大壩建基巖面找平混凝土封閉式固結(jié)灌漿設(shè)計及施工技術(shù)

　　摘要：三峽工程大壩建基巖面澆筑找平混凝土進(jìn)行封閉式固結(jié)灌漿，在總結(jié)灌漿試驗研究和生產(chǎn)性試驗的基礎(chǔ)上，提出找平混凝土封閉式固結(jié)灌漿設(shè)計及施工技術(shù)要求，并全面推廣應(yīng)用。解決了大壩基礎(chǔ)約束區(qū)混凝土澆筑與固結(jié)灌漿的矛盾，降低大壩混凝土產(chǎn)生裂縫的風(fēng)險。 

　　關(guān)鍵詞：大壩基巖面　找平混凝土 固結(jié)灌漿　三峽工程 
　　 
　　1　概述 
　　 
　　混凝土壩基礎(chǔ)開挖至設(shè)計建基巖面高程后，即使采取深挖抽槽或降低建基巖面等處理措施，仍難以全部清除，巖體卸荷及爆破裂隙與基巖本身存在的斷層及其交切帶、裂隙密集帶、巖脈、破碎帶、風(fēng)化溝(坑)等地質(zhì)缺陷相互作用對壩基構(gòu)成不利影響，在壩基淺部表層尚存在裂隙張開的巖體。為充填表層巖體中的裂隙，恢復(fù)和提高巖體的整體性，改善混凝土壩建基面表層淺部巖體及地質(zhì)缺陷部位巖體的力學(xué)性能，增強(qiáng)壩基巖體勻質(zhì)性，降低透水性，必須對壩基巖體進(jìn)行固結(jié)灌漿處理，以改善壩基及壩體的應(yīng)力狀況，加強(qiáng)大壩基礎(chǔ)混凝土與建基面的整體性，提高大壩穩(wěn)定安全儲備。 

　　固結(jié)灌漿通常在大壩基礎(chǔ)澆筑一定厚度(3－5m)的混凝土面施工，即為有蓋重固結(jié)灌漿。其優(yōu)點可以使用較大的灌漿壓力，防止基巖表面冒漿，保證固結(jié)灌漿效果，并可兼顧混凝土與基巖間的接觸灌漿。但蓋重混凝土位于大壩基礎(chǔ)強(qiáng)約束區(qū)，固結(jié)灌漿施工期間，受氣溫驟降影響，蓋重混凝土易產(chǎn)生表面裂縫；由于基巖對混凝土變形的約束，表面裂縫受基礎(chǔ)約束力作用，將發(fā)展為貫穿性裂縫，損傷壩體整體性，增加裂縫處理工作量。同時，有蓋重固結(jié)灌漿增加混凝土鉆孔量，易打斷混凝土內(nèi)的冷卻水管及其他預(yù)埋件等，并與大壩混凝土澆筑存在矛盾，影響混凝土澆筑直線工期。 

　　三峽工程大壩為混凝土重力壩，壩基巖體為前震旦紀(jì)閃云斜長花崗巖。設(shè)計單位長江設(shè)計院對三峽工程主體建筑物基礎(chǔ)巖體進(jìn)行了有蓋重固結(jié)灌漿試驗與澆筑找平混凝土封閉式固結(jié)灌漿試驗。根據(jù)試驗成果，大壩左岸廠房壩段建基巖體固結(jié)灌漿施工中，在具備條件的部位進(jìn)行找平混凝土封閉式固結(jié)灌漿生產(chǎn)性試驗和部分壩塊應(yīng)用，右岸廠房壩段及非溢流壩段全面推廣應(yīng)用找平混凝土封閉式固結(jié)灌漿施工技術(shù)，灌后鉆孔檢查，彈性波測試和壓水試驗成果均滿足設(shè)計要求。 
　　 
　　2　找平混凝土封閉式固結(jié)灌漿試驗研究 
　　 
　　2.1試驗區(qū)的基巖條件及找平混凝土 

　　三峽工程大壩建基巖體固結(jié)灌漿施工前，在一期基坑內(nèi)選擇兩個試驗區(qū)進(jìn)行找平混凝土封閉式固結(jié)灌漿試驗與有蓋重(混凝土厚3－5m)固結(jié)灌漿對比分析。固結(jié)灌漿區(qū)的基巖面達(dá)到大壩對基巖面的要求，并經(jīng)基礎(chǔ)驗收后，才能澆筑找平混凝土，其質(zhì)量要求與大壩基礎(chǔ)約束區(qū)混凝土相同。 

　　試驗①區(qū)尺寸為10.5m×24m，基巖以塊狀結(jié)構(gòu)為主，次塊狀結(jié)構(gòu)次之，有小斷層7條，其中3條規(guī)模較大。斷層交匯處巖體質(zhì)量較差，局部較破碎，且建基巖面局部爆破裂隙張開度達(dá)1－3mm，小斷層張開達(dá)1cm。找平混凝土厚度0.3－0.5m，凹坑處達(dá)1.0m，完整巖石的凸包處沒有混凝土，允許巖石外露，找平混凝土設(shè)計標(biāo)號為90天齡期200號，三級配，混凝土施工質(zhì)量良好。 
　　 
　　試驗②區(qū)尺寸為12m×19m，位于F斷層構(gòu)造巖上，斷層傾角陡，構(gòu)造巖膠結(jié)較好，質(zhì)堅硬，因受后期構(gòu)造運(yùn)動的影響，裂隙較發(fā)育，巖石破碎，基巖面較破碎，且極不均一。找平混凝土施工同試驗①區(qū)，混凝土厚度0－1.0m。 

　　從試驗鉆孔取芯芯樣情況看，混凝土一般與基巖膠結(jié)緊密，能取到混凝土與基巖連接成整體的芯樣。 
　　 
　　2.2固結(jié)灌漿試驗孔布置 

　　固結(jié)灌漿試驗孔布置分為規(guī)則孔和隨機(jī)孔兩個區(qū)段。規(guī)則孔區(qū)段按方格形和梅花形兩種布置，隨機(jī)孔區(qū)段主要針對小斷層、構(gòu)造裂隙、爆破裂隙布灌漿孔。試驗①區(qū)地質(zhì)條件較具均勻，性，按2.5m×2.5m梅花形布孔。試驗②區(qū)規(guī)則孔區(qū)段為正方形布孔3.0m × 3.0m，隨機(jī)孔區(qū)段為孔排距2.0m×2.0m的三排梅花形，先施鉆外側(cè)兩排，中間排作為加密孔，安排最后施工。 
　　 
　　2.3試驗區(qū)固結(jié)灌漿工藝 

　　固結(jié)灌漿采用自上而下分段鉆灌、阻塞器阻塞、孔內(nèi)循環(huán)的灌漿方法施工。第一段灌漿壓力0.2－0.4MPa，阻塞器一般阻塞在基巖頂部，如找平混凝土厚度超過0.3m時，阻塞器可阻塞在混凝土與基巖接觸處；第二段及其以下灌漿壓力0.4－1.5HPa。采用3:1的漿液開始灌注，當(dāng)注入量已達(dá)300L以上或灌注時間已達(dá)1h時，而灌漿壓力和注入率均無改變或改變不明顯時應(yīng)變濃一級；當(dāng)注入率大干30L/min時，可根據(jù)具體情況越級變濃。當(dāng)灌漿單位注入量小于10L/min時，采用濕磨細(xì)水泥灌注。在設(shè)計壓力下注入率不大于0.4L/min，持續(xù)灌注30min即可結(jié)束。灌漿過程中發(fā)現(xiàn)冒漿現(xiàn)象，采用降壓、變濃漿液和間歇灌漿等措施處理。試驗①區(qū)26號孔第一段灌漿時發(fā)現(xiàn)找平混凝土抬動，當(dāng)時抬動觀測值為180μm(設(shè)計允許值為200μm)，由于抬動影響，第二段灌漿時，發(fā)現(xiàn)冒漿只得待凝后復(fù)灌結(jié)束。  [Page]
　　 
　　2.4試驗區(qū)固結(jié)灌漿效果評價 

　　(1)基巖透水性分析 

　　灌前、灌注過程中及灌后檢查的壓水試驗特征值列如表1。 

　　2個試驗區(qū)合計灌前及灌漿過程中壓水透水率大于5Lu的孔段分別為41％及21％，所占比例較大，灌后基本上清除了大于5Lu的地段，大于3Lu的所占比重較小。 

　　(2)灌漿水泥耗量分析 

　　固結(jié)灌漿試驗水泥注入量特征值見表2。

      從表中可看出，I、Ⅱ序孔L的灌漿注入量較大，Ⅲ序孔僅在少數(shù)灌段出現(xiàn)注入量大于10kg/m，占試驗區(qū)總灌漿段的2－4‰灌漿效果比較明顯。 

　　(3)彈性波測試成果分析 

　　彈性波測試灌后較灌前提高3.0％－7.1％。 

　　(4)靜彈性模量測試成果分析 

　　灌前靜彈性模量最大測值23.06－29.07GPa，最小測值10.08－12.10GPa，平均值14.02－18.03GPa；灌后靜彈性模量最大測值34，00一34.29GPa，最小測值12.55－12.96GPa，平均值21.02－21.43GPa。 

　　(5)找平混凝土封閉式固結(jié)灌漿試驗綜合評價 

　　試驗區(qū)固結(jié)灌漿資料與檢查壓水試驗和彈性波測試及靜彈性模量測試成果表明，找平混凝土封閉式固結(jié)灌漿效果明顯，可以滿足設(shè)計要求。試驗②區(qū)地質(zhì)條件比試驗①區(qū)差，采用隨機(jī)增布固結(jié)灌漿孔，取得較好的灌漿效果，說明對于存在斷層破碎帶、裂隙發(fā)育等地質(zhì)缺陷的壩基，采用找平混凝土封閉式固結(jié)灌漿，除按常規(guī)布設(shè)灌漿孔外，還應(yīng)有針對性布置隨機(jī)灌漿孔，通過加密布孔施灌，提高固結(jié)灌漿效果，達(dá)到加固處理地質(zhì)缺陷的目的，以滿足設(shè)計要求。 
　　 
　　3　找平混凝土封閉式固結(jié)灌漿機(jī)理分析 
　　 
　　大壩建基巖面高低不平，找平混凝土用于填補(bǔ)地質(zhì)缺陷開挖的坑溝，封閉基巖表面裂隙，個別完整巖石凸面可以外露，混凝土平均厚度30cm左右。找平混凝土內(nèi)熱量易于消散，其溫度趨近于基巖的溫度，不會產(chǎn)生長大的溫度裂縫。找平混凝土對固結(jié)灌漿的作用不是靠其重量來阻止水力劈裂、漏漿和防止抬動，主要通過混凝土與基巖面較好的膠結(jié)，混凝土嵌入和阻塞基巖面表面裂隙，約束建基巖體表面裂隙，阻止其張開，形成巖體表層一定范圍內(nèi)的整體性的邊界約束條件。使固結(jié)灌漿漿液在基巖內(nèi)沿裂隙面滲透流動，防止其串冒。找平混凝土封閉式固結(jié)灌漿通過混凝土對巖面表層裂隙的約束和巖塊相互嵌固約束達(dá)到防止劈裂抬動的目的。施灌第1段(接觸段段長2m)采用較低壓力，并通過加密布孔灌漿，將上部淺層大注入量孔段灌注好，形成有效封閉巖層，可對后續(xù)孔段的灌漿起到蓋重的作用，便于后續(xù)孔段在較高壓力下灌漿，防止水力劈裂和控制抬動，提高固結(jié)灌漿效果。 
　　 
　　4　找平混凝土封閉式固結(jié)灌漿在三峽大壩的應(yīng)用 
　　 
　　4.1大壩基礎(chǔ)固結(jié)灌漿設(shè)計  [Page]

　　三峽工程大壩建基巖體以微風(fēng)化和新鮮花崗巖為主，部分利用弱風(fēng)化下帶巖石，巖性較均一完整，透水性較小。但受開挖爆破及卸荷影響，巖體的完整性有所降低，透水性增大。大壩基礎(chǔ)處理設(shè)計要求對壩基應(yīng)力較大、基礎(chǔ)輪廓突變部位及斷裂構(gòu)造帶、邊坡穩(wěn)定需要加固的局部位置進(jìn)行固結(jié)灌漿處理。根據(jù)大壩基礎(chǔ)應(yīng)力分布的差異，固結(jié)灌漿基本范圍為壩踵及壩趾約1/4壩寬的位置，對斷裂構(gòu)造及其交切區(qū)，裂隙密集帶等地質(zhì)缺陷部位加強(qiáng)固結(jié)灌漿。壩基巖體固結(jié)灌漿孔深：一般部位5－6m，孔排距2.5m×2.5m：主帷幕前兩排孔深分別為10m和20m，孔排距2m×2m，封閉帷幕后一排孔深10m，孔距2.5m，兼作輔助帷幕；地質(zhì)缺陷或有特殊要求地段孔深10－20m，并視需要加深。固結(jié)灌漿一般采用濕磨細(xì)水泥漿灌注，注入量大的孔段可先灌注普通水泥漿后改磨細(xì)水泥漿。灌漿漿液的濃度應(yīng)由稀變濃，逐級變換，漿液水灰比采用3:1、2:1、1:1、0.8:1、0.6:1比級，開灌水灰比一般采用3:1。固結(jié)灌漿質(zhì)量采用灌后壓力試驗及彈性波檢測評定。固結(jié)灌漿合格標(biāo)準(zhǔn)為灌后基巖壓水檢查透水率q≤3Lu，灌后基巖彈性波縱波速度平均值V?！?000m/s。 
　　 
　　4.2大壩基巖面找平混凝土封閉式固結(jié)灌漿應(yīng)用部位 

　　三峽開發(fā)總公司組織專家對主體建筑物建基巖面找平混凝土封閉式固結(jié)灌漿試驗成果進(jìn)行了評審，根據(jù)灌漿試驗成果，評審認(rèn)為三峽大壩壩基可采用找平混凝土封閉式固結(jié)灌漿施工技術(shù)。業(yè)主確定先在二期基坑內(nèi)施工的左岸廠房壩段選擇幾個壩段進(jìn)行找平混凝土封閉式固結(jié)灌漿生產(chǎn)性試驗。在總結(jié)生產(chǎn)性試驗經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，應(yīng)用在大壩泄洪壩段部分壩塊基礎(chǔ)固結(jié)灌漿。泄洪壩段設(shè)2條縱縫，泄1－5號壩段第3塊尺寸大(21m×57m)，受溫控限制，1999年高溫季節(jié)不能澆筑基礎(chǔ)約束區(qū)混凝土，業(yè)主安排澆筑找平混凝土進(jìn)行封閉式固結(jié)灌漿施工，為低溫季節(jié)澆筑基礎(chǔ)約束區(qū)混凝土并連續(xù)上升創(chuàng)造條件，防止該部位混凝土產(chǎn)生裂縫。三期基坑施工的右岸廠房壩段及非溢流壩段全面推廣應(yīng)用了找平混凝土封閉式固結(jié)灌漿施工技術(shù)。右岸廠房壩段及非溢流壩段固結(jié)灌漿總計50個單元，除10個單元采用有蓋重固結(jié)灌漿施工，6個單元采用有蓋重與找平混凝土封閉結(jié)合施灌外，其余34個單元全部采用找平混凝土封閉式固結(jié)灌漿施工，占單元總數(shù)的68％。 
　　 
　　4.3大壩建基巖面找平混凝土固結(jié)灌漿質(zhì)量評價 

　　(1)找平混凝土封閉式固結(jié)灌漿施工 

　　大壩建基巖面整修清理完成并經(jīng)驗收合格后，澆筑找平混凝土厚度0.2－0.5m，待達(dá)到齡期要求后即進(jìn)行固結(jié)灌漿。找平混凝土質(zhì)量同大壩基礎(chǔ)約束區(qū)混凝土，設(shè)計標(biāo)號為90天齡期200號、抗凍標(biāo)號F150?？?jié)B標(biāo)號W10，三級配。找平混凝土封閉式固結(jié)灌漿施工方法及工藝與有蓋重固結(jié)灌漿相同，主要區(qū)別在第一段灌漿壓力較有蓋重固結(jié)灌漿采用低值，阻塞器一般阻塞在基巖頂部，如找平混凝土厚度超過0.3m，可阻塞在混凝土與基巖接觸處。灌漿過程中，出現(xiàn)冒漿現(xiàn)象，采用地表封堵、嵌縫，低壓、濃漿、限流、限量、間歇灌注等方法處理。 

　　(2)找平混凝土封閉式固結(jié)灌漿分序施灌及壓水成果 

　　右岸廠房壩段固結(jié)灌漿I序孔平均注入量為10.85Kg/m，Ⅱ序孔平均單位注入量為6.95Kg/m，呈明顯遞減趨勢，遞減率為35.9％；壓水成果I序孔平均透水率為15.42Lu，Ⅱ序孔平均透水率為9.04Lu，呈明顯遞減趨勢，遞減率為41.4‰符合一般灌漿規(guī)律。右岸非溢流壩段固結(jié)灌漿I序孔平均注入量為3.90kg/m，Ⅱ序孔平均注入量為1.72Kg/m，呈明顯遞減趨勢，遞減率為70.33％；壓水成果I序孔平均透水率為5.24Lu，Ⅱ序孔平均透水率為1.47Lu，呈明顯遞減趨勢，遞減率為71.9％，符合一般灌漿規(guī)律。 

　　(3)找平混凝土封閉式固結(jié)灌漿質(zhì)量檢查及評價 

　　右岸廠壩段布置灌漿后質(zhì)量檢查孔87個，壓水平均透水率0.04Lu；右岸非溢流壩段布置21個檢查孔，壓水平均透水率0.23Lu，所有檢查孔壓水最大透水率均小于1Lu，滿足設(shè)計要求小于3Lu。檢查孔取芯多為中長柱狀，一般較完整，獲得率90％以上。檢查孔芯樣水泥結(jié)石厚度1－5mm，最厚達(dá)10mm。彈性波測試，單孔灌后比灌前提高1.41％－3.89％；跨孔平均值灌后比灌前提高2.51％－5.18％，灌后波速一般不小于5000m/s，滿足設(shè)計要求。 
　　 
　　5　結(jié)語 
　　 
　　(1)2003年6月，三峽工程在三期基坑內(nèi)施工的大壩右岸廠壩段及右岸非溢流壩段的基礎(chǔ)開挖至建基巖面高程，為避開7月、8月高溫期間澆筑大壩基礎(chǔ)約束區(qū)混凝土，而產(chǎn)生大壩混凝土裂縫的風(fēng)險，業(yè)主決定澆筑找平混凝土，進(jìn)行封閉式固結(jié)灌漿施工，為9月份大壩混凝土全面施工創(chuàng)造條件，解決了大壩基礎(chǔ)約束區(qū)混凝土澆筑與固結(jié)灌漿施工矛盾，在秋冬低溫期大壩基礎(chǔ)約束區(qū)混凝土澆筑可以連續(xù)上升，降低了混凝土產(chǎn)生裂縫的風(fēng)險，為混凝土壩建基巖體固結(jié)灌漿闖出一條新路。 

　　(2)混凝土壩建基巖面澆筑找平混凝土僅限于固結(jié)灌漿區(qū)域，主要用于填補(bǔ)壩基地質(zhì)缺陷處理開挖的溝槽和封堵基巖面裂縫。找平混凝土質(zhì)量要求同大壩基礎(chǔ)混凝土相同。固結(jié)灌漿完成后，對已松動的找平混凝土應(yīng)予清除。在大壩廊道內(nèi)進(jìn)行輔助帷幕灌漿和主帷幕灌漿時，將阻塞位置設(shè)在找平混凝土層以上部位，以加強(qiáng)對找平混凝土可能存在的裂縫進(jìn)行補(bǔ)灌。必要時也可在大壩廊道內(nèi)增布加固灌漿孔。 

　　(3)對于混凝土壩基巖性狀相對較差的巖體(如壩基為紅層巖石及較破碎的巖體)采用找平混凝土封閉式固結(jié)灌漿，應(yīng)增布設(shè)淺孔(孔深5m左右)，采用低壓固結(jié)灌漿后，作為表層的覆蓋巖層重量，增大壓力對其以下巖體進(jìn)行固結(jié)灌漿，以保證灌漿質(zhì)量。壩基表層巖體可在澆筑基礎(chǔ)混凝土(厚度5m左右)后，再進(jìn)行復(fù)灌，復(fù)灌深度應(yīng)超過表層淺孔低壓灌漿深度，并搭接1m左右，以提高表層巖體固結(jié)灌漿和基巖面與大壩混凝土接觸面灌漿質(zhì)量。 

　　(4)找平混凝土封閉式固結(jié)灌漿在施灌過程中應(yīng)加強(qiáng)抬動監(jiān)測，嚴(yán)格控制灌漿壓力與單位注入量的關(guān)系，防止抬動。找平混凝土發(fā)現(xiàn)抬裂應(yīng)待凝一段時間后再進(jìn)行下續(xù)孔段灌注，以保證固結(jié)灌漿質(zhì)量。