白鶴灘水電站壩基固結(jié)灌漿方法研究與應(yīng)用

蔣 明，張偉狄，王建新

（中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州，311122）

0 引言

白鶴灘拱壩壩址左右岸地形、地質(zhì)條件有較大差異，尤以左岸和河床范圍地質(zhì)條件較為復(fù)雜。盡管壩基主要為玄武巖，但各巖流層巖性差異較大，其中第一類柱狀節(jié)理玄武巖性狀較為特殊。壩區(qū)發(fā)育的多條斷層、層間（內(nèi)）錯(cuò)動(dòng)帶及兩岸風(fēng)化卸荷發(fā)育不均勻，影響建基面巖體質(zhì)量。

為提高白鶴灘拱壩壩基的整體性、均勻性和承載能力，壩基固結(jié)灌漿是一種非常有效的方法。白鶴灘水電站地處西南高山峽谷地區(qū)，由于河谷窄、岸坡陡，壩基固結(jié)灌漿與混凝土澆筑相互干擾大。若采用混凝土蓋重鉆孔固結(jié)灌漿，因固結(jié)灌漿施工而導(dǎo)致混凝土澆筑長(zhǎng)時(shí)間停歇，將使混凝土的溫控和防裂受到顯著影響。同時(shí)由于兩岸岸坡陡（50°～60°），需設(shè)置必要的岸坡接觸灌漿（后期溫度降低后實(shí)施），而先行實(shí)施的混凝土蓋重固結(jié)灌漿的鉆孔、灌漿可能對(duì)預(yù)埋的接觸灌漿系統(tǒng)造成嚴(yán)重破壞或堵塞，一定程度上會(huì)影響工程建設(shè)質(zhì)量。

因此，在深入研究白鶴灘壩址復(fù)雜的地形、地質(zhì)條件基礎(chǔ)上，結(jié)合大壩混凝土澆筑進(jìn)度，研究提出適合白鶴灘工程特點(diǎn)的壩基固結(jié)方法尤為重要。

1 壩基地質(zhì)條件

1.1 地質(zhì)巖性

1.1.1 左岸834～600 m高程范圍建基面

1.1.2 右岸834～600 m高程范圍建基面

1.1.3 兩岸600 m高程以下河床建基面

圖1 壩基地質(zhì)巖性分布情況Fig.1 Distribution of lithology in dam foundation

1.2 地質(zhì)構(gòu)造

1.2.1 左岸834～600 m高程壩基

左岸壩基及壩肩主要發(fā)育F17、F14、F16、f110、f108、f145等斷層。除F17、F14、F16等斷層見(jiàn)構(gòu)造角礫巖、碎裂巖外，其余斷層以節(jié)理化構(gòu)造巖為主。左岸所揭露的斷層除F17潮濕～滴水外，其余斷層均呈干燥狀。左岸壩基及壩肩發(fā)育層間錯(cuò)動(dòng)帶有C3、C3-1。834～600 m 高程段建基面上層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶發(fā)育，結(jié)構(gòu)面類型均為巖塊巖屑型。層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶產(chǎn)狀變化大，錯(cuò)動(dòng)帶起伏，傾角變化也較大。左岸壩基及壩肩邊坡揭露主要地質(zhì)構(gòu)造見(jiàn)圖2。

圖2 左岸壩基及壩肩邊坡地質(zhì)構(gòu)造Fig.2 Geological structure of dam foundation on left bank and of the abutment slope

1.2.2 右岸834～600 m高程壩基

右岸壩基834～600 m高程主要發(fā)育有斷層f232、f249、f256，帶內(nèi)多為角礫化構(gòu)造巖，結(jié)構(gòu)面類型以巖塊巖屑A 型為主，斷層寬度2～12 cm。右岸壩基834～600 m 高程主要出露層間錯(cuò)動(dòng)帶C5、C4、C3、C3-1，寬5～30 cm，一般寬10～15 cm，帶內(nèi)物質(zhì)以節(jié)理化構(gòu)造巖或角礫化構(gòu)造巖為主，除錯(cuò)動(dòng)帶C3外，都有泥質(zhì)條帶連續(xù)分布。右岸壩基部位層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶發(fā)育，錯(cuò)動(dòng)帶物質(zhì)以節(jié)理化構(gòu)造巖或角礫化構(gòu)造巖為主，無(wú)連續(xù)的泥質(zhì)條帶分布，結(jié)構(gòu)面類型均為巖塊巖屑型，厚度2～30 cm。右岸壩基及壩肩邊坡揭露主要地質(zhì)構(gòu)造見(jiàn)圖3。

圖3 右岸壩基及壩肩邊坡地質(zhì)構(gòu)造Fig.3 Geological structure of dam foundation on right bank and of the abutment slope

1.2.3 兩岸600 m高程以下河床建基面

600 m 高程以下開(kāi)挖面揭露的斷層主要有NWW 向 的F14、F16、f261、f262、f265和NE向的f249、f256、f264。NWW向斷層帶內(nèi)一般為碎裂巖和角礫化構(gòu)造巖，NE向斷層帶內(nèi)一般為構(gòu)造角礫巖。600 m高程以下開(kāi)挖面揭露層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶LS3319、LS331、LS3327、RS336、RS3315，平均間距10 m，各錯(cuò)動(dòng)帶一般為角礫化構(gòu)造巖。壩基600 m 高程以下揭露主要地質(zhì)構(gòu)造見(jiàn)圖4所示。

圖4 壩基600 m高程以下地質(zhì)構(gòu)造Fig.4 Geological structure of dam foundation below elevation 600 m

2 壩基固結(jié)灌漿方法

2.1 灌漿方法的選取

對(duì)已有典型工程壩基固結(jié)灌漿經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行研究，其中錦屏一級(jí)水電站壩基固結(jié)主要采取無(wú)蓋重固結(jié)灌漿加有蓋重補(bǔ)強(qiáng)固結(jié)灌漿及引管的方式進(jìn)行[1]；小灣水電站壩基固結(jié)主要采取有蓋重固結(jié)灌漿方式[2]；溪洛渡水電站壩基固結(jié)主要采取無(wú)蓋重加引管有蓋重灌漿、混凝土有蓋重灌漿、無(wú)蓋重灌漿以及補(bǔ)強(qiáng)灌漿四種灌漿方式[3]；烏東德水電站壩基固結(jié)主要采取“裸巖全孔無(wú)蓋重”和“裸巖全孔無(wú)蓋重+淺表層引管有蓋重復(fù)灌”兩種灌漿方式[4]；拉西瓦水電站壩基固結(jié)主要采取無(wú)蓋重固結(jié)灌漿和有蓋重固結(jié)預(yù)埋灌漿管兩種灌漿方式[5-6]。

白鶴灘拱壩倉(cāng)面面積大，對(duì)混凝土澆筑齡期要求高。若采用混凝土蓋重固結(jié)灌漿，因長(zhǎng)齡期產(chǎn)生混凝土裂縫的風(fēng)險(xiǎn)大。柱狀節(jié)理玄武巖基礎(chǔ)為減小松弛深度，預(yù)留了巖石保護(hù)層。根據(jù)白鶴灘壩基巖體出露情況、建基面部位及混凝土澆筑進(jìn)度等綜合影響因素，研究提出白鶴灘水電站壩基固結(jié)灌漿采用“預(yù)留保護(hù)層巖石蓋重灌漿結(jié)合混凝土蓋重引管灌漿”、“無(wú)蓋重灌漿”和“無(wú)蓋重灌漿結(jié)合混凝土蓋重引管灌漿”三種灌漿方法，各種灌漿方法的適用范圍見(jiàn)表1。

表1 白鶴灘壩基固結(jié)灌漿方法對(duì)應(yīng)部位Table 1 Corresponding parts of consolidation grouting at Baihetan dam foundation

為了保證壩基的高應(yīng)力能夠均勻地?cái)U(kuò)散，將固結(jié)灌漿范圍擴(kuò)大到壩基以外，向壩踵上游延伸5 m、向壩趾下游延伸10 m左右（水平投影距離）。考慮到壩基固結(jié)灌漿上下游輻射區(qū)在建基面范圍外且后期并未有混凝土蓋重，該區(qū)域固結(jié)灌漿方法采用“無(wú)蓋重灌漿”。

兩岸陡坡壩段（左岸1～6號(hào)壩段、右岸25～31號(hào)壩段）壩基巖體為非柱狀節(jié)理玄武巖，較柱狀節(jié)理玄武巖完整性較好，裂隙發(fā)育較少，松弛深度較淺。同時(shí)為保證淺層建基巖體灌漿質(zhì)量，該區(qū)域固結(jié)灌漿方法采用“無(wú)蓋重灌漿結(jié)合混凝土蓋重引管灌漿”。

河床壩段（7～24 號(hào)壩段）壩基巖體為柱狀節(jié)理玄武巖和角礫熔巖，柱狀節(jié)理玄武巖整體呈柱狀鑲嵌結(jié)構(gòu)，為Ⅲ1類巖體，開(kāi)挖后易卸荷松弛，巖體完整性易被削弱。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，未采取保護(hù)及錨固處理的部位松弛巖體深度達(dá)到1.8 m。為減小開(kāi)挖松弛及卸荷對(duì)建基面巖體質(zhì)量的影響，該區(qū)域固結(jié)灌漿方法采用“預(yù)留保護(hù)層巖石蓋重灌漿結(jié)合混凝土蓋重引管灌漿”。

白鶴灘壩基固結(jié)灌漿設(shè)計(jì)典型剖面見(jiàn)圖5。

圖5 白鶴灘壩基固結(jié)灌漿設(shè)計(jì)典型剖面圖Fig.5 Typical sections of consolidation grouting design for Baihetan dam foundation

2.2 各灌漿方法主要施工程序

2.2.1 無(wú)蓋重固結(jié)灌漿

該方法適用于壩基上、下游擴(kuò)大灌漿區(qū)，主要施工程序?yàn)椋?/p>

（1）先采用無(wú)蓋重灌漿法對(duì)壩基全孔段進(jìn)行分序分段固結(jié)灌漿；

（2）灌漿完成后，對(duì)灌后檢查不合格部位進(jìn)行加密補(bǔ)灌至合格。

2.2.2 無(wú)蓋重灌漿結(jié)合混凝土蓋重引管灌漿

該方法適用于兩岸陡坡壩段（左岸1～6 號(hào)壩段、右岸25～31 號(hào)壩段）非柱狀節(jié)理玄武巖壩基固結(jié)灌漿，主要施工程序?yàn)椋?/p>

（1）先采用無(wú)蓋重灌漿法對(duì)壩基全孔段進(jìn)行分序分段固結(jié)灌漿；

（2）對(duì)灌后檢查不合格部位進(jìn)行加密補(bǔ)灌。補(bǔ)灌后埋設(shè)灌漿管，引管至壩體下游擴(kuò)大基礎(chǔ)、貼角。待上部壩體混凝土澆筑高度大于30 m，進(jìn)行引管循環(huán)式固結(jié)灌漿；

（3）對(duì)于坡度陡于50°的壩基，接觸灌漿需結(jié)合淺層固結(jié)灌漿補(bǔ)灌孔布置，布設(shè)孔深5 m 的固結(jié)灌漿孔（兼接觸灌漿孔）和引管系統(tǒng)，孔位與原灌漿孔位間隔布置。當(dāng)混凝土蓋重大于30 m，且當(dāng)壩體混凝土冷卻至封拱溫度后，開(kāi)始實(shí)施引管灌漿。

2.2.3 預(yù)留保護(hù)層巖石蓋重灌漿結(jié)合混凝土蓋重引管灌漿

該方法適用于河床壩段（7～24 號(hào)壩段）柱狀節(jié)理玄武巖、河床角礫熔巖壩基固結(jié)灌漿，主要施工程序?yàn)椋?/p>

（1）先對(duì)0～5 m 保護(hù)層采用低壓封閉灌漿，然后進(jìn)行壩基孔段巖石蓋重分序分段灌漿；

（2）固結(jié)灌漿完成后，在灌漿孔封孔時(shí)埋設(shè)錨桿（C32，L=9 m）或錨筋樁（C32，L=9 m/12 m），埋入建基面5～10 cm以下；

（3）對(duì)灌后檢查不合格部位進(jìn)行加密補(bǔ)灌，待灌漿質(zhì)量檢查合格后進(jìn)行保護(hù)層開(kāi)挖；

（4）保護(hù)層開(kāi)挖后再對(duì)壩基淺層進(jìn)行全面質(zhì)量檢查，檢查深度范圍0～5 m；

（5）埋設(shè)灌漿管，引管至壩體下游擴(kuò)大基礎(chǔ)、貼角；

（6）待上部壩體混凝土澆筑高度大于30 m，進(jìn)行引管循環(huán)式固結(jié)灌漿。

3 固結(jié)灌漿效果評(píng)價(jià)

根據(jù)SL/T 62-2020《水工建筑物水泥灌漿施工技術(shù)規(guī)范》相關(guān)要求，固結(jié)灌漿質(zhì)量檢查采用測(cè)量巖體波速或靜彈性模量的方法比較適宜，有條件時(shí)兩種方法可配合使用。

3.1 灌漿前后壩基巖體變模對(duì)比

通過(guò)無(wú)蓋重灌漿和巖石蓋重灌漿后，壩基巖體變模前后對(duì)比見(jiàn)表2。由表2 可知，無(wú)蓋重灌漿范圍（1～6 號(hào)和25～31 號(hào)壩段）壩基固結(jié)灌漿前巖體變模為7.32～12.99 GPa，固結(jié)灌漿后巖體變模為7.3～13.63 GPa。除2 號(hào)壩段外，其余壩段固結(jié)灌漿后壩基巖體變模均有不同程度提高，提高1.52%～11.36%，平均提高4.55%。巖石蓋重灌漿范圍（7～24 號(hào)壩段）壩基固結(jié)灌漿前巖體變模為6.8～14.84 GPa，固結(jié)灌漿后巖體變模為7～15.33 GPa。固結(jié)灌漿后，各壩段壩基巖體變模均有不同程度提高，提高0.98%～41.43%，平均提高8.42%。

表2 固結(jié)灌漿前后壩基巖體變模對(duì)比Table 2 Comparison of deformation modulus of dam founda?tion rock mass before and after consolidation grouting

3.2 巖石蓋重灌漿范圍（7～24 號(hào)壩段）壩基灌漿前后聲波對(duì)比

巖石蓋重灌漿范圍（7～24 號(hào)壩段）壩基固結(jié)灌漿前后聲波對(duì)比見(jiàn)表3。由表3 可知，第一類柱狀節(jié)理玄武巖段固結(jié)灌漿前波速均值為4 387～5 313 m/s，固結(jié)灌漿后波速均值為4 929～5 310 m/s。除8號(hào)壩段外，其他壩段固結(jié)灌漿后波速均值均有不同程度提高，提高0.74%～19.92%，平均提高8.22%。第二類柱狀節(jié)理玄武巖段固結(jié)灌漿前波速均值為4 550～5 076 m/s，固結(jié)灌漿后波速均值為4 855～5 337 m/s，固結(jié)灌漿后波速均值均有不同程度提高，提高1.03%～17.07%，平均提高6.51%。角礫熔巖段固結(jié)灌漿前波速均值為4 286～4 798 m/s，固結(jié)灌漿后波速均值為4 481～5 034 m/s。除11 號(hào)壩段外，其他壩段固結(jié)灌漿后波速均值均有不同程度提高，提高1.18%～9.39%，平均提高4.18%。

表3 巖石蓋重灌漿范圍（7～24 號(hào)壩段）壩基固結(jié)灌漿前后聲波對(duì)比Table 3 Comparison of acoustic wave velocity before and after consolidation by rock cover weight grouting (dam section No.7～24)

3.3 無(wú)蓋重灌漿范圍（1～6號(hào)和25～31號(hào)壩段）壩基灌漿前后聲波對(duì)比

無(wú)蓋重灌漿范圍（1～6 號(hào)和25～31 號(hào)壩段）壩基固結(jié)灌漿前后聲波對(duì)比見(jiàn)表4。由表4 可知，0～5 m 段固結(jié)灌漿前波速均值為4 167～4 652 m/s，固結(jié)灌漿后波速均值為4 484～4 853 m/s，固結(jié)灌漿后波速均值均有不同程度提高，提高0.55%～9.82%，平均提高5.23%。5 m以下段固結(jié)灌漿前波速均值為4 430～5 050 m/s，固結(jié)灌漿后波速均值為4 498～5 236 m/s。除30號(hào)壩段外，其他壩段固結(jié)灌漿后波速均值均有不同程度提高，提高1.22%～7.7%，平均提高4.05%。

表4 無(wú)蓋重灌漿范圍（1～6號(hào)和25～31號(hào)壩段）壩基固結(jié)灌漿前后聲波對(duì)比Table 4 Comparison of acoustic wave velocity before and after consolidation by non cover weight grouting (dam section No.1～6 and No.25～31)

3.4 大壩上下游輻射區(qū)灌漿前后聲波對(duì)比

大壩上下游輻射區(qū)固結(jié)灌漿前后聲波對(duì)比見(jiàn)表5。由表5 可知，輻射區(qū)固結(jié)灌漿前波速均值為4 153～5 148 m/s，固結(jié)灌漿后波速均值為4 546～5 196 m/s。除25號(hào)和27號(hào)壩段相比固結(jié)灌漿前波速均值未有提高，其余壩段固結(jié)灌漿后波速均值均有不同程度提高，提高0.81%～14.74%，平均提高5.82%。

表5 大壩上下游輻射區(qū)固結(jié)灌漿前后聲波對(duì)比Table 5 Comparison of acoustic wave velocity before and af?ter consolidation grouting in the upstream and downstream area

3.5 混凝土蓋重引管灌漿前后聲波對(duì)比

已完成部分壩段大壩壩基引管灌漿的鉆孔檢查：7～12 號(hào)和16～27 號(hào)壩段。大壩壩基引管灌漿前后聲波對(duì)比見(jiàn)表6。由表6 可知，引管灌漿前波速均值為4 377～5 067 m/s，引管灌漿后波速均值為4 395～5 231 m/s。除7 號(hào)、11 號(hào)、12 號(hào)、17 號(hào)和23號(hào)壩段相比引管灌漿前波速均值未有提高，其余13個(gè)壩段引管灌漿后波速均值均有不同程度提高，提高0.11%～10.51%，平均提高2.9%。

表6 大壩壩基引管灌漿前后聲波對(duì)比Table 6 Comparison of acoustic wave velocity before and after guide pipe grouting

4 結(jié)語(yǔ)

（1）由于白鶴灘水電站工程特點(diǎn)，混凝土蓋重鉆孔固結(jié)灌漿對(duì)混凝土澆筑干擾大且可能對(duì)兩岸陡坡壩段預(yù)埋的接觸灌漿系統(tǒng)造成破壞，因此白鶴灘水電站壩基固結(jié)灌漿未采用混凝土蓋重鉆孔固結(jié)灌漿。

（2）考慮白鶴灘壩基巖體特點(diǎn)、建基面不同部位的巖體特性及混凝土澆筑進(jìn)度等因素，大壩上下游輻射區(qū)固結(jié)灌漿方法采用“無(wú)蓋重灌漿”，兩岸陡坡壩段（左岸1～6 號(hào)壩段、右岸25～31 號(hào)壩段）非柱狀節(jié)理玄武巖壩基固結(jié)灌漿方法采用“無(wú)蓋重灌漿結(jié)合混凝土蓋重引管灌漿”，河床壩段（7～24 號(hào)壩段）柱狀節(jié)理玄武巖、角礫熔巖壩基固結(jié)灌漿方法采用“預(yù)留保護(hù)層巖石蓋重灌漿結(jié)合混凝土蓋重引管灌漿”。

（3）固結(jié)灌漿后，壩基巖體變模平均提高6.48%，河床壩段壩基巖體聲波平均提高4.18%，兩岸陡坡壩段壩基巖體聲波平均提高4.05%，大壩上下游輻射區(qū)壩基巖體聲波平均提高5.82%，混凝土蓋重引管灌漿后壩基巖體聲波平均提高2.9%。各灌漿方法均取得了較好的效果。

（4）大壩混凝土澆筑以后，采用引管補(bǔ)強(qiáng)灌漿，對(duì)表層巖體進(jìn)行灌漿后波速均值均有不同程度提高，提高0.11%～10.51%，平均提高2.9%。