m，Ⅱ序孔較Ⅰ序孔遞減67.7%，符合灌漿一般規律，灌漿效果良好。

單孔聲波檢測全部合格，灌后單孔聲波值普遍有不同程度的提高，提高幅度在0.3%～12.7%，檢測結果滿足設計要求。

灌后鉆孔變形模量提高幅度：Ⅲ類巖體11.6%，Ⅳ類巖體13.5%，Ⅴ類巖體19.0%。巖體抗變形能力有較大提高。

4 壩基岸坡卸荷基礎帷幕灌漿

4.1 帷幕灌漿合格率問題

壩肩卸荷基礎帷幕灌漿不合格單元占80%，施工過程存在下列問題。

(1) 淺層卸荷區域抬動變形問題。淺層卸荷巖體抬動孔段占8.0%～12.4%，變形范圍為6～185 μm，灌漿質量難以保證并制約施工進度。

(2) 高串低及高處灌漿低處抬動問題。上下相鄰單元平行施工時，易發生高程較高孔向高程較低孔串漿的現象，并伴隨抬動劈裂，左右岸卸荷巖體劈裂占總段數的13%左右，各序孔平均單位注入量出現反序特征，帷幕無法正常施工。岸坡三角區位置及結構示意見圖1。

圖1 岸坡三角區位置及結構示意Fig.1 Location and structure of bank slope triangle

4.2 帷幕灌漿不合格原因分析

(1) 地質因素。該區域地層巖性總體為變質砂巖夾板巖及砂巖板巖互層，開挖后大壩建基面巖體以Ⅲ2類和Ⅳ類為主，右岸中高高程建基面主要為Ⅴ類巖體。壩基岸坡三角區巖體的風化、卸荷程度相對較高，且傾向坡外的中緩傾角節理較發育，巖石裂隙組合切割，巖體完整性較差，施工過程易發生抬動劈裂，是水泥灌漿合格率低的主要原因。

(2) 混凝土蓋重較小，巖體完整性差，灌漿壓力無法與巖石條件有效匹配，造成抬動劈裂頻發。

(3) 施工采用孔口封閉灌漿法，孔口管入巖2～8 m，淺層巖體難以承受較大灌漿壓力，頻繁發生抬動劈裂及“串冒漏”現象，嚴重影響灌漿質量。

綜合分析認為：左右岸三角區帷幕灌漿出現抬動劈裂、水泥灌漿合格率較低等問題，主要原因在于心墻基礎巖體卸荷裂隙相對發育，巖體完整性較差，灌漿參數與地質條件不匹配；施工控制環節不是制約因素。

4.3 應對措施及效果評價

施工過程中出現的抬動劈裂及反序現象說明卸荷巖體難以承受較大的灌漿壓力，灌漿反而易造成巖體破壞，必然會降低帷幕灌漿合格率。針對帷幕灌漿合格率低的問題，采取的主要措施包括：① 降低卸荷區域灌漿壓力，確保施工參數與巖體條件相適應；② 卸荷巖體帷幕孔口管加深到20 m以上，保護20 m以上淺層卸荷巖體不受高壓灌漿擾動，同時保證20 m以下巖體的高壓灌漿效果；③ 采取以抬動臨界流量控制灌漿壓力的方式，達到動態設計效果；④ 排間增加兩排環氧樹脂化學補強灌漿，鉆孔深入較完整巖石約10～15 m，采用“低壓慢灌”的滲透原理對帷幕進行補強處理；⑤ 淺層卸荷巖體抬動劈裂控制措施與前述3.2節相同。

通過以上組合措施，岸坡三角區淺層卸荷區域抬動劈裂得到有效控制，三角區帷幕壓水試驗檢查782段，最大透水率為0.95 Lu，滿足設計要求不大于1 Lu的防滲標準。鉆孔全景圖像顯示：陡傾細微裂隙充填率達85%以上，緩傾裂隙充填率達95%以上，混凝土蓋板與巖石結合緊密，灌漿效果良好，灌漿質量滿足設計要求。

5 河床灌漿廊道及兩岸灌漿平洞帷幕灌漿

5.1 帷幕灌漿涌水問題

(1) 鉆孔普遍存在滲涌水現象，涌水孔段占21.3%，最大涌水量110 L/min，涌水壓力0.2 MPa左右，為裂隙承壓水。

(2) 該部位巖體總體完整，檢查孔壓水試驗結果合格，但仍有52.1%的孔段存在微滲水現象。

(3) 河床廊道及左右岸灌漿平洞正常運行水頭為290 m，帷幕在長期高壓滲流作用下，會產生侵蝕作用，帷幕耐久性受影響。

5.2 應對措施

(1) 若鉆孔遇到較大涌水，則單獨對涌水點進行灌漿。① 當涌水流量不大于5 L/min或涌水壓力不大于0.10 MPa、注入率不大于1 L/min時，繼續灌注60 min以上即可結束灌漿；② 當5 L/min<涌水流量≤15 L/min，或0.10 MPa<涌水壓力≤0.15 MPa，則繼續灌注60 min以上并閉漿待凝不少于24 h后結束灌漿；③ 當涌水流量大于15 L/min或涌水壓力大于0.15 MPa，繼續灌注90 min以上并閉漿待凝不少于24 h后結束灌漿；④ 以上涌水段灌漿壓力為“設計壓力+涌水壓力”；⑤ 灌漿孔最后一段出現較大涌水時，本孔及相鄰孔可適當加深。

(2) 砂板巖細微裂隙發育，水泥材料因顆粒的細度限制，最小可灌裂縫寬度在0.1～0.5 mm范圍內，小于0.1 mm的細微裂隙則無法保證灌漿效果。河床廊道及兩岸灌漿帷幕檢查孔存在滲水的主要原因是水泥灌漿無法有效充填細微裂隙，造成帷幕檢查合格但仍有較強的滲透性。丙烯酸鹽灌漿材料黏度低，不含顆粒成分，易灌入細微裂隙，膠凝時間可以根據需要控制；對于高壓滲流地質環境的裂隙，丙烯酸鹽材料不易被稀釋或流失，具有較好的灌漿效果。采用排間丙烯酸鹽復合高壓灌漿技術處理，孔距3 m，最大灌漿壓力4～5 MPa，鉆孔深度30～80 m。灌漿前后的滲水檢測成果見表1。

表1 丙烯酸鹽化學灌漿前后滲水檢測成果Tab.1 Seepage observation results before and after acrylate chemical grouting

5.3 水泥化學復合灌漿效果評價

通過采用丙烯酸鹽灌漿材料排間復合高壓灌漿技術處理，檢查孔壓水試驗結果全部合格，孔內全景圖像顯示細微裂隙充填率85%以上，灌后滲水孔段及單段最大滲水量大幅減少。大壩基礎廊道幕后測壓管折算水位介于2 574.95～2 595.64 m之間，測壓水頭平穩，灌漿效果良好。河床基礎廊道處理效果見圖2。

圖2 河床基礎廊道效果Fig.2 Effect of riverbed foundation corridor after treatment

6 廠區AGR5灌漿平洞陡傾巖層帷幕灌漿

兩河口水電站引水發電系統為首部式大型地下洞室群；樞紐區地形地質條件較復雜且有多條斷層穿過主帷幕，斷層以順層擠壓類型為主，破碎帶寬度較小；地層中陡傾順層裂隙發育，影響帷幕形成。廠區帷幕斷層分布見圖3。

圖3 廠區帷幕斷層位置示意Fig.3 Location of curtain fault in the plant area

6.1 橫向陡傾順層斷層及細微裂隙影響

(1) 多條順層陡傾斷層及擠壓帶等不利結構面穿過帷幕，滲徑短，不利于廠區防滲；巖層陡傾且走向近似垂直河床，不利于帷幕形成閉合。

(2) 順層陡傾角細微裂隙發育，灌漿過程有漿液回濃現象，各序0注入量孔段占總段數的87%，巖體可灌性差，不利于帷幕形成。

(3) 帷幕檢查合格，但檢查孔存在失水現象，說明水泥對細微裂隙的灌漿效果有限，帷幕仍有一定滲透性，帷幕耐久性受影響。

6.2 陡傾細微裂隙及斷層處理措施

廠區AGR5主帷幕灌漿檢查合格，但檢查孔存在失水現象，主要原因是斷層及其影響帶、擠壓破碎帶及裂隙密集帶存在細微裂隙，充填效果不明顯；帷幕長期在高水頭條件下運行，高壓滲流會擊穿帷幕造成滲漏，影響主廠房安全。改性環氧樹脂材料具有黏度低、流動性好、不含顆粒成分、形成結石的強度高、灌漿可操控時間較長、可灌性好等優點，其可通過高壓充填或滲透方式進行灌漿，適合斷層及其影響帶、陡傾細微裂隙及其裂隙密集帶等地質缺陷部位的處理。廠區AGR5帷幕補強灌漿，采用排間復核高壓化學灌漿技術，單排布置，孔距3 m，化學灌漿孔深65 m，最大灌漿壓力4～5 MPa。共完成化學灌漿7 143 m，平均單位注入量0.97 kg/m。

6.3 水泥化學復合灌漿效果評價

廠區地形地質條件較復雜且有多條斷層穿過主帷幕，灌后布置檢查孔18個，壓水檢驗237段，最大透水率0.19 Lu，滿足設計要求。檢查孔全景圖像顯示：灌后大部分陡傾細微裂隙得到有效充填，結石致密飽滿，斷層部位鉆孔變形模量平均提高13.4%。監測成果顯示：廠區AGR5灌漿廊道幕后測壓管監測水位介于2 615.42～2 632.77 m之間，幕后水頭平穩且處于較低水平，說明帷幕阻水效果良好。廠區AGR5灌漿廊道幕后測壓管折算水位歷時過程曲線見圖4。

圖4 廠區AGR5灌漿廊道幕后測壓管水位歷時過程曲線Fig.4 Water level duration curve of piezometer behind AGR5 grouting gallery in the plant area

7 結 論

兩河口電站樞紐區地層巖性為砂巖板巖，巖石總體可灌性較差；施工中出現岸坡卸荷基礎抬動劈裂頻繁的現象，固結灌漿無法正常進行，三角區帷幕合格率低；高外水頭條件下，帷幕難以形成和閉合；廠區多條陡傾順層斷層穿過廠房，帷幕形成的難度大；河床及兩岸帷幕鉆孔涌水，細微裂隙水泥灌漿效果差，導致幕體仍有一定透水性，影響帷幕耐久性等。通過采取針對性措施及合理的灌漿材料，有效解決了該工程施工中出現的技術難題。經過大壩二期蓄水考驗，基礎廊道總滲水量1 L/s左右，遠遠小于設計允許指標；監測數據顯示，帷幕運行正常。可見，該工程的相關技術問題分析合理，采取的措施得當、有效。