水布垭高面板坝趾板基础灌浆升压研究与实践.doc

水布垭高面板坝趾板基础灌浆升压研究与实践
[摘 要] 水布垭高面板坝坝基岩体倾角平缓、岩溶构造发育且富含泥质充填物、趾板上灌浆盖重小、水库运行水头高、后期没有维修补灌条件，为了解决趾板基础浅部防渗幕体的抗渗透能力及耐久性问题，大幅度提高了趾板基础浅部的灌浆压力。采取“均布固结+帷幕”布孔，均布锚杆，分级升压，抬动监测自动报警等一系列有效措施，趾板基础帷幕灌浆第一段最大压力安全地达到1.5MPa，使面板坝基础浅部的灌浆压力登上了一个新的台阶。
[关键词] 提升压力 抑制抬动 趾板基础灌浆 高面板坝 水布垭水电站

1 高面板坝基础灌浆压力提升的必要性

面板堆石坝坝体由分区堆石筑成，抗滑稳定安全系数一般大于7，没有扬压力问题，所以防渗帷幕的作用是防止集中渗漏引发渗透破坏，其重要性不如混凝土坝基的防渗帷幕，所以在国内外关于面板堆石坝设计与研究的文献中，往往以坝体和面板的结构、应力及变形等问题为研究重心，关于坝基防渗处理方面的技术问题很少涉及，尤其关于面板坝趾板基础灌浆如何提高灌浆压力的研究报道极为罕见。但是，近年来我国修建的面板堆石坝高度不断升级，对于高面板堆石坝，尤其当坝基岩体的防渗性能很差时，防渗帷幕、特别是趾板基础浅部防渗幕体的抗渗透能力及耐久性等问题，应该引起水利工程界基础专业人士的足够重视。
与其他坝型相比，面板堆石坝对基础岩体的力学要求相对较低，为了节省开挖工程量，面板坝坝基浅表层岩体的完整性远不如深部岩体，这一带地下水活动强烈，灌浆防渗体所承受的水力梯度最大，是防渗的最薄弱环节。面板堆石坝的基础防渗帷幕灌浆在趾板上施工，灌浆时盖重小，为了避免抬动破坏，灌浆压力通常很小，根据调查统计，目前国内外已经建成的面板堆石坝趾板基础防渗灌浆第一段（接触段）的最大压力一般只有0.3～0.5MPa。随着坝高的不断增加，坝基渗透作用水头也越来越高，如果继续采用这种小压力灌浆，防渗帷幕容易发生渗透破坏，尤其是软弱夹层和灰岩地层中岩溶通道的充填物，在高水位很容易被击穿。
面板堆石坝是一种竞争力很强的坝型，在我国面板坝的使用与发展已经进入了一个崭新的阶段，坝体高度在不断地突破。为了使基础防渗幕体的抗渗透能力和耐久性与坝高的升级相适应，提高灌浆压力是最直接有效的办法，因此进行高面板坝趾板基础灌浆的压力提升研究是必要的。

2 水布垭面板坝趾板基础灌浆的特点

水布垭水库位于清江中上游河段，正常蓄水位400m，挡水坝为混凝土面板堆石坝，最大坝高233m，其坝高和坝前水头在国际和国内同类坝型的已建和在建工程中居首位。大坝基础是灰岩地层，岩体的抗冲蚀性和可灌性都很差。
2.1 地质条件
岩溶。清江流域碳酸盐岩分布广泛，占总面积的72%，是中国岩溶最发育、最典型的地区之一。水布垭工程整个坝区内岩溶类型发育齐全，岩溶管道系统、溶沟、溶槽、溶洞、落水洞、盲谷、溶蚀洼地等均为常见。
构造。主要构造形迹有断层、裂隙、层间剪切带等。查明的断层共计43条，断层多由库内向库外延伸。实测裂隙2000余条，岸边卸荷裂隙发育。层间剪切带是岩层顺层相对挤压错动形成的构造形迹，这种构造形迹在坝基岩体中普遍发育，呈条带状分布，连续且稳定，剪切破坏十分强烈，结构松散。
泥化现象。坝基趾板开挖揭露的岩溶洞穴和断层裂隙中，绝大多数被泥质物填充，层间剪切带呈泥化条带分布，导致岩体的抗冲蚀性很差，可灌性差，是降低坝基防渗体耐久性和制约帷幕灌浆压力提升的重要不利因素。
岩层产状平缓。总体倾向上游，倾角5～12°。
2.2 施工条件
盖重小。大坝基础灌浆在趾板上施工，趾板厚度只有0.6～1.2m，灌浆施工时盖重小，灌浆时极易产生不利的抬动变形。
封浆条件差。趾板基础开挖边坡临空，岸边卸荷裂隙发育，岩体完整性差，灌浆时外漏严重，对灌浆压力提升和灌浆质量不利。
2.3 运行条件
防渗体承受的水力梯度大。水库正常蓄水位400m，面板堆石坝最大坝高233m，最大坝前作用水头207m，坝前水头在国内外同类坝型中居首位。
运行期没有检修补灌的条件。大坝趾板下未设置灌浆廊道，水库蓄水运行以后不具备对坝基防渗帷幕的检修补灌条件，因此对基础防渗体的可靠性与耐久性要求特别高。
2.4 坝基灌浆需要解决的难题
根据清江流域和国内地质条件相似地区的基础灌浆工程经验，要想提高灌浆防渗体的抗渗透能力和耐久性，确保灌浆成幕的质量，关键在于提高灌浆压力。通过较高压力的灌浆，一方面可有效提高水泥结石的致密性和强度；另一方面可对泥质充填物起到劈裂穿插和包裹挤密的作用，这样形成的防渗幕体才能在高水头长期作用下正常运行。但是，受盖重和地质条件等多种不利因素的影响，面板坝基础灌浆时极易产生抬动破坏，提升灌浆压力面临困难。
因此，如何保证既能避免产生抬动变形破坏，又能提高灌浆压力，特别是浅层孔段的灌浆压力，获取良好的灌浆效果及足够的抗渗安全度，是水布垭高面板坝基础灌浆工程必须研究解决的难题。

3 提升压力的有效措施

对高面板坝基础灌浆，提升压力时所面临的抬动破坏风险比任何坝型都大，灌浆升压研究的核心内容就是解决压力提升与抬动变形的矛盾，灌浆升压所采取的措施实质上就是抑制抬动变形的措施。通过水布垭工程的现场灌浆试验研究，并且经历了水布垭大坝基础灌浆施工实践的检验，总结出了一套较为完整的提升压力、抑制抬动的有效措施。
3.1 趾板全面积均匀锚固
灌浆升压过程中的抬动观测数据显示，趾板基础内设置均匀受力且达到一定密度的全粘结锚杆，对抬动量的限制、为浅层灌浆压力的提升发挥了重要的作用。
在趾板混凝土与基础岩体之间设置均布的全粘结普通锚杆，可以缓减灌浆时的抬动变形，其作用机理可能体现在两方面：一是锚杆的锚固作用将趾板与浅层基岩“钉”成一体，弥补了盖重的不足；另一方面是锚杆的均布抗拔力使得灌浆时作用于趾板的抬动力分布均化，缓解了趾板结构的不均匀受力变形。
锚杆的布置间排距根据趾板尺寸及钢筋布置、基岩条件、灌浆孔布置及灌浆压力的大小等多方面的具体条件确定，重要的是强调均匀布置。锚杆深度4～5m，锚筋直径28～32mm，锚筋顶端与趾板钢筋相连。
3.2 合理优化固结与帷幕灌浆的布孔型式
与混凝土坝型不同的是，作用于面板坝趾板上的荷载主要是库水压力，对趾板地基的抗压强度要求与混凝土坝相比有所降低，仅从受力方面考虑是不需要加强基础固结灌浆的。然而从基础防渗的需要出发，加强趾板基础固结灌浆是必要的。试验比较和实践证明，切实加强基岩浅层的固结灌浆效果，一方面增加了浅部的防渗幕体厚度，减小渗透水力坡降；另一方面使浅部岩体整体化，形成厚实的灌浆岩体盖板，为抑制抬动、提高防渗帷幕的灌浆压力提供了有利条件。
在趾板的有限宽度内，固结灌浆孔如何布置更为有利，水布垭现场灌浆试验进行了布孔型式的比较研究：
灌浆试验A区分为A1和A2两个试块，除布孔型式不同以外，其余条件如岩体状况、锚杆布置、趾板钢筋、混凝土厚度等完全相同。
A1试块采用了通常使用的“上、下游固结+中间帷幕”的布孔型式。共均匀布设5排孔，第1、5排为浅固结孔，孔深7m；第2排为深固结孔兼起辅助帷幕作用，孔深17m；第3、4排为主、副帷幕孔；固结和帷幕孔距均为2m。
A2试块采用“均布固结+帷幕”的布孔型式。固结灌浆均匀设置5排孔，孔距2m，第1、3、5排为浅固结孔，深度7m；第2、4排为深固结孔兼起辅助帷幕作用，深度17m；帷幕灌浆孔2排，分别在第3排固结孔的上、下游各设1排，孔距2.5m。
试验结果仅仅因为灌浆布孔形式不同，A1与A2试块在灌浆效果方面存在明显的差别：
① 固结灌浆压水检查结果，A1试块合格率91.7% ；A2试块合格率100% 。帷幕灌浆的灌前压水成果，也能反映固结灌浆的效果，A1试块帷幕灌浆第1～3段灌前压水透水率大于3 Lu的孔段有5段；A2试块全部孔段透水率均小于3 Lu。
② 物探测试成果，A2试块的单孔声波平均值和跨孔声波测试以及静弹模测试结果均高于A1试块。
③ 抬动变形监测结果，固结灌浆时A1试块共灌浆70段，产生抬动变形53段，占总段数的75.71%； A2试块共灌浆95段，产生抬动变形43段，占总数的45.3%。
④ 帷幕灌浆压力，A1试块的帷幕灌浆第1段（接触段）最大压力达到1MPa；A2试块达到1.5MPa。A2试块的最大压力较A1大许多，但二者抬动变形并无明显差别，最大抬动量都能控制在0.1mm以内。
上述灌浆效果方面的差异证明了“均布固结+帷幕”布孔型式的优越性。趾板浅部基岩经过均布固结灌浆处理，完整性和均匀性更好，所形成的灌浆铺盖使得帷幕灌浆时有一定的盖重，且有良好的闭浆作用，为帷幕灌浆浅部压力的提升创造了更为有利的条件。
3.3 灌浆过程控制
⑴ 抬动变形自动化监测
灌浆抬动变形是一个极为复杂的问题。为了保证在趾板及基岩不抬动破坏的前提下，尽可能地发掘提高灌浆压力的潜力，必须实时了解抬动变形的情况，只有确认抬动变形量在允许范围内，提升灌浆压力才是安全的。因此，采用具有自动报警和计算机数据采集的抬动监测系统，实现灌浆过程中对抬动变形的预见性和可控性是必要的。
抬动变形自动化监测具有准确性、实时性、直观性等特点。灌浆过程中，一旦趾板抬动接近所设定的上限值，监测仪就会发出报警信号，提醒技术人员分析产生抬动的原因，根据具体情况调整灌浆参数。即使在地质条件很差的地段，只要实现了对抬动变形的有效监控，提高灌浆压力就有了安全的保障。另一方面，利用灌浆过程的抬动变形自动化跟踪观测资料，研究分析抬动变形的限值与衰减率以及灌浆压力、注入率与抬动变形之间的互动关系等，也是十分有意义的。
⑵ 灌浆顺序及分级稳压
常规的固结灌浆施工顺序通常按“分序加密”进行，即是先钻灌全部Ⅰ序孔，再钻灌全部Ⅱ序孔。与上述固结与帷幕灌浆的布孔型式的优化相对应，强调固结灌浆的作用主要是为防渗作贡献，因此，固结灌浆的施工顺序应遵循“先排序、后孔序”。即是先钻灌上、下游边排孔（第1、5排），分二序进行，再中间排（第3排）；后加密排（第2、4排）。这样施工有助于达到“上、下游封闭、中间密实”的目的，对提高灌浆压力产生积极的作用。
分级稳压是抑制灌浆抬动的有效措施之一，就是设置起始压力、目标压力、升压步长和稳压时间，逐段灌浆时从起始压力至目标压力采取分级稳压，当确认抬动变形在允许范围内，才能提升压力。
⑶ 限制注入率
注入率和灌浆压力一样，与抬动变形之间有着密切的互动关系。当灌浆压力很小而注入率很大时，注入的浆体所具备的能量仍然很大，同样蕴藏着抬动破坏的风险。为了减小引起抬动的能量，对灌浆注入率实行限制是合适的。

4 水布垭高面板坝基础灌浆设计实践

4.1 抬动控制
水布垭工程坝基灌浆施工全部采用具有自动报警和计算机数据采集的抬动观测系统。抬动观测点位于帷幕轴线上，沿轴线方向每10m左右间距设置1个自动报警观测点。按200μm作为灌浆点的最大抬动变形控制限值，抬动观测允许变形值见表1。当观测点与灌浆点之间的距离不为整数时，可按35μm/m的衰减率计算观测点处的抬动允许变形值。抬动观测孔周边10m范围内有多个孔灌浆时，抬动允许值按最近灌浆点的单孔灌浆允许变形值控制。
坝基帷幕灌浆施工的抬动监测成果显示，除初始施工的河床水平段趾板有4段因位于地质缺陷部位，灌浆吸浆量大，抬动变形值超过设计最大允许变形值200μm，最大达480μm以外，一般帷幕孔灌浆过程中无抬动变形，少数孔段虽有抬动，但变形值在50μm以内，远
表1 抬动观测允许变形值（μm）
灌浆点
观测点与灌浆点距离（m）
1
2
3
4
5
＞5.5
200
165
130
95
60
25
0

小于设计允许变形值。随着灌浆孔序的增加，有抬动变形的孔段比例和变形量均明显减少，至Ⅲ序孔时，基本没有抬动变形。到目前为止没有出现趾板变形裂缝。实践证明上节所述针对浅层升压灌浆所采取的控制抬动措施是可靠的，可以有效防止趾板抬动破坏事故的发生。
根据现场灌浆所取得的抬动、压力、注入率等记录数据统计分析得出，抬动与灌浆压力和注入率的相关性十分明显，但抬动的反应滞后于压力和注入率，施工时如果一旦产生突变性抬动，即使立即实行降压与限流控制，抬动仍不会及时回落，因此，抬动变形控制上限值应留有充分余地。实践证明，趾板上灌浆点的抬动控制限值设为200μm是安全的，抬动观测孔的有效观测半径按5m考虑，抬动变形随观测距离的平均衰减率按35μm/m控制也是合理的。
4.2 灌浆压力和注入率
水布垭面板坝趾板基础浅固结灌浆（7ｍ）第1段（接触段）最大压力达到了0.5MPa，深固结灌浆（17ｍ）第1段（接触段）最大压力达到了0.8MPa，防渗帷幕灌浆第1段（接触段）最大压力达到了1.5MPa。
防渗帷幕灌浆各段的灌浆压力一般按表2控制。采用分级升压方式逐级升压至目标灌浆压力。具体操作时，以相应灌浆孔段的起始压力为基准，按每0.1～0.2MPa为一级，每级压力的稳压时间不少于5min，当抬动变形异常时延长稳压时间，第6段及以下各段灌浆时，稳压时间可根据抬动变形情况适当增减，当抬动值很小时则尽快升至设计（目标）灌浆压力。

表2 水布垭面板坝防渗帷幕灌浆压力控制表（MPa）
段次（段长）
Ⅰ序孔
Ⅱ序孔
Ⅲ序孔
起始压力
目标压力
起始压力
目标压力
起始压力
目标压力
第1段(3m)
0.6
1.0
0.8
1.2
1.0
1.5
第2段(1m)
1.0
1.5
1.2
2.0
1.5
2.0
第3段(2m)
1.5
2.0
2.0
2.5
2.0
2.5
第4段(5m)
2.0
2.5
2.5
3.0
2.5
3.0
第5段(5m)
2.5
3.0
3.0
3.5
3.0
3.5
第6段(5m)
3.0
3.5
3.5
4.0
3.5
4.0
第7段及以下
3.5
4.0
3.5
4.0
3.5
4.0
注：表中灌浆压力系指孔口回浆管上压力。

在分级升压的基础上，还必须协调灌浆压力与注入率的关系，具体操作时按表3控制。特别关注当压力为4MPa及以上时，注入率应小于10L/min。

表3 注入率与最大灌浆压力关系表
注入率(L/min)
＜40
＜30
30～20
20～10
＜10
最大灌浆压力(MPa)
0.5～1
1～2
2～3
3～4
4
4.3 灌浆效果
现场灌浆试验时选取极其软弱和破碎的岩体作为灌浆效果的研究对象，耐久性压水对接触段采用1MPa（半幕）压水压力，持续72小时以后未发生渗透破坏，在此基础之上，又进行破坏压水试验，得出接触段（半幕）破坏时的峰值压力为2MPa。
水布垭大坝趾板帷幕灌浆已完成的20000m进尺的资料统计见表4，各排、序帷幕孔透水率和灌浆单耗随孔、排序呈递减规律，特别是先灌排（下游排）递减幅度更为显著。同时随着灌浆孔、排序的递增，小漏量孔段百分率明显提高，大漏量的孔段百分率大幅减小，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%，单耗小于10kg的孔段百分率由57.2%提高到93.1%，可见明显的灌浆效果。
灌后压水检查成果，基岩透水率均满足q≤1Lu的设计防渗标准，特别是透水率与灌浆单耗大、涌水、以及抬动变形值超标的灌浆难点部位，均达到了一次检查合格标准，灌浆效果良好。
表4 大坝趾板帷幕灌浆成果分序统计表
项 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（Lu）
23.6
5.63
1.07
0.64
0.62
0.64
平均单耗(kg/m)
304.6
38.97
14.71
18.4
18.79
14.32
透水率q≤1 Lu的孔段百分率（％）
65.1
75.7
83.1
83
77.9
80.3
单耗≤10kg的孔段百分率（％）
57.2
73.4
81.2
88.5
90.5
93.1

3 认识与体会

(1)趾板浅层岩体是坝基渗透压力最大的部位，也是基础防渗的关键部位，已建各面板堆石坝工程由于使用的灌浆压力低，其帷幕防渗性能一直存在隐忧。水布垭工程通过现场灌浆试验的论证，开创性地将趾板浅层岩体灌浆压力由以往各工程的0.5～0.6MPa提高到1～1.5MPa的压力水平，对保证帷幕灌浆质量、提高幕体的防渗性能起到了良好效果。实践证明，只要采取工程措施得当，提高浅层灌浆压力是可行的，不会造成抬动破坏。
(2)浅层灌浆压力的提高不可避免地会增加抬动破坏的可能性，特别是地质条件缺陷部位，由于基岩透水率和灌浆单耗大，更容易积聚灌浆能量。目前水布垭工程发生的4个抬动变形值超标的孔段均位于此类岩体部位，因此如何控制地质缺陷部位抬动变形是抬动控制的关键点。通过施工实践检验，水布垭工程所采取的严格控制大注入率时的灌浆压力，以减小灌浆产生的总能量，可有效防止抬动破坏事故的发生。
(3)为满足现场抬动控制的需要，水布垭工程帷幕灌浆施工中成功研制并全面采用了自动报警抬动变形监测装置，大幅提高了灌浆过程中岩体抬动变形控制能力，是确保水布垭工程帷幕灌浆工作顺利进行的重要质量安全保证。同时自动报警抬动变形监测装置的成功研制与应用，也进一步促进和发展了我国灌浆工作自动化水平，值得在灌浆工程界推广应用。