高承压水头下坝基深厚覆盖层帷幕补强灌浆技术研究

2021-09-26王晓飞徐文峰肖恩尚唐玉书

水电站设计 2021年3期

王晓飞，蹇超，徐文峰，肖恩尚，唐玉书

（1.中国水电基础局有限公司，天津 301700；2.天津市地基与基础工程企业重点实验室，天津 301700；3.四川华电泸定水电有限公司，四川成都 610000）

0 前言

目前，国内病险水库已经进入除险加固高峰期，且相关市场仍在扩大中。大坝防渗体系功能的降低甚至失效是最常见的问题之一。近年来，因坝体渗漏、坝基渗漏、涵管渗漏等工程的实际需要，灌浆堵漏技术在这个领域得到了广泛的应用，并取得了显著的工程效果。但是，高水头动水条件下深厚覆盖层灌浆钻孔仍是一个没有解决的难题。为此，我们以泸定水电站坝基补强帷幕灌浆工程为依托，对这个问题进行了深入系统的研究。

在高承压水头坝基深厚覆盖层条件下，钻孔过程中出现涌水、涌砂、塌孔不成孔情况普遍，钻孔工艺研究是首要解决的难题；其次在该工况下采用何种灌浆工艺能够保证灌浆效果又是一个研究的重点；此外，在高承压水头和动水条件下，常规的浆材留存度很低，需要结合地层系统研究一套可灌性良好、速凝、抗冲的浆材体系，以解决不同地层的灌注问题和浆液留存度问题。

1 项目背景

泸定水电站位于四川泸定县，为大渡河干流第12级电站。水库正常蓄水位1 378.00 m，总库容2.195亿m3，装机容量920 MW，工程为二等大（Ⅱ）型工程。电站大坝为黏土心墙堆石坝，建基于覆盖层上，坝顶高程1 385.50 m，最大坝高79.50 m；坝址河床覆盖层深厚，一般厚度120～130 m，最大厚度148.6 m。河床部位（0+105.50 m～0+250.30 m）坝基防渗体系由垂直混凝土防渗墙下接三排灌浆帷幕（防渗墙内一排、防渗墙上下游各一排）组成，混凝土防渗墙厚度1 m，最大深度110 m，覆盖层灌浆帷幕深度约40 m；两岸部位坝基防渗体系由垂直混凝土防渗墙+基岩帷幕灌浆（防渗墙内一排）组成。

2013年3月31日在下游距坝轴线约448 m，距坝脚下游约200 m的右岸河道1 306 m高程发现渗水，对应坝桩号约0+240 m。至2013年4月15日涌水区地面发生塌陷，流量目测约为200 L／s左右，且有较多的灰黑色细颗粒涌出。针对这一情况，根据设计意见在涌水区域及大坝间布设9个观测孔，在涌水点布置11个减压孔进行疏导。随后进行了坝后帷幕三个阶段补强灌浆施工，前三个阶段的补强帷幕灌浆后，涌水点流量和大坝安全监测值没有明显减小。

泸定电站灌浆施工阶段库区水位已基本蓄至设计最高水位，属于高承压水头下坝基深覆盖层帷幕补强灌浆，此前采取的均是孔口封闭法和孔口纯压式灌浆相结合的施工方法，该方法不能有效地针对下部渗漏区域进行灌注，特别是在发现涌水、涌砂时，采用孔口封闭法灌注须下设射浆管至孔底，很容易将钻杆筑死、发生孔内事故，因此在前三阶段施工基本上都是在孔口处采用纯压灌浆方式进行灌注，浆液不能很好地到达渗漏部位，只是从孔口将涌水、涌砂压住，浆液扩散并不好，故这两种方法都不能从根本上解决泸定电站坝基帷幕在高承压水头下补强所面临的问题。

为了从根本上解决泸定电站右岸下游河床涌水的问题，对坝基补强帷幕灌浆施工第四阶段计划采用加重泥浆钻孔、套阀管灌浆和分段卡塞相结合的施工工艺；并对保证抗冲刷性和强度的条件下，对浆材进行深入的研究。目前加重泥浆钻孔在水电工程中运用很少，套阀管法在高承压水头下坝基深覆盖层中施工难度很大，需要在实施过程中不断研究完善。

2 施工难点分析

2.1 钻孔涌水、涌砂问题

通过前三个阶段的补强灌浆可以看出，库水位在正常水位高承压水头下，钻孔过程中出现涌水、涌砂对施工造成很大的影响，同时涌砂将进一步对深层地质造成破坏，因此在钻孔过程中需要尽量避免出现涌水、涌砂。

常规方法是采用植物胶护壁或普通泥浆作为钻孔护壁浆液，这两种护壁液的比重都在1.2 g／cm3以下，在60 m承压水头情况下这两种护壁材料均无法使用，护壁液无法留在孔内、会被涌水带出，达不到压制涌水涌砂及护壁钻孔的目的。

目前常用的孔口封闭器只能作为灌浆使用，在起下钻具时必须将孔口封闭装置拆卸，达不到在钻孔全过程中封闭涌水、涌砂的目的。

2.2 灌浆方法的问题

对基岩涌水、涌砂部位灌浆、防渗墙外下游排覆盖层内灌浆，采用行之有效的灌浆方法是本工程重点之一。

前三个阶段采用“孔口封闭、孔内循环、自上而下分段”灌浆方法，方法本身是比较成熟的，但遇到涌水、涌砂时该方法无法实施，只能改用“孔口封闭、纯压式”灌浆方法，而此方法是存在缺陷的，只能偶尔作为一种应急处理措施，不能作为主要灌浆方法使用。由于本工程涌水、涌砂现象普遍，“孔口封闭、纯压式”灌浆方法在“孔口封闭、孔内循环、自上而下分段”灌浆方法无法实施时可作为前三期的主要灌浆方法全面应用，这是造成灌浆效果不佳的主要原因。“孔口封闭、纯压式”灌浆方法的缺陷是不能始终将射浆管留在孔底灌至结束标准，在灌浆压力升高、流量降低到一定程度后，为避免浆液将射浆管铸死，只能将射浆管提至孔口，从孔口纯压灌注至结束标准，这种结束不能算是真正意义上的结束，是一种假象的结束，需要灌注的部位并没有真正达到结束标准，灌注效果有限，灌浆缺乏针对性。

2.3 灌浆材料的问题

在遇到渗漏通道时，采用常规的水泥浆液灌注效果不佳，浆液在水流长时间冲刷下难以留存，难以保证其强度和耐久性。本研究将针对高承压水头下水流速度较快，研究采用其他灌浆材料的可行性，如采用复合灌浆材料及速凝膏浆，具有初凝时间短、早期强度高，能够在较短的时间内留存在渗漏通道内，达到封堵大渗漏通道的目的。

目前市场上的常规速凝浆材普遍在10 min左右初凝，留给现场操作的时间不够，为了延迟初凝时间，普遍通过掺加缓凝剂来调制，由于速凝灌浆材料的性能受拌制水平、原材料性能、外加剂性能、环境温度、水温度影响较大，因此市场上能够达到1 h左右性能稳定、同时具备现场简易二次调和的速凝材料几乎没有。

3 具体工艺研究

3.1 加重泥浆护壁钻孔工艺

采用地质钻机进行钻孔，钻孔孔径为Φ91 mm，根据钻孔深度不同及涌水压力不同，采用比重为1.5～1.8 g／cm3之间的加重泥浆作为钻孔循环液，加重泥浆以膨润土浆液为基本液，掺加一定比例的重晶石粉、植物胶及外加剂拌制而成，浆液本身具备较好的流动性和一定的黏性，现场加重泥浆拌制见图1。在钻孔过程中，当钻孔达到一定深度后利用自重压制60 m承压水头、防止涌水涌砂溢出孔口，同时作为护壁泥浆，较好的保证了孔壁稳定。

图1 现场加重泥浆拌制

3.2 孔口封闭法钻孔工艺

由于开孔后就面临60 m的水头压力，这时加重泥浆的自重优势尚不能发挥，为防止涌水涌砂溢出孔口，在孔口安装特制的孔口封闭装置（见图2），在孔口处于封闭状态的前提下可以进行正常钻孔、起下钻杆、钻具。孔口封闭装置分三部分：最下部为板阀（隔断装置）、中部为钻具封闭装置、上部为钻杆封闭装置。

图2 孔口封闭装置模型

3.3 深覆盖层套阀管灌浆工艺

本工程覆盖层钻孔灌浆施工最深达105 m，采用传统的孔口封闭法灌浆工艺灌浆效果难以保证，目前浅覆盖层套阀管灌浆工艺基本成熟，但深覆盖层套阀管灌浆工艺应用较少，在超过60 m的高承压水头下进行深覆盖层套阀管灌浆施工在国内是没有先例的。考虑到本工程孔深较深，套阀管的自重较大，为了避免套阀管下设过程中出现异常情况，本工程采用外径Φ73 mm、壁厚4.5 mm的标准地质管制作套阀管，在敷设胶套的部位向内刻槽，槽深1 mm，采用弹性良好的薄壁胶套，胶套内径Φ70.5 mm、壁厚1.5 mm，敷设后胶套略受力可以很好地包裹套阀管刻槽部位，起到封闭左右的作用，另外胶套外壁与套阀管外壁基本上是平滑的，在下设过程中不易被损伤，确保了深孔套阀管的成活率。

3.4 灌浆材料

3.4.1 复合灌浆材料

复合灌浆材料以硫铝酸盐水泥为基材通过添加外加剂配置而成，初凝时间为1 h左右，根据外界环境变化可在施工现场可进行简易的二次调配。

3.4.2 速凝抗冲膏浆

在遇到吃浆量较大孔段，采用复合灌浆材料难以灌注结束或浪费较大时，改为灌注速凝抗冲膏浆，速凝抗冲膏浆由复合浆液掺加一定比例的外加剂拌制而成，扩散度为12～14 cm，初凝时间为1～1.5 h，在现有设备条件下可以顺利灌入孔内，该浆液在孔外无骨料支撑的条件下裸浆可以抵抗0.1～0.2MPa的水流冲刷。速凝抗冲膏浆抗冲及不分散性能演示见图3。

图3 速凝抗冲膏浆抗冲及不分散性能演示

3.4.3 硅溶胶

硅溶胶灌浆材料是一种双液型环保灌浆材料，其黏度低、与水接近，环保、耐久性好，相比环氧、聚氨酯类化学灌浆材料价格低很多，在本工程中硅溶胶主要应用于采用常规浆液灌注砂层，根据本工程特点采用的浆液为S型浆液，初凝时间为10～30 min，在孔外A、B液按照1∶1比例混合后再进行灌注，操作简便，固砂效果好。硅溶胶与砂层形成的胶凝体见图4。

图4 硅溶胶与砂层形成的胶凝体

4 应用效果

在泸定水电站坝基0+220 m～0+280 m段补强帷幕灌浆施工中，采用加重泥浆护壁钻孔工艺配合孔口封闭装置有效解决了覆盖层钻孔中遇到的涌水涌砂问题，覆盖层最大钻孔深度达到105 m；通过采用深孔套阀管灌浆工艺使全孔段灌浆效果得到了有效保证；复合灌浆材料及复合抗冲膏浆的应用，有效解决了高压动水条件下的浆液留存问题；硅溶胶的灌注有效保证了砂层的防渗效果。灌后检查孔透水率均满足设计要求，坝后涌水点渗流量从灌前的110 L／s减小到54 L／s，降低率达到50%，基本达到了预期研究目的，同时也为后续处理施工打下了坚实的基础。