大朝山水电站大坝基础固结灌浆处理与效果分析

大朝山水电站大坝基础固结灌浆处理与效果分析

大朝山水电站大坝基础固结灌浆处理与效果分析1.前言大朝山水电站大坝基础固结灌浆于1998年9月9日开始施工，2000年11月11日完工，主要完成工程量为：1)固结：钻孔2759个，钻孔进尺48599.6m，其中砼钻孔22520.2m，岩石钻孔26079.4m，灌浆27809m，纯灌入水泥量1042.4t，平均单位注入量为37.47Kg/m；2)完成固结检查孔124个，钻孔进尺3134.85m，其中砼钻孔1951.75m，岩石钻孔1183.1m，压水223段，灌浆1272m；3)灌前声波测试孔76个（其中不包括13#坝段利用的4个固结灌浆孔兼声波孔），灌后82个，计钻孔进尺3283.5m；4)抬动观测孔11个，钻孔进尺112m，安装抬动观测装置11套。灌后检查孔压水试验孔段合格率100%，灌后声波平均波速大于4200m/s，满足了设计标准。2．坝基地质概况坝基岩层为三叠系上统小定西组玄武岩、凝灰质玄武岩、玄武质火山角砾熔岩及凝灰岩。坝基断层走向近SN-NNW向，与河流近似平行，较大的断层主要有F1、F25、F29、F150、F231、F23、F232等，其中F25断层为坝基最大规模的构造，产状近SN向,破碎带宽约2~4m，纵贯坝区内主要建筑物，断层内有角砾岩、糜棱岩及断层泥充填，断层两测岩石较为完整，其对坝基的影响主要表现在不均匀变形及局部抗剪强度降低。坝基断层除F25外，其余断层一般规模较小，破碎带宽度小于1m，影响带不明显。断层内的充填物主要以片状岩、角砾岩为主，压密或钙质胶结，胶结较好，断层带一般表现为阻水结构。坝基开挖优化后，较原设计浅挖6m，只挖至弱风化下限，尚残留部分卸荷裂隙，卸荷裂隙一般起伏有阶坎，面粗糙，其张开宽度较大，一般约2cm，最大可达10cm,充填物以碎石为主，以其产状而言，前者主要追踪流层节理发育，与坝轴线近似平行，倾向上游，倾角25°~35°，于平面上延伸较长，后者主要为NEE向，倾角较缓，倾向下游，并于建基面7~8m以下尖灭，其对坝基的影响主要为变形影响，透水性较强，可灌性较好，通过固结灌浆处理即可得到改善。 3．固结灌浆孔的布置坝基固结灌浆范围为全部建基面，固结灌浆孔呈梅花形布置，孔、排距一般为3m，坝趾区及坝踵区的固结孔一般为深入基岩10m，坝心区的固结孔一般为深入基岩5m，断层破碎带范围的固结孔一般为深入基岩12m；固结灌浆孔均设置为铅直孔。4．灌浆要求   设计要求固结灌浆孔一般均在有混凝土盖重层厚度不小于3m的条件下施工，在实际施工时，为缓解固结灌浆施工与坝体混凝土浇筑上升之间的矛盾，大多数固结灌浆孔是在混凝土盖重层厚度大于3m的条件下施工的，最大盖重厚度达到30m，当地质条件较差且混凝土盖重层厚度达不到3m的少数部位，为防止大坝混凝土在灌浆压力下产生抬裂破坏，布置安装了抬动观测装置并加强观测，设计要求大坝混凝土抬动值不大于0.1mm。5．浆液的制备与供应   为使大多数施工人员避免与有害的水泥粉尘直接接触，并尽量减少灌浆施工对大坝仓面的污染及便于施工用水泥的运输，分别在左岸▽n906m的1#公路边处和右岸9#坝段下游6#公路边处设置了集中制浆系统，集中制浆系统采用400L高速搅拌机统一搅制水灰比为0.5：1标准稠度的水泥浆液，用输浆泵通过Φ11/2″输浆管路输送至灌浆工作面供机组使用，机组灌浆时再根据需要加水稀释配制成各种不同水灰比的浆液进行灌浆。6．灌浆材料   坝基固结灌浆材料原设计为425#普通硅酸盐水泥,经过固结灌浆试验，改为使用525#普通硅酸盐水泥。7．灌浆时串、漏、冒浆情况：   1）在9#、10#、19#、23#等坝段预埋有接触灌浆管路，在固结灌浆时，曾出现所灌浆液从预埋的接触灌浆管路中冒出，均用水对接触灌浆管路进行了冲洗。   2）灌浆过程中发生串、漏、冒浆现象较为普遍，尤以右岸的9#~13#坝段为甚，其中最为突出的是11#坝段、12#坝段串冒浆情况经常发生，布置在坝轴线附近的固结孔灌浆时，水泥浆液从上游岩石边坡卸荷裂隙内冒出；11#坝段的127#孔钻孔时在基岩深7m处漏水，135#孔钻孔时在基岩深11.4m处漏水，145#孔钻孔时在基岩深9.7~12m处漏水，151#孔钻孔时在基岩深4m处漏水，12#坝段的111#孔钻孔时在基岩深7.5m处漏水，112#孔钻孔时在基岩深10~12m处漏水，115#孔钻孔时在基岩深4.5~5m处漏水，117#孔钻孔时在基岩深3.6m处漏水，119#孔钻孔时在基岩深11~11.5m处漏水，123#孔钻孔时在基岩深2.5m处漏水，125#孔钻孔时在基岩深6.7m处漏水，129#孔钻孔时在基岩深6.2m处漏水，130#孔钻孔时在基岩深10m处漏水，131#孔钻孔时在基岩深6.3m处漏水，这些孔段开始灌浆时一般无压力、无回浆、注入率大，灌浆历时较长；11#坝段的S11-3、S11-4、S11-5、S11-6及12#坝段的S12-1、S12-2、S12-3、S12-4声波孔钻孔时，岩石漏水，灌前测不出声波值，表明该部位有较大的地质缺陷。经过固结灌浆处理之后，灌后声波值均达到了4800m/s以上。8．固结灌浆施工8．1施工次序   固结灌浆孔均按两个次序施工，按先外围后中央逐序加密的原则，先施工外围孔，后施工中央孔；先施工Ⅰ序孔，后施工Ⅱ序孔。8．2钻孔   使用XY-2pc型回转式地质钻机配φ75mm金刚石钻头造孔，10#、16#坝段有少量的浅孔使用742HC钻机造孔。8．3钻孔冲洗及灌前简易压水试验   孔段钻孔结束之后，用大流量压力水进行钻孔冲洗，以将孔段内的岩粉冲洗出孔外，然后做岩石裂隙冲洗，裂隙冲洗压力为灌浆压力的80%，直至回水澄清为止；按固结孔总孔数的5%任意抽取部分孔做灌前简易压水试验，以了解地层的原始渗透性，压水试验压力为0.3MPa，持续时间为30min。8．4、灌浆压力   原设计灌浆压力为0.2～0.7MPa，后修改为混凝土与基岩接触段的灌浆压力为0.8MPa，下段的灌浆压力为1.0MPa，灌浆压力为安装在孔口回浆管路上压力表指针所指示的中值压力。n8．5、灌浆段长的划分   基岩孔深5m的固结孔做一段灌浆，基岩孔深10m的各段长为5m，基岩孔深12m的段长分别为下段7m，上段5m；而18#~23#坝段坝基轮廓线外的固结孔，因无混凝土盖重层，基岩孔深10m的固结孔下段段长为7m，上段段长为3m；基岩孔深12m的固结孔分三段灌浆，下段及中间段段长均为5m，孔口段段长为2m。8．6、灌浆方法   在混凝土盖重层不太厚且岩石较为完整部位的固结孔，采取一次钻至终孔深，自下而上分段卡塞灌浆；在混凝土盖重层过厚且岩石较为破碎极易出现塌孔、掉块及绕塞返浆部位的固结孔采取自上而下分段钻孔、卡塞灌浆。8．7、灌浆工艺   坝基固结灌浆采取分段卡塞，孔内循环式灌浆工艺，射浆管距离孔底不大于0.5m。8．8、卡塞位置   11#～15#坝段按设计要求止浆栓塞卡在基岩面以上1.0m；其他坝段栓塞卡在基岩面以上0.5m。当混凝土盖重层过厚时，栓塞卡在孔口以下3m。8．9、灌浆使用水灰比  灌浆使用水灰比（重量比）为3：1、2：1、1：1、0.8：1、0.5：1等5个比级，开灌水灰比一般为3：1。在易出现失水回浓的部位开灌水灰比为5：1。8．10、灌浆结束标准   在设计压力下，灌至注入率不大于0.4L/min时，再继续灌注30min即可结束。8．11、封孔   全孔灌浆结束之后，采用“置换、机械压浆封孔法”封孔。9.     成果资料综合分析9．1、灌前压水透水率分析    9#～23#坝段共做灌前压水309段，其中Ⅰ序孔240段，Ⅱ序孔69段，压水成果见表1。由表1即可看出，灌前透水率在小于3Lu的区间内孔段频率由Ⅰ序孔的42.9%，提高到Ⅱ序孔的52.0%，灌前透水率在大于5Lu的区间内Ⅰ序孔所占频率为46.3%，Ⅱ序孔所占频率为26.1%，降低了20.2%，表明透水率随孔序间递减规率明显，固结灌浆效果显著。9．2单位注入量分析  单位注入量分析见表2。   由表2即可看出，先施工的Ⅰ序孔平均单位注入量为60.56Kg/m，后施工的Ⅱ序孔平均单位注入量为14.24Kg/m，占Ⅰ序孔的23.5%，随着灌浆次序的加密，单位注入量呈现出逐序减小的变化趋势，符合一般灌浆统计规律，表明固结灌浆效果明显。9．3各序孔单位注入量区间分析   各序孔单位注入量区间统计成果见表3。n   由表3即可看出如下几点：   1）在单位注入量小于500Kg/m的各区间内，随着灌浆孔序的加密，段数累计频率均呈现出逐渐提高的变化趋势，在单位注入量大于500Kg/m的区间内，随着灌浆孔序的加密，段数频率呈现出减小的变化趋势，符合一般灌浆规律，表明先序孔的灌浆效果较为明显。   2）在单位注入量小于25Kg/m的各区间内，Ⅰ序孔段所占频率为76.8%，Ⅱ序孔段所占频率为90.5%，表明有76.8%的孔段所处理到的岩体可灌性较差，23.2%的孔段所处理到的岩体可灌性较好，灌浆效果明显；   3）将单位注入量与灌前压水透水率进行综合比较分析，灌前压水透水率较小的孔段所占频率相对较少，而单位注入量较小的孔段所占频率却相对较高，表明大多数孔段所穿过的岩石裂隙为细微裂隙，此类裂隙的透水性较强而可灌性却较差，有相当数量的孔段在灌浆过程中出现浆液失水回浓现象。   4）透水性较强且耗浆量较大的孔段大多分布在9#~15#及23#坝段。10．质量检查固结灌浆完成之后，做了钻孔取芯和压水试验检查及岩体超声波检查。10．1验收合格标准   1）检查孔压水试验透水率不大于3Lu，孔段合格率应在80%以上，不合格孔段的透水率值不超过规定值（3Lu）的50%，且不集中即认为合格；   2）基岩灌后声波要求达到：9#、10#坝段≥3000m/s；11#~15#坝段≥4000m/s；16#~18#坝段≥3500m/s；19#~23#坝段≥3000~3500m/s，方可认为灌浆质量合格。10．2检查孔压水试验成果分析   完成检查孔123个，压水223段，压水试验成果见表。由表4即可看出：检查孔压水试验透水率值大多数孔段小于1.0Lu，平均占压水总段数的86%，最大透水率为2.24Lu，平均透水率为0.51Lu，孔段合格率为100%，即所有孔段均满足设计要求。10．3灌前与灌后坝基岩体渗透性比较分析   灌前与灌后坝基岩体渗透性成果见表5。    由表5即可看出如下几点：   1）固结孔灌前压水透水率小于3Lu的孔段所占频率Ⅰ序孔为42.6%，Ⅱ序孔为50.7%，平均为43%，检查孔压水透水率小于3Lu的孔段所占频率为100%，Ⅰ序孔灌前压水试验平均透水率为66Lu，换算为岩体平均渗透系数为K=1.0×10-3cm/s,经过固结灌浆处理之后，检查孔压水透水率已全部小于3Lu，最大值为2.24Lu，平均透水率为0.51Lu，换算为灌后岩体平均渗透系数为K=8.55×10-6cm/s,即经过固结灌浆处理之后，坝基岩体平均渗透系数较灌前降低了3个数量级，已由强、严重透水岩体改善为相对不透水岩体。   2）坝基岩体在灌前透水性离散程度较大，而经过固结灌浆处理之后的坝基岩体透水性已趋于均质，由此表明固结灌浆处理对坝基岩体的改善程度显著。10．4检查孔与固结孔的单位注入量对比分析n   检查孔与固结孔的单位注入量对比分析见表6。   由表6即可看出，在单位注入量小于10Kg/m的区间内，固结灌浆孔所占频率为75%，而灌后的检查孔为96%，固结灌浆孔在各单位注入量区间内的离散程度较大，检查孔则已趋于均质，最大单位注入量为29.64Kg/m，其原因为一个检查孔深超出固结范围深3m，除此之外，各检查孔均未起到灌浆效果，表明坝基岩体经过固结灌浆处理之后已不再具有可灌性。10.5声波测试资料分析   在各个坝段均布置了灌前与灌后声波孔，从所测试的声波资料统计可见，各声波孔的灌后波速较灌前均有不同程度的提高，尤其是灌前岩体波速小于4200m/s的部位，灌后波速值提高较为显著，如11#坝段的S11-3、S11-4、S11-5、S11-6及12#坝段的S12-1、S12-2、S12-3、S12-4等声波孔，在钻孔时，岩石严重漏水，灌前测不出声波值，表明该部位有较大的地质缺陷。经过固结灌浆处理之后，灌后声波值均达到了4800m/s以上。达到或超过了设计标准，表明通过固结灌浆处理之后坝基岩体得到了明显的改善，固结灌浆起到了显著的效果，达到了提高坝基岩体的整体性和密实性的目的。11.   结束语   通过对坝基固结灌浆施工情况的回顾及灌浆成果资料和检查孔资料的综合分析后做出如下结论：11．1孔段单位注入量的大小与其所处部位的地质条件相吻合，随着孔序的加密单位注入量呈现出明显的递减变化趋势，符合一般灌浆规律，表明固结灌浆效果明显。10．2坝基岩体经过固结灌浆处理之后，所布检查孔压水试验透水率值较灌前原始地层呈现出大幅度的减小，坝基岩体由灌前的平均渗透系数K=1.0×10-3cm/s,降低至灌后平均渗透系数K=8.55×10-6cm/s，即坝基岩体灌后的平均渗透系数较灌前降低了3个数量级，表明固结灌浆效果极为显著，坝基岩体经过固结灌浆处理之后得到了较大程度的改善，已由强、严重透水岩体改善成了相对不透水岩体。10．3各检查孔均未起到灌浆效果，表明坝基岩体经过Ⅰ、Ⅱ序固结孔灌浆处理之后已基本不再具有可灌性。从整体来看，坝基固结灌浆按两个次序施工、孔排距3m，梅花型布孔较为合理，但对于地质条件较为薄弱的某些局部来说孔排距3m显的过于偏稀，通过提高灌浆压力与采取合宜的灌浆施工工艺措施，而弥补了局部孔、排距过于偏稀的不足。10．4在混凝土盖重较厚的条件下使用较大的灌浆压力能够将岩石裂隙挤压张开，使得水泥浆液更容易被灌入岩石裂隙内且扩散范围较大能够挤密压实，获得较好的灌浆效果,从而弥补了孔排距偏稀的不足，才得以保证了工程质量，减少了应需增补的灌浆工程量。10．5使用较小水灰比的水泥浆液虽然能够提高水泥浆液结石的密实性和强度，对处理宽大裂隙较为有利，但对于处理透水性强可灌性差的细微裂隙而言，极易导致出现浆液失水回浓现象，不利于取得较好的灌浆效果，处理透水性强可灌性差的细微裂隙，宜使用5：1水灰比的浆液开灌。