蘇丹麥洛維大壩基礎鉆孔灌漿研究

歐陽幸

（昆明市水利水電勘測設計院 650231）王碧峰（中國水利水電基礎局有限公司 天津 301700）

李 杰

（中國華水水電開發總公司 北京 100054）

1 工程概況

蘇丹麥洛維水電站工程（以下簡稱蘇麥工程）位于蘇丹北部尼羅河上，距離首都喀土穆480km。主要功能為發電和灌溉，裝機容量為125萬kW。擋水建筑物全長9285m，包括面板堆石壩、粘土心墻壩及混凝土重力壩三種壩型。從尼羅河右岸至左岸各類建筑物依次為：

2A標段：左岸土堤及左岸灌溉取水口、左岸面板堆石壩壩段、左岸粘土心墻壩壩段；

2B標段：廠房壩段、非溢流壩段、溢流壩段（溢洪道）；2C標段：右岸面板堆石壩、右岸土堤及灌溉取水口。蘇麥工程業主為蘇丹水利灌溉部。德國某咨詢公司（以下簡稱德國公司）承擔該工程的監理任務，并負責整個項目的設計及咨詢工作。中國公司于2003年6月通過國際競爭性投標獲得該項目全部三個土建標的施工合同。合同總價5.5億歐元，總工期5年，執行國際通用的FIDIC施工合同條款。根據特殊合同條款規定，該項目的施工技術規范全部采用英國BS規范或美國ASTM規范。

2 工程地質條件

通過前期勘探（由前蘇聯地質勘探公司施工）及后期補充勘探發現，該地區以變質巖及火成巖為主，主要巖石類型如下：黑云母片麻巖、花崗片麻巖、偉晶巖（結晶花崗巖）、細晶巖（半花崗巖）、流紋巖、玄武巖。

面板堆石壩及混凝土重力壩壩區地質條件變化較大，基本無規律可尋。時有偉晶巖及細晶巖巖脈侵入黑云母片麻巖及花崗片麻巖巖體中間，使整個地層巖石呈現軟硬不均的普遍跡象。表層巖石主要為黑云母片麻巖，風化嚴重較破碎、節理裂隙發育、遇水易軟化崩解。

粘土心墻壩壩基位于尼羅河主河道上，寬841m。覆蓋層最深達34.2m，主要由淤泥、粉細砂、中粗砂（含礫石）組成。基巖則以黑云母片麻巖及花崗片麻巖為主，基巖表面中度風化，較破碎、節理裂隙發育，透水性強，最大透水率達到95Lu。底部巖石（15m以下）較完整。

根據蘇麥工程大壩的地質條件，設計單位德國公司認為必須對所有壩基作防滲處理。防滲處理的方案為鉆孔灌漿。

3 壩基防滲處理方法——鉆孔灌漿

鉆孔灌漿是水利水電工程上常用而且有效的防滲堵漏方法，對于防止壩基滲流破壞，保持壩體穩定，并最終實現水庫蓄水、有效發電起著很重要的作用。根據功能不同，灌漿分為固結灌漿、帷幕灌漿、接縫灌漿、回填灌漿等多種。蘇麥工程壩基防滲主要涉及固結灌漿及帷幕灌漿。

我國的灌漿理論、灌漿方法具有自己的獨有特點，其中有可取之處，但確實也存在一些值得商榷的地方。下面就以德國拉美爾公司設計的蘇丹麥洛維大壩鉆孔灌漿為例，分析其各自特點、與國內不同之處、產生原因，并提出一些個人意見。

3.1 鉆孔

無論固結還是帷幕鉆孔，為避免對構筑物鋼筋造成破壞，在混凝土澆筑前均按設計規定的方位及傾角預埋直徑為Φ80mm的PVC管。國內有不少項目沒有采用預埋管，而是采用直接鉆孔的方法。這與國外認為只要是構筑物內的鋼筋，無論如何都不能人為破壞有關。應該說這樣做還是比較可取的。直接鉆孔一方面對鋼筋造成破壞，同時鉆進鋼筋混凝土工效也比較低，容易損壞鉆頭，實際上成本比預埋PVC管要高。

3.1.1 固結孔

3.1.1.1 孔位布置

固結鉆孔主要位于面板堆石壩的趾板上，分上、下游兩排，孔位按梅花形布置。每排又分I、II、III序，排距1.0m，孔距1.5m。這與國內基本一致。

但德國公司設計的所有固結孔均為斜孔，根據不同地段方位及巖層走向不同，固結孔的方位角及傾角均有所不同（見下圖）。這一點與國內大部分固結孔為直孔的做法差別比較大。經與現場德國咨詢工程師了解，他們主要的想法是通過改變固結鉆孔方位角及傾角，讓鉆孔軸線盡可能垂直于巖層裂隙面，這樣會使固結灌漿的效果更佳。

趾板灌漿孔布置典型剖面示意圖

德國公司的做法比較形象、直觀。但實際上經過國內多年的實踐及檢查孔結果來看，斜孔與直孔相比，灌漿效果不是特別明顯。但斜孔對鉆孔的難度卻增加很多。因而會降低工效，提高工程成本。建議根據具體情況，盡量采用直孔，不提倡采用斜孔。

3.1.1.2 鉆孔方法

國內與國外都是采用風動沖擊成孔，其特點是工效高，成本低。區別是國外的風動鉆孔帶除塵裝置，比較注重環保，對人體危害較小。國內則是采用簡單的手持式或氣腿式沖擊鉆機。我國公司在蘇麥工程工地上則采用的是自己改裝的XY—2巖芯鉆機，配空壓機和潛孔錘。雖然價格便宜，但除塵裝置簡易落后。施工時，通過輪班作業的方式，盡量減少這種危害。

3.1.2 帷幕孔

蘇麥工程大壩壩基帷幕鉆孔的方位角及傾角根據巖層走向確定，以垂直于巖層走向并盡可能多的穿過巖層裂隙為最佳選擇。根據此原則確定的帷幕灌漿孔方位角為90°，傾角為70°。國內一般情況下多采用直孔，斜孔比較少。國內普遍認為只要在帷幕軸線上，直孔與斜孔的灌漿效果相差不大。但在鉆孔難度上，直孔較斜孔（特別是采用回轉鉆進方法時）相比容易。

對于帷幕鉆孔的鉆孔方法，我國的現行灌漿規范規定：“帷幕灌漿孔宜采用回轉式鉆機和金剛石或硬質合金鉆頭鉆進，也可采用沖擊式或沖擊回轉式鉆機鉆進，當采用后種鉆進方法時，應加強鉆孔和裂隙的沖洗。”國內規范主要是認為：沖擊或沖擊回轉式鉆進方法容易導致粉塵進入裂隙，不易沖洗干凈，進而可能會影響灌漿質量。

而國外相關技術規范中明確規定：提倡使用沖擊式或沖擊回轉式鉆機鉆進。這也是國外鉆孔灌漿工藝中主流的鉆孔方法，主要是因為這種鉆孔方法工效高、單位鉆孔成本相對較低。

實際施工中采用XY—2鉆機配合潛孔錘進行沖擊回轉鉆進，取得了比較好的效果。主要體現在以下兩個方面：

a.鉆孔工效大幅度提高。根據資料統計，純鉆工效達到5～6m/h，是常規回轉鉆進工效的7～8倍。大大加快了施工進度，同時也節約了鉆孔成本。

b.地層適應性強。蘇麥工程大壩的地質情況變化較大，從先導孔的鉆孔經驗可知，采用清水回轉鉆進，容易出孔內事故，施工工效相對較低。由于不使用清水，沖擊鉆進也能較好適應這種地層，即使在較破碎地層，除鉆孔工效稍有降低外，基本沒有太大影響。

在蘇麥工程右岸面板堆石壩趾板灌漿生產性試驗中，根據監理要求，在試驗區域進行了回轉鉆進與沖擊鉆進的灌漿效果對比試驗。經比較發現：除沖擊鉆進方法的鉆孔沖洗時間稍長外，這兩種不同鉆孔工藝，其吸漿量基本沒有差別（試驗區內其綜合平均單耗均為66.5kg/m左右）。

蘇麥工程對比灌漿試驗結果也再次表明：只要加強鉆孔及裂隙的沖洗，沖擊式鉆進方法基本不會影響巖石的可灌性及灌漿質量。

3.1.3 取芯孔（先導孔及檢查孔）

先導孔集中布置在I序孔上，間距為100m。檢查孔則根據灌漿成果，選擇布置在吸漿量較大的區域，其方位角與灌漿孔相差180°；傾向與灌漿孔垂直；孔深比灌漿孔深20m，以盡可能多地穿過帷幕灌漿孔為宜。這種布孔方式集中體現了形象直觀的特點。但施工時鉆孔難度比較大。

國內灌漿檢查孔則很少采用這種布孔方式。考慮到大多數帷幕灌漿是垂直的，所以檢查孔一般也是垂直的。

取芯鉆孔采用XY—2型地質回轉鉆機，金剛石鉆頭清水鉆進，孔徑φ76；取芯采用澳大利亞進口的三管鉆具，這種三管鉆具在鉆進過程中，內管不轉，所以能有效地減少對巖芯的破壞，確保了技術規范中“在堅硬巖石中巖芯采取率不少于95%，在風化或破碎地層中不少于80%”的巖心采取率。實際鉆孔過程中巖芯采取率均高于上述規定，較高的取芯率為真實了解原始地層情況及灌漿效果提供了條件。

國內取芯孔鉆進則一般采用雙管取芯鉆具，在堅硬巖石中還可滿足技術規范的要求，但在風化或破碎地層中則很難符合要求。從這個角度上看，國外在取芯上比國內要求更加嚴格。也更為科學。

3.2 灌漿

與國內相比，國外的灌漿理念還是有較大差別。主要體現在以下幾個方面。

3.2.1 對漿液原材料質量要求高

a.水泥。要求比表面積不小于3500cm2/g（ASTM C 204），通過No.200目（0.075mm）美國標準篩的篩余量為0。

而國內灌漿規范中對普通硅酸鹽水泥的細度要求為：通過80μm方孔篩的篩余量不大于5%。對比表面積則沒有規定。

國外對灌漿水泥的要求比國內明顯要嚴格，通過對比表面積及篩余量同時進行限定，即可保證水泥的細度，又能保證水泥顆粒的均勻性。這一點應該比國內僅僅規定篩余量更為科學。

b.膨潤土。采用天然鈉基膨潤土，符合美國石油協會標準，見表1。

表1 天然鈉基膨潤土性能指標

從表1中可以看出，這種天然鈉基膨潤土比國內一般鈣基膨潤土質量要好很多，尤其是液限比較高，對改善水泥漿液的穩定性起著至關重要的作用。國內灌漿規范中對用于穩定性漿液中的膨潤土（國內大多是鈣基膨潤土）則沒有提出明確要求。

c.外加劑。采用中國浙江龍游五強外加劑廠生產的ZB—1型緩凝高效減水劑。該產品符合中國GB 8076—1997一等品和美國ASTM C494 C、E、F型標準。其主要成分是β－萘磺酸鹽甲醛縮合物。棕褐色粉劑，具有減水、緩凝及增塑作用。

蘇丹氣候較炎熱，ZB—1型減水劑的使用可以有效地改善穩定性漿液的流動性，延長初凝時間。該產品價格比較昂貴，國內價格一般為8000～9000元/t。

國外水泥漿液中根據需要也添加一些外加劑，但品質要低得多。

3.2.2 采用穩定性漿液

德國公司技術規范明確規定，該工程灌漿必須使用穩定性漿液。這也是國外比較常用的灌漿材料。配合比通過現場實驗室試驗確定。經過多次試驗，選定的最優配合比見表2。

表2 穩定性漿液配合比及物理性能

實際施工過程中，對1∶1的穩定性漿液，其外加劑摻量根據氣溫情況可以在0.25%～0.50%之間調整。正常情況下，只采用1∶1的穩定性漿液。只有在該段泵入率大于30L/min且注入量超過限定值（600L）時，才考慮變漿。整個蘇麥工程大壩基礎灌漿中，基本沒有使用0.8∶1及0.6∶1的穩定性漿液。

雖然國內近些年也開始使用穩定性漿液，但大部分鉆孔灌漿工程還是采用普通水泥漿液（多種配比、逐級變濃；需經常變漿，不便操作）。事實上穩定性漿液確實有許多優點，如配比單一、操作簡單；漿液穩定性好、泌水少，形成的水泥結石均勻，裂隙充填性好。建議根據項目的適應性，在試驗的基礎上大規模推廣使用。

3.2.3 灌漿方法簡單、工效高

蘇麥工程大壩帷幕灌漿幾乎全部采用自下而上分段卡塞純壓式灌漿方法；只有確實由于地層原因無法鉆至孔底的孔段才進行先灌注，待凝后繼續鉆進至孔底，然后再回到自下而上的灌漿方法上來。整個蘇麥工程大壩鉆孔灌漿實施過程中，這類孔所占比例不到1%。這一點與國內普遍采用的小口徑鉆孔、孔口封閉、自上而下循環灌漿有較大的不同。

此外，德國公司監理工程師對灌漿段長的控制彈性比較大。卡塞時，如由于地層原因卡塞不牢，或灌漿過程中出現繞塞返漿，可以上下2m范圍內移動灌漿塞，直至卡牢為止。

與國內常用的自上而下灌漿方法相比，這種灌漿方法主要優點是無需待凝、不間斷灌漿（卡塞時間除外）、沒有重復鉆進、棄漿少，既有利于提高工效，又降低材料成本。缺點當地層條件不好時，卡塞困難，嚴重的甚至出現繞塞返漿現象，造成孔內事故。

3.2.4 灌漿壓力較低

與國內常見的高壓灌漿理念不同，德國公司在設計時采用了較低的灌漿壓力。經在現場與德國公司地質總工程師Dr.Paul處了解得知，這主要源于國外提倡充填灌漿，一般只想將灌漿過程控制在巖石臨界壓力以下進行（不主張劈裂巖石），且認為一定程度的滲漏并不會對整個大壩安全構成致命威脅。他們還認為，超出巖石臨界壓力進而將巖石劈裂進行灌漿是不必要的，甚至是危險的。

雖然現場監理工程師多次要求對巖石進行臨界壓力測試，即找出發生水力劈裂時的臨界壓力點。但由于蘇麥工程大壩地質條件變化較大，最終也很難找到符合實際的臨界灌漿壓力。即便如此，整個灌漿仍在低壓下進行。蘇麥工程大壩帷幕灌漿各段次相應的灌漿壓力見表3。

表3 帷幕灌漿各段次灌漿壓力值

此外，國外對灌漿壓力的穩定性要求比國內要高。目前，國內最好也最常用的主要灌漿設備的壓力穩定性也不能滿足國外技術規范對灌漿壓力穩定的要求。國外灌漿泵一般采用調速電機，利用無級調速原理，壓力可以從零至最大值數控調節，確實十分方便可靠。我國的調速電機水平落后，基本依賴進口。也還沒有應用到灌漿領域。這點應該是我國以后灌漿泵的發展方向。

3.2.5 防滲標準及灌漿結束標準低于國內規范

與國內灌漿規范相比，蘇麥工程的防滲標準及灌漿結束標準要低，也非常便于操作。

國外防滲標準：檢查孔五點法壓水，透水率小于5Lu。

國內防滲標準：檢查孔五點法壓水，透水率小于1Lu。

與國外相比，國內防滲標準過于嚴格，從5Lu降到1Lu，付出的成本也很大。因為多年國內外的經驗告訴我們，壩基并非滴水不漏才好，少量滲漏是允許的，可能還有利于降低壩底的揚壓力，不會對大壩安全形成威脅。從這個角度說，確實應該值得我們深思。

3.2.5.1 國內灌漿結束標準

a.固結灌漿。在該灌漿段最大設計壓力下，注入率不大于1L/min，繼續灌注30min，可結束灌漿。

b.帷幕灌漿。采用自上而下分段灌漿法時，灌漿段在最大設計壓力下，注入率不大于1L/min后，繼續灌注60min。可結束灌漿。當采用自下而上分段灌漿法時，灌漿段在最大設計壓力下，注入率不大于1L/min后，繼續灌注30min。可結束灌漿。

3.2.5.2 國外灌漿結束標準

a.接縫、固結灌漿結束標準。在設計壓力下，該段次10min內累計注漿量不大于30L時，灌漿即可結束。

b.帷幕灌漿結束標準。在設計壓力下，該段次10min內累計注漿量不大于10L時，灌漿即可結束。

c.無論固結灌漿還是帷幕灌漿，只要單位注入量超過50kg/m，即加深一段（5m），直至單位注入量小于50kg/m為止。

從上述國內外灌漿結束標準中很容易看出，國外要比國內簡單很多，也更便于操作，更重要的是使得灌漿時間變短，提高工效的同時，也自然降低了工程成本。

3.2.6 灌漿效果分析

蘇麥工程大壩帷幕灌漿分序單位注入量遞減情況見表4。

表4 帷幕灌漿分序單位注入量遞減情況

從表4可以看出，帷幕灌漿分序單位注入量遞減趨勢比較明顯，但幅度并不特別大，這主要是由于蘇麥工程大壩現場的地質條件不均一所決定的。

此外，通過實施32個帷幕檢查孔，采用五點法壓水，透水率均在5Lu以下，達到設計要求的防滲標準。

4 結語

蘇麥工程大壩是由德國公司設計、中國承包商施工的一個國際競爭性招標項目，其鉆孔灌漿的設計理念及施工方法與國內相比有一些區別，包括鉆孔布置、鉆孔方法、灌漿材料質量、漿液性質、灌漿壓力、灌漿方法、防滲標準、灌漿結束標準。通過對國外類似鉆孔灌漿工程的設計、施工及實際效果進行研究、分析及總結，并與國內比較，取長補短，對開闊視野、進一步改進或完善國內基礎處理工藝是有益的。

總的說來，鉆孔灌漿是一門實踐性和經驗性比較強的科學。無論采用什么樣的工藝，必須經過大量的實踐檢驗才最有說服力。筆者認為：鉆孔灌漿應根據不同地質條件，通過一定數量的試驗，勇于嘗試，特別是應借鑒已經過國內外工程實踐檢驗的經驗，不完全拘泥于國內規范，選擇最合理、最經濟的設計及施工方案。■