GIN法在黃金坪水電站壩基覆蓋層帷幕灌漿試驗中的應用

羅永葵程超元柳鶴趙志強張永光

（1.四川準達巖土工程有限責任公司 四川成都 610072）

（2.四川省威成工程技術開發有限公司 四川成都 610072）

（3.吉林大學建設工程學院 吉林長春 130061）

GIN法在黃金坪水電站壩基覆蓋層帷幕灌漿試驗中的應用

羅永葵1程超元2柳鶴3趙志強3張永光3

（1.四川準達巖土工程有限責任公司 四川成都 610072）

（2.四川省威成工程技術開發有限公司 四川成都 610072）

（3.吉林大學建設工程學院 吉林長春 130061）

本文結合黃金坪水電站壩基防滲帷幕灌漿工程，采用GIN法對壩基覆蓋層進行了帷幕灌漿試驗。介紹了GIN法在此次試驗中的灌漿工藝過程，選擇適宜的GIN值，控制了灌注壓力與注入率之間的關系，灌注后的覆蓋層防滲效果良好，達到了預期的設計要求。試驗證明GIN灌漿法適宜在壩基帷幕灌漿工程上使用，驗證了現行防滲設計方案的可靠性和合理性。

GIN法 帷幕灌漿 黃金坪水電站

1 工程概況

1.1 黃金坪水電站概況

黃金坪電站系大渡河干流水電規劃“三庫22級”的第11級電站，上接長河壩梯級電站，下游為瀘定梯級電站。壩址區位于甘孜州康定縣境內姑咱鎮黃金坪村上游約2～3km河段。

初擬正常蓄水位1475m，大壩壩高81m，電站裝機容量680MW；水庫總庫容為1.31億立方米，正常蓄水位以下庫容約1.19億立方米，調節庫容0.045億立方米，具有日調節性能。

1.2 試驗區工程地質條件

試驗區地面高程1420～1425m，據地表測繪、鉆孔勘探及試驗，試驗區覆蓋層組成及物理力學性質自下而上由老至新分別為：第①層漂（塊）卵（碎）礫石夾砂土（fgl Q3），分布河谷底部，厚度和頂面埋深變化較大，厚度29.44～81.57m，頂面埋深46.00～57.80m，簡易注水試驗滲透系數K＝7.52×10－2～2.17×10－3cm/s，表明該層具有中等～強透水性；第②層漂（塊）砂卵（碎）礫石層（al Q），厚度0.70～2.78m，埋深24.05～36.37m兩段鉆孔標準注水試驗滲透系數K＝4.16×10－3～2.39×10－3cm/s，現場滲透變形試驗和鉆孔抽（標準注）水試驗均表明其具有中等～強透水性；第③層含漂（塊）砂卵礫石層（al Q），厚度1.41～7.40m，埋深3.60～17.00m，鉆孔抽水試驗滲透系數一般K＝5.39×10－3～3.17× 10－2cm/s，現場滲透試驗滲透系數K＝5.26×10－2～3.17×10－2cm/s，表明該層總體具有強透水性、局部具有中等透水性的特點。

2 GIN法灌漿試驗內容

2.1 GIN法簡介

GIN灌漿法由瑞士灌漿專家隆巴迪（Lombardi）等人提出。要對巖體灌漿，就必須消耗一定的能量。單位孔段上消耗的灌漿能量，即灌漿強度值（GIN－Grouting Intensity Number），用灌漿孔段的最終灌漿壓力P（MPa）和單位灌段注漿量V（L/m）的乘積表示：GIN＝P·V（MPa·L/m）；在灌漿過程中保持GIN為常數，可以對較大孔隙限制其灌注量，而對可灌性較差的微細孔隙則提高了灌漿壓力，既避免了導致地面抬動或水力劈裂的高壓力與大灌注量的組合，又同時避免了灌注微細孔隙不合適的低壓力與小灌注量的組合。在灌注過程中，盡可能使用單一配比的具有賓漢流體特性的穩定漿液，以穩定的中低流速進行灌注，隨著注入量的增加，壓力逐漸上升，當注入量達到預定的限制值，或壓力達到預定的限制值，或者雖然壓力和注入量小于限制值，但二者的乘積達到GIN值時，即可結束灌漿。

2.2 試驗目的及要求

由于在較開闊河谷、高地震烈度區、深厚不均勻覆蓋層上建造高土石壩的復雜性，壩基防滲處理成為本大壩工程設防的重點和難點。結合壩址區河床覆蓋層特性，初擬壩基防滲采用上部懸掛式防滲墻接下部灌漿帷幕為主的防滲形式，其中，河床防滲墻最大深度89 m，主要穿過基礎第③、第②層；帷幕灌漿處理深度75～140 m，主要穿過第①層。

為驗證現行設計方案的安全可靠、施工可行和經濟合理性，進行現場帷幕灌漿試驗。覆蓋層帷幕灌漿試驗按淺層灌漿試驗、深層灌漿試驗分步實施。通過淺層灌漿試驗選擇漿液材料、確定灌漿分段長度及檢查灌漿效果；通過深層灌漿試驗了解灌漿地層的透水性、調整灌漿材料及吃漿量，以達到預期灌漿效果。試驗要求：經過灌漿，帷幕的滲透系數應不大于1×10－4cm/s，破壞水力坡降不小于12，灌漿帷幕總厚度大于6m。

2.3 灌漿漿液及GIN灌漿方法

在淺層灌漿試驗中，選擇水泥—膨潤土穩定漿液，水灰比0.7∶1，膨潤土3%（水泥重量），減水劑0.5%；在深層灌漿試驗中，根據起灌排渣需要，經過現場試驗，考慮漿液的流動性，選擇：①水泥—膨潤土穩定漿液配比：水灰比0.7∶1，膨潤土3%（水泥重量），減水劑0.5%；②1∶1水泥—膨潤土漿液配比：水灰比1∶1，膨潤土10%（水泥重量）；③2.5∶1水泥—膨潤土漿液配比：水灰比2.5∶1，膨潤土100%（水泥重量）。

灌注方法：采用GIN法，孔口封閉、自上而下分段、孔內循環噴射灌漿。

3 現場灌漿試驗

3.1 淺層灌漿試驗

3.1.1 GIN參數選擇

根據黃金坪覆蓋層地質情況及GIN灌漿法特點，選取GIN值及相關控制參數，如表1所示。

表1 淺層灌區GIN參數表

3.1.2 GIN灌漿參數調整

（1）在后次序孔施工過程中，根據單位注入量的降低程度判斷前序孔所選用GIN值的適宜性，為GIN值的調整提供依據。

（2）在灌漿過程中，注意觀測，避免壓力過大或GIN值過大引起地層的破壞性變形。

3.1.3 GIN灌注過程控制

1）控制原則

GIN法灌漿的灌漿強度值GIN一旦選定，對于低壓力、大耗漿量容易灌注的較大孔隙和高壓力、小耗漿量的微細孔隙的灌漿都采用這個值，以保持該灌漿段在整個灌漿過程中GIN值是一個常數，避免出現高壓力、大灌注量或低壓力、小灌注量的不利組合。

2）控制手段

（1）GIN灌注技術主要是利用計算機控制灌漿過程，隨時監控灌漿壓力和注入量，監視P－V灌漿過程曲線再選定的GIN曲線圖上的運作趨勢，根據可灌性曲線（Q/P－V）的變化趨勢，判斷灌漿完成情況。

GJ－1000型自動化灌漿操作系統，其GIN灌漿法功能模塊和壓力自動調節系統能順利地完成GIN法灌漿過程的自動控制。

（2）灌漿過程中，計算機繪制P－V曲線、可灌性曲線Q/P－V及P－T曲線、V－T曲線、Q－T曲線、Q/P－T曲線，同時在屏幕上顯示壓力P、注入率Q和時間T等。

（3）根據壓力P、注入率Q大小情況，注意匹配控制注入率與灌漿壓力，如表2所示。

表2 注入率與灌漿壓力控制表

3）控制方法

（1）細微孔隙地層灌漿過程。在這種情況下，注入率很小，壓力升高很快，當壓力達到最大值后，保持穩定至結束標準。如圖1所示，灌漿曲線①落在0－2－3－6區域，灌漿結束點在2－3線上。

圖 GIN灌漿過程控制示意圖

（2）中等發育孔隙區的灌漿過程。在這種情況下，壓力隨注入量的增加平穩上升，當P－V過程曲線逼近或達到GIN曲線時，降低灌漿壓力，P－V過程曲線沿GIN包絡線下滑，直至達到結束標準。如下圖所示，灌漿曲線②落在0－3－4區域，灌漿結束點在3－4包絡線上或GIN曲線a上。

（3）較大孔隙地層的灌漿過程。在這種情況下耗漿量大，難以升壓，有時甚至呈無壓自流狀態。此時的灌漿曲線落在0－1－4－5區域。按規定（注入量規定值）采取限流、限量及間歇等措施，直至達到規定的結束標準，或達到累計單位注入量規定值，即可結束灌漿。

3.1.4 淺層GIN法灌漿結束標準

根據被灌地層的地質條件，GIN法灌漿結束標準如下：

（1）當灌漿達到最大壓力Pmax或達到GIN值，注入率小于2L/min時持續30min結束，或達到最大壓力值，注入率小于1L/min延續10min結束。

（2）達到GIN值，但流量較大時，調整壓力，使之沿GIN曲線下滑，直至流量小于2L/min，再持續10min結束，但壓力不得小于最低壓力值。

（3）流量較大，但壓力達不到最低壓力時，采取限流、限量及間歇等措施，直至達到規定的結束標準或達到累計單位注入量規定值可結束灌漿。

3.1.5 特殊情況處理

（1）對較大孔隙地層或溶蝕地層等耗漿量大的孔段，采取先堵后灌、限制最大注入量、限流、間歇、待凝等措施。

（2）對涌水孔段，測定涌水壓力和涌水量，根據涌水壓力和涌水量，采取短的段長、高壓、先堵后灌、待凝等措施。

（3）冒漿、漏漿發生時，根據具體情況采取封堵、低壓、限流、限量、間歇灌漿等方法。

3.2 深層灌漿試驗

3.2.1 灌漿壓力選擇

（1）根據淺層灌漿試驗成果，結合設計建議，后次序孔的灌漿壓力較前序孔提高15%左右，深層灌漿孔采用的灌漿壓力值如表3所示。

表3 深層帷幕灌漿孔灌漿壓力

（2）深層帷幕灌漿孔三排孔灌漿壓力為最大灌漿壓力，并不是最終灌漿壓力，在實際試驗過程中，如果地層灌注量很大，或者在某一壓力下，灌漿能達到結束標準，但在壓力稍微增大的情況下，吸漿量增大很多，則停止升高壓力，并以該壓力作為最終灌漿壓力。反之，灌漿壓力即使達到表中的灌漿壓力時，漿液注入量不大，而且在繼續升高壓力的情況下，吸漿量變化不明顯，則將壓力提高15～20%。

3.2.2 灌漿壓力與注入率的協調控制

深層試驗孔灌漿壓力與注入率的協調控制參見淺層灌漿試驗相應部分。

3.2.3 深層GIN法灌漿結束標準

在淺層試驗的基礎上，根據壓迫濾水論“漿液中的多余水分會在飽和壓力（最高壓力）下被壓入到另外的微小孔隙里，以便充分排水固結”，采用了以下結束標準：

1）灌漿結束條件

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。

2）灌漿結束后處理措施

（1）在灌漿結束后，將射漿管向上提至被灌段以上3m左右的部位，繼續使用該灌漿段最大灌漿壓力灌注30min后結束。在較長時間持續壓力作用下，促使水泥顆粒在被灌段沉淀并加速排水凝固過程，以及增強漿液對地層的預加應力效應，有效減小地下水流對漿液的影響。

（2）上述屏漿結束后，將射漿管上提至孔口，進行閉漿處理，閉漿時間不低于60min。即屏漿結束后立即關閉回漿管閥門和進漿管閥門，使灌入的漿液仍暫時處于受壓狀態，待孔口壓力消除時結束。

4 灌漿效果

4.1 淺層灌漿效果分析評價

采用GIN法灌注水泥—膨潤土穩定漿液，盡管該區的平均單位注入量最小，但平均滲透系數最大，說明GIN法在此覆蓋層灌漿效果稍差。

檢查孔滲透系數為0.05×10－4～9.90×10－4cm/s，其中小于1×10－4cm/s（設計要求值）占8.3%，與灌前滲透系數10.2×10－4～120.4×10－4cm/s相比，灌漿效果明顯，但與設計要求1×10－4cm/s尚有差距，因此，有必要對灌漿參數進行調整。

4.2 深層灌漿效果分析評價

從鉆孔常水頭注水試驗、疲勞壓水試驗、耐壓壓水試驗、水泥結石充填情況直觀檢查等成果可知：灌漿試驗區覆蓋層經過灌漿后，滲透系數降低明顯，防滲效果達到或基本達到了設計要求，如下：

（1）SJ1－2、SJ1－4檢查孔植物膠取心表明，覆蓋層中多處可見水泥結石或水泥膜，水泥、粘土與卵石和砂膠結良好。

（2）防滲效果

深層試驗區覆蓋層灌漿前后的滲透系數情況如表4所示。

表4 深層試驗區滲透性指標改善情況

從上表可知，深層試驗區灌前的滲透系數均大于1×10－4cm/s，其中大于10×10－4cm/s的孔段占63%；灌后滲透系數小于1×10－4cm/s的孔段占89%，大于×10－4cm/s的孔段約占11%。灌后覆蓋層SJ1－1、SJ1－3、SJ1－5檢查孔的平均滲透系數分別為0.71×10－4cm/s、0.58×10－4cm/s、0.68× 10－4cm/s，區域平均滲透系數為0.66×10－4cm/s，較灌前平均滲透系數13.5×10－4cm/s降低1～2個數量級。說明深層試驗區覆蓋層具有可灌注性，灌漿效果明顯。

5 結論

黃金坪壩基覆蓋層帷幕灌漿試驗經過淺層灌漿試驗、深層灌漿試驗兩個階段的分步實施，攻克了深層76m跟管和深厚覆蓋層灌漿的難題，完成了全部試驗工作量，經檢查孔注水、疲勞壓水及耐壓壓水等試驗檢查，灌漿效果基本滿足試驗設計要求。經過認真分析和總結，可以得出以下初步結論。

（1）試驗成果具有較好的代表性

灌漿試驗采用了鉆孔常水頭注水試驗、耐壓壓水試驗、疲勞壓水試驗、聲波測試（淺層采用）、五點法壓水試驗等多種檢測方法對灌漿效果進行檢查和測試，多種檢測資料可以進行灌漿前后的對比分析并相互印證。因此，試驗成果具有較好的代表性，達到了預期的試驗目的，對今后的設計、施工具有指導意義。

（2）試驗所采用的灌漿工藝是適宜的

試驗灌漿采取了“自上而下分段、孔口封閉、孔內循環、噴射灌漿法”灌注水泥—膨潤土穩定漿液的灌漿工藝技術，GIN值的選擇、灌漿壓力及注入率的設定適宜，并協調控制好了灌漿壓力和注入率的關系，技術可行，效果良好，經濟合理。灌后覆蓋層的防滲能力基本達到了設計防滲標準要求，試驗達到了預期的目的。

1 楊俊志 .四川大渡河黃金坪水電站壩基覆蓋層帷幕灌漿試驗工藝技術研究報告 .成都：中國水電顧問集團成都勘測設計研究院，2007

2 李俊剛.GIN法灌漿技術試驗研究 .太原理工大學學報，2007（6）

3 石建軍.GIN法灌漿技術在后河水庫的實驗及應用.山西水利科技，2005（4）

2009年12月24日）