水布埡高面板壩趾板基礎(chǔ)灌漿升壓與實(shí)踐

水布埡高面板壩趾板基礎(chǔ)灌漿升壓研究與實(shí)踐[摘要]水布埡高面板壩壩基巖體傾角平緩、巖溶構(gòu)造發(fā)育且富含泥質(zhì)充填物、趾板上灌漿蓋重小、水庫運(yùn)行水頭高、后期沒有維修補(bǔ)灌條件，為了解決趾板基礎(chǔ)淺部防滲幕體的抗?jié)B透能力及耐久性問題，大幅度提高了趾板基礎(chǔ)淺部的灌漿壓力。采取“均布固結(jié)+帷幕”布孔，均布錨桿，分級升壓，抬動(dòng)監(jiān)測自動(dòng)報(bào)警等一系列有效措施，趾板基礎(chǔ)帷幕灌漿第一段最大壓力安全地達(dá)到1.5MPa，使面板壩基礎(chǔ)淺部的灌漿壓力登上了一個(gè)新的臺(tái)階。[關(guān)鍵詞]提升壓力抑制抬動(dòng)趾板基礎(chǔ)灌漿高面板壩水布埡水電站1高面板壩基礎(chǔ)灌漿壓力提升的必要性面板堆石壩壩體由分區(qū)堆石筑成，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)一般大于7，沒有揚(yáng)壓力問題，所以防滲帷幕的作用是防止集中滲漏引發(fā)滲透破壞，其重要性不如混凝土壩基的防滲帷幕，所以在國內(nèi)外關(guān)于面板堆石壩設(shè)計(jì)與研究的文獻(xiàn)中，往往以壩體和面板的結(jié)構(gòu)、應(yīng)力及變形等問題為研究重心，關(guān)于壩基防滲處理方面的技術(shù)問題很少涉及，尤其關(guān)于面板壩趾板基礎(chǔ)灌漿如何提高灌漿壓力的研究報(bào)道極為罕見。但是，近年來我國修建的面板堆石壩高度不斷升級，對于高面板堆石壩，尤其當(dāng)壩基巖體的防滲性能很差時(shí)，防滲帷幕、特別是趾板基礎(chǔ)淺部防滲幕體的抗?jié)B透能力及耐久性等問題，應(yīng)該引起水利工程界基礎(chǔ)專業(yè)人士的足夠重視。與其他壩型相比，面板堆石壩對基礎(chǔ)巖體的力學(xué)要求相對較低，為了節(jié)省開挖工程量，面板壩壩基淺表層巖體的完整性遠(yuǎn)不如深部巖體，這一帶地下水活動(dòng)強(qiáng)烈，灌漿防滲體所承受的水力梯度最大，是防滲的最薄弱環(huán)節(jié)。面板堆石壩的基礎(chǔ)防滲帷幕灌漿在趾板上施工，灌漿時(shí)蓋重小，為了避免抬動(dòng)破壞，灌漿壓力通常很小，根據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì)，目前國內(nèi)外已經(jīng)建成的面板堆石壩趾板基礎(chǔ)防滲灌漿第一段（接觸段）的最大壓力一般只有0.3～0.5MPa。隨著壩高的不斷增加，壩基滲透作用水頭也越來越高，如果繼續(xù)采用這種小壓力灌漿，防滲帷幕容易發(fā)生滲透破壞，尤其是軟弱夾層和灰?guī)r地層中巖溶通道的充填物，在高水位很容易被擊穿。面板堆石壩是一種競爭力很強(qiáng)的壩型，在我國面板壩的使用與發(fā)展已經(jīng)進(jìn)入了一個(gè)嶄新的階段，壩體高度在不斷地突破。為了使基礎(chǔ)防滲幕體的抗?jié)B透能力和耐久性與壩高的升級相適應(yīng)，提高灌漿壓力是最直接有效的辦法，因此進(jìn)行高面板壩趾板基礎(chǔ)灌漿的壓力提升研究是必要的。2水布埡面板壩趾板基礎(chǔ)灌漿的特點(diǎn)水布埡水庫位于清江中上游河段，正常蓄水位400m，擋水壩為混凝土面板堆石壩，最大壩高233m，其壩高和壩前水頭在國際和國內(nèi)同類壩型的已建和在建工程中居首位。大壩基礎(chǔ)是灰?guī)r地層，巖體的抗沖蝕性和可灌性都很差。2.1地質(zhì)條件巖溶。清江流域碳酸鹽巖分布廣泛，占總面積的72%，是中國巖溶最發(fā)育、最典型的地區(qū)之一。水布埡工程整個(gè)壩區(qū)內(nèi)巖溶類型發(fā)育齊全，巖溶管道系統(tǒng)、溶溝、溶槽、溶洞、落水洞、盲谷、溶蝕洼地等均為常見。構(gòu)造。主要構(gòu)造形跡有斷層、裂隙、層間剪切帶等。查明的斷層共計(jì)43條，斷層多由庫內(nèi)向庫外延伸。實(shí)測裂隙2000余條，岸邊卸荷裂隙發(fā)育。層間剪切帶是巖層順層相對擠壓錯(cuò)動(dòng)形成的構(gòu)造形跡，這種構(gòu)造形跡在壩基巖體中普遍發(fā)育，呈條帶狀分布，連續(xù)且穩(wěn)定，剪切破壞十分強(qiáng)烈，結(jié)構(gòu)松散。泥化現(xiàn)象。壩基趾板開挖揭露的巖溶洞穴和斷層裂隙中，絕大多數(shù)被泥質(zhì)物填充，層間剪切帶呈泥化條帶分布，導(dǎo)致巖體的抗沖蝕性很差，可灌性差，是降低壩基防滲體耐久性和制約帷幕灌漿壓力提升的重要不利因素。巖層產(chǎn)狀平緩?？傮w傾向上游，傾角5～12°。2.2施工條件蓋重小。大壩基礎(chǔ)灌漿在趾板上施工，趾板厚度只有0.6～1.2m，灌漿施工時(shí)蓋重小，灌漿時(shí)極易產(chǎn)生不利的抬動(dòng)變形。封漿條件差。趾板基礎(chǔ)開挖邊坡臨空，岸邊卸荷裂隙發(fā)育，巖體完整性差，灌漿時(shí)外漏嚴(yán)重，對灌漿壓力提升和灌漿質(zhì)量不利。2.3運(yùn)行條件防滲體承受的水力梯度大。水庫正常蓄水位400m，面板堆石壩最大壩高233m，最大壩前作用水頭207m，壩前水頭在國內(nèi)外同類壩型中居首位。運(yùn)行期沒有檢修補(bǔ)灌的條件。大壩趾板下未設(shè)置灌漿廊道，水庫蓄水運(yùn)行以后不具備對壩基防滲帷幕的檢修補(bǔ)灌條件，因此對基礎(chǔ)防滲體的可靠性與耐久性要求特別高。2.4壩基灌漿需要解決的難題根據(jù)清江流域和國內(nèi)地質(zhì)條件相似地區(qū)的基礎(chǔ)灌漿工程經(jīng)驗(yàn)，要想提高灌漿防滲體的抗?jié)B透能力和耐久性，確保灌漿成幕的質(zhì)量，關(guān)鍵在于提高灌漿壓力。通過較高壓力的灌漿，一方面可有效提高水泥結(jié)石的致密性和強(qiáng)度；另一方面可對泥質(zhì)充填物起到劈裂穿插和包裹擠密的作用，這樣形成的防滲幕體才能在高水頭長期作用下正常運(yùn)行。但是，受蓋重和地質(zhì)條件等多種不利因素的影響，面板壩基礎(chǔ)灌漿時(shí)極易產(chǎn)生抬動(dòng)破壞，提升灌漿壓力面臨困難。因此，如何保證既能避免產(chǎn)生抬動(dòng)變形破壞，又能提高灌漿壓力，特別是淺層孔段的灌漿壓力，獲取良好的灌漿效果及足夠的抗?jié)B安全度，是水布埡高面板壩基礎(chǔ)灌漿工程必須研究解決的難題。3提升壓力的有效措施對高面板壩基礎(chǔ)灌漿，提升壓力時(shí)所面臨的抬動(dòng)破壞風(fēng)險(xiǎn)比任何壩型都大，灌漿升壓研究的核心內(nèi)容就是解決壓力提升與抬動(dòng)變形的矛盾，灌漿升壓所采取的措施實(shí)質(zhì)上就是抑制抬動(dòng)變形的措施。通過水布埡工程的現(xiàn)場灌漿試驗(yàn)研究，并且經(jīng)歷了水布埡大壩基礎(chǔ)灌漿施工實(shí)踐的檢驗(yàn)，總結(jié)出了一套較為完整的提升壓力、抑制抬動(dòng)的有效措施。3.1趾板全面積均勻錨固灌漿升壓過程中的抬動(dòng)觀測數(shù)據(jù)顯示，趾板基礎(chǔ)內(nèi)設(shè)置均勻受力且達(dá)到一定密度的全粘結(jié)錨桿，對抬動(dòng)量的限制、為淺層灌漿壓力的提升發(fā)揮了重要的作用。在趾板混凝土與基礎(chǔ)巖體之間設(shè)置均布的全粘結(jié)普通錨桿，可以緩減灌漿時(shí)的抬動(dòng)變形，其作用機(jī)理可能體現(xiàn)在兩方面：一是錨桿的錨固作用將趾板與淺層基巖“釘”成一體，彌補(bǔ)了蓋重的不足；另一方面是錨桿的均布抗拔力使得灌漿時(shí)作用于趾板的抬動(dòng)力分布均化，緩解了趾板結(jié)構(gòu)的不均勻受力變形。錨桿的布置間排距根據(jù)趾板尺寸及鋼筋布置、基巖條件、灌漿孔布置及灌漿壓力的大小等多方面的具體條件確定，重要的是強(qiáng)調(diào)均勻布置。錨桿深度4～5m，錨筋直徑28～32mm，錨筋頂端與趾板鋼筋相連。3.2合理優(yōu)化固結(jié)與帷幕灌漿的布孔型式與混凝土壩型不同的是，作用于面板壩趾板上的荷載主要是庫水壓力，對趾板地基的抗壓強(qiáng)度要求與混凝土壩相比有所降低，僅從受力方面考慮是不需要加強(qiáng)基礎(chǔ)固結(jié)灌漿的。然而從基礎(chǔ)防滲的需要出發(fā)，加強(qiáng)趾板基礎(chǔ)固結(jié)灌漿是必要的。試驗(yàn)比較和實(shí)踐證明，切實(shí)加強(qiáng)基巖淺層的固結(jié)灌漿效果，一方面增加了淺部的防滲幕體厚度，減小滲透水力坡降；另一方面使淺部巖體整體化，形成厚實(shí)的灌漿巖體蓋板，為抑制抬動(dòng)、提高防滲帷幕的灌漿壓力提供了有利條件。在趾板的有限寬度內(nèi)，固結(jié)灌漿孔如何布置更為有利，水布埡現(xiàn)場灌漿試驗(yàn)進(jìn)行了布孔型式的比較研究：灌漿試驗(yàn)A區(qū)分為A1和A2兩個(gè)試塊，除布孔型式不同以外，其余條件如巖體狀況、錨桿布置、趾板鋼筋、混凝土厚度等完全相同。A1試塊采用了通常使用的“上、下游固結(jié)+中間帷幕”的布孔型式。共均勻布設(shè)5排孔，第1、5排為淺固結(jié)孔，孔深7m；第2排為深固結(jié)孔兼起輔助帷幕作用，孔深17m；第3、4排為主、副帷幕孔；固結(jié)和帷幕孔距均為2m。A2試塊采用“均布固結(jié)+帷幕”的布孔型式。固結(jié)灌漿均勻設(shè)置5排孔，孔距2m，第1、3、5排為淺固結(jié)孔，深度7m；第2、4排為深固結(jié)孔兼起輔助帷幕作用，深度17m；帷幕灌漿孔2排，分別在第3排固結(jié)孔的上、下游各設(shè)1排，孔距2.5m。試驗(yàn)結(jié)果僅僅因?yàn)楣酀{布孔形式不同，A1與A2試塊在灌漿效果方面存在明顯的差別：①固結(jié)灌漿壓水檢查結(jié)果，A1試塊合格率91.7%；A2試塊合格率100%。帷幕灌漿的灌前壓水成果，也能反映固結(jié)灌漿的效果，A1試塊帷幕灌漿第1～3段灌前壓水透水率大于3Lu的孔段有5段；A2試塊全部孔段透水率均小于3Lu。②物探測試成果，A2試塊的單孔聲波平均值和跨孔聲波測試以及靜彈模測試結(jié)果均高于A1試塊。=3\*GB3③抬動(dòng)變形監(jiān)測結(jié)果，固結(jié)灌漿時(shí)A1試塊共灌漿70段，產(chǎn)生抬動(dòng)變形53段，占總段數(shù)的75.71%；A2試塊共灌漿95段，產(chǎn)生抬動(dòng)變形43段，占總數(shù)的45.3%。④帷幕灌漿壓力，A1試塊的帷幕灌漿第1段（接觸段）最大壓力達(dá)到1MPa；A2試塊達(dá)到1.5MPa。A2試塊的最大壓力較A1大許多，但二者抬動(dòng)變形并無明顯差別，最大抬動(dòng)量都能控制在0.1mm以內(nèi)。上述灌漿效果方面的差異證明了“均布固結(jié)+帷幕”布孔型式的優(yōu)越性。趾板淺部基巖經(jīng)過均布固結(jié)灌漿處理，完整性和均勻性更好，所形成的灌漿鋪蓋使得帷幕灌漿時(shí)有一定的蓋重，且有良好的閉漿作用，為帷幕灌漿淺部壓力的提升創(chuàng)造了更為有利的條件。3.3灌漿過程控制⑴抬動(dòng)變形自動(dòng)化監(jiān)測灌漿抬動(dòng)變形是一個(gè)極為復(fù)雜的問題。為了保證在趾板及基巖不抬動(dòng)破壞的前提下，盡可能地發(fā)掘提高灌漿壓力的潛力，必須實(shí)時(shí)了解抬動(dòng)變形的情況，只有確認(rèn)抬動(dòng)變形量在允許范圍內(nèi)，提升灌漿壓力才是安全的。因此，采用具有自動(dòng)報(bào)警和計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集的抬動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)灌漿過程中對抬動(dòng)變形的預(yù)見性和可控性是必要的。抬動(dòng)變形自動(dòng)化監(jiān)測具有準(zhǔn)確性、實(shí)時(shí)性、直觀性等特點(diǎn)。灌漿過程中，一旦趾板抬動(dòng)接近所設(shè)定的上限值，監(jiān)測儀就會(huì)發(fā)出報(bào)警信號，提醒技術(shù)人員分析產(chǎn)生抬動(dòng)的原因，根據(jù)具體情況調(diào)整灌漿參數(shù)。即使在地質(zhì)條件很差的地段，只要實(shí)現(xiàn)了對抬動(dòng)變形的有效監(jiān)控，提高灌漿壓力就有了安全的保障。另一方面，利用灌漿過程的抬動(dòng)變形自動(dòng)化跟蹤觀測資料，研究分析抬動(dòng)變形的限值與衰減率以及灌漿壓力、注入率與抬動(dòng)變形之間的互動(dòng)關(guān)系等，也是十分有意義的。⑵灌漿順序及分級穩(wěn)壓常規(guī)的固結(jié)灌漿施工順序通常按“分序加密”進(jìn)行，即是先鉆灌全部Ⅰ序孔，再鉆灌全部Ⅱ序孔。與上述固結(jié)與帷幕灌漿的布孔型式的優(yōu)化相對應(yīng)，強(qiáng)調(diào)固結(jié)灌漿的作用主要是為防滲作貢獻(xiàn)，因此，固結(jié)灌漿的施工順序應(yīng)遵循“先排序、后孔序”。即是先鉆灌上、下游邊排孔（第1、5排），分二序進(jìn)行，再中間排（第3排）；后加密排（第2、4排）。這樣施工有助于達(dá)到“上、下游封閉、中間密實(shí)”的目的，對提高灌漿壓力產(chǎn)生積極的作用。分級穩(wěn)壓是抑制灌漿抬動(dòng)的有效措施之一，就是設(shè)置起始壓力、目標(biāo)壓力、升壓步長和穩(wěn)壓時(shí)間，逐段灌漿時(shí)從起始壓力至目標(biāo)壓力采取分級穩(wěn)壓，當(dāng)確認(rèn)抬動(dòng)變形在允許范圍內(nèi)，才能提升壓力。⑶限制注入率注入率和灌漿壓力一樣，與抬動(dòng)變形之間有著密切的互動(dòng)關(guān)系。當(dāng)灌漿壓力很小而注入率很大時(shí)，注入的漿體所具備的能量仍然很大，同樣蘊(yùn)藏著抬動(dòng)破壞的風(fēng)險(xiǎn)。為了減小引起抬動(dòng)的能量，對灌漿注入率實(shí)行限制是合適的。4水布埡高面板壩基礎(chǔ)灌漿設(shè)計(jì)實(shí)踐4.1抬動(dòng)控制水布埡工程壩基灌漿施工全部采用具有自動(dòng)報(bào)警和計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集的抬動(dòng)觀測系統(tǒng)。抬動(dòng)觀測點(diǎn)位于帷幕軸線上，沿軸線方向每10m左右間距設(shè)置1個(gè)自動(dòng)報(bào)警觀測點(diǎn)。按200μm作為灌漿點(diǎn)的最大抬動(dòng)變形控制限值，抬動(dòng)觀測允許變形值見表1。當(dāng)觀測點(diǎn)與灌漿點(diǎn)之間的距離不為整數(shù)時(shí)，可按35μm/m的衰減率計(jì)算觀測點(diǎn)處的抬動(dòng)允許變形值。抬動(dòng)觀測孔周邊10m范圍內(nèi)有多個(gè)孔灌漿時(shí)，抬動(dòng)允許值按最近灌漿點(diǎn)的單孔灌漿允許變形值控制。壩基帷幕灌漿施工的抬動(dòng)監(jiān)測成果顯示，除初始施工的河床水平段趾板有4段因位于地質(zhì)缺陷部位，灌漿吸漿量大，抬動(dòng)變形值超過設(shè)計(jì)最大允許變形值200μm，最大達(dá)480μm以外，一般帷幕孔灌漿過程中無抬動(dòng)變形，少數(shù)孔段雖有抬動(dòng)，但變形值在50μm以內(nèi)，遠(yuǎn)表1抬動(dòng)觀測允許變形值（μm）灌漿點(diǎn)觀測點(diǎn)與灌漿點(diǎn)點(diǎn)距離（m）12345＞5.52001651309560250小于設(shè)計(jì)允許變形值。隨著灌漿孔序的增加，有抬動(dòng)變形的孔段比例和變形量均明顯減少，至Ⅲ序孔時(shí)，基本沒有抬動(dòng)變形。到目前為止沒有出現(xiàn)趾板變形裂縫。實(shí)踐證明上節(jié)所述針對淺層升壓灌漿所采取的控制抬動(dòng)措施是可靠的，可以有效防止趾板抬動(dòng)破壞事故的發(fā)生。根據(jù)現(xiàn)場灌漿所取得的抬動(dòng)、壓力、注入率等記錄數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析得出，抬動(dòng)與灌漿壓力和注入率的相關(guān)性十分明顯，但抬動(dòng)的反應(yīng)滯后于壓力和注入率，施工時(shí)如果一旦產(chǎn)生突變性抬動(dòng)，即使立即實(shí)行降壓與限流控制，抬動(dòng)仍不會(huì)及時(shí)回落，因此，抬動(dòng)變形控制上限值應(yīng)留有充分余地。實(shí)踐證明，趾板上灌漿點(diǎn)的抬動(dòng)控制限值設(shè)為200μm是安全的，抬動(dòng)觀測孔的有效觀測半徑按5m考慮，抬動(dòng)變形隨觀測距離的平均衰減率按35μm/m控制也是合理的。4.2灌漿壓力和注入率水布埡面板壩趾板基礎(chǔ)淺固結(jié)灌漿（7ｍ）第1段（接觸段）最大壓力達(dá)到了0.5MPa，深固結(jié)灌漿（17ｍ）第1段（接觸段）最大壓力達(dá)到了0.8MPa，防滲帷幕灌漿第1段（接觸段）最大壓力達(dá)到了1.5MPa。防滲帷幕灌漿各段的灌漿壓力一般按表2控制。采用分級升壓方式逐級升壓至目標(biāo)灌漿壓力。具體操作時(shí)，以相應(yīng)灌漿孔段的起始壓力為基準(zhǔn)，按每0.1～0.2MPa為一級，每級壓力的穩(wěn)壓時(shí)間不少于5min，當(dāng)抬動(dòng)變形異常時(shí)延長穩(wěn)壓時(shí)間，第6段及以下各段灌漿時(shí)，穩(wěn)壓時(shí)間可根據(jù)抬動(dòng)變形情況適當(dāng)增減，當(dāng)抬動(dòng)值很小時(shí)則盡快升至設(shè)計(jì)（目標(biāo)）灌漿壓力。表2水布埡面板壩防滲帷幕灌漿壓力控制表（MPa）段次（段段長）Ⅰ序孔Ⅱ序孔Ⅲ序孔起始壓力目標(biāo)壓力起始壓力目標(biāo)壓力起始壓力目標(biāo)壓力第1段(3m)0.61.00.81.21.01.5第2段(1m)1.01.51.22.01.52.0第3段(2m)1.52.02.02.52.02.5第4段(5m)2.02.52.53.02.53.0第5段(5m)2.53.03.03.53.03.5第6段(5m)3.03.53.54.03.54.0第7段及以下3.54.03.54.03.54.0注：表中灌漿壓力系指孔口回漿管上壓力。在分級升壓的基礎(chǔ)上，還必須協(xié)調(diào)灌漿壓力與注入率的關(guān)系，具體操作時(shí)按表3控制。特別關(guān)注當(dāng)壓力為4MPa及以上時(shí)，注入率應(yīng)小于10L/min。表3注入率與最大灌漿壓力關(guān)系表注入率(L/mmin)＜40＜3030～2020～10＜10最大灌漿壓力((MPa))0.5～11～22～33～444.3灌漿效果現(xiàn)場灌漿試驗(yàn)時(shí)選取極其軟弱和破碎的巖體作為灌漿效果的研究對象，耐久性壓水對接觸段采用1MPa（半幕）壓水壓力，持續(xù)72小時(shí)以后未發(fā)生滲透破壞，在此基礎(chǔ)之上，又進(jìn)行破壞壓水試驗(yàn)，得出接觸段（半幕）破壞時(shí)的峰值壓力為2MPa。水布埡大壩趾板帷幕灌漿已完成的20000m進(jìn)尺的資料統(tǒng)計(jì)見表4，各排、序帷幕孔透水率和灌漿單耗隨孔、排序呈遞減規(guī)律，特別是先灌排（下游排）遞減幅度更為顯著。同時(shí)隨著灌漿孔、排序的遞增，小漏量孔段百分率明顯提高，大漏量的孔段百分率大幅減小，如透水率小于1Lu的百分率由先灌排Ⅰ序孔的65.1%提高到后灌排Ⅲ序孔的80.3%，單耗小于10kg的孔段百分率由57.2%提高到93.1%，可見明顯的灌漿效果。灌后壓水檢查成果，基巖透水率均滿足q≤1Lu的設(shè)計(jì)防滲標(biāo)準(zhǔn)，特別是透水率與灌漿單耗大、涌水、以及抬動(dòng)變形值超標(biāo)的灌漿難點(diǎn)部位，均達(dá)到了一次檢查合格標(biāo)準(zhǔn)，灌漿效果良好。表4大壩趾板帷幕灌漿成果分序統(tǒng)計(jì)表項(xiàng)目先灌排后灌排Ⅰ序孔Ⅱ序孔Ⅲ序孔Ⅰ序孔Ⅱ序孔Ⅲ序孔平均透水率（LLu）23.65.