帷幕灌漿回漿變濃孔段水泥灌入量計量研究
——以桐子林水電站為例

(雅礱江流域水電開發公司 桐子林工程建設管理局，四川 攀枝花 617100)

1 研究背景

桐子林水電站系雅礱江下游最末一個梯級電站，是一座以發電為主的綜合利用水利樞紐，屬Ⅱ等大(二)型工程。大壩壩頂軸線長439.73 m，壩頂高程1 020.00 m，最大壩高69.50 m。河床式電站共裝4臺ZZ-LH-1020型水輪發電機組，單機容量150 MW，總裝機600 MW，多年平均發電量29.75 億kW·h。水庫正常蓄水位為1 015.00 m，死水位為1 012.00 m。壩基防滲采用平行大壩軸線布置的懸掛式帷幕，分別布置于左右岸灌漿平洞及壩基1號灌漿排水廊道，閘壩護坦區域防滲帷幕沿3號灌漿排水廊道及下游2號灌漿排水廊道布置，形成半圍合格局。帷幕灌漿設計防滲標準為灌后巖體透水率q≤5 Lu，幕后揚壓力折減系數α≤0.25。

桐子林水電站壩基帷幕灌漿工程施工中，河床壩基大部分灌漿孔段出現了涌水及“回漿變濃”等現象，后經多次灌漿試驗并采取調整漿材細度(采取濕磨細水泥和干磨細水泥灌注)、提高灌漿壓力、縮小孔排距、漿液置換、屏漿待凝等措施后，帷幕灌漿施灌效果滿足設計要求。

目前，國內已建或在建的水電站壩基帷幕灌漿工程中出現“回漿變濃”現象的工程實例不少，如20世紀90年代建成發電的湖南五強溪水電站、皂市水電站[1]，近期建成發電的湖南托口水電站[2]、四川大崗山水電站[3]、錦屏一級水電站[4]、溪洛渡水電站[5]等，業界同仁對出現“回漿變濃”現象的產生原因、判定標準、施工技術處理措施及其實施效果均有不少研究成果與實踐經驗[6-8]，但在灌漿孔段水泥灌入量的計量中如何考慮“回漿變濃”影響的相應計量方法未見論述，國家及行業的相關規程規范也沒有明確規定。本文擬就桐子林水電站壩基帷幕灌漿工程“回漿變濃”孔段水泥灌入量計量方法的研究與確定過程與業界同仁共同探討分享。

2 問題的提出

在桐子林水電站壩基帷幕灌漿工程實施過程中，項目業主、工程監理、項目承包單位就 “回漿變濃”孔段水泥灌入量如何計量展開過多次討論，并各持己見。項目承包單位和監理單位認為，“回漿變濃”孔段灌漿施工時，雖然灌漿自動記錄儀記錄的水泥灌入量中包含有部分水，但水的灌入同樣存在人工消耗與設備損耗成本，要求將灌漿自動記錄儀記錄的水泥灌入量當成“回漿變濃”孔段的水泥灌入量；灌漿管路中密度計記錄的密度變化包含人工配漿等施工操作及設備運行等原因產生的施工誤差。項目業主認為，雖然工程合同文件及現行國家和行業的規程規范沒有明確規定“回漿變濃”孔段水泥灌入量如何計量，但業界同仁都認為水泥灌入量的定義已經相當明確，即“灌入地層中的水泥量”，而灌入地層中的水是不應予以計量的。至于灌漿施工時因地層“回漿變濃”的影響而造成人工消耗與設備損耗，這是任何一個有經驗的合格承包單位在投標時應該考慮到的風險。“回漿變濃”孔段的水泥灌入量必須將灌漿自動記錄儀記錄的灌入巖體漿液體積所含的水泥量扣減因灌漿孔段“回漿變濃”的影響量，具體計算時，考慮灌漿過程中人工操作與設備運行的施工誤差所產生的影響[9-10]。

3 解決方案

本著以事實為基礎、以合同為準繩、有利于問題解決的原則，參建各方經共同討論與研究，形成了桐子林水電站壩基帷幕灌漿工程“回漿變濃”孔段水泥灌入量計算方法解決方案：即將灌漿系統密度計的施工誤差作為灌漿孔段“回漿變濃”判定標準。帷幕灌漿孔段施灌過程中的某一灌漿時段內，當灌漿系統回漿密度增加的變化率小于系統的施工誤差，則判定該孔段屬于正常灌漿孔段，其實際的水泥灌入量即灌漿自動記錄儀記錄的水泥灌入量；若灌漿系統回漿密度增加的變化率大于系統的施工誤差時，則判定該孔段屬于“回漿變濃”孔段，其實際的水泥灌入量為灌漿自動記錄儀記錄的灌入巖體漿液體積所含水泥量扣減灌漿孔段因“回漿變濃”的影響量。并以灌漿孔段灌漿過程中同級水灰比的灌注過程作為一個計算階段來計算灌漿孔段各級水灰比灌注過程的實際水泥灌入量，然后累計求和來計算孔段灌漿全過程的實際水泥灌入量。

3.1 灌漿系統的施工誤差確定

桐子林水電站帷幕灌漿工程自開工之初即形成了利用灌漿施工設備、計量器具等定期校驗的質量管理制度，工程監理單位每周定期或在灌漿系統設備進場時組織相關人員對灌漿系統中的自動記錄儀、流量計、密度計及壓力計進行配套校驗率定并簽字貼封條，以保證灌漿系統施工設備與計量器具施工誤差在規程規范規定的允許范圍內[11-12]。全面統計帷幕灌漿工程自開工到施工完成時段內灌漿系統配套校驗率定時密度計正誤差的統計平均值(負誤差不計入統計范圍)，將其作為灌漿系統密度計的施工誤差。

3.2 水泥灌入量計算方法

3.2.1分析思路

灌漿孔段產生“回漿變濃”現象的主要原因是巖體中廣泛存在細微劈理帶、裂隙密集帶，漿液中的水分自孔壁的節理裂隙進入巖體，而顆粒較粗的水泥顆粒無法通過細微節理裂隙進入巖體而滯留于灌漿系統內，致使灌漿系統回漿密度隨灌注時間增加而逐漸增大，灌注時間越長，漿液變濃越明顯。

目前，國內灌漿自動記錄儀記錄的水泥灌入量是通過累積單位時間段內漿液密度與注入漿液體積的乘積來計算的，因此，自動記錄儀記錄到的水泥灌入量不能代表“回漿變濃”孔段的實際水泥灌入量，但帷幕灌漿過程中同一施灌時段內灌入地層中的水泥量與灌漿系統內水泥量之和是恒定不變的, “回漿變濃”孔段的實際水泥灌入量可據此進行計算確定。即：自動記錄儀記錄到的灌入巖體漿液體積所含水泥量+開灌時灌漿系統漿液中的水泥量=實際水泥灌入量+灌漿結束時灌漿系統留存漿液中的水泥量。

3.2.2計算方法

現以壩基帷幕灌漿孔段的一般施工工況來推導“回漿變濃”孔段水泥灌入量計算公式。壩基帷幕灌漿某一灌漿孔段鉆孔灌漿基本參數包括：鉆孔孔深H，鉆孔半徑R，灌漿系統采取“小循環”方式布置，灌漿進回漿管路長度L，進回漿管內徑r，灌漿用水泥密度為ρ，帷幕灌漿采取孔口封閉、自上而下分段、孔內循環施工工藝。灌漿施工于T1i時刻開灌，漿液開灌水灰比Nai，漿液密度Dai，灌注至某一時刻Tix時，系統內漿液密度為Dix，發現漿液回漿變濃很明顯，利用新鮮漿液置換一次(置換新鮮漿液水灰比與原開灌漿液水灰比一致)，灌注至T2i時灌漿達到水灰比變換條件，變換為下一級水灰比繼續灌注，此時(T2i)系統內漿液密度為Dbi，自動記錄儀記錄到的灌入巖體漿液體積為Vi。

則該“回漿變濃”孔段在同一水灰比級(Ni∶1)灌注過程中實際水泥灌入量(Wi)=自動記錄儀記錄到的灌入巖體漿液體積(Vi)所含水泥量(Qi)+T1i時灌漿系統中漿液的水泥量(Gai)-T2i時灌漿系統留存漿液的水泥量(Gbi)+換漿后開始灌漿時系統漿液中的水泥量(Gai)-替換漿液產生的廢棄漿量中的水泥量(Gix)。Gai、Gix、Gbi、Qi均可由水泥漿液的水泥重量與水泥漿液密度的關系計算得到：

(1)

(2)

(3)

(4)

桐子林水電站壩基帷幕灌漿施工時，因河床壩段大量灌漿孔段存在涌水現象而需采取屏漿待凝等措施處理，為減少射漿管堵塞事故并降低事故處理難度，提高施工工效，采取Φ20 PVC管替代鉆桿作為射漿管，因其管壁很薄(小于0.5 mm)，射漿管體積占比很少，計算時忽略了射漿管體積的影響：

V0=πr2L+πR2H

同一級水灰比灌漿過程中系統內灌注漿液密度(Dai、Dix、Dbi)及水灰比(Nai)均可在自動記錄儀打印的原始記錄表中查得，因此，“回漿變濃”孔段某一級水灰比灌注過程中實際水泥灌入量可以通過如下公式直接計算得到：

(5)

(6)

式中，m為漿液置換次數。

“回漿變濃”孔段實際水泥灌入量(W)則為各級水灰比灌注過程中實際水泥灌入量的累計總量：

(7)

式中，n為灌漿施工的水灰比級數。

桐子林水電站壩基帷幕灌漿施工灌漿水灰比一般采用3∶1，2∶1，1∶1，0.8∶1，0.5∶1共5級，其變化因子i取1，2，3，4，5時，Nai分別對應取值為3.0，2.0，1.0，0.8，0.5。Dix、Dbi、Vi、Dai可在對應的原始灌漿記錄表中查得。據現場帷幕灌漿施工經驗，每一個灌漿孔段很少采用多級水灰比灌注結束的，一般采取1～2級水灰比即可灌注結束，但漿液置換次數最多達4次?！盎貪{變濃”孔段實際水泥灌入量(W)的計算公式看似復雜繁瑣，但在現場實際應用時利用Excel表格的計算功能使得計算操作既簡單又快捷。只要將灌漿孔段的鉆孔及灌漿系統進回漿管的基本參數、每級水灰比灌漿參數、每次漿液置換時的灌漿參數及相應的計算公式分別輸入預先定制的Excel表格進行自動計算，即可得到每級水灰比灌注、每次漿液置換因孔段“回漿變濃”影響的扣減量及灌漿孔段的實際水泥灌入量。

3.2.3計算實例

現以4號壩段1單元WM-1-102號孔第3段的灌漿施工記錄來計算該孔段的實際水泥灌入量。其鉆孔灌漿基本參數為：鉆孔孔深16.9 m，鉆孔半徑0.028 m，灌漿系統采取“小循環”方式布置，管路占漿量為2.48×10-2m3，灌漿用水泥密度為3.15×103kg/m3，帷幕灌漿采取孔口封閉、自上而下分段、孔內循環的施工工藝。灌漿施工于2014年6月24日9：50：05開灌，開灌時水灰比為3∶1，漿液密度為1.20×103kg/m3，灌注至12：25：15時，系統內漿液密度為1.51×103kg/m3，漿液置換一次(置換新鮮漿液水灰比為3∶1)，繼續灌注至13：17：00時達到灌漿結束標準條件，結束該孔段灌漿。此時系統內漿液密度為1.32×103kg/m3，自動記錄儀錄到的灌入巖體漿液體積為0.506 m3，自動記錄儀記錄到的水泥灌入量為179.1 kg。根據公式(7)可計算出該孔段實際水泥灌入量為113.5 kg，僅占本孔段自動記錄儀記錄到的水泥灌入量179.1 kg的63.4%。

該孔段因“回漿變濃”的影響而核減的工程量(水泥灌入量)為65.6 kg，占實際水泥灌入量的57.7%，占自動記錄儀記錄到的水泥灌入量的36.6%。

3.3 應用結果

桐子林水電站壩基帷幕灌漿工程共施工完成1 302個孔，其中灌漿孔1 161個 ，檢查孔141個；總計完成混凝土鉆孔4 865.00 m，基巖鉆孔33 064.09 m，水泥灌入總量(鉆孔封孔灌漿用水泥量未予統計)3 870 408.65 kg。考慮到水灰比大于2∶1的水泥漿液中水泥含量少，漿液因“回漿變濃”對灌漿孔段實際水泥灌入量的影響更少；帷幕灌漿工程“回漿變濃”孔段實際水泥灌入量的計算過程中，對于灌漿結束水灰比大于2∶1孔段的實際水泥灌入量計算時沒有考慮孔段 “回漿變濃”的影響。經統計，帷幕灌漿孔中175個孔的627段因出現“回漿變濃”現象而進行了工程量(孔段水泥灌入量)核減計算，其各孔段灌漿自動記錄儀記錄到的水泥灌入量為395 869.50 kg，其各孔段實際水泥灌入量為178 591.60 kg，僅占自動記錄儀記錄到的水泥灌入量的45.1%；因“回漿變濃”原因核減的工程量為217 277.90 kg，占自動記錄儀記錄到的水泥灌入量的54.9%，占桐子林水電站壩基帷幕灌漿工程水泥灌入總量的5.6%。

4 結 語

桐子林水電站壩基帷幕灌漿工程“回漿變濃”孔段水泥灌入量計量時采取核減 “回漿變濃”影響的計算方法符合客觀實際、工程合同及現行規程規范要求，在不損害項目承建單位正當利益的同時，有利于工程項目計量工作的進一步規范管理及合理減少工程項目業主的工程建設成本。

對于大壩基礎存在細微裂隙密集帶較發育且有可能出現“回漿變濃”的類似工程項目，帷幕灌漿施工時建議采取“小循環”方式布置灌漿系統，以免因工程計量考慮“回漿變濃”的影響而增加灌漿操作人員的工作量；并嚴格落實灌漿系統自動記錄儀、流量計、密度計及壓力計等施工計量設備定期配套校驗、率定并簽字貼封條的定期檢驗制度。