水布埡高面板壩趾板基礎(chǔ)灌漿升壓研究與實踐

水布埡高面板壩趾板基礎(chǔ)灌漿升壓研究與實踐[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、水庫運行水頭高、后期沒有維修補灌條件，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，抬動監(jiān)測自動報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到1.5MPa，使面板壩基礎(chǔ)淺部的灌漿壓力登上了一個新的臺階。[關(guān)鍵詞]提升壓力抑制抬動趾板基礎(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)計與研究的文獻中，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，尤其當壩基巖體的防滲性能很差時，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不如深部巖體，這一帶地下水活動強烈，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，灌漿時蓋重小，為了避免抬動破壞，灌漿壓力通常很小，根據(jù)調(diào)查統(tǒng)計，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的壩型，在我國面板壩的使用與發(fā)展已經(jīng)進入了一個嶄新的階段，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43條，斷層多由庫內(nèi)向庫外延伸。實測裂隙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動形成的構(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，灌漿施工時蓋重小，灌漿時極易產(chǎn)生不利的抬動變形。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，灌漿時外漏嚴重，對灌漿壓力提升和灌漿質(zhì)量不利。2.3運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。運行期沒有檢修補灌的條件。大壩趾板下未設(shè)置灌漿廊道，水庫蓄水運行以后不具備對壩基防滲帷幕的檢修補灌條件，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，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)灌漿時極易產(chǎn)生抬動破壞，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，提升壓力時所面臨的抬動破壞風險比任何壩型都大，灌漿升壓研究的核心內(nèi)容就是解決壓力提升與抬動變形的矛盾，灌漿升壓所采取的措施實質(zhì)上就是抑制抬動變形的措施。通過水布埡工程的現(xiàn)場灌漿試驗研究，并且經(jīng)歷了水布埡大壩基礎(chǔ)灌漿施工實踐的檢驗，總結(jié)出了一套較為完整的提升壓力、抑制抬動的有效措施。3.1趾板全面積均勻錨固灌漿升壓過程中的抬動觀測數(shù)據(jù)顯示，趾板基礎(chǔ)內(nèi)設(shè)置均勻受力且達到一定密度的全粘結(jié)錨桿，對抬動量的限制、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，可以緩減灌漿時的抬動變形，其作用機理可能體現(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，彌補了蓋重的不足；另一方面是錨桿的均布抗拔力使得灌漿時作用于趾板的抬動力分布均化，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)，加強趾板基礎(chǔ)固結(jié)灌漿是必要的。試驗比較和實踐證明，切實加強基巖淺層的固結(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，形成厚實的灌漿巖體蓋板，為抑制抬動、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)場灌漿試驗進行了布孔型式的比較研究：灌漿試驗A區(qū)分為A1和A2兩個試塊，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。試驗結(jié)果僅僅因為灌漿布孔形式不同，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抬動變形監(jiān)測結(jié)果，固結(jié)灌漿時A1試塊共灌漿70段，產(chǎn)生抬動變形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）最大壓力達到1MPa；A2試塊達到1.5MPa。A2試塊的最大壓力較A1大許多，但二者抬動變形并無明顯差別，最大抬動量都能控制在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抬動變形自動化監(jiān)測灌漿抬動變形是一個極為復雜的問題。為了保證在趾板及基巖不抬動破壞的前提下，盡可能地發(fā)掘提高灌漿壓力的潛力，必須實時了解抬動變形的情況，只有確認抬動變形量在允許范圍內(nèi)，提升灌漿壓力才是安全的。因此，采用具有自動報警和計算機數(shù)據(jù)采集的抬動監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)灌漿過程中對抬動變形的預見性和可控性是必要的。抬動變形自動化監(jiān)測具有準確性、實時性、直觀性等特點。灌漿過程中，一旦趾板抬動接近所設(shè)定的上限值，監(jiān)測儀就會發(fā)出報警信號，提醒技術(shù)人員分析產(chǎn)生抬動的原因，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，只要實現(xiàn)了對抬動變形的有效監(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變形自動化跟蹤觀測資料，研究分析抬動變形的限值與衰減率以及灌漿壓力、注入率與抬動變形之間的互動關(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)，強調(diào)固結(jié)灌漿的作用主要是為防滲作貢獻，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），分二序進行，再中間排（第3排）；后加密排（第2、4排）。這樣施工有助于達到“上、下游封閉、中間密實”的目的，對提高灌漿壓力產(chǎn)生積極的作用。分級穩(wěn)壓是抑制灌漿抬動的有效措施之一，就是設(shè)置起始壓力、目標壓力、升壓步長和穩(wěn)壓時間，逐段灌漿時從起始壓力至目標壓力采取分級穩(wěn)壓，當確認抬動變形在允許范圍內(nèi)，才能提升壓力。⑶限制注入率注入率和灌漿壓力一樣，與抬動變形之間有著密切的互動關(guān)系。當灌漿壓力很小而注入率很大時，注入的漿體所具備的能量仍然很大，同樣蘊藏著抬動破壞的風險。為了減小引起抬動的能量，對灌漿注入率實行限制是合適的。4水布埡高面板壩基礎(chǔ)灌漿設(shè)計實踐4.1抬動控制水布埡工程壩基灌漿施工全部采用具有自動報警和計算機數(shù)據(jù)采集的抬動觀測系統(tǒng)。抬動觀測點位于帷幕軸線上，沿軸線方向每10m左右間距設(shè)置1個自動報警觀測點。按200μm作為灌漿點的最大抬動變形控制限值，抬動觀測允許變形值見表1。當觀測點與灌漿點之間的距離不為整數(shù)時，可按35μm/m的衰減率計算觀測點處的抬動允許變形值。抬動觀測孔周邊10m范圍內(nèi)有多個孔灌漿時，抬動允許值按最近灌漿點的單孔灌漿允許變形值控制。壩基帷幕灌漿施工的抬動監(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，抬動變形值超過設(shè)計最大允許變形值200μm，最大達480μm以外，一般帷幕孔灌漿過程中無抬動變形，少數(shù)孔段雖有抬動，但變形值在50μm以內(nèi)，遠表1抬動觀測允許變形值（μm）灌漿點觀測點與灌漿點距離（m）12345＞5.52001651309560250小于設(shè)計允許變形值。隨著灌漿孔序的增加，有抬動變形的孔段比例和變形量均明顯減少，至Ⅲ序孔時，基本沒有抬動變形。到目前為止沒有出現(xiàn)趾板變形裂縫。實踐證明上節(jié)所述針對淺層升壓灌漿所采取的控制抬動措施是可靠的，可以有效防止趾板抬動破壞事故的發(fā)生。根據(jù)現(xiàn)場灌漿所取得的抬動、壓力、注入率等記錄數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析得出，抬動與灌漿壓力和注入率的相關(guān)性十分明顯，但抬動的反應(yīng)滯后于壓力和注入率，施工時如果一旦產(chǎn)生突變性抬動，即使立即實行降壓與限流控制，抬動仍不會及時回落，因此，抬動變形控制上限值應(yīng)留有充分余地。實踐證明，趾板上灌漿點的抬動控制限值設(shè)為200μm是安全的，抬動觀測孔的有效觀測半徑按5m考慮，抬動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）最大壓力達到了0.5MPa，深固結(jié)灌漿（17ｍ）第1段（接觸段）最大壓力達到了0.8MPa，防滲帷幕灌漿第1段（接觸段）最大壓力達到了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灌漿壓力。具體操作時，以相應(yīng)灌漿孔段的起始壓力為基準，按每0.1～0.2MPa為一級，每級壓力的穩(wěn)壓時間不少于5min，當抬動變形異常時延長穩(wěn)壓時間，第6段及以下各段灌漿時，穩(wěn)壓時間可根據(jù)抬動變形情況適當增減，當抬動值很小時則盡快升至設(shè)計（目標）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（段長）Ⅰ序孔Ⅱ序孔Ⅲ序孔起始壓力目標壓力起始壓力目標壓力起始壓力目標壓力第1段(3m0.61.00.81.21.01.5第2段(1m1.01.51.22.01.52.0第3段(2m1.52.02.02.52.02.5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，具體操作時按表3控制。特別關(guān)注當壓力為4MPa及以上時，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/min)＜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)場灌漿試驗時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小時以后未發(fā)生滲透破壞，在此基礎(chǔ)之上，又進行破壞壓水試驗，得出接觸段（半幕）破壞時的峰值壓力為2MPa。水布埡大壩趾板帷幕灌漿已完成的20000m進尺的資料統(tǒng)計見表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)計防滲標準，特別是透水率與灌漿單耗大、涌水、以及抬動變形值超標的灌漿難點部位，均達到了一次檢查合格標準，灌漿效果良好。表4大壩趾板帷幕灌漿成果分序統(tǒng)計表項目先灌排后灌排Ⅰ序孔Ⅱ序孔Ⅲ序孔Ⅰ序孔Ⅱ序孔Ⅲ序孔平