小浪底水利枢纽坝基防渗工程解读

1、小浪底水利枢纽坝基防渗工程1 工程简况小浪底水利枢纽工程是集防洪、防凌、减淤、灌溉、供水、发电为一体的综合性水利工程。大坝为壤 土斜心墙堆石坝，轴线长度1667m，最大坝高154m，水库库容为126.5亿m3,。水电站为坝旁引水式地下 厂房，6台发电机组，总装机 180万kW,年发电量51亿kW-h。大坝基础的河床覆盖层深厚，最深处达 80 余米。覆盖层自上而下大致分为四层：表砂层、上部砂砾石层、底砂层和底部砂砾石层。河床基岩为二迭系的P12粘土岩和三迭系的 T11、T12砂岩，断裂构造发育，穿越帷幕轴线的断层主要有右岸F1、F233、F231、F23等，左岸F236、F238、F240和F?

2、*等。根据黄河多泥砂的特点以及对土石坝基防渗处理的特点，确定小浪底防渗工程设计思想为以垂直防渗 为主水平防渗为辅。坝基覆盖层采用混凝土防渗墙，墙下及两岸岩体采用帷幕灌浆。深覆盖层防渗墙施工是小浪底工程重大技术难题之一。在防渗墙施工中，我局首次开发了缓凝型混凝 土，解决了大深度、高标号混凝土防渗墙施工技术难题，填补了国内的技术空白。在灌浆工程施工中，成 功地引进并开发了 GIN 灌浆法，开发了国内最先进的 GMS2000 系列灌浆自动记录仪，气、液压灌浆塞等 先进的工艺和器械。2 混凝土防渗墙施工混凝土防渗墙设计厚度1.2m，墙体混凝土设计标号为 R9o=33Mpa （保证率85%），变形模量E

3、=30000Mpa.抗渗标号不小于B8，混凝土塌落度1822cm，扩散度3438cm。墙顶设计高程为126m和138m，高程126m 以上的墙体内要求下设钢筋笼，墙段接头采用钻凿接头孔法（即套打一钻法）。要求槽孔孔斜率不大 于4%0，接头孔孔斜率不大于 2%0。右岸防渗墙轴线长259.6m,最大深度81.90m，成墙面积10540.63m2，浇筑混凝土 21526.9m3。主坝防渗墙剖面如图 1 所示。防渗墙共分43个槽段施工，槽孔长度6.66.7m。防渗墙采用CZ30和CZ22型冲击钻机和液压抓斗造孔，施工高峰期冲击钻机造主孔工效达1.8 m2，造副孔工效达3m2，抓斗工效达48m2，钻凿混

4、凝土工效达 2.3m2。防渗墙混凝土由JS500型混凝土搅拌机拌和，采用自动称量系统称量骨料，人工加水泥和掺和料，该 搅拌站的生产能力为53 m3/h。搅拌好的混凝土由搅拌车运输并灌入导管。造孔泥浆由10台2m3泥浆搅拌机制浆，备有 6个储浆池，总储量为 900m3，该制浆站日制浆能力为3548m 。工程初期使用了普通型混凝土，但由于其早期强度高（R5为30.7Mpa、R23为44.7Mpa），使得接头孔的造孔非常困难。为此，专门研制了缓凝型混凝土。这种混凝土早期强度低，后期强度高，完全满足早期 混凝土接头的钻凿，保证了工程的顺利进行。缓凝型混凝土的应用是该项工程的关键技术。为了监测混凝7d、

5、14d、60d土质量，在混凝土浇筑过程中进行机口取样，以求得28d、90d 的抗压强度，部分样品还求得 和 360d 的抗压强度、抗渗指标及弹性模量。对机口取样混凝土 90d的抗压强度试验结果进行数理统计分析得到：R90的平均值为38.7Mpa,标准离差b为3.8MPa，离差系数Cv=0.098,强度保证率P=93.5%，合格率100%，抗渗标号均大于 B12，弹性模量E在30000MPa左右。混凝土质量完全满足设计要求。连接墙段的43个接头孔孔斜率均满足设计要求，混凝土浇筑速度为2.55.22m/h，符合规范要求。经检 测，防渗墙质量良好。3 帷幕灌浆施工帷幕灌浆孔为双排孔布置，孔距为2 m

6、，左岸山坡和右岸滩地断层影响带采用3排布置，最破碎的部位增至 5排。灌浆帷幕防渗标准为 5Lu。右岸防渗墙和近三分之二的帷幕灌浆工程量由我局完成。大坝的防渗帷幕线总长 2900m ，帷幕底线从河床部位向两岸逐渐抬高。左岸岩体较陡，灌浆帷幕分三层实施,即坝基表面为第一层 ,4#灌浆洞为第二层 ,3#灌桨洞为第三层。右岸坡度较缓 ,绝大部分在坝基表面直接进行,部分地段分两层实施 ,即坝基表面为第一层 ,1#、2#灌浆洞为第二层。分层实施的帷幕 ,各层间设衔接灌浆帷幕使之相接。另外 ,在左岸洞群穿越帷幕轴线的部位 ,设置了环形灌浆帷幕与主帷幕相接 ,使整个防渗帷幕成封闭状态。3.1 施工设备小浪底帷

7、幕灌浆工程会聚了国内外多种钻灌设备，有国产的SGZ I、SGZ- m、XY Z、XY I 型回转钻机，有国外的 Atlas A 52CB 钻机和 DIAMEC 262钻机；有国产的 BW2/40 和 GBW100/100 灌浆泵，也有国外的计量泵；有国产的ZJ200、ZJ400高速搅拌机，也有国外自动化程度较高的集中制浆系统。3.2 钻孔、冲洗及压水试验绝大部分的灌浆孔采用回转钻机造孔，仅一部分（主要是环形帷幕灌浆孔）采用冲击钻机造孔。回转钻机造孔直径大多为 56和76，开孔直径大多为 91。冲击钻机造孔孔径为 85。多数用金刚石钻头,先导孔和检查孔主要采用 110双管钻具取芯钻进。 钻孔孔向

8、的测量采用 DUZ-D型深井照相测斜仪，精度为 0.5°。对每个灌浆段均进行孔壁冲洗和裂隙冲洗。为了解原地层的透水性及灌后幕体的防渗性能，对先导孔和检查孔的各段采用三级压力（即 0.3、 0.6、 1.0）五个阶段压水法。压水试验采用自动记录仪记录压力、流量、时间等参数。3.3 灌浆方法小浪底枢纽帷幕灌浆所采用的灌浆方法归纳起来主要有三种：孔口封闭灌浆法、 自下而上分段灌浆法、GIN 灌浆法。3.4 灌浆压力按照标书技术规范要求，国际标部分灌浆压力最大为3.5 MPa。在右岸坝基帷幕灌浆施工过程中，因出现岩体变形现象，将压力降低为最大不超过1.9 MPa。在左岸施工时也以此为限。左右

9、岸各孔段采用的最大灌浆压力如表 31 。在施工中，出现串冒浆、耗浆量较大等现象时，采取限压限量措施。尤其是在左岸I区施工中，最大灌浆压力曾一度限制为1.0MPa、0.5MPa。尽管如此，在右岸 Ft断层,和左岸 F238 断层部位岩体抬升高度曾超过 1m 。3.5 灌浆浆液小浪底帷幕灌浆几乎全部采用了稳定性浆液。选用的稳定性浆液具有下列性能：水灰比0.60.75 ,密度1.61.67 kg/m3，析水率（2 h） <5%，马氏漏斗粘度 28s35s，结石强度（28 d）>15MPa ，凝聚力2<4N/m 2。制备稳定性浆液选用 525#普通硅酸盐水泥、优质钠膨润土和高效塑化剂

10、（有RCM 缓凝型减水剂、UNF 引气型高效减水剂和 SIKA R4 减水剂）。制浆工艺流程为先在搅拌机内加入定量的水，再加入膨润土浆和水泥，搅拌3min 后加入减水剂，再搅拌1 min 。在施工中 ，应用的灌浆塞有进口的液压式灌浆塞 ，和国产 （由基础局科研所研制 ）的液压和气压灌浆塞。膨胀体有胶囊式 ，它靠囊内充气体或液体膨胀， 也有胶球式 ，它靠机械挤压使胶球变形， 增大直径。机械挤压方法有螺杆式和活塞式。3.6 灌浆结束条件按照规范要求，灌浆结束标准执行拒浆标准，即灌浆过程中，当灌浆压力和注入率达到规定值后结束。在施工中，根据实际情况，对结束标准进行了适时调整、修改。各部位帷幕灌浆执行

11、的结束条件如表3-4：表 3-4 各部位帷幕灌浆结束条件部位 结束条件 左右岸坝基（1）注入量w200L/m P=Pmax时，注入率V 1L/min，延续30min后结束；注入量200L/m,P Pmin时，延续30min后结束；注入量 200L/m,P v Pmin,间歇15min，a恢复灌浆直至B;b.最大灌量超过10m3/段，请示监理工程师。左岸山脊 先期（1）当注入量达到1000L之前，若灌浆压力达到设计值，流量小于 0.4L/min，延续30min结束。（2）当注入量达到1000L5000L之间，若灌浆压力达到设计值，不论流量为多少，延续30min结束。（3）当注入量达到5000L1

12、0000L之间，若灌浆压力达到设计值，不论流量为多少，延续 30min 结束；若灌浆压力未达到设计值，则由现场工程师确定处理方法。后期（1）当注入量达到3000L之前，若灌浆压力达到设计值，流量小于1L/min，延续30min结束。（2）当注入量达到3000L，若灌浆压力达到设计值，不论流量为多少，延续30min结束。（3）当注入量达到3000L以后,若压力达到该段压力的 60%，灌注5000L后停止灌浆，待凝8h,或者达到设计压力，延续 30min，可开始下一段钻孔； （4）当注入量达到 3000L 以后，若压力仍未达到该段压力的 60%，则改用水泥砂浆灌注。2#、3#、4#灌浆洞在规定压力

13、下，注入率不大于1L/min时，继续灌注不少于 90min，且在设计压力下的灌浆时间不少于120min，或按工程师指令执行。2#洞GIN法灌浆 （1）达到GIN值，且流量小于2L/min时，持续10min可以结束。（2）达到GIN值，但流量较大时，应调整压力，使之沿GIN曲线下滑，直至流量小于2L/min 时，再持续 10min 可结束。灌浆过程中压力不得小于最低压力值。（ 3）达到最大压力值，流量小于1 L/min时，持续3 0 min结束。（4）流量较大，但压力达不到最低压力时，应按规定及时采取措施，包括限流、限量及间歇等，间歇时间6 12h。4#洞 GIN法灌浆 （1）当灌浆达到最大限制

14、压力Pmax或达到GIN，每5m段长注入率小于1L/min时，延续30min ; （2）当灌浆达到最大灌入量限值Vmax，且小于设计maxGIN 时，采用间歇灌浆，间歇 30min 后复灌，直至达到（ 1），或当累计注入量达到 2000L/m 时，灌浆也可结束。 环形帷幕灌浆 在规定压力下 ,当吸浆率 0.4L/min 时,持续 30min 后结束。3.7 灌浆自动记录及灌浆过程监控小浪底帷幕灌浆过程及数据的记录全部为自动记录仪记录 , 这就避免了人为因素对记录的准确性的影响。选用的灌浆自动记录仪多数为中国水利水电基础工程局与天津大学和西安交大等单位共同研制的J31A、J31B、J31C型智能

15、记录仪和J31D、GMS2000型多路灌浆监控系统。部分灌浆选用了长委科学院研制的GJYU和GJYm型记录装置。3.8 灌浆效果评价各灌浆区段、 各序孔的单位注入量情况见表3-5。由各次序孔的水泥单耗可以看出，随着灌浆次序的增加，水泥单耗逐序减小。各灌浆区段压水试验检查结果如表 3-6。压水试验结果表明试验段透水率的合格率在94%以上，其中< 3lu的达92.8%，表明灌浆效果是好的。对检查孔的不合格孔段，均进行了补灌或在其附近增加W序孔,进行了加密补强灌浆，并直至检查合格。从灌浆成果及检查孔检查结果看， 各区域的灌浆效果良好， 灌浆帷幕均能满足设计防渗要求。 1999年9 月，小浪底水

16、利枢纽蓄水安全鉴定委员会对帷幕灌浆的质量评价如下：从整体看，帷幕灌浆设计合理，施工工艺符合技术要求。各地段I、n、m序孔单位水泥注入量随灌浆次序的增加而有较明显降低，符合一般规律。灌浆质量满足设计要求，具备下闸蓄水条件。由于水库蓄水后两岸均出现较大渗漏，有关各方于 1999年 12月中旬在小浪底召开了防渗系统专家咨询会，会议决定对防渗帷幕进行补强灌浆。会议对防渗补强方案提出了以下指导性意见：1 ）原设计的一排帷幕改为二排。左岸3#、4#灌浆洞中对原一排帷幕区再增加一排帷幕，对F240、F236、F238断层影响带再增加两排帷幕。增加帷幕的深度以达到 90m 高程或达 T11 岩层为宜。（ 2）右岸 2#灌浆洞内对单排帷幕进行加排加深补强处理。建议进一步研究对F231、F233断层带带状透水区用帷幕封闭的必要性、可行性和实施方案。具体方案为：左岸部分，大坝左端以北的地面帷幕灌浆尚未实施，由原设计的一排孔，改为两排孔。在4#灌浆洞左端以南，帷幕底高程由130m加深到高程90m，以封堵3-1透水岩层；4#灌浆洞以北至F?*断层间，帷幕底高程抬高到 125m135m，以封堵主要透水岩层 4。F28断层以北为T/粘土岩层，帷幕仍为一排孔，以封堵岩体上部风化壳，幕底高程不变，仍为240.0m。由于帷幕与隧洞交叉的部位无法补灌,估计这些部位仍存在盲区” 右岸部分，在上游坝脚处的21