摘 要：苏只水电站枢纽区建基面为软弱粘土岩基础，由于粘土岩的成层性和连续性较差，抗风化能力弱，具有遇水易泥化、失水易崩解、干缩的特点。因而在粘土岩基础上进行灌浆时，采用合适的灌浆参数是确保水泥灌浆取得成功的重要因素。文章着重介绍了粘土岩基础灌浆参数的优化选择，通过基础灌浆对提高基础面岩体的强度、完整性及防渗性具有明显的作用，为今后同类基础岩体的灌浆施工积累了较为重要的施工经验。
关键词：苏只水电站 粘土岩 基础灌浆 施工方法
1 概况
黄河苏只水电站位于青海省循化县与化隆县交界处的黄河干流上，上距公伯峡水电站12km，其水库末端与公伯峡电站尾水相接，电站左岸有新修的2.7km对外公路与公伯峡对外公路相接，对外交通十分便利，电站距西宁市公路里程148km。该电站以发电为主，并兼顾少量灌溉等综合利用效益。枢纽前沿总长度634.55m，最大坝高47.75m，主要由河床式电站厂房、泄洪闸、排砂孔、右岸复合土工膜防渗堆石坝及开关站等建筑物组成。
2 坝基主要地质特性
该电站枢纽区基础岩石主要岩性为粉砂质粘土岩、粘土岩(N2l-ClS)，砖红色。岩层走向NE50°～60°，倾向SE，倾角5°～15°，主要属弱风化岩体，泥质结构，层状构造，局部呈斜交层理，由泥质胶结，成岩程度差，岩性较软，成层性和连续性较差。岩体中断裂构造不发育，裂隙少而短小，主要由粘粒和少量碎硝物质组成。发育层理面，宽度一般0.5～3mm，充填岩屑及少量泥质等，未胶结，面较平直、光滑，发育间距大于2m，延伸长度一般3～5m。粘土岩物理力学性质主要表现为强度低、抗风化能力弱、暴露后易产生回弹、松弛，遇水易软化、膨胀，失水易崩解、干缩，因而对粘土岩基础要采取固结和防渗处理，以改善坝基承载、压缩等力学性质和渗透稳定条件。
3 固结、帷幕设计布置情况
依据苏只水电站枢纽区泄洪闸建筑物的布置型式，设计人员对坝基固结灌浆区域主要布置在泄洪闸的进、出口部位、消力池与护坦段齿槽及泄洪闸左、右边墙部位;孔位均按孔距×排距=3.0m×3.0m布置，固结钻灌深度按深入基岩5.0m进行设计。针对电站坝前库水位水头较低，坝基的渗透压力较小的情况，只在泄洪闸闸室段河床3.0m×4.0m廊道内,坝轴线以上2.25m布置了单排帷幕灌浆孔;帷幕孔均为垂直孔，孔距2.0m，帷幕钻灌深度按深入基岩10.0m进行设计。
4 主要灌浆参数的选择
合适的灌浆参数是保证水泥灌浆取得成功的重要因素，对灌浆参数的控制就显得尤为重要。本工程在大规模灌浆施工前，针对粘土岩具有遇水易软化、失水易崩解的特性，选取有代表性的坝基作为试验块，进行固结灌浆试验和帷幕灌浆试验，通过灌浆试验成果的分析，对部分灌浆参数及施工方法进行了优化选择，从而确定在粘土岩基础上进行固结灌浆和帷幕灌浆的有关施工参数，为指导主体固结、帷幕灌浆施工，提高坝基岩体强度及整体性，并为确保帷幕灌浆满足电站防渗要求奠定基础。
4.1固结灌浆
4.1.1固结灌浆试验
(1)试验区的选定
根据泄洪闸右边导墙各段盖重混凝土施工的现场情况与地质条件，灌浆试验区选定在泄洪闸右边导墙N段，进行生产性灌浆试验。
(2)孔位布置
试验区长16.0m，宽9.0m，灌浆孔按正方形布置，孔间、排距均为3.0m，分二序施工，孔深为深入基岩5.0m，共布置15个孔。考虑到坝基粘土岩岩层地质条件较差，具有遇水软化等特点，固结灌浆钻孔采用100B型钻机干式冲击法造孔，钻孔孔径为φ91mm。
(3)灌浆参数的选取及确定
由于在粘土岩岩层中遇水后性能易恶化，按设计要求灌浆前不再进行裂隙冲洗和简易压水，采用0.3Mpa的高压风对孔壁进行冲洗。灌浆试验时选用孔内循环式和纯压式两种灌浆方法，灌浆孔分两序进行，全孔一段进行灌浆;其中循环式灌浆Ⅰ序孔灌浆压力为0.2MPa，Ⅱ序孔为0.4MPa，纯压式灌浆Ⅰ序孔灌浆压力为0.3MPa，Ⅱ序孔为0.5MPa。
通过右边导墙N段的生产性灌浆试验结果，验证了拟定的灌浆参数的合理性，最终采用了孔内循环式灌浆方法，并全孔一次进行灌浆，将3：1、2：1、1：1、0.5：1(重量比)四个比级水灰比作为固结灌浆用水灰比。
4.1.2灌浆工艺及方法
灌浆浆液水灰比按试验后确定的四级水灰比逐级变浓的原则进行浆液变换，开灌水灰比为3：1。在盖重混凝土上采用栓塞式自上而下全孔一次孔内循环式灌浆法灌浆。灌浆压力为0.2～0.4MPa，灌浆时进行抬动观测，如发生抬动立即减压。当Q<1.0L/min时,达到设计压力后继续灌注30min即可结束。
4.1.3质量检查及效果分析
针对苏只电站基岩岩性情况，结合固结灌浆试验成果，按设计要求灌后不做压水试验，在固结灌浆施工时只做岩体灌浆前、后的声波测试，以便对照灌浆前、后的波速变化关系，作为固结灌浆效果检查和质量评定的主要依据。
固结灌浆效果主要通过以下几方面进行分析：
(1)灌浆耗灰量分析
基础固结灌浆已完成1050个孔，累计钻孔及灌浆5516m，耗用水泥1415t，平均单耗257㎏/m。各次序孔灌浆成果统计及耗灰量见表1。
表1 各次序孔灌浆成果统计
|
孔序 |
段长（m） |
耗灰量（㎏） |
平均单耗（㎏/m） |
|
Ⅰ |
2745 |
1007298 |
367 |
|
Ⅱ |
2771 |
407850 |
147 |
资料表明，Ⅱ序孔的平均耗灰量为Ⅰ序孔平均耗灰量的40%，呈明显递减趋势，说明灌浆设计和灌浆施工是成功的。另外，在建基面开挖完成后，为避免粘土岩基础面失水崩解，在其上部先浇筑20cm厚的混凝土垫层。由于各种原因使得部分分块混凝土与其垫层混凝土的施工间隔时间较长，从而导致其垫层混凝土与建基面粘结效果不好，出现了单位注入量偏大的现象。
(2)声波测试成果分析
钻孔声波测试是判断坝基开挖松弛厚度，评价坝基岩体质量及检查固结灌浆效果的重要依据。在苏只电站泄洪闸固结灌浆施工中，对每个分块布置1～2组声波测试孔，每组由3个孔并列组成。这些声波测试孔在灌浆前进行一次声波测试，待各序孔灌浆完成14d后，对测试孔进行原位扫孔，再进行灌浆后的声波检测。将灌前灌后测试结果进行对比，评价灌浆效果。整个泄洪闸坝基固结灌浆检测中，共完成测试孔51个，其中灌前孔48个，灌后孔51个。灌浆前后声波测试分析成果见表2。
表2 灌浆前后声波测试分析成果
|
部位 |
灌前平均波速（m/s） |
灌后平均波速（m/s） |
波速提高率（%） |
|
右导墙 |
1780 |
2134 |
19.89 |
|
左导墙 |
1941 |
2275 |
17.21 |
|
闸室段 |
2038 |
2247 |
10.26 |
从表2声波孔的测试结果可以看出，经过基础固结灌浆处理后，基岩的波速提高较大，灌后波速增长率均大于3%的设计要求，表明通过灌浆后提高了建基面岩体的强度，灌浆效果明显。
4.2 帷幕灌浆
4.2.1帷幕灌浆试验
(1)试验区的选定
由于工程合同书中要求不得在帷幕灌浆线上进行灌浆试验，根据现场的施工情况，灌浆试验区选定在泄洪闸右边导墙“十”字交叉纵向廊道内下游部位。
(2)孔位布置
试验区长5.0m，布置单排灌浆试验孔。灌浆孔均为垂直孔，孔距为2.0m，分两序施工，孔深为深入基岩10.0m，共布置3个孔。通过固结灌浆施工经验，由于100B型钻机钻孔较难满足帷幕孔孔斜精度要求以及廊道内通风条件差，不利于干式法钻孔，从而在帷幕灌浆试验孔钻孔中尝试采用SGZ-IIIA型地质钻在粘土岩岩层中钻孔的可钻性和取芯效果;开孔孔径为φ91mm，终孔孔径为φ56mm。
(3)灌浆参数的选取及确定
针对粘土岩岩性特点，钻孔结束后不进行裂隙冲洗，采用无压大流量从孔底向孔外冲洗，尽量缩短冲洗时间;帷幕灌浆试验采用二序施工、孔口封闭、自上而下分段，孔内循环的灌浆方法，其中第一段段长2.0m,第二段段长3.0m,第三段段长5.0m。灌浆压力第一段(孔口段)为0.5Mpa，第二段 为0.8Mpa，第三段为 1.5Mpa;灌浆压力第二段按照Phi=0.5+0.1×(hi-a)控制，第三段按照Phi=0.5+0.13×(hi-a)控制，其中hi为孔深，a为第一段孔深。
经帷幕灌浆试验检查孔防渗效果检查结果显示，满足设计防渗要求，从而验证了拟定的施工工艺和方法，灌浆参数及灌浆水灰比是适宜的，即采用3：1、2：1、1：1、0.5：1(重量比)四个比级水灰比作为泄洪闸帷幕灌浆用水灰比，开灌水灰比为3：1。
4.2.2钻孔施工
经帷幕灌浆试验钻孔和取芯的实践证明，在粘土岩岩层中钻孔采用地质钻是可行的，取芯效果明显。这样便于钻孔偏斜率控制在设计允许范围内，从而确保了帷幕灌浆施工质量，改善了廊道内的施工环境，达到了安全文明施工的要求。 帷幕孔钻孔采用φ91mm金刚石钻头开孔、φ56mm终孔。钻孔机械采用SGZ-ⅢA型地质钻机。在钻孔过程中关键是采用小水量、低转速钻进，才能取得较好的钻孔效果。
4.2.3灌浆工艺、方法
帷幕灌浆采用孔口封闭、孔内循环、自上而下分段法施工。由于入岩深度只有10.0m，灌浆最大压力为1.5MPa。灌浆压力及段长见表3。灌浆机械为SGB6-10型灌浆泵。灌浆材料为中热525#硅酸盐水泥。灌浆布置采用集中制浆，将0.5：1水灰比的浓浆用泵送至施工现场，再根据需要加水兑制相应比级的浆液进行灌浆。
4.2.4质量检查及效果分析
由监理工程师指定检查孔位置。检查方法均以压水试验为主，结合钻孔、取岩芯资料、灌浆记录和测试成果等评定其质量。
表3 灌浆压力表
|
段号 |
段长（m） |
灌浆压力（MPa） |
入岩深度（m） |
|
1 |
2.0 |
0.5 |
2.0 |
|
2 |
3.0 |
0.8 |
5.0 |
|
3 |
5.0 |
1.5 |
10.0 |
帷幕灌浆效果主要通过以下几方面进行分析：
(1)灌浆耗灰量分析
从坝基帷幕灌浆各次序孔平均单位耗灰量和平均单位耗灰量区间统计成果中可以看出，I、II序孔的平均单位耗灰量分别为497kg/m、134kg/m，递减率达73%，表明I序孔单位耗灰量大于II序孔平均单位耗灰量。由此可见，随着孔序的增加，二者递减效果显著，符合随孔序的增加而水泥单耗逐渐减少的灌浆原则，符合一般灌浆规律。另外从单位耗灰量区间分析，I序孔共施工63段，200～500kg/m的区间占40%，大于500kg/m的区间占60%;II序孔共施工63段，小于10kg/m的区间占5%，10～50kg/m的区间占10%，50～100kg/m的区间占8%，100～200kg/m的区间占28%，200～500kg/m的区间占44%，大于500kg/m的区间占5%。 通过以上数据说明该部位岩体可灌性较好，对坝基进行帷幕灌浆施工的效果明显，提高了坝基岩体的防渗能力，起到了防渗作用。各次序孔灌浆综合成果统计见表4。
表4 各次序孔灌浆综合成果统计
灌浆
次序 |
孔数 |
灌浆总长(m) |
水泥耗灰量(㎏) |
平均单位耗灰量(㎏/m) |
单位注入量(kg/m) |
|
总段数 |
<10 |
10～50 |
5～100 |
100～200 |
200～500 |
>500 |
|
I |
21 |
210 |
154285 |
497 |
63 |
|
|
|
|
25∕40 |
38∕60 |
|
II |
21 |
210 |
40422 |
134 |
63 |
3∕5 |
6∕10 |
5∕8 |
10∕28 |
28∕44 |
3∕5 |
(2)压水试验分析：
通过对检查孔进行压水试验的成果来看，检查孔共压水9段，平均透水率q为0.00 Lu，小于设计要求的透水率。由此可见，防渗性能满足设计的防渗标准，表明帷幕灌浆效果明显，达到了帷幕防渗的目的。
(3)声波测试成果分析
从检查孔灌前后波速图看，在高程▽1866～▽1868、▽1860～▽1864之间波速有不同程度的提高，特别是在高程▽1860～▽1862之间提高幅度较大。灌前实测波速为1887～2564m/s，波速Vp平均值为2179m/s，灌后实测波速为2041～2500m/s，波速Vp平均值为2250m/s，灌浆前后波速平均提高率为3.29%,表明该部位的可灌性较好,灌浆在此部位起到了明显的作用,灌后波速较灌前有相应的提高。
(4)检查孔取芯分析
从检查孔取芯看，检1、2、3的岩芯中不同程度地发现有水泥结石充填在水平裂隙中，且胶结紧密，有一定的硬度，这表明水泥灌浆是可以达到防渗效果的。同时在粘土岩基岩中所钻取的岩芯比较完整，呈柱状，其RQD值为65%，岩芯获得率达到了87%，这也说明了在粘土岩钻孔施工中采用小水量、低转速钻进的方法是成功的，满足了孔斜精度的要求，保证了帷幕的施工质量。
5 结语
苏只水电站泄洪闸工程粘土岩基础灌浆施工是在结合工程地质、灌浆廊道的布置特点，通过进行固结、帷幕灌浆试验所取得的成果，采取了相应的灌浆参数、施工工艺和方法。经过实践检验粘土岩岩体具有一定的可灌性，通过基础灌浆提高了基岩的整体性，对坝基起到了较好的加固作用，增强了坝基岩体的防渗性能，防渗效果满足设计要求，为今后同类基础岩体的施工积累了较为重要的施工经验。
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