鄒 剛

(中國水利水電第七工程局成都水電建設工程有限公司，成都，611130)

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高壓堵水技術在觀音巖電站灌漿平洞施工中的應用

鄒 剛

(中國水利水電第七工程局成都水電建設工程有限公司，成都，611130)

觀音巖水電站地質(zhì)條件極為復雜，溶蝕條帶發(fā)育范圍較廣，地下水滲流通道較多，補給方式復雜，補給途徑較遠，地下水極為豐富。右岸高程985m灌漿洞完全埋深于地下水位以下，開挖過程中，掌子面及邊頂拱涌水量極大，嚴重制約開挖、混凝土襯砌施工進度、質(zhì)量及施工安全。本文主要介紹高壓堵水在灌漿平洞中應用的施工技術。

觀音巖水電站 灌漿平洞 高壓堵水 施工技術

1 工程概況

觀音巖水電站位于云南省麗江市華坪縣與四川省攀枝花市交界的金沙江中游河段，為金沙江中游河段規(guī)劃的八個梯級電站的最末一個梯級。觀音巖水電站為一等大(1)型工程，以發(fā)電為主，兼有防洪、灌溉、旅游等綜合利用功能。水庫正常蓄水位1134m，庫容約20.72億m3，電站裝機容量3000(5×600)MW。

右岸高程985m灌漿平洞設計開挖斷面為城門洞型，斷面尺寸5.2m(5.6m、6m)×5.2m(5.6m、6m)(寬×高),洞口起點高程990.30m，終點高程為985.85m，灌漿施工通過施工支洞作為交通通道(長742m)。灌漿洞與施工支洞交叉處高程988.4m，開挖長度445m，坡降1%，地下水位高程約1015m。在開挖過程中，掌子面及邊頂拱出現(xiàn)較大涌水，嚴重影響開挖施工進度及安全。

2 灌漿洞圍巖工程地質(zhì)及涌水情況

右岸高程985m灌漿洞沿洞段發(fā)育的巖層主要為侏羅系蛇店組上段(J2s3)巖層：紫紅色中厚層～巨厚層狀細粒石英砂巖、含礫砂巖、棕紅色中厚層～巨厚層狀鐵質(zhì)鈣質(zhì)粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖夾粉砂質(zhì)泥巖、泥巖、少量礫巖，該段巖層按其各巖性比例及其工程特性可細分為6個亞層(J2s3-1～J2s3-6)。開口洞段巖層為J2s3-1巖層，往洞內(nèi)延伸各亞層依次分布，至尾部洞段為J2s3-5巖層分布。其中，J2S3-1、J2S3-3、J2S3-5層以堅硬砂巖為主，J2S3-2、J2S3-4、J2S3-6以粉砂巖、泥質(zhì)巖的中硬、軟巖所占比例較多。在J2S3-1和J2S3-3鈣質(zhì)礫巖、鈣質(zhì)含礫砂巖、鈣質(zhì)砂巖中，由于地下水的作用，沿層理方向或陡傾角裂隙產(chǎn)生溶蝕現(xiàn)象，局部形成小型溶洞。大部分洞段巖層為夾泥軟弱砂巖，斷層、裂隙節(jié)理發(fā)育、溶蝕明顯，泥質(zhì)粉砂及少量泥巖屬相對不滲水層，但受浸泡容易軟化，存在失穩(wěn)隱患。樞紐工程區(qū)地下水位高程約1015m，灌漿洞全洞段均處在地下水位以下，出水點主要集中在開挖斷面(掌子面)腰線以上開挖爆破孔中及洞子兩側(cè)幾個大的出露裂隙中，呈股狀流水；其他出水點涌水較小，主要從腰線以下爆破孔及洞壁較細微的裂隙中滲出。

開挖后圍巖張性節(jié)理較多，且平行發(fā)育，間距較密，再加之表層圍巖受鉆爆法開挖影響，節(jié)理發(fā)育寬度隨之增大、發(fā)育延伸長度增加，整個洞段滲水通道較多、面積廣，邊墻、頂拱、底板及掌子面均有分布。散漏滴水極為普遍，一般從細微爆破裂隙及卸荷裂隙中滲出。特大涌水點可見8處，主要從大的出露裂隙或溶蝕空腔中呈股狀涌水，涌水壓力較大。采用邊開挖邊堵水方式進行施工，施工過程中洞內(nèi)集中排水負荷最大達1500m3/h。通過現(xiàn)場實際測量，涌水壓力一般為0.1MPa～0.60MPa，涌水流量一般為1.6L/s～35L/s。涌水孔涌水壓力及涌水量區(qū)間統(tǒng)計值見表1。

表1 涌水孔涌水壓力及涌水量區(qū)間統(tǒng)計值

3 堵水灌漿設計

3.1 設計原則

3.1.1 保證一定的膠凝厚度。一次堵水灌漿施工完成后，還需要進行下一循環(huán)開挖爆破，為盡量避免或減少在進行下循環(huán)開挖爆破時再度揭露地下涌水，因此在堵水灌漿時需保證形成一定的止水范圍帶，盡量將地下水封堵在開挖施工區(qū)域以外。邊墻堵水主要是快速有效地封堵住地下水出露點，減少涌水量，降低洞內(nèi)集中排水負荷。

3.1.2 保證一定的經(jīng)濟型。采取有效措施快速、高效地封堵住地下水，盡可能地降低堵水灌漿成本。因此，灌漿過程中采取高壓力、限量灌入。即單液、雙液交替結(jié)合的方式進行灌注，盡可能保證灌漿質(zhì)量和降低施工成本封堵地下水。

3.2 主要設計方法

3.2.1 堵水灌漿孔布置。根據(jù)涌水分布情況確定灌漿孔的布置，通過對出水量較大的孔進行試水，當裂隙走向和產(chǎn)狀判斷明確及串通情況明確時，根據(jù)裂隙結(jié)構(gòu)面走向、產(chǎn)狀位置有針對性的布孔，使鉆孔盡量與裂隙面斜向相交。為有效地控制地下水出露點，在較大涌水區(qū)鉆進分流孔進行分流。在掌子面周圈規(guī)則布置一定的灌漿孔，對地下水進行圍堵?？紤]開挖循環(huán)進尺及灌漿效果，避免鉆孔過程中再次遇到比較大的涌水出現(xiàn)，掌子面孔深一般控制為8m。

3.2.2 灌漿壓力。灌漿壓力為0.5MPa～1.5MPa，根據(jù)現(xiàn)場實際施工情況可適當加大或減小部分灌漿壓力。

3.2.3 灌漿方法。按“先表層、再淺層、后深層灌漿”、“由低處向高處”、“先周邊灌漿向中央推進的原則”、“先灌注未有出水及出水較小的孔，后灌注出水較大的孔”進行純壓式灌漿。首先，對出水較小的孔采用普通硅酸鹽水泥灌注，達到限量標準后，采用純水泥漿液結(jié)合摻加外加劑(堵水專用液)進行灌漿處理。

4 施工程序

4.1 在掌子面腰線下區(qū)域，隨機布置2～3個鉆孔，孔深8.0m，鉆孔完成后觀察滲水情況。如果未有大的滲水點，沿掌子面洞挖向腰線以上區(qū)域，首先順掌子面邊緣布置灌漿孔，灌漿孔與掌子面成外插角a=3°～5°的灌漿孔，間距1m～1.5m，作為一個循環(huán)(鉆爆2.5m為一個開挖循環(huán)，根據(jù)情況在達到最后一個循環(huán)時，適當預留0.5m的已固結(jié)面作為封閉位置，即下一灌漿循環(huán)鉆孔位置為開挖進尺為10m的掌子面)。

4.2 掌子面周圈鉆孔完成后，隨機選取多個涌水較大的孔進行泵壓壓水。壓水時加入高錳酸鉀(紅色)，觀察水流通道情況，以便確定掌子面上及其他鉆孔的位置，觀察裸巖表面滲漏情況，以便進行封堵。如果掌子面出水孔均串通，則選取2～3個掌子面上出水孔進行鉆孔。

4.3 灌漿孔鉆孔完成后，進行灌漿管安裝；灌漿管安裝完成后，如有必要對涌水量和涌水壓力進行測定。

4.4 根據(jù)涌水部位表面出水情況，對表面滲水點和表面裂隙水進行表面封堵及灌漿處理。

4.5 洞壁兩側(cè)出水裂隙縫處理。根據(jù)裂隙結(jié)構(gòu)面的走向、產(chǎn)狀布置灌漿孔，孔深1m～3m，孔徑不小于φ38mm。鉆孔完成后，安裝灌漿管及排水管。

4.6 灌漿過程中，若產(chǎn)生新的裂隙滲水，則停止灌漿，按上述辦法進行封堵處理。

4.7 灌漿首先采取灌注純水泥漿液，在達到一定灌入量后，如壓力和流量無明顯變化則采取灌注水泥～化學控制液雙液灌注。在雙液灌注過程中，根據(jù)流量壓力變化情況，適時調(diào)整雙液配合比，直至該孔灌注結(jié)束。

5 堵水灌漿施工

5.1 鉆孔施工

堵水施工作業(yè)面采用架管搭設形成施工平臺，按滿足鉆灌施工要求考慮，施工平臺應一次性搭設完成，局部位置作業(yè)平臺搭設門式排架，承重排架上鋪設馬道板，外側(cè)掛安全網(wǎng)。

5.1.1 鉆孔分類。鉆孔主要分為表層孔、淺層孔、分流孔及主灌孔。

表層孔：針對表層裂隙進行封堵，如果淺層孔灌漿時表層裂縫滲漏，并采用一般材料不易封堵時進行。

淺層孔：針對邊頂拱較小涌水區(qū)堵水及掌子面淺層裂縫封堵。

分流孔及主灌孔：針對掌子面超前堵水孔及邊墻較大涌水區(qū)堵水。

5.1.2 鉆孔方法。鉆孔施工先根據(jù)涌水點位置進行布置，壓水及灌漿施工中，如果發(fā)現(xiàn)其他裂隙滲漏，另外進行表層孔及淺層孔的鉆孔。鉆孔一次性成孔，根據(jù)現(xiàn)場施工時實際情況確定鉆孔深度。出水量大的灌漿孔孔深為8.0m，孔徑不低于φ65mm；表層封堵孔孔深為1m～3m，鉆孔孔徑不低于φ38mm；采用液壓潛孔鉆和氣腿式風鉆造孔。

5.2 安裝灌漿模帶(塞)

模帶(塞)采用1′、6″鐵管及架管加工，孔口段外包土工布形成止?jié){包，止?jié){包長度根據(jù)壓力確定。鉆孔完成后，根據(jù)鉆孔類型或孔徑、孔深加工灌漿模帶(塞)，并下至孔內(nèi)距離孔底20cm～50cm。對掌子面及其他部位較深的孔，孔內(nèi)須采用花管，后用手壓泵壓0.5∶1的水泥漿對止?jié){液包注漿，進行卡塞固定。

5.3 表面封堵

在壓水或灌漿過程中有新的表層裂隙滲漏時，采用能快速凝結(jié)及有一定強度的特殊材料進行鑿槽嵌縫處理(槽上寬10cm，下寬15cm，深5cm)。如果嵌縫處理效果不明顯，則直接鉆表層孔，采用雙液法結(jié)合水溶性聚氨酯進行泵壓封堵。

5.4 涌水壓力及涌水量測量

灌漿施工前根據(jù)涌水情況進行流量及壓力測量。集中出水量的測量，在出水點位置布孔，將分散的滲滴水匯流到鉆孔中，集中流出，在孔中卡塞，用量筒逐孔測定單位時間內(nèi)量筒的接水量，從而計算出集中出水孔流量的大小，然后取平均值。流量測定完畢后，關閉所有灌漿孔閥門，在集中出水孔模袋的外管上安裝壓力表，測定涌水壓力。

5.5 堵水灌漿

5.5.1 制漿及外加劑、封堵材料的使用：采用普通硅酸鹽42.5#水泥進行集中制備0.5∶1純水泥漿，泵送至灌漿站。如注入量較大及表層裂隙滲漏時，考慮按比例(一般為3%～10%的水泥重量，漿液性能檢測成果見表2)及孔口方式添加雙液(堵水專用液)，添加設備為手提式高壓灌漿機。涌水較大孔難于封堵時，采用3SNS灌漿泵摻加，止水針頭及單向閥止回漿。其他使用材料，主要為力頓堵漏王、無水氯化鈣、Sika102止水砂漿(速凝水泥)及水溶性聚氨酯等，各種外加劑質(zhì)量符合《水工建筑物水泥灌漿施工技術規(guī)范》DL/T5148-2001第5.1.7條規(guī)定。雙液(堵水專用液)灌注時，采用點動方式或間隙式方法灌注，其間隙時間和灌入量根據(jù)吸漿量大小和灌漿壓力確定。

表2 不同水灰比下?lián)郊硬煌壤滤畬Ｓ靡旱男阅軝z測

5.5.2 灌漿。堵水灌漿工藝,主要為純水泥漿液模帶(塞)純壓式灌漿和水泥～化學控制液雙液模帶(塞)孔口混合直接灌注法灌漿，按“先圍后堵”方式施工。在實灌前進行試壓及壓水試驗時，巖石表層均出現(xiàn)滲漏情況，為保證堵水效果，直接采用0.5∶1水灰比進行。雙液灌注時，水泥漿液與堵水專用液摻量按體積比1∶0.03～1∶0.1區(qū)間控制，或按3%～10%的水泥重量添加。

5.5.2.1 灌漿方法

(1)灌漿原則：灌漿按“先表面封堵，然后淺層封堵，最后分流孔、主灌孔灌漿”等原則進行。灌漿次序原則上遵循先灌無水孔，再灌出水量小的孔，最后灌出水量大的孔。即先封堵散水，形成約束區(qū)，限制地下水竄流，最后集中封堵；采取從散狀出水段兩端逐步向中間靠攏的原則進行施灌，并先灌頂部孔，再灌底部孔。對于封堵過程中形成了新的滲漏部位，立即停止該孔封堵灌漿，對新出水部位布置淺孔進行淺層灌漿，待新出水部位淺層封堵灌漿完成后，再恢復該孔封堵灌漿；

(2)表層孔灌漿。高程985m灌漿洞溶蝕性節(jié)理裂隙發(fā)育，掌子面及邊頂拱裂隙滲水形式主要為線狀、滴狀滲水和局部股狀滲水。部分涌水壓力較大，若采用嵌縫方式無法封堵住表層滲漏，則布置表層灌漿孔進行封堵。灌漿采用水泥-堵水灌漿專用液，雙液孔口混合直接灌注或手提式灌漿泵灌注堵水專用液。雙液灌漿水灰比為0.5∶1，水泥漿與堵水灌漿專用液的體積比為1∶0.05～1∶0.1。灌漿最大控制壓力為0.5MPa；

(3)淺層孔灌漿。淺層孔采用純壓式卡塞灌漿方法，灌漿塞為模袋(塞)，目的是快速堵水及在表層形成一定厚度的“止水蓋重帶”。先灌注純水泥漿液，并根據(jù)施工情況盡快采用雙液灌漿，并對裂隙滲水及時進行表面封堵，直至該孔灌注結(jié)束。灌漿限量標準為，灌注純水泥漿液結(jié)合摻加外加劑(堵水專用液)，水泥量達10t后關閉孔口強行待凝；待凝一段時間，打開控制閘閥，如仍有涌水則繼續(xù)灌注，無涌水則認為此孔灌漿結(jié)束，即進行下一孔灌漿。灌漿水灰比為0.5∶1，水泥漿與堵水灌漿專用液的體積比為1∶0.03～1∶0.1，或按專用液比例為灌入灰量的3%～10%控制；

(4)分流孔、主灌漿孔灌漿。表層封堵和淺層灌漿完成后，將涌水最后匯集到主水孔中，首先灌注純水泥漿液，待灌入一定水泥量后，壓力和流量無明顯變化時，則采取水泥-化學控制液雙液灌注。在雙液灌注過程中，根據(jù)流量壓力變化情況，適時調(diào)整雙液配合比；當雙液灌注過程中流量明顯減小(小于30L/min)、壓力升高時，再次進行純水泥漿液灌注。通過單液-雙液交替灌注等工藝措施，提高灌注效果，直至該孔灌注結(jié)束。為控制施工成本，灌漿限量標準同淺層孔灌漿。實際施工時，其灌入限量標準可根據(jù)灌前測定的涌水流量靈活確定。灌漿壓力按比滲水壓力大1.0MPa的原則執(zhí)行，或根據(jù)現(xiàn)場實際在出水孔壓力+1.0MPa的情況下適當加大或減小灌漿壓力，一般按1.0MPa～1.5MPa進行控制。雙液灌漿施工工藝流程圖見1。

圖1 雙液灌漿施工工藝流程

5.5.2.2 灌漿壓力控制原則

由于邊頂拱孔深較淺，裂隙較為發(fā)育且極為不規(guī)則，表面滲漏較難封堵，防止圍巖受灌漿壓力影響局部坍塌，涌水壓力較小，適當減小灌漿封堵壓力，最小壓力控制0.5MPa。掌子面灌漿封堵壓力根據(jù)灌前涌水壓力調(diào)整，采用1.0MPa～1.5MPa，或根據(jù)現(xiàn)場實際適當加大或減小灌漿壓力。

5.5.3 其他(漿液變換、結(jié)束標準)

堵水灌漿主要是采用特殊方法把出露的地下水封堵在一定范圍外，并不能對全部涌水通道進行充填封堵。洞子地質(zhì)條件較復雜，裂隙及溶蝕通道多，吃漿量較大。故在灌漿過程中，為避免漿液被地下水帶走，灌漿時盡量直接采用0.5∶1的水泥漿，并通過過程控制判定灌漿是否結(jié)束。

5.5.4 特殊情況處理

5.5.4.1 串漿處理。在灌漿過程中，為防止?jié){液從其他鉆孔內(nèi)流出，采取措施為：當串漿孔為正在鉆進的鉆孔時，應立即停鉆，在串漿孔內(nèi)漏漿處以上部位安設灌漿塞，堵塞嚴密，在灌漿孔中依據(jù)施工技術要求正常灌漿，待灌漿結(jié)束后，串漿孔間恢復正常鉆進；若串漿孔為待灌的灌漿孔時，最好是串漿孔與灌漿孔同時灌漿，一臺灌漿泵灌注一個孔，但并聯(lián)灌漿孔不宜多于3個。否則，應塞住串漿孔，待灌漿孔灌漿結(jié)束后，再對串漿孔進行掃孔、沖洗；而后繼續(xù)鉆進或灌漿，或者塞住串漿孔，用堵水灌漿專用小水泵向孔內(nèi)壓水，壓水壓力為滲水壓力的1.5倍，同時要定時打開閥門進行排水排漿，防止時間過長串過來的水泥漿凝結(jié)而堵塞灌漿通道。

5.5.4.2 地表冒漿。在灌漿過程中，為防止?jié){液沿次生裂隙或?qū)用嫱洗鞫俺龅乇?，需采取如下措施?1)在裂隙冒漿處，可用舊棉花、麻刀、棉線等物緊密地打嵌入縫隙內(nèi)，必要時，在其上面再涂抹速凝水泥漿或水泥砂漿等，堵塞縫隙；(2)在冒漿處，鑿挖巖石，漏漿集中于一處后用鐵管引出，先前冒漿的地點用速凝水泥漿液封閉，待一定時間后將鐵管堵住，從而止住冒漿；(3)當灌漿前進行壓力水沖洗時，如果發(fā)現(xiàn)基礎巖石表面有大量冒水，則先將冒水地點處理好后，再行灌漿；如遇到基礎面為溶蝕砂化帶或裂隙不易封堵時，則考慮先澆筑一定厚度的混凝土蓋重，再進行堵水灌漿。

5.5.4.3 灌漿中斷處理。灌漿必須連續(xù)，若因故中斷，按下述原則處理：盡快恢復灌漿，否則應立即沖洗鉆孔，再恢復灌漿。若無法沖洗或沖洗無效，則進行掃孔，再恢復灌漿?；謴凸酀{時，使用開灌比級的水泥漿進行灌注，如注入率與中斷前相近，即可采用中斷前水泥漿的比級繼續(xù)灌注；如注入率較中斷前減少較多，應逐級加濃繼續(xù)灌注；如注入率較中斷前減少很多，且在短時間內(nèi)停止吸漿，應采取補救措施。為保證灌漿資料的連續(xù)性，待壓力達到暫停前壓力時，再開記錄儀。

5.6 灌漿效果分析

高壓堵水灌漿完成后，按施工時間分段進行驗收。表觀驗收無集中出水點，且全斷面無明顯出水點。在掌子面鉆設6m深檢查孔，孔內(nèi)幾乎無滲水，為灌漿洞開挖、混凝土澆筑施工進度及施工安全提供了有力保障；在一定程度上為后期固結(jié)灌漿奠定良好基礎，進一步保證了固結(jié)灌漿施工順利實施和施工質(zhì)量。

6 結(jié)語

右岸高程985m灌漿洞埋深較深，工程區(qū)地下溶蝕通道及溶蝕腔發(fā)育，圍巖爆破裂隙及卸荷裂隙走向不規(guī)則，涌水點分布較廣，涌水壓力、涌水量較大。采用高壓堵水灌漿效果顯著，說明高壓灌漿技術應用于堵水灌漿是成功的。

〔1〕劉正峰.地基與基礎工程新技術實用手冊.北京：新潮出版社，2001.

〔2〕水利水電工程施工手冊編寫委員會.水利水電工程施工手冊.北京：中國電力出版社，2004.

〔3〕孫 釗.大壩基巖灌漿.北京：中國水利水電出版社，2001.

鄒 剛，(1970-)，男，四川南部縣人，教授級高級工程師，從事水電施工技術與管理工作。

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