白鶴灘水電站左岸廠區帷幕灌漿水泥損耗分析與研究

蒙 萬 謙，雷 艦

(中國水利水電第七工程局成都水電建設工程有限公司，四川 成都 610030)

1 概 述

在白鶴灘水電站左岸引水發電系統工程中，樞紐區防滲帷幕由大壩基礎防滲帷幕、地下廠房防滲帷幕和二道壩防滲帷幕三部分組成，其中兩岸大壩基礎防滲帷幕分別與地下廠房防滲帷幕相連接，形成上游側完整的防滲體系，以減小上游庫水位對下游和壩肩抗力體的滲流[1]。地下廠房的防滲帷幕在平面上與壩區防滲帷幕相連，采用半包圍廠房的布置方案。廠房防滲帷幕北側與大壩基礎防滲帷幕相連接，南側折向山體內906.69 m半包廠房。立面上，廠房防滲帷幕布置在壓力管道(鋼襯)上游側距廠房上游側墻86.5 m的位置，防滲帷幕從825 m高程向下延伸至550 m高程，總深度約為275 m，共布置了5層帷幕灌漿廊道，每層廊道布置2排深孔帷幕灌漿孔，排距1.5 m，孔距2 m，各層廊道間布置銜接帷幕，整體形成封閉帷幕體。左岸地下廠房防滲帷幕灌漿量達50萬m。

白鶴灘水電站左岸廠區洞群龐大，縱橫交錯，灌漿施工作業面分布分散，帷幕灌漿工程量大，同一施工時段多個部位施工強度高，漿液需求量大，且因受現場施工場地條件限制，制漿系統無法根據各個施工作業面就近布置。為確保施工期帷幕灌漿的漿液供應，左岸廠區采用建立自動化集中制漿系統，通過各層洞室層間對穿傳遞孔埋設輸漿管路，將水泥漿液從集中制漿系統輸送至各施工作業面，并保證漿液供應滿足帷幕灌漿施工需求。

(1)地層巖性。頂層灌漿廊道上覆巖層厚度為60～200 m，以基巖為主；2號斜坡南側靠近NW向陡壁部位覆蓋層較厚，為20～30 m，基巖厚30～40 m，為峨眉山組P2β42～P2β62層隱晶質玄武巖、杏仁狀玄武巖[2]、角礫熔巖及凝灰巖等。

高程825～550 m防滲帷幕巖體由峨眉山組P2β34～P2β42層玄武巖構成，巖性為隱晶質玄武巖、杏仁狀玄武巖、角礫熔巖、斜斑玄武巖及凝灰巖等；高程550～740 m段分布P2β32、P2β33層第一類、第二類柱狀節理玄武巖。

(2)地質構造。沿線未發育大的斷層，層間錯動帶C2、C3-1、C3貫穿整個線路，層間錯動帶C4、C5在頂層灌漿廊道上部發育，層內錯動帶大多規模較小，其中P2β32、P2β33層相對發育，主要發育有LS3152、LS3253、LS3254、LS3255、LS3256等。

(3)巖體風化卸荷。沿線弱風化及弱卸荷巖體埋深多在50 m以內，高程834 m以下均為微新無卸荷巖體。

(4)水文地質情況。地下廠房防滲線路部位巖體埋深較大，均處于微新無卸荷巖體內，受風化卸荷影響甚微，完整性較好，結構緊密，巖體透水性差。沿線巖體以微透水～弱透水巖體為主。微透水巖體(相對隔水層)頂板埋深為115～220 m，高程為760～810 m。局部錯動帶發育部位巖體呈弱透水。

2 水泥損耗原因分析

筆者結合左岸廠區帷幕灌漿施工的實際情況進行了系統分析，帷幕灌漿施工過程的水泥損耗由制漿損耗、系統供漿損耗、灌漿施工過程損耗、施工環境影響引起的損耗、特殊地質巖性引起的損耗組成。

2.1 制漿損耗

水泥漿液的制漿方式主要為“人工+制漿機”制漿和自動化集中制漿兩種。“人工+制漿機”制漿主要適用于袋裝水泥制漿，該方式制漿系統布置較為靈活，可隨工作面就近布置，但制漿稱量主要靠人工控制，稱量誤差偏差較大且制漿過程浪費相對較大，導致制漿水泥損耗偏高；自動化集中制漿主要適用于散裝水泥，制漿系統的布置相對較為固定，制漿方式為全自動化系統控制制漿，稱量系統精度高，稱量誤差較小，因此其制漿損耗的主要原因為稱量偏差所導致。

2.2 供漿損耗

白鶴灘水電站左岸廠區防滲排水系統帷幕灌漿工程共布置5層灌漿廊道及最底部的一條截滲廊道，垂直高程達275 m，單條帷幕灌漿廊道長達906.39 m。由于洞群內施工工作面分散，同一時段多部位高強度同時施工，漿液需求量大，為確保高峰期灌漿時水泥漿液的供應，制漿采用自動化集中制漿系統制漿，通過各層洞室層間對穿傳遞孔埋設輸漿管路，將水泥漿液從集中制漿系統輸送至各施工作業面，集中制漿站至施工作業面輸漿管線平均長度達1.5 km。每次供漿前，供漿管路需先通水檢查管路的通暢性，然后供漿，供漿完成后必須用水進行管路沖洗，從而導致供漿的前一部分和后一部分漿液被水稀釋、致使漿液濃度達不到灌漿要求而浪費掉[3]。經現場對各個施工作業面供漿情況進行測算，單次供漿損耗量達10%～12%。

2.3 灌漿施工過程的損耗

(1)棄灰損耗。白鶴灘水電站帷幕灌漿施工工藝均采用卡塞或孔口封閉孔內循環式灌漿方式。灌漿時，孔內漿液將循環至攪拌桶內，孔內存在的少量巖粉也會隨著漿液循環返回攪拌桶，在各灌漿孔段灌漿結束后，攪拌桶內剩余的這部分漿液將不能再使用，需全部棄掉，該部分漿液的損耗在灌漿施工過程中占總損耗量的45%。

(2)封孔置換損耗。在帷幕灌漿施工中，灌漿的最后一道重要工序為灌漿封孔。帷幕封孔施工采用0.5∶1的濃漿將孔內水先進行置換，待孔口返濃漿后阻塞帶壓封孔。特別是深孔帷幕，孔深普遍比較深，漿液置換過程中由于孔內有水，濃漿進孔后部分漿液會被稀釋，導致其濃度不滿足規范要求的部分必須浪費掉，致使漿液損耗量較大，該部分漿液損耗占總損耗量的15%。

(3)施工工藝損耗。白鶴灘水電站帷幕灌漿工程深孔帷幕施工阻塞工藝均采用孔口封閉、孔內循環法進行灌漿，該施工工藝會造成已灌段重復進行循環灌漿，已灌段孔內重復有孔內占漿，這種灌漿阻塞工藝也是導致水泥漿液損耗增大的原因之一。

2.4 施工環境影響損耗

白鶴灘水電站多年平均氣溫高達21 ℃，極端最高氣溫達43 ℃以上，尤其是4～9月份氣溫較高。灌漿的技術要求：溫度超過40 ℃的漿液將作為廢漿棄掉。在白鶴灘這種高溫地區，水泥漿液在高速攪拌和通過灌漿泵高壓循環灌漿的條件下漿液的溫度上升較快，漿液溫度極易達到40 ℃。特別是在濃漿封孔的時候，漿液極易導致超溫，這部分超溫的漿液必須作為廢漿棄掉，這也是導致水泥漿液損耗的原因之一。

2.5 特殊地質巖性引起的損耗

白鶴灘水電站左岸廠區巖體以微透水巖體為主，少量為弱透水下段(1 Lu≤q<3 Lu)透水巖體，局部為弱透水上段(3 Lu≤q<10 Lu)透水巖體。整體透水性較小，水泥灌注單耗整體較小，可灌性較差。帷幕灌漿單耗小于10 kg/m孔段占比為79%(其中零單耗占比為45%)。白鶴灘水電站左岸引水發電系統帷幕灌漿大部分孔段單耗均在10 kg/m范圍內，單次漿液制備量在滿足注入量、孔管占、封孔量、槽內余灰等必要耗量外均作棄灰，損耗占比較大。這種特殊的弱透水性巖層是導致水泥損耗整體偏高的主要原因之一。

3 降低水泥損耗的方法研究

3.1 制漿損耗

制漿損耗的主要原因為稱量偏差和人為拌制浪費所造成。隨著現代化工業的進步，目前自動化集中制漿系統的技術已趨向成熟，可實現智能化、信息化。根據灌漿工程施工現場的實際情況，可以采用建立智能化制漿系統代替人工制漿。集中制漿集中供漿，不僅可以提高稱量系統的精度及制漿精度，也可以減少人為因素造成的浪費，從而有效降低制漿損耗[4]。白鶴灘水電站左岸廠區帷幕灌漿制漿即采用自動化集中制漿系統，從而有效地降低了制漿損耗。

3.2 供漿損耗

白鶴灘水電站左岸廠區系統帷幕灌漿由于點多面廣，為確保供漿滿足各施工部位的供漿需求，采用自動化集中制漿系統制漿[5]，通過傳遞孔輸送至各施工作業面。其供漿損耗主要為供漿的前一部分和后一部分漿液被供漿管路內的水稀釋所造成。因此，供漿次數越多，損耗將越大。解決的措施為：根據各層廊道帷幕灌漿施工資源配置情況，在各層廊道建立供漿中轉站，更換大體積儲漿桶，盡量減少集中制漿站到各施工作業機組的供漿頻次，減少長距離輸漿管路的供漿頻次，從而有效降低了供漿損耗。

3.3 灌漿施工過程中的損耗

(1)棄灰損耗。棄灰損耗主要為各孔段灌漿結束后下攪拌桶內剩余棄掉的水泥漿液。該部分損耗在整個灌漿施工損耗中占比較大。該部分損耗與配漿人員的熟練程度和精準控制有關。為控制好配漿量，各灌漿作業機組需配置熟練的配漿人員，必須嚴格在上攪拌桶配漿好后放至下攪拌桶使用。根據各孔段灌前壓水試驗掌握地層的可灌性，合理計算用漿量，在保證灌漿用量的情況下，盡量少配勤配，用多少配多少，避免單次漿液配制過多而造成灌漿結束后棄灰量過大。從配漿環節有效控制棄漿損耗。

(2)封孔置換損耗。封孔置換損耗主要為濃漿置換過程中由于孔內有水、濃漿進孔后部分漿液會被稀釋而導致漿液濃度不滿足要求而必須浪費掉的一部分。這部分損耗主要是因為灌漿孔內的積水對漿液稀釋造成的，因此，封孔前，可將射漿管下至孔底，先采用風將孔內的積水吹干，盡量減少孔內積水對漿液的稀釋，然后再向孔內注入濃漿進行封孔。該方法可以有效地降低因孔內積水對漿液稀釋造成的損耗。

(3)施工工藝損耗。白鶴灘水電站帷幕灌漿工程深孔帷幕施工阻塞工藝均采用孔口封閉、孔內循環法進行灌漿，該方法會導致已灌段孔內重復占有漿液，這部分漿液在灌漿結束后均需棄掉，進而增大了水泥漿液損耗。由于白鶴灘水電站左岸廠區帷幕灌漿廊道對應部位的巖體總體較為完整，在鉆孔施工過程中極少出現塌孔現象，造孔成型較好。在這種情況下，可以采用一次成孔自下而上分段卡塞的施工工藝進行灌漿。該方法在保證灌漿質量的同時，亦可有效減少已灌段重復占漿的問題，從而有效地解決了因阻塞工藝引起的漿液損耗，同時亦可提高施工功效，降低施工成本。

3.4 施工環境影響損耗

根據技術要求，漿液溫度超過了40 ℃便視為廢漿，不可用于帷幕灌漿施工。由于白鶴灘水電站常年平均氣溫較高，極端最高氣溫可達43 ℃以上，尤其是4～9月份氣溫較高，再加上深孔帷幕最大設計灌漿壓力為6 MPa，濃漿結束孔段及封孔段在長時間高壓屏漿循環條件下，漿液溫度極易超過規范要求的5 ℃～40 ℃范圍，無法再用于灌漿作業，只能作超溫棄漿處理，進而造成水泥損耗偏高。根據白鶴灘水電站這種高溫施工區，在進行帷幕灌漿施工時，可以提前合理規劃施工進度計劃，盡可能避開高溫時段施工。如果根據工期要求難以避開高溫施工時段，可以采取對制漿所用的系統水進行冷卻處理，儲灰罐采取遮蔽措施以降低水泥溫度，廊道施工作業面采取通風降溫等方法，可有效降低由于高溫環境引起的漿液超溫棄漿損耗。

3.5 特殊地質巖性引起的損耗

白鶴灘水電站左岸廠區巖體以微透水巖體為主，整體透水性較小，可灌性差。在這種情況下，可以根據灌前壓水透水率情況進行預判，灌漿前先精準計算配漿量，在滿足灌漿漿液比重要求的情況下，采取系統供應稀漿的方式，盡量減小單次供漿損耗。

4 結 語

白鶴灘水電站左岸廠區巖體以微透水巖體為主，整體透水性較小。帷幕灌漿大部分孔段單耗均在10 kg/m范圍內，可灌性較差，導致帷幕灌漿施工過程中水泥損耗居高不下。筆者結合白鶴灘水電站左岸廠區帷幕灌漿現場施工的實際情況，從制漿、供漿、灌漿施工過程、施工工藝、施工環境、特殊地質巖性等方面對水泥損耗原因進行了系統分析，找出了帷幕灌漿施工水泥損耗的根本原因。針對帷幕灌漿過程中存在的水泥損耗各個環節分別制定了可實施的改進措施和方法，有效地降低了水泥損耗。目前，白鶴灘水電站左岸廠區帷幕灌漿已接近尾聲，在前期施工過程采取的這些降低水泥損耗的措施和方法得到了實踐和檢驗，有效地控制了灌漿施工過程中的水泥損耗；同時亦降低了由于損耗偏高增加的排污壓力，可謂一舉兩得。這些降低水泥損耗的措施和方法對其它類似的地下工程灌漿施工控制水泥損耗具有借鑒價值。