某电站工程拱坝坝基固结灌浆方案研究

作者：岑美

来源：《科技创新与生产力》 2017年第7期

摘 要：为了解决水电站大坝坝基常常面临的地基承载力不足，地基的整体性、均匀性、抗渗性能较差等问题，研究了固结灌浆方法，指出在实际水利工程中，固结灌浆方案的确定需结合坝型、坝高、工程地质等实际情况，以一具体的水电工程为例，根据预先确定的固结灌浆方案的设计目标，分析如何确定固结灌浆的灌浆参数（范围、孔深、压力值等）、钻孔施工方法、灌浆流程，为类似工程的固结灌浆方案设计提供一定的借鉴。

关键词：固结灌浆；灌浆参数；钻孔施工方法；灌浆流程

中图分类号：TV543+.5；TV73；TU271.1 文献标志码：A DOI：10.3969/j.issn.1674-9146.2017.07.109

1 坝基固结灌浆方案研究目的与意义

实际工程中，为提高电站工程大坝坝基的整体性、均匀性、抗渗性和承载能力，通常采用固结灌浆的方法[1-2]。灌浆处理是将具有流动性和胶凝性的浆液，按照一定的配比要求，通过钻孔用灌浆设备压入岩层的孔隙中，经过硬化胶结形成结石，从而改善基岩的性能。当基岩地质条件较好时，固结灌浆可只用在坝基上下游应力较大的部位布置；当地质条件较差而坝体较高时，则需对坝基进行全面的固结灌浆，有时还需对坝基的某一确定范围进行固结灌浆。

设计固结灌浆方案时，需确定具体的灌浆参数、钻孔施工方法、灌浆程序等，现以一具体的水电工程为例，研究坝基固结灌浆方案的设计。

2 某电站工程概况

某电站工程大坝为混凝土双曲拱坝，最大坝高240 m，拱坝坝址为不对称V型河谷，河谷左岸较缓，坡度25°~45°，右岸较陡，坡度30°~45°，坝轴线上下游的左右岸冲沟发育。河床左岸主要分布块状结构的正长岩，工程地质优良；河床右岸主要分布玄武岩，基岩完整性较差。

电站坝基存在的主要地质问题：一是右坝肩存在呈带状分布的软弱岩带，宽度约15 m，其隐微裂隙极其发育，裂隙中普遍充填滑石、皂石、绿泥石等软弱矿物，岩体完整性和均一性差，且具有强亲水性和膨胀性；二是坝基存在部分弱风化岩体；三是坝基存在节理裂隙。

3 固结灌浆方案设计

3.1 确定固结灌浆方案设计目标

针对该电站大坝坝基存在的地质问题，采用固结灌浆方法应实现的目标有：一是提高右坝肩软弱岩带的承载能力、降低变形问题；二是提高岩体的完整性、均一性，从而提高坝基的承载能力；三是解决坝基的应力松弛、原岩浅表层不同程度损伤等问题。

3.2 确定固结灌浆参数

3.2.1 固结灌浆范围

首先，拱坝下部高程坝基岩体高，应力集中，地应力可导致岩体片状破坏，初裂深度约21 m，破坏深度6 m。拱坝中上部高程坝基岩体隐微裂隙发育、变形模量低。因此作为高拱坝基础，坝基面需进行全面的固结灌浆。其次，坝基右岸平均开挖深度42 m，左岸平均开挖深度36 m，为增加坝肩岩体的抗滑稳定性，确定固结灌浆范围从坝趾向外延伸15 m，从坝踵向外延伸5 m。

3.2.2 灌浆孔深

固结灌浆孔的深度一般为5~8 m，有的深达15~40 m。该电站最大坝高为240 m，由拱坝工程固结灌浆施工方案的工程实例可知，坝高超过200 m的拱坝，孔深一般在16 m左右，孔深与坝高比一般为1/20~1/10。为满足坝体的稳定和应力要求，防止拉应力和上游基岩的拉裂破坏，灌浆孔深确定为：基本孔深13 m；加深坝踵、坝趾15 m范围内的孔深。

3.2.3 灌浆分区及灌浆压力值

根据地质情况、坝体应力分布和灌浆材料的差异，将坝基固结灌浆分为两大区，一是常规灌浆区，灌浆材料为普通水泥，灌注岩体主要为A～C级；二是特殊灌浆区，灌浆材料为超细水泥，灌注岩体主要为D级、E-3级。

灌浆压力的大小与孔深、岩层性质和灌浆段上有无压重等因素有关。灌浆压力值是控制灌浆质量的一个主要指标，在不致破坏基础和坝体的前提下，尽可能采用比较高的压力；但过高的灌浆压力将导致裂隙变大，引起岩层或坝体的抬动变形。该工程采用经验公式（1）确定灌浆压力值[3]，不同灌区的灌浆压力值见表1和表2。

P = P0 + mD + Kγgh .（1）

式中：P为灌浆压力，Pa；P0为基岩表层的允许 压力，Pa；m为灌浆段以上岩层每增加1 m所能 增加的灌浆压力，Pa/m；D为灌浆段以上岩层的 厚度，m；K为系数，可选1~3；γ为压重容度，kg/m3；g为重力加速度，m/s2；h为灌浆孔以上压重厚度，m。

3.3 确定钻孔施工方法

根据现场的施工条件、坝基坡面的坡度等，该工程采用的钻孔施工方法有：钻孔施工、置换混凝土面钻孔施工、最终检查孔和增补孔钻孔施工。

3.3.1 钻孔施工

在坝基面坡度小于30°的6～16、26～31坝段灌浆单元采用钻孔施工方法（见图1）。该施工法利用钢管搭设一道或两道从坝踵连通坝趾的钻孔平台，其上铺木板，并选用轻型履带冲击式ROC409钻机实施钻孔作业。一台ROC409钻机钻孔范围可覆盖1/4～1/3灌浆单元，在ROC409钻机控制范围以外的部位采用轻型MONTABERT钻机施钻。

3.3.2 置换混凝土面钻孔施工

拱坝坝基32～36、9～10坝段灌浆单元，基岩承载力不足，因此该坝基段需采用置换混凝土面钻孔施工（见图2）。可分层浇筑置换混凝土形成临时平台，再实施下层混凝土覆盖范围内的钻孔、灌浆、引管等作业，置换混凝土层一般为2～3 m厚，钻孔、灌浆、混凝土浇筑循环周期约为1.5周。

3.3.3 最终检查孔和增补孔钻孔施工

施工初期在2～5、17～25坝段及右岸34～39坝段灌浆单元，拱坝坝基面坡度在30°～50°之间，坡度陡，搭设钻孔平台工程量大，因此采用最终检查孔和增补孔进行钻孔施工。利用轻型MONTABERT钻机，搭设单个、分散的钻孔机架，完成钻孔施工（见第111页图3）。最终检查孔为拱坝基础引管高压灌浆完成后评价固结灌浆效果的检查孔；增补孔施工是在拱坝混凝土浇筑到一定高程、坝体下游混凝土贴角形成、引管盖重灌浆完成后，通过贴角平台或在水平交通廊道里进行钻孔作业。最终只进行了少量的检查孔和增补孔施工，这是有针对性的一种检验、补强措施，钻孔和坝体混凝土浇筑需立体、交叉进行。

3.4 确定灌浆程序

拱坝基础分为39个坝段，每个坝段作为一个灌浆施工单元，每个单元有111～305个不等的灌浆孔。坝基左岸和河床坝段为块状岩体，岩石条件好，适用高压固结灌浆，若采用有盖重固结灌浆[4]，吸浆量较小；若采用无盖重固结灌浆[5-7]，需在设计的灌浆孔以外加密钻孔，才能达到满意效果，因此建议采用无盖重固结灌浆和有盖重固结灌浆相结合的方法。具体方案：一是左岸及河床坝基6~10坝段因下游一侧出露裂面绿泥石化玄武岩，需采用有盖重高压固结灌浆；其余1~5坝段和11~24坝段采用无盖重固结灌浆。二是右岸坝基因岩体的构造及裂隙发育且充填软弱矿物，适宜无盖重高压固结灌浆，25~39坝段采用有盖重固结灌浆。

该电站坝基固结灌浆的施工流程见图4，不同坝基段采用不同的灌浆流程：2~5、9~24、27~36坝段采用A循环；6~13、25~39坝段采用B循环；9~24、27~31、33~36坝段采用A-B循环。

4 结论

水电站坝基常常面临地基承载力不足，地基的整体性、均匀性、抗渗性能较差等问题，固结灌浆是处理水电站大范围坝基问题常用的一种方法。本文以一具体的工程实例分析研究固结灌浆方案设计的过程，分析如何确定灌浆的范围、灌浆孔深、灌浆压力等灌浆参数，如何选择钻孔施工方法，如何选择灌浆施工程序等，为类似工程的固结灌浆设计提供一定的借鉴。

（责任编辑 石俊仙）