劉紅玉,郎發(fā)育
(中國水利水電第四工程局有限公司,青海 西寧 810007)
黃登水電站攔河大壩為碾壓混凝土重力壩,壩頂高程1 625 m,建基面最低高程1 422 m,最大壩高203 m,為目前在建最高碾壓混凝土重力壩。大壩基礎(chǔ)帷幕灌漿設(shè)計壩高大于70 m的壩段上游設(shè)雙排帷幕,其余壩段上游設(shè)單排帷幕,上游主帷幕最大孔深148 m,主、副帷幕孔之間排距1.0 m,所有帷幕孔孔距均為2 m,采用梅花形布置。下游在建基面高程低于左1 520 m/右1 506 m的壩段壩趾附近設(shè)置單排封閉帷幕,下游封閉帷幕的底線按下游校核水深的1/2及帷幕孔深不小于25 m進行雙控制,孔距2 m。灌漿工程量約11萬m。
壩基巖性以變質(zhì)火山角礫巖、變質(zhì)火山細礫巖為主,變質(zhì)凝灰?guī)r呈夾層狀產(chǎn)出,變質(zhì)凝灰?guī)r夾層巖石相對較軟弱,巖體相對較破碎。厚度較大變質(zhì)凝灰?guī)r夾層,厚度性狀變化大,層劈理化現(xiàn)象明顯,此外尚有一些厚度較小或透鏡狀變質(zhì)凝灰?guī)r夾層分布。巖層橫河展布,傾向下游,傾角70°~90°。河床壩段變質(zhì)火山角(細)礫巖巖體完整,一般呈塊狀~整體塊狀,RQD值為一般為70%~90%?;鶐r面以下3~6 m范圍內(nèi)巖體中有近水平的緩傾角裂隙相對較發(fā)育,6~10 m可見零星的近水平的緩傾角裂隙發(fā)育,10m以下少見近水平的緩傾角裂隙發(fā)育,壩基巖層主要以陡傾角裂隙為主。巖體透水率q一般小于10 Lu,但微透水巖體頂界變化大,位于基巖面以下15~70 m。
黃登水電站計劃于2017年11月初下閘蓄水,設(shè)計要求大壩帷幕灌漿在2017年10月中旬前全部施工完成,總灌漿工程量約11萬m,最高月生產(chǎn)強度達到12 000 m。受混凝土蓋重及岸坡接觸灌漿等因素制約,黃登大壩帷幕灌漿開始施工時間為2015年6月,當時正值黃登水電站汛期,兩岸岸坡地下水位高程在1 490 m左右,壩前天然降水水位保持在1 470 m左右,河床壩段帷幕灌漿最早施工,施工建基面高程1 422 m,混凝土厚3~4 m,帷幕灌漿施工時承受水頭在50~70 m之間,開始施工時,絕大多數(shù)孔段均出現(xiàn)不同程度的涌水,最大涌水量36 L/min,涌水壓力達到0.25 MPa。按照原設(shè)計技術(shù)要求對涌水孔段處理措施,每個孔段灌漿歷時將達到48 h以上,每月單臺灌漿泵灌漿工程量不足70 m,月強度不足700 m/月,生產(chǎn)進度為月生產(chǎn)計劃的1/5,嚴重制約黃登水電站業(yè)主確定的發(fā)電蓄水工期要求。因此,高水頭施工環(huán)境下帷幕灌漿施工最大的困難就是孔口涌水問題。
大壩河床壩段上游10~12號壩段基礎(chǔ)帷幕灌漿于2016年6月22日開始施工,建基面高程為1 422 m,壩前水位和岸坡地下水位約1 490 m,圍堰擋水。其中11、12號壩段抬動孔(入巖20 m)施工時,抬動孔均出現(xiàn)涌水現(xiàn)象,抬動裝置無法正常安裝,帷幕灌漿I、II序孔大多孔段也有涌水,涌水量最大為38 L/min,涌水壓力0.25 MPa。按照相關(guān)規(guī)范和黃登水電站工程設(shè)計技術(shù)要求以及類似工程經(jīng)驗,涌水孔段正常灌漿結(jié)束后需閉漿待凝24~48 h,再進行二次復(fù)灌、待凝等措施,這導(dǎo)致每段灌漿歷時超過48 h,嚴重制約帷幕灌漿施工進度。據(jù)統(tǒng)計,2015年6月22日至7月30日完成灌漿700 m,僅占當月計劃的3 000 m的23%。
涌水孔段處理過程為:①發(fā)現(xiàn)涌水;②安裝孔口封閉器;③安裝壓力表、水表;④測涌水壓力和流量;⑤洗孔、壓水;⑥灌漿;⑦待凝;⑧掃孔后檢查是否有涌水;⑨若無涌水進行下一階段鉆灌,若有涌水重復(fù)以上工序。
選取幾個典型涌水孔段,對工序處理用時進行統(tǒng)計,見表1。從表1可知,涌水孔段處理用時最長55.33 h,最短19.14 h,平均用時38.76 h;而無涌水孔段處理時間僅3 h。其中待凝用時占比為31.5/38.75=81%。
黃登大壩帷幕灌漿設(shè)計技術(shù)要求中對涌水孔段處理措施提出9條措施,主要措施是待凝、閉漿和添加速凝劑等,但對于不同涌水量、壓力情況未詳細說明,可操作性差。上網(wǎng)查閱類似工程涌水孔段的處理措施,未見有具體的可操作性的論文或作業(yè)指導(dǎo)書。
結(jié)合向家壩水電站帷幕灌漿涌水待凝試驗:涌水量小于10 L/min、涌水壓力在0.1~0.3 MPa的孔段待凝8 h后即可進行下段施工,涌水量大于30 L/min、涌水壓力在0.4 MPa以內(nèi)的孔段待凝24 h后即可進行下一段施工,待凝時間一般在8~24 h之內(nèi)。
根據(jù)帷幕灌漿采用孔口封閉自上而下分段灌漿、不待凝的工藝理論,當灌漿注入率達到結(jié)束標準繼續(xù)帶壓屏漿階段是加速漿液固化階段,防止已灌進裂隙的漿液倒流的主要措施。因此,黃登水電站工程帷幕灌漿工藝科研攻關(guān)小組依據(jù)灌漿理論,從工藝方面進行創(chuàng)新,變被動等待漿液固化轉(zhuǎn)為人為加速漿液固化因為屏漿階段是漿液在裂隙中不斷凝結(jié)固化過程,故以延長屏漿時間為出發(fā)點人為縮短漿液固化時間,減少待凝時間,降低灌漿總歷時。針對延長帶壓屏漿時間進行了試驗。
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成立現(xiàn)場工藝試驗攻關(guān)小組,制訂試驗大綱,除沿用閉漿待凝傳統(tǒng)工藝外,結(jié)合灌漿理論,突破常規(guī)手段采取待凝、閉漿等措施,重點在延長屏漿時間方面進行不同工況工藝試驗。
各道工序嚴格按工藝試驗大綱方案、作業(yè)指導(dǎo)書執(zhí)行,工藝試驗攻關(guān)小組成員全程參與,選取前期所有I序孔涌水孔段進行不同工況下工藝試驗,取得階段性成果后,后續(xù)其他部位施工或在II、III序孔遇到涌水孔段進行驗證。不斷完善工藝措施,為以后類似工程提供借鑒。
(1)選取涌水量在5 L/min以下孔段,按照設(shè)計技術(shù)要求屏漿60 min進行正常灌漿,灌漿完成后,掃孔至該段底20 cm停鉆停水,觀測涌水情況。
表1 涌水處理流程涌水孔段處理工序用時統(tǒng)計 h
(2)選取涌水量在6~10 L/min范圍內(nèi)孔段,按照設(shè)計技術(shù)要求屏漿60 min和屏漿90 min進行兩種工況灌漿,灌漿完成后,掃孔至該段底20 cm停鉆停水,觀測涌水情況。
(3)選取涌水量在11~30 L/min范圍內(nèi)孔段,按照設(shè)計技術(shù)要求屏漿90 min和屏漿120 min進行兩種工況灌漿,灌漿完成后,閉漿待凝8 h和12 h后,掃孔至該段底20 cm停鉆停水,觀測涌水情況。
(4)選取涌水量大于31 L/min范圍內(nèi)孔段,按照設(shè)計技術(shù)要求屏漿90 min和閉漿待凝12 h和24 h后進行兩種工況灌漿,灌漿完成后,掃孔至該段底20 cm停鉆停水,觀測涌水情況。
通過屏漿時間延長和閉漿待凝試驗,基本掌握了涌水特性,取得以下階段性成果,具體如下:
(1)涌水量小于5 L/min、涌水壓力小于0.1 MPa的孔段總計10段,正常灌漿即屏漿60 min后,掃孔至該段底20 cm處,停鉆停水觀測,均無涌水發(fā)生。
(2)涌水量在6~10 L/min、涌水壓力在0.1~0.2 MPa之間的孔段總計有15段,按照屏漿60 min和屏漿90 min兩種工況進行灌漿,掃孔至該段底20 cm處,停鉆停水觀測,屏漿60 min孔段有5段仍有少量涌水,但涌水量均很小(≤3 L/min);屏漿90 min孔段均無涌水發(fā)生。
③ 涌水量在11~30 L/min、涌水壓力在0.15~0.25 MPa的孔段總計15段,選擇其中2段按照屏漿90 min和屏漿120 min兩種工況進行灌漿,灌漿完成后,掃孔至該段底20 cm停鉆停水,觀測涌水情況。試驗成果表明,屏漿90 min和屏漿120 min兩種工況灌后仍有涌水,但涌水量減少很多(基本小于5 L/min,對該類孔段進行了二次復(fù)灌。另外,選擇13段按照屏漿90 min后再閉漿待凝8 h和12 h待凝試驗,掃孔至該段底20 cm處后,停鉆停水觀測均未見涌水。
(4)涌水量大于30 L/min、涌水壓力在0.2 MPa以上孔段共有6段,該類孔段采用按照屏漿90 min、閉漿待凝12 h和24 h兩種工況灌漿試驗,二次掃孔至該段底后觀測涌水情況,灌后掃孔觀測兩種工況均無涌水。
上述4種情況,重點對設(shè)計技術(shù)要求屏漿時間延長進行工藝試驗,試驗表明,延長灌漿屏漿時間對涌水孔段的處理措施非常有效,但屏漿過程中要增加鉆桿的活動頻次,原30 min活動一次鉆桿,屏漿過程中須10~15 min活動一次,以防抱鉆事故發(fā)生,另外,屏漿過程中漿液濃度應(yīng)調(diào)整為1∶1或以下,減少孔內(nèi)事故的幾率。
(1)鉆孔。鉆孔施工前由測量單位放控制點。所有鉆孔應(yīng)按設(shè)計圖紙統(tǒng)一編號、放點,開孔孔位偏差不得大于10 cm。應(yīng)故變更孔位需征得監(jiān)理人同意,并記錄實際孔位。為保證帷幕灌漿孔鉆孔的孔斜要求,開孔前鉆機必須進行固定,水平段鉆機地錨固定,斜坡段鉆機與施工臺車同步固定。帷幕灌漿孔全孔測斜。特別是嚴格控制孔深20 m以內(nèi)的偏差,每5 m測量一次孔斜,孔深20 m以下及其余部位灌漿孔每10~15 m測量一次孔斜??仔笨刂戚^同類工程相比質(zhì)量要求嚴格。
(2)孔口管埋設(shè)??卓诠苈裨O(shè)作為質(zhì)量控制的首要重點,孔口管埋設(shè)長度=混凝土厚度+基巖段2 m+孔口10 cm外露??卓诠苈裨O(shè)深度是保證混凝土不被抬動的主要措施之一。
(3)灌漿。灌漿壓力及段長。一般情況下,灌漿壓力應(yīng)盡快達到設(shè)計值,但所有接觸段、壩基灌漿廊道先灌排Ⅰ序孔2~10 m灌漿段和其他注入率大于30 L/min的孔段,應(yīng)采用分級升壓方式逐級升壓至設(shè)計壓力,升壓速度宜控制在0.5 MPa/10 min以內(nèi),分級升壓時每級壓力的純灌時間不少于15 min。灌漿過程中,為防止混凝土及巖石發(fā)生抬動,必須協(xié)調(diào)控制灌漿壓力與注入率,灌漿最大注入率不得大于30 L/min是該工程有別于其他工程的主要亮點之一。對注入量較大、灌漿難以正常結(jié)束的孔段,查明原因,對灌漿影響范圍內(nèi)的地下洞井、岸坡、結(jié)構(gòu)分縫、冷卻水管等進行徹底檢查,如有串通應(yīng)采取措施后再恢復(fù)灌漿。否則,灌漿時采取低壓、濃漿、限流、限量、間歇灌漿措施,當灌注量接近1 t/m時采用待凝措施,防止灌漿范圍過大造成不必要的投入,該措施為黃登大壩帷幕灌漿新創(chuàng)。
(4)動態(tài)調(diào)整灌漿參數(shù)。物探監(jiān)測作為黃登大壩帷幕灌漿輔助質(zhì)量控制手段之一,是本工程業(yè)主、設(shè)計有別于其他工程所采取的主要措施。先導(dǎo)孔取芯、灌前壓水檢查和水位觀測等過程中發(fā)現(xiàn)異常情況時、以及其他孔段在灌漿過程中或質(zhì)量檢查中發(fā)現(xiàn)異常情況時,進行全孔壁孔內(nèi)數(shù)字成像檢測。提供清晰可見的地層結(jié)構(gòu)詳細資料,便于及時調(diào)整帷幕參數(shù)、動態(tài)設(shè)計。
黃登水電站帷幕灌漿工藝攻關(guān)小組通過對46段涌水孔段采取不同工藝現(xiàn)場試驗,取得了豐富的試驗成果,得出了重要的結(jié)論:延長屏漿時間對涌水孔段灌漿處理非常有效,這一試驗成果,拋棄了傳統(tǒng)的純閉漿、待凝理念,另辟蹊徑,變被動為主動,大大縮短了涌水孔段灌漿歷時,加快了施工進度。自采取上述措施后,涌水孔段的灌漿總歷時由原先的平均38.76 h減少到目前平均不到13 h,灌漿月計劃由原來單月不足700 m到最高完成12 000 m,施工進度明顯加快,按期保證了蓄水發(fā)電的節(jié)點控制目標。
黃登水電站自2017年11月下閘蓄水至2018年4月,壩前水位在1 559 m運行半年有余,水頭達到137 m,從第三方檢測單位數(shù)據(jù)檢測可以看出,幕后揚壓力和漏水量遠小于設(shè)計值,其中壩基排水孔的總漏量為2.6 L/s,不足設(shè)計流量的1/10,幕后揚壓力數(shù)據(jù)在0~0.2 MPa。黃登大壩帷幕灌漿工程贏得了業(yè)主和行業(yè)業(yè)內(nèi)專業(yè)人士的高度評價,在瀾滄江流域電站首個被評為樣板工程,同行各專業(yè)人士多次觀摩和學習。黃登水電站大壩帷幕灌漿取得的成果及成功的經(jīng)驗,可為后續(xù)同類工程提供可借鑒的寶貴經(jīng)驗。