摘要:水布埡大壩河床部位趾板帷幕灌漿有其自身特點(diǎn)和要求,通過(guò)灌漿試驗(yàn)及河床部位趾板帷幕灌漿的實(shí)施和灌漿成果分析,在帷幕布置、提高淺層灌漿壓力、趾板抬動(dòng)變形監(jiān)測(cè)等方面取得了一定突破,確保了趾板帷幕灌漿的順利實(shí)施。
1前言
混凝土面板堆石壩自二十世紀(jì)八十年代在國(guó)內(nèi)開(kāi)始推廣以來(lái),以其適用性、經(jīng)濟(jì)性和安全性等優(yōu)勢(shì),越來(lái)越受到廣泛關(guān)注。二十年來(lái),國(guó)內(nèi)已建和在建工程壩高超過(guò)100m以上的混凝土面板堆石壩已達(dá)數(shù)十座。
由于堆石壩自身的特點(diǎn)和要求,壩工設(shè)計(jì)的重要組成部分--壩基防滲帷幕灌漿工程,就更為突出和重要。通常,面板壩帷幕灌漿與其他重力壩、拱壩壩基帷幕灌漿相比較,有以下不同特點(diǎn):①面板壩帷幕灌漿是在壓重較薄的趾板上進(jìn)行,較高的灌漿壓力極易造成抬動(dòng)和拉裂趾板;②某一高程以下的河床部位蓄水后,一直處于水位以下,帷幕灌漿一但出現(xiàn)滲透破壞就很難有補(bǔ)灌條件;③由于帷幕灌漿在趾板上進(jìn)行,工期一般較緊,且受季節(jié)限制,一般要求河床部位或某一高程以下的趾板帷幕灌漿必須在一個(gè)枯水期內(nèi)完成。因此,如何做好面板壩河床部位的趾板帷幕灌漿,是一個(gè)十分值得關(guān)注的問(wèn)題。
水布埡水電站混凝土面板堆石壩最大壩高達(dá)233m,最大壩前作用水頭207m,壩高和壩前水頭均為當(dāng)今在建工程同類(lèi)壩型世界之最。由于壩基地質(zhì)條件和壩工設(shè)計(jì)的要求,趾板帷幕灌漿技術(shù)復(fù)雜,質(zhì)量要求高,施工難度大。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)模擬趾板灌漿試驗(yàn)和河床部位趾板帷幕灌漿的實(shí)施,在提高淺層灌漿壓力、灌漿方法、趾板抬動(dòng)變形控制以及最終灌漿效果等方面都取得了一定突破,確保了趾板帷幕灌漿的順利實(shí)施。本文結(jié)合河床部位趾板帷幕灌漿的實(shí)施情況和施工資料,就上述問(wèn)題做一些技術(shù)分析與探討。
2壩基地質(zhì)條件與帷幕灌漿設(shè)計(jì)布置
水布埡大壩壩基巖石主要為二疊系下統(tǒng)茅口組和棲霞組灰?guī)r。其中茅口組為厚層至巨厚層灰?guī)r,巖性堅(jiān)硬完整;棲霞組巖層軟硬相間,中厚層灰?guī)r與炭泥質(zhì)生物碎屑灰?guī)r不等厚互層,其間多層面、多剪切帶。壩址河段內(nèi)斷層較發(fā)育,按走向主要分為三組、按規(guī)模分為三類(lèi),其中穿越趾板的Ⅰ、Ⅱ類(lèi)代表性斷層有四條。斷層一般斜切壩基,同時(shí)NNE-NE向裂隙和岸邊卸荷裂隙較發(fā)育。茅口組灰?guī)r屬于強(qiáng)巖溶化地層,棲霞組為強(qiáng)巖溶化與弱巖溶化相間的地層。壩址區(qū)地層較平緩,平均傾角15°左右,以略?xún)A上游為主,其層間剪切帶等軟弱夾層較發(fā)育。上述巖溶化斷裂及剪切帶等極易構(gòu)成壩基主要滲漏通道,且在灌漿時(shí)極易產(chǎn)生不利的抬動(dòng)變形。
針對(duì)上述地質(zhì)條件和壩工設(shè)計(jì)要求,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況和施工條件,進(jìn)行了較大規(guī)模的灌漿試驗(yàn)。試驗(yàn)采取不同的布孔形式和灌漿方法,模擬趾板條件下帷幕灌漿的效果。試驗(yàn)結(jié)果表明:趾板基礎(chǔ)灌漿布孔采用“均布固結(jié)+帷幕”方式,能夠有效提高趾板淺層灌漿壓力,并能確保抬動(dòng)變形安全,從而增強(qiáng)趾板淺部防滲幕體的抗?jié)B能力。同時(shí),試驗(yàn)采用了智能化抬動(dòng)變形報(bào)警裝置來(lái)控制趾板灌漿壓力,從而找到了復(fù)雜地質(zhì)條件下提高趾板基礎(chǔ)淺部灌漿壓力的有效途徑。
根據(jù)灌漿試驗(yàn)結(jié)果,結(jié)合趾板布置及地質(zhì)條件,水布埡趾板基礎(chǔ)灌漿布孔型式(河床部位)為:標(biāo)準(zhǔn)趾板寬8.5m,均布3排固結(jié)孔,孔距2.0m,排距3.0m,鉆孔深入基巖7.0m;近中部?jī)膳派羁坠探Y(jié)兼輔助帷幕孔,孔距2.0m,排距3.0m,鉆孔深入基巖17.0m;中間布置二排主帷幕孔,孔距2.0m,排距1.2m,鉆孔深入相對(duì)不透水層,河床部位孔深一般80.0~100.0m.灌漿質(zhì)量檢查標(biāo)準(zhǔn)為:固結(jié)灌漿灌后巖體平均波速一般應(yīng)>3000m/s,透水率q≤3Lu;帷幕灌漿后透水率q≤1Lu.
為了提高趾板淺層巖體灌漿效果,針對(duì)不同灌漿類(lèi)別和不同孔排序,分別采用了不同的灌漿壓力,尤其是在接觸段灌漿壓力隨著灌漿類(lèi)別和次序的增加而逐漸提高。同時(shí),對(duì)每一灌段都設(shè)定一個(gè)起始?jí)毫鸵粋(gè)目標(biāo)壓力。不同類(lèi)別及孔序第一段(接觸段)灌漿壓力控制見(jiàn)表1。
表1接觸段不同類(lèi)別、不同孔序灌漿壓力控制表
序號(hào) | 灌漿類(lèi)別 | Ⅰ序孔 | Ⅱ序孔 | Ⅲ序孔 | |||
起始?jí)毫Α?/td> | 目標(biāo)壓力 | 起始?jí)毫Α?/td> | 目標(biāo)壓力 | 起始?jí)毫Α?/td> | 目標(biāo)壓力 | ||
1 | 固結(jié)灌漿 | 0.2~0.3 | 0.3~0.4 | 0.3~0.4 | 0.4~0.5 | / | / |
2 | 輔助帷幕灌漿 | 0.4~0.5 | 0.6~0.7 | 0.5~0.6 | 0.7~0.8 | / | / |
3 | 主帷幕灌漿 | 0.6 | 1.0 | 0.8 | 1.2 | 1.0 | 1.5 |
此外,為防止趾板產(chǎn)生有害抬動(dòng),在趾板順軸線方向每間隔10m布置一組抬動(dòng)變形觀測(cè)孔,在壓水和灌漿過(guò)程中,趾板的抬動(dòng)變形要求采用自動(dòng)報(bào)警裝置進(jìn)行嚴(yán)格的監(jiān)測(cè)和控制。不同范圍的抬動(dòng)變形監(jiān)控標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表2.
表2趾板灌漿不同距離抬動(dòng)觀測(cè)允許變形值
距離(m) | <1 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | >5.5 |
允許值(um) | 200 | 165 | 130 | 95 | 60 | 25 | 0 |
3河床部位趾板帷幕灌漿工程的實(shí)施
河床部位趾板基礎(chǔ)灌漿按照固結(jié)孔→輔助帷幕孔→固結(jié)檢查→主帷幕孔→帷幕檢查的順序進(jìn)行施工。整個(gè)實(shí)施過(guò)程分為兩個(gè)時(shí)段進(jìn)行,2003年汛前3~5月完成固結(jié)灌漿及輔助帷幕灌漿的施工;2003年汛后10月至2004年2月完成帷幕灌漿的施工及各項(xiàng)檢查工作。
3.1固結(jié)及輔助帷幕灌漿施工
固結(jié)及輔助帷幕均采用地質(zhì)回轉(zhuǎn)鉆機(jī)造孔,阻塞式孔內(nèi)循環(huán)方法灌漿,其中固結(jié)孔較淺,采用全孔一次成孔,自下而上分段灌漿方法,輔助帷幕孔采用自上而下灌漿法,灌漿壓力固結(jié)最大0.6Mpa,輔助帷幕最大1.0Mpa,漿液配比及結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)等工藝均參照設(shè)計(jì)技術(shù)要求及灌漿規(guī)范執(zhí)行。
3.2主帷幕灌漿施工
河床趾板主帷幕灌漿是在固結(jié)檢查合格后進(jìn)行,按照先下游排、后上游排的順序,每排孔分三個(gè)次序加密施工,均采用孔口封閉灌漿法施工。灌漿全過(guò)程均采用三參數(shù)自動(dòng)灌漿記錄儀進(jìn)行記錄。
鉆孔采用金剛石鉆頭進(jìn)行,孔口段(接觸段)孔徑一般為Φ91mm,以下孔段一般為Φ60mm,孔深80~100m。
灌漿分段長(zhǎng)度:接觸段(孔口段)3.0m,以下各段為1.0m,2.0m,5.0m,5.0m。終孔段不大于7.0m。
灌漿壓力:接觸段起始?jí)毫Β瘛ⅱ、Ⅲ序孔分別為0.6、0.8、1.0Mpa,目標(biāo)壓力分別為1.0、1.2、1.5Mpa,以下各段逐級(jí)逐漸加壓,最大灌漿目標(biāo)壓力4.0Mpa。在實(shí)施過(guò)程中視抬動(dòng)變形值情況及注入率大小逐級(jí)升壓,最后在允許抬動(dòng)值范圍內(nèi)達(dá)到目標(biāo)壓力。
灌漿材料為強(qiáng)度等級(jí)42.5級(jí)普硅水泥,漿液為純水泥漿,主要采用5、3、2、1、0.8、0.5:1等六個(gè)比級(jí),開(kāi)灌水灰比一般為5:1.漿液配比及變換標(biāo)準(zhǔn)參照規(guī)范和技術(shù)要求執(zhí)行。
封孔全部采用“置換和壓力灌漿封孔法”進(jìn)行。
3.3灌漿壓力與趾板抬動(dòng)變形的監(jiān)控
為了有效提高趾板灌漿壓力,確保淺層帷幕灌漿效果,整個(gè)帷幕灌漿施工采用了能自動(dòng)記錄、監(jiān)測(cè)和設(shè)有超限報(bào)警裝置的“抬動(dòng)變形自動(dòng)記錄測(cè)控儀”,對(duì)帷幕灌漿全過(guò)程的趾板抬動(dòng)變形情況進(jìn)行監(jiān)控,以防止在較高壓力狀態(tài)下,趾板產(chǎn)生抬動(dòng)變形和破壞。該裝置采用了先進(jìn)的智能化傳感技術(shù)及單片機(jī)技術(shù),對(duì)所觀測(cè)對(duì)象的位移(或抬動(dòng))值進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)測(cè)量、采集、分析和記錄、打印,并通過(guò)設(shè)定上、下控制限值對(duì)超限值進(jìn)行聲光報(bào)警。
4帷幕灌漿效果分析與探討
4.1灌漿成果資料分析
河床部位趾板帷幕灌漿成果統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表3。
表3河床部位趾板帷幕灌漿成果統(tǒng)計(jì)表
排 序 |
孔 序 |
孔數(shù) | 灌漿 進(jìn)尺 (m) |
注 入 水泥量 (kg) |
單位注入量(kg/m) | 總 段 數(shù) |
單位注灰量(kg/m)頻率 (區(qū)間段數(shù)/頻率%) |
透水率(Lu)頻率 (區(qū)間段數(shù)/頻率%) |
||||||
<10 | 10~100 | 100~1000 | > 1000 | <1 | 1~10 | 10~100 | > 100 |
|||||||
下 游 排 |
Ⅰ | 6 | 575.65 | 107454.1 | 186.67 | 124 | 67/54.0 | 41/33.0 | 8/6.5 | 8/6.5 | 80/64.5 | 28/22.6 | 11/8.9 | 5/4.0 |
Ⅱ | 5 | 457.85 | 25690.0 | 56.11 | 98 | 69/70.4 | 19/19.4 | 10/10.2 | 80/81.6 | 13/13.3 | 5/5.1 | |||
Ⅲ | 10 | 903.95 | 18348.4 | 20.30 | 196 | 148/75.5 | 39/19.9 | 9/4.6 | 133/67.9 | 53/27.0 | 7/3.6 | 3/1.5 | ||
小計(jì) | 21 | 1937.45 | 151492.5 | 78.19 | 418 | 284/67.9 | 99/23.7 | 27/6.5 | 8/1.9 | 293/70.1 | 94/22.5 | 23/5.5 | 8/1.9 | |
上 游 排 |
Ⅰ | 5 | 433.43 | 3660.7 | 8.45 | 93 | 74/79.6 | 17/18.3 | 2/2.1 | 77/82.8 | 14/15.1 | 2/2.1 | ||
Ⅱ | 5 | 440.37 | 3756.7 | 13.07 | 94 | 81/86.2 | 11/11.7 | 2/2.1 | 80/85.1 | 14/14.9 | ||||
Ⅲ | 9 | 784.84 | 6433.6 | 8.08 | 169 | 146/86.4 | 20/11.8 | 3/1.8 | 140/82.8 | 28/16.6 | 1/0.6 | |||
小計(jì) | 19 | 1658.64 | 15810.0 | 9.53 | 356 | 301/84.5 | 48/13.5 | 7/2.0 | 297/83.4 | 56/15.7 | 3/0.9 | |||
合計(jì) | 40 | 3596.09 | 167343.5 | 46.53 | 774 | 585/75.6 | 147/19.0 | 34/4.4 | 8/1.0 | 590/76.2 | 150/19.4 | 26/3.4 | 8/1.0 |
從表3中分析可知:
(1)河床部位第一排主帷幕孔中灌前壓水試驗(yàn)的透水率(相當(dāng)于原始地層)小于1.0Lu的占64.5%,而大于10.0Lu的占12.9%,大于100Lu的僅占4%,這表明河床趾板部位基巖新鮮、完整性較好,一般透水性較弱,僅有局部存在斷層,層間軟弱帶地質(zhì)缺陷,透水性較強(qiáng),這符合河床壩基的地質(zhì)條件。
。2)各孔段灌漿壓水試驗(yàn)的透水率隨著灌漿孔序和排序的增加遞減較明顯,表明灌漿效果較好。其中遞減較明顯的是:大于10Lu的孔段,先施工的下游排Ⅰ序孔占12.9%,Ⅱ序孔占5.1%,Ⅲ序孔占5.1%,合計(jì)占7.4%;后施工的上游排Ⅰ序孔占2.1%,Ⅱ序孔為0,Ⅲ序孔占0.6%,合計(jì)占0.9%.遞增不甚明顯的是小于1Lu的孔段,下游排Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ序孔分別為64.5%、81.6%、67.9%,合計(jì)為70.1%;上游排Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ序孔分別為82.8%、85.1%、82.8%,合計(jì)為83.4%,這表明水泥灌漿在該類(lèi)地層的細(xì)微裂隙中的灌漿效果是有限的。
。3)各孔段的單位注入量與灌前壓水試驗(yàn)的透水率基本相匹配,如小于單位注入量10kg/m的孔段占75.6%,大于100kg/m的孔段占5.4%,而透水率小于1Lu的占76.2%,大于10Lu的占4.4%,單位注入量符合壓水試驗(yàn)成果及壩基地質(zhì)條件。
。4)孔段單位注入量隨著灌漿孔、排序的增加遞減較為明顯,其中最為明顯的是首先施工的下游排,Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ序孔中小于10kg/m的孔段分別占54%、70.4%、75.5%,大于100kg/m的孔段分別占13%、10.2%、4.6%;Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ序孔的平均單位注入量分別為186.67kg、56.11kg、20.3kg,隨孔序加密下降明顯。而后施工的上游排無(wú)論是平均單位注入量或主要區(qū)間的單位注入量變化均不甚明顯,如平均單位注入量Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ序孔分別為8.45kg、13.07kg、8.08kg,小于10kg/m的孔段Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ序孔分別為79.6%、86.2%、86.4%,有改變但不甚明顯,這表明水泥灌漿在細(xì)微裂隙中的擴(kuò)散半徑和灌漿效果是有限的。
4.2抬動(dòng)變形觀測(cè)成果統(tǒng)計(jì)分析
河床部位各孔段灌漿時(shí)的抬動(dòng)變形觀測(cè)成果見(jiàn)表4。
表4帷幕灌漿抬動(dòng)變形值統(tǒng)計(jì)表
灌漿層(段)位 | 總段數(shù) | 抬動(dòng)值(um)區(qū)間(段數(shù)/頻率%) | ||||
<50 | 50~100 | 100~200 | >200 | 合計(jì) | ||
表層(接觸段) | 40 | 14/35 | 2/5 | 3/7.5 | 2/5 | 21/52.5 |
淺層(2~4段) | 120 | 36/30 | 2/1.7 | 2/1.7 | 1/0.8 | 41/34.2 |
深層(5段及以下) | 614 | 151/24.6 | 2/0.3 | 2/0.3 | 0 | 155/25.2 |
合 計(jì) | 774 | 201/25.9 | 6/0.8 | 7/0.9 | 3/0.4 | 217/28.0 |
。1)河床部位整個(gè)帷幕灌漿過(guò)程中產(chǎn)生抬動(dòng)的孔段為217段,占灌漿總段數(shù)的28%.
。2)從不同深度的抬動(dòng)變形情況看,越往表層抬動(dòng)的機(jī)率越大,越往深部,抬動(dòng)的機(jī)率越小。其中位于表層的接觸段產(chǎn)生抬動(dòng)的段數(shù)占52.5%,位于淺層的2~4段為34.2%,位于4段以下的深部?jī)H為25.2%。
。3)從抬動(dòng)量值的大小看,所有產(chǎn)生抬動(dòng)變形的孔段中,抬動(dòng)值小于50um的孔段占92.0%以上,抬動(dòng)值超過(guò)50um的僅占8%.而且,由淺層向深部抬動(dòng)值大于50um的孔段呈遞減趨勢(shì),由表層的33%下降到深部的3%左右。
。4)表中有99.6%的孔段抬動(dòng)值均在設(shè)計(jì)控制指標(biāo)值之內(nèi),僅有3段抬動(dòng)值超標(biāo)(>200um)的情況,實(shí)施過(guò)程中由于較好地控制了灌漿壓力或采取待凝復(fù)灌措施,資料和現(xiàn)場(chǎng)情況均顯示并未產(chǎn)生有害抬動(dòng)。
4.3關(guān)于灌漿目標(biāo)壓力的分析
從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施情況及灌漿統(tǒng)計(jì)資料看,除極少數(shù)孔段因抬動(dòng)值超標(biāo)未達(dá)到設(shè)計(jì)壓力外,其余孔段均達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)壓力,即接觸段Ⅰ序孔1.0Mpa,Ⅱ序孔1.2Mpa,Ⅲ序孔1.5Mpa,以下各段逐級(jí)加壓,均達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)壓力,各孔最大灌漿壓力均達(dá)到4.0Mpa。
4.4檢查孔壓水試驗(yàn)成果分析
帷幕灌漿結(jié)束后,根據(jù)灌漿成果資料及壩基地質(zhì)條件,共布置了4個(gè)壓水試驗(yàn)檢查孔。檢查孔位于兩排帷幕孔中間,孔深同帷幕深度。
檢查孔鉆孔采用Φ76mm金剛石鉆頭取芯鉆進(jìn),分段作壓水試驗(yàn),分段長(zhǎng)度等同灌漿孔,壓水試驗(yàn)采用單點(diǎn)法,壓水壓力為接觸段1.2Mpa,第二段1.5Mpa,其余各段均為2.0Mpa。
4個(gè)檢查孔共作壓水試驗(yàn)77段,結(jié)果表明,灌后壓水試驗(yàn)的透水率在0~0.1Lu的為25段,占32.5%,0.1~0.5Lu的為47段,占61%,0.5~1.0Lu的為5段,占6.5%,最大值為0.8Lu,所有孔段的透水率均小于1.0Lu,滿足設(shè)計(jì)要求,表明灌漿效果良好。
5結(jié)語(yǔ)
水布埡大壩河床部位趾板帷幕灌漿的施工實(shí)踐及各項(xiàng)施工成果資料表明:
。1)水布埡面板壩趾板帷幕灌漿設(shè)計(jì)布置合理,施工控制嚴(yán)格,灌漿質(zhì)量滿足要求,效果令人滿意。
。2)本帷幕灌漿工程打破常規(guī),提高淺層尤其是接觸段灌漿壓力,取得了較大突破,使接觸段灌漿壓力達(dá)到1.5Mpa,且效果顯著,F(xiàn)場(chǎng)檢查孔壓水試驗(yàn)結(jié)果表明,灌漿帷幕能滿足200m壩前作用水頭的要求。
。3)實(shí)踐證明,抬動(dòng)變形自動(dòng)記錄測(cè)控儀的采用,對(duì)控制和提高淺層灌漿壓力,防止趾板抬動(dòng)破壞,起到了關(guān)鍵和重要作用,可在類(lèi)似及其他灌漿工程中推廣應(yīng)用。
(4)由于壩基地質(zhì)條件復(fù)雜,在兩岸斜坡壩段由于趾板邊界條件及壩基地質(zhì)條件的有所變化,對(duì)于灌漿壓力的操作,尤其是抬動(dòng)變形監(jiān)測(cè)亦更加細(xì)致和謹(jǐn)慎,以防止壓力抬動(dòng)破壞趾板。