锦屏一级水电站化学灌浆施工技术研究与应用

李小勇，焦家训，辜永国，张玉莉，刘 强

(葛洲坝集团基础工程有限公司，湖北宜昌，443002)

作者简介: 李小勇(1973—)，男，四川绵阳人，工程师，主要从事水电施工。

【摘 要】 锦屏一级水电站是在建最高的混凝土双曲拱坝，蓄水水头高，防渗部位化学灌浆施工的难点在右岸RGA1层，帷幕平硐防渗帷幕线上最大孔深163.5m，最大钻孔角为23.4°的斜孔化学灌浆和RGA4层炭质千枚岩和绿片岩仰孔化学灌浆，本文介绍该工程中化学灌浆施工技术的应用，类似工程可借鉴参考。

【关键词】 锦屏一级; 化学灌浆; 施工技术; 研究与应用

1 概述

锦屏水电工程包括锦屏一级、二级水电站，总装机容量840万k W，是雅砻江水电开发第二阶段标志性工程，是“川电外送”的骨干电站之一。锦屏一级水电站混凝土双曲拱坝高305m，为世界上在建最高拱坝。该工程采用堤坝式开发，主要任务是发电。RGA1层防渗帷幕线上的f13、f14及f18断层、RGA4层炭质千枚岩L65和绿泥石片岩L64向上游均与水库联通，水库运行期间在长期高压水渗透作用下，结构面的充填物质可能发生逐渐软化、泥化等现象，产生渗透破坏，形成渗漏通道。为加强在高水头作用下防渗耐久性，设计在普通水泥灌浆完成后增加“水泥－化学复合灌浆”处理。

防渗帷幕线上化学灌浆项目在RGA1层处理的最大深度为163.5m，是目前国内化学灌浆处理的最大深度，同时在坝基防渗帷幕线上，最大钻孔顶角为23.4°，其施工难度在国内外前所未有。RGA4层炭质千枚岩和绿泥石片岩“高声波、低软化系数”，化学灌浆也是处理的难点之一。本项目的研究，解决了大角度深孔化学灌浆钻孔精度控制、深孔灌浆卡塞方式的合理选用、大深度斜孔卡塞装置的起拔等工艺问题。为满足业主节点工期要求，研究和应用了水泥浆液置换待凝法，减少了孔段间的待凝时间，研究不同次序孔错段施工法的时机，加快了化学灌浆施工进度。通过对以上工艺及措施的研究和应用，对我国深孔化学灌浆技术的和发展起到推动作用。

2 断层性状特征

锦屏一级右岸标段区断层较发育，其中以NE—NNE向最为发育，且断层规模较大，主要断层有贯穿右坝肩抗力体、规模相对较大的f13、f14断层及斜穿坝基的f18断层，以及往上游侧出、坝踵延伸到坝前水库软化系数较低的炭质千枚岩(L64)及绿泥石片岩(L65)，见表1。

(1)f13断层产状为N50°E，SE∠72°，主要由重结晶的方解石、碎裂岩、断层泥组成，沿断层带充填黄色的粉细砂土夹磨圆度较好的碎砾，风化强烈，抗变形能力弱，沿断层有较大规模的溶蚀现象，沿断层带有规模大小不等的溶洞发育，充填有粉土砂、碎砾。

(2)f14断层破碎带及影响带产状N45°E，SE∠80°为胶结较好的角砾岩为主，破碎带及影响带普遍弱－强风化，局部渗、滴水，破碎带内有厚约1～5cm的连续软塑状断层泥，为Ⅴ1级岩体，抗变形能力弱，完整性差，性状差。

(3)f18断层产状N75°E，SE∠75°，由片状岩、大理岩透镜体、糜棱岩组成，局部有软化、泥化现象; 其结构松弛，相伴生的陡倾角卸荷裂隙较发育，普遍松弛微张。

(4)L65灰绿色绿泥石片岩，夹大理岩透镜体，层面裂隙较发育，发育少量第②组裂隙，微风化－新鲜为主，无卸荷，遇水易软化(软化系数0.55～0.72)。L64灰黑、黑色炭质千枚岩，片理发育，微风化－新鲜为主，无卸荷，遇水易软化、泥化(软化系数0.50～0.60)。在炭质千枚岩和绿泥石片岩中局部沿层面裂隙或其与大理岩透镜体的接触部位不同程度风化，形成风化条带。

表1 锦屏一级水电站右岸1601m高程防渗帷幕线上化学灌浆孔布置

3 主要设计要求

3．1 化学灌浆孔布置

在化学灌浆施工前，设计部门针对各断层布置了先导孔进行钻孔取芯、钻孔全境图像和钻孔声波等测试，在对各断层坝基建基面以下的宽度、倾向、性状等进行了全面复核后，对化学灌浆处理部位及钻孔布置进行了复核调整。

RGA1层化学灌浆孔布置在已施工的三排主体帷幕孔之间，排间距1.3m，孔距1.0m，分两序施工，见图1。RGA4层化学灌浆孔为向上仰孔，呈发散状布置，环间和环内均分两序施工，见图2。

图1 RGA1层深孔化学灌浆布置

图2 RGA4层仰孔化学灌浆布置

3．2 “水泥－化学复合灌浆”施工原则

根据设计技术要求，当灌前压水试验透水率q小于1.0Lu时，直接进行化学灌浆; 当灌前压水试验透水率q≥1.0Lu时，先进行湿磨细水泥灌浆，待湿磨细水泥灌浆完成后随即进行透水率检查，在满足透水率q＜1.0Lu时，方可进行化学灌浆。根据灌前压水试验结果，仅局部段灌前透水率略大于1.0Lu。

3．3 化学灌浆材料

3.3.1 环氧树脂浆材性能

化学灌浆材料采用环氧树脂浆，其浆液性能和固化物性能应满足表2、表3的要求。

表2 环氧树脂灌浆材料浆液性能

表3 环氧树脂灌浆材料浆液性能

3.3.2 浆液配比

化学灌浆开灌浆液配方及不同浆液变换原则按照化学浆材室内试验研究成果选用。

3．4 灌浆压力

表4 右岸水泥－化学复合灌浆分段及压力参数

注: RGA1层化灌在第4段次及以下提高到4.0MPa，RGA4层化灌在第4段次及以下取低值。

3．5 灌浆结束标准

化学灌浆采用纯压式灌浆。RGA1层化学灌浆持续35h后开始测量注入率，在设计灌浆压力下，每10min测读一次，1h内连续4次读数，注入率均不大于0.01L/(min·m)后持续灌浆4h，可结束灌浆，每一灌浆段的灌浆时间不得少于40h。如注入率不满足上述条件，应延长灌浆时间至满足灌浆结束标准，但每段灌浆时间宜不超过72h。

RGA4层化学灌浆结束标准调整为1h内连续4次读数，注入率均不大于0.005L/(min·m)，且每一灌浆段的灌浆时间不得少于70h。

各孔段化学灌浆结束后应进行闭浆，待浆液胶凝后再钻灌下一段。闭浆待凝时间应大于浆液胶凝时间，以化学灌浆结束的灌浆段，闭浆时间按不小于36h控制，以水泥灌浆结束的灌浆段，闭浆时间不小于12h。

3．6 灌后检测指标

化学灌浆灌后检查在化学灌浆结束30d后进行，灌后岩体检测指标以透水率为主，声波波速、孔内变形模量、钻孔全境图像为辅，各项检测指标见表5至表7。

表5 RGA1层软弱岩带化学灌浆灌后岩体检测控制指标

表6 RGA4层化学灌浆灌后岩体检测控制指标

表7 RGA4层化学灌浆灌后岩芯专项试验检测项目

4 关键施工工法及措施

4．1 灌浆材料选择

4.1.1 环氧树脂

用于化学灌浆的环氧树脂采用深圳帕斯卡系统建材有限公司生产的PSI－501系列地质缺陷加固环氧灌浆材料，浆液性能及固化物各项指标均满足设计要求。

4.1.2 化学灌浆浆液配比

化学灌浆在RGA1层使用了质量比7∶1、6∶1、5∶1三个比级的配比，其中7∶1浆液主要应用于灌前钻孔和管道充填、孔内积水排除，6∶1浆材作为主灌浆液，5∶1浆液在较大注入量时采用。其中6∶1配方主灌浆材初始粘度小于11m Pa·s，可操作时间(100m Pa·s)达36h以上。RGA4层化学灌浆为解决岩体抗软化能力，选用PSI－501－Ⅰ型配方，以11∶1开灌，初始粘度小于7m Pa·s。

4．2 灌浆孔段排水

为减小孔段内裂隙冲洗、压水试验后的积水影响浆液性能，采用了“风赶水”方式对孔内积水进行排除。化学灌浆处理在RGA1层因河床建基面以下深度较大，地下水较为活跃，“风赶水”方式无法做到完全排除孔内积水，在开灌前用大流量齿轮泵(进浆量15L/min左右)，以7 1浆液进行钻孔和管道充填，对孔段内因地下水形成的积水进行彻底排除。

在RGA4层仰孔化学灌浆时，保证受灌区基岩化学灌浆在基本干燥状态下实施，提高化学灌浆施工质量，在靠山里侧距离化灌部位20m处设置了一环渗水引排水孔，在灌浆完成后灌浆封孔处理。

4．3 大深度斜孔钻孔控制

(1)化学灌浆处理的对象是断层及影响带，在各断层倾角大、地质条件不均匀的复杂地质条件下，要防止钻孔交叉、钻孔偏离断层，并达到深孔化学灌浆处理目的。

(2)钻机在核对钻孔孔向后进行四角固定，在浅层部位慢钻速施工，重点控制前20m的钻孔偏斜。在孔深20m以下，加长钻具钻孔，并做到勤测斜，及时进行钻孔纠偏，确保钻孔精度。

4．4 不同卡塞方式选择

(1)化学灌浆的卡塞方式直接影响到化学灌浆质量、化学灌浆成本，工程根据各断层性状，化学灌浆处理深度采用了不同的卡塞方式进行施工。

(2)一般化学灌浆孔选择自上而下分段卡塞灌浆的方式，采用ZSQ系列液压灌浆塞。

(3)在f13断层主断层带，因断层裂隙内充填物遇水易软化，采用了小口径钻孔、孔口封闭法。

(4)右岸f18断层为该项目施工最大难点，钻孔深度达163.5m，全孔采用自上而下分段卡塞灌浆时，在钻孔深部易发生抱塞、绕塞等灌浆事故，影响灌浆施工质量的同时制约施工进度。在孔深100m以上现场采用自上而下分段卡塞灌浆，在孔深100m以下采用“类似孔口封闭法”施工。

(5)“类似孔口封闭法”是在孔深100m以下灌浆时，采用小口径钻孔，将灌浆栓塞一直卡在100m处，随着灌浆深度增加而加长孔内返浆管，对孔深100m以下进行多次重复灌浆的方式。

(6)右岸RGA4层全部为向上仰孔，为确保封孔质量，各孔均埋设孔口管，采用孔口封闭法灌浆。

4．5 深孔化灌卡塞装置起拔

图3 辅助起拔装置

(1)锦屏化学灌浆压力大、处理深度较深，为满足RGA1层深孔化学灌浆卡塞效果，一般选用φ76mm孔径并配置φ73mm灌浆塞。液压灌浆塞上部是靠连接在灌浆塞上的进、回浆软管进行起拔，因化学灌浆时间长、浆液渗透能力强、孔壁易残留化灌浆液等原因，导致阻塞装置起拔困难甚至埋塞。为提高起拔能力，更换灌浆塞上的进回浆管，以刚性管代替软管。刚性管采用无缝钢管，廊道内施工条件决定每节刚性管长度，一般为2.5～3.0m，每根刚性管之间采用丝扣连接并缠绕止水胶带防止渗漏。

(2)通过刚性管代替软管起拔效果显著，但在灌浆塞在卡塞部位“抱塞”时易引起刚性管接头脱落或断裂，在研究过程中通过试验采用卷扬辅助提升起拔方式，保证了深孔灌浆时灌浆塞起拔效果。

卷扬辅助提升起拔是在灌浆栓顶部焊接连接环，以钢绳牵引灌浆塞，在“抱塞”时减小刚性管丝扣受力，确保灌浆塞起拔时刚性管接头不脱落或断裂，避免孔内事故发生，见图3。

4．6 水泥浆液置换待凝

按照设计要求，灌浆段化学灌浆需待灌入浆液凝固后方可进行下一段次施工，时间较长，根据浆材性能，在压力作用下失去流动性时间至少需要40h左右。现场通过试验及研究，在化学灌浆孔段结束灌浆且孔口闭浆压力自动归零后，采用0.5 1水泥浆液置换并待凝12h，灌段内的浆材不会产生浆液倒流甚至已达到初凝。在进行相邻孔段灌浆施工时，孔段之间不会发生串漏，减少了化学灌浆段正常闭浆待凝时间，保证了灌浆施工质量，加快了化学灌浆施工进度。

4．7 不同次序孔错段施工

(1)灌入裂隙内的浆材完全凝固时间一般长达80～100h，在水泥浆液置换闭浆后裂隙内浆材未充分凝固，若采用高压力进行压水或灌浆作业，将影响已灌段灌浆质量。

(2)按照行业规范，在不同次序孔基岩内高差达到15m时可以进行下一段次施工，但此时灌入浆液未凝固，结合浆材性能，会影响已灌段灌浆质量。

(3)在已灌段灌浆结束1个月后，浆材结石强度已能承受化学灌浆压力，因而在后序孔中进行压水或灌浆，对前序孔灌浆质量无影响。错段施工法是提高RGA1层深孔化学灌浆进度的措施之一。

5 灌浆质量检查

5．1 压水试验检查

5.1.1 压水试验压力

灌后质量检查孔进行“五点法”压水试验。压水试验采用自上而下分段钻孔、小循环分段压水进行。“五点法”压水试验最大压力结合帷幕平硐防渗标准确定，最大压力为3.5MPa， RGA1层灌后检查孔各段次压水压力实际上已超过相应段化学灌浆压力，见表8、表9。

表8 RGA1层灌后检查孔“五点法”压水试验压力使用表

表9 RGA4层灌后检查孔“五点法”压水试验压力使用表

5.1.2 灌后压水试验成果

RGA1层各断层在灌后分别在上下游边排、中间排各布置1个检查孔，每个化学灌浆区域布置3个灌后质量检查孔; RGA4层在环间均匀布置9个灌后质量检查孔。右岸化学灌浆灌后压水试验共197段次，均满足设计不大于0.5Lu的灌后检查标准。同时，各断层在经过化学灌浆处理后，透水率大幅度减小，其平均透水率低于0.25Lu，见表10。

表10 化学灌浆灌后检查孔压水检查成果统计表

5．2 取芯效果检查

灌后质量检查孔采用地质钻机造孔、双管取芯工艺，根据检查孔取芯情况来看，灌后质量检查孔取芯率普遍较高，岩芯获得率能达到90%以上，特别是f13断层取芯质量较灌前提高较多，见图4至图9。

图4 f13断层灌前软化后的沙状芯样

图5 f13灌后检查孔胶结成块状芯样

图6 f18断层典型结石芯样

图7 f14断层典型结石芯样

图8 L65绿片岩结石芯样

图9 L64炭质千枚岩结石芯样

5．3 灌后物探检测

灌后物探测试主要以检查岩体声波、钻孔变模为主，根据第三方物探检测结果，锦屏一级大坝右岸RGA1层防渗帷幕线上f18、f14、f13断层及RGA4层L65、L64化学灌浆灌后各质量检查孔断层及影响带的声波波速、钻孔变形模量均满足设计要求，见表11。

表11 各断层化学灌浆灌后检测情况

5．4 灌后岩体室内检测

5.4.1 岩体常规性能检测

化学灌浆灌后岩体检测主要针对RGA4层L65、L64软化系数低岩体进行检测，外部委托四川大学检测，并由检测单位提供岩体试样检测及效果评价报告(下表引用检测报告结果)。根据检测结果报告，灌后岩体各项指标均满足设计要求，见表12及图10至图11。

表12 RGA4层灌后岩体室内检测

图10 L65偏光显微镜检测典型图片

图11 L64偏光显微镜检测典型图片

5.4.2 磨片鉴定(偏光显微镜检测)

根据检测报告，岩石主要成分为石英、方解石和白云母，注入材料一般占3% ～5%之间，为亮黄色，光性较暗，主要分布在岩石裂隙中及后期脉的裂隙中，呈不规则脉状分布，充填度较好。

6 结语

随着水电资源开发向西部转移和高拱坝建设对坝基条件的要求，由于地理地质方面的原因，坝址范围内均存在不同程度的地质缺陷需要在筑坝过程中进行处理，特别是防渗帷幕线上地质缺陷的永久处理。锦屏一级水电站最大坝高305m，蓄水水头较高，为保障大坝运行安全工程决定了对坝基防渗要求高。RGA1层与水库连通的三个较大规模的断层，深度较大、倾角较大、性状不一、构造较差，以及RGA4层与大坝水库相通的软化系数低的L65、L64，均采用了环氧树脂灌浆处理，其技术要求高、施工难度大，在国内尚无可以借鉴的相似经验。通过项目的实施和研究，总结出深层地质缺陷化学灌浆处理全套的施工技术成果，对西部开发类似的工程提供借鉴和参考经验。