摘要：巴基斯坦杜伯华水电站帷幕灌浆施工为深厚覆盖层潜孔钻跟管钻进、花管灌浆工艺。由于其地址条件复杂，含大量坚硬的漂石、孤石，给造孔施工带来的较大困难。同时如此系统的花管灌浆工艺在帷幕灌浆施工中鲜有。本工程的成功实施为类似工程积累了一定经验，具有较强借鉴意义。
关键词：深厚覆盖层 大量坚硬孤石 跟管钻进 花管灌浆
1 工程概况
杜伯华水电站位于巴基斯坦西北边境省（NWFP）境内DUBER KHWAR河上，工程主要建筑物由壅水坝、电站进水口、沉沙池、发电引水隧洞、调压井、压力钢管隧洞、压力钢管、发电厂房、尾水渠、开关站等组成。堰址位于杜伯华河流上的Banil 村上游，为混凝土重力堰。
本次帷幕灌浆工程主要在重力坝廊道内进行，帷幕灌浆总量约18187.19m，其中覆盖层灌浆进尺约11925.57m，基岩灌浆量6261.62m。
2 工程地质条件
DUBER KHWAR河为印度河的右岸支流，坝址区河谷呈宽阔的V形，山脉陡峻，谷底宽70～90m，两岸坡度40～50。坝轴线处河宽约100m，河床高程1196m，主河道宽约20m，堰坝切割处宽175m。河床天然坡度较陡，河水湍急，堰址处河床天然坡度大于4%。
坝轴线分布有较厚的覆盖层，堰址区主要由侏罗系的Kohistan 群的角闪岩类和第四系的冲积物和坡崩积物组成。覆盖层厚度自左向右逐渐变薄，左岸覆盖层厚度在52～ 60m，右岸覆盖层的厚度为15～17m。右岸河谷的边缘岩石出露，岩性为角闪岩和石榴角闪岩。左岸有较厚坡崩积物，基岩表部风化卸荷较强烈，边坡稳定条件较差，尤其是左岸的坡崩积边坡，处于临界状态，应采取必要的防护措施。
3 灌浆帷幕设计
3.1 设计防渗方案
溢流堰、进水口的底高程为1183.50m，基础面高程约为1140.00m。堰坝、进水口都坐落在砂砾石覆盖层上，为降低堰底扬压力，减少枢纽整体渗漏量，枢纽采用帷幕灌浆进行垂直防渗，帷幕深度要求入岩5m（考虑到孤石直径可能达到5m），经过施工验证，帷幕灌浆覆盖层的最大孔深达到了70m。同时作为辅助防渗措施，上游设30m长混凝土铺盖。帷幕厚度不小于6米；帷幕的检查孔渗透系数小于i×10-5cm/s（1≤i＜10）。
3.2 灌浆帷幕的布置
灌浆帷幕底线到达高程1140.00m，且帷幕深入岩石不小于5m。若孔底段岩石透水率大于5Lu，将根据工程师的指令决定是否进行加深。
在覆盖层灌浆区域，帷幕灌浆孔布置为3排，孔距1.5m，排距1.0m，灌浆孔成梅花型布置；在两岸基岩灌浆区域，帷幕灌浆孔布置为2排，孔距1.5m，排距1.0m，对称布置。
4 施工难点
（1）本工程初次进场时间为2006年7月，期间受恐怖袭击及洪水泥石流灾害影响暂停两次，本次为2010年10月撤场后的第三次进场施工。处于对经济及安全方面的考虑，业主要求6个月完成剩余工程量施工，工期异常紧张。
（2）由于灌浆对象为深厚覆盖层，钻孔及成孔非常困难，覆盖层内夹杂大量坚硬孤石、漂石，最大直径大于5m，且富含地下动水，跟管钻进十分困难。
（3）本工程大量系统的采用潜孔钻跟管钻进钻孔，预埋花管法灌浆施工工艺。预埋花管法灌浆对各道工序要求非常严，包括跟管钻进、套壳料填筑、花管下设、套管拔出，由于没有可借鉴的相关施工经验，如其中一个环节出现问题很可能造成全孔报废的严重后果。工序质量控制要求高，为类似工程的施工提供了宝贵的管理经验。
5帷幕灌浆施工
5.1 灌浆施工工艺与流程
围堰覆盖层帷幕灌浆采用袖阀管法浆，采用自下而上分段卡塞灌浆工艺。工艺流程：钻孔→清孔→灌注填料→下花管→起套管→待凝→卡塞→开环→灌浆。
5.2 钻孔
帷幕灌浆钻孔主要采用跟管钻进工艺造孔，选用YG-100、YG-80全液压工程钻机，ATLAS公司生产的XAVS786型移动螺杆式中风压空气压缩机为风动潜孔锤提供孔底碎岩动力。钻进过程中对钻进的地层及异常情况连续观察，及时记录，以便于提高灌浆的针对性。
为解决钻孔跟管困难的问题，采用两套直径不同的跟管，第一套管直径147mm，钻进深度0～30m，第二套管直径107mm，钻进深度30～60m。
5.3孔壁填料
孔壁填料主要由水泥、膨润土及水组成，其性能具有合适的强度和脆裂性能，强度约5Mpa，这样便于开环，防止浆液纵向串冒。填料初凝时间约1天，终凝时间约3天，以便有充裕的时间下设花管和拔出套管，保证下一步灌浆工作的顺利进行。由于孔壁填料在灌浆过程中逐步被破坏掉，不能作为永久防渗材料使用。
配置1m3填料所需材料配比见表1，施工中可根据实际情况对配比进行调整，使填料性能满足要求。
对存在架空现象的漏失地层，可在填料浆液中掺加砂子制成砂浆，在下设花管的过程中利用其对地层的架空空穴进行回填。
表1 花管灌浆孔壁填料配比
5.5 套阀管下设
套阀管采用高强度硬质塑料管。采用螺纹连接，内径保持一致，便于下置栓塞。花管上花眼间距设计为333mm，孔径10mm，每排4孔，对称布置，出浆孔部位安装橡皮套阀。
向灌浆孔中充灌填料时使用灌浆泵（普通3SNS灌浆泵即可）经注浆管从孔底注入，至孔口返出的填料与注入的填料密度之差不大于2％为止。
灌注填料后立即下设灌浆花管。花管底管带有一个圆锥形管帽装置，防止花管下设过程中填料进入花管。灌浆花管下设完成后拔除套管，套管拔除过程中应不间断补充填料浆液至溢满孔口为止。
5.6 灌浆施工
5.6.1 灌浆浆液
在灌浆施工中，根据地层情况以及灌浆部位选用水泥-膨润土浆液。
水泥-膨润土浆液水固比采用2：1、1：1、0.8：1、0.6：1和0.45：1，掺加水泥重量3～5%的膨润土，根据浆液的扩散及灌浆情况，在Ⅰ序孔内可少掺，在Ⅱ、Ⅲ序孔内多掺。现场试验中可根据实际情况调整水固比，使浆液性能满足灌浆要求。
其中0.45：1的浆液为膏状浆液，浆液的扩散范围可控性较好，用于灌注大空隙及脱空地层。
5.6.2 灌浆
① 灌浆段长的划分
在砂砾石地层以1m段长为一段灌浆。下置单塞或双塞封闭灌浆段后施灌。
② 开环
泵入清水或稀浆进行开环，打开橡套阀和冲开填料，开环压力应逐级施加，不得突然增大。开环压力受地层及填料厚度等影响，最大可达到6MPa，当开环成功后压力迅速降低，流量增大。开环只在该段灌浆施工前进行。
③灌浆压力
孔口段开灌压力采用0.5MPa，每增加1m孔深递增0.1MPa，最大压力不超过3MPa。在灌浆过程中根据实际施工情况，可作合理调整。
④ 浆液浓度及灌浆过程控制
浆液采用五个比级：水固比为2：1、1：1、0.8：1、0.6：1和0.45：1。
帷幕灌浆浆液浓度遵循由稀到浓的原则逐级改变。变换标准为：
a.当灌浆压力保持不变，注入率持续减少时，或当注入率不变而压力持续升高时，不得改变水固比；
b.当某一比级浆液的注入量已达600～800L以上或灌注时间已达30min，而灌浆压力和注入率均无改变或改变不显著时，应改浓一级；
c.当注入率大于30L/min时，可根据具体情况越级变浓；
d.当灌浆段干料注入量累计达到6t/m时（浆液扩散半径按2.0m计算），若是Ⅰ序孔停止该孔段的灌注，Ⅱ序孔和Ⅲ序孔待凝2～4h后复灌。
⑤ 灌浆结束标准
各孔段灌浆的结束条件应根据地层情况、和灌浆孔所在的部位采取下列两种标准：
a.达到设计最大灌浆压力，注入率小于或等于2L/min，持续时间已达20min，可以结束该段灌浆；
b.注入干料量已达到规定的限值6t/m后结束灌浆。
边排孔Ⅰ序孔达到上述两条件之一即可结束灌浆，其他次序孔均应达到第一个条件方可结束灌浆。
5.6.3 特殊情况处理
1）灌浆过程中，当沿孔壁、花管管壁或地面等处发生冒浆现象，可用下列方法处理：
①降低灌浆压力，浓浆灌注；②堵塞冒浆处；③采用间歇灌浆法；④在浆液中掺加速凝剂，低压灌注。
2）灌浆工作必须连续进行，若因故中断，可按照下述原则进行处理：
①尽可能缩短中断时间，及早恢复灌浆；②若中断时间超过30min，则要冲洗钻孔，如无法冲洗或冲洗无效，则应进行扫孔，而后恢复灌浆；③恢复灌浆时，使用开灌比级的水泥浆进行灌注。如注入率与中断前的相近，即可改用中断前比级的浆液继续灌注；如注入率较中断前的减少较多，则浆液应逐级加浓继续灌注；④恢复灌浆后，如注入率较中断前的减少很多，且在短时间内停止吸浆，应采取补救措施。
3）当灌浆压不开环时，可根据情况采用下列方法处理：
①若系孤石约束原因，该环可以不灌；②检查灌浆塞位置是否正确，并加以调整；③使用较高压力，进行高压开环；④高压开环无效时，可先进行上环或下环开环灌注，而后再进行未压开的环。
4）高渗透性地层的灌浆：
对大空隙及架空等高渗透性地层，可根据不同的情况分别灌注砂浆、膏状浆液或速凝浆液。
①对覆盖层中存在的高渗透漏失地层，可在下设花管的过程中回填砂浆预处理，砂浆配比如前所述；②在覆盖层灌浆过程中发现的大吸浆量孔段可以灌注膏浆或速凝浆液，膏状浆液采用水灰比为0.45：1的水泥浆掺加一定量膨润土制成，前面已经提及；速凝浆液主要采用水泥-水玻璃浆液，水泥浆液采用水灰比0.8：1～1：1，水玻璃的加量为水泥浆液体积的5～10%左右，对存在地下动水的大孔隙地层可采用此种浆液，用以加快浆液的凝结时间。
5）灌浆段注入量大而难以结束时，可选用低压、浓浆、限流、限量、间歇灌浆等措施处理：
5.6.4封孔
灌浆结束后的封孔采用全孔灌浆封孔法，使用0.5：1或0.45：1的纯水泥浆。
封孔后对由于浆液析水产生的孔口空余段采用砂浆回填密实并人工抹平。
6施工难点解决方案
6.1 施工工期紧张技术处理方案
本次进场施工工期紧张主要体现在以下几个方面：1、剩余工程量大，约占总工程量的2/3；2、现场施工干扰大，与大坝混凝土浇筑交叉施工，临建工程量大；3、廊道内施工，工作面狭小，设备及人员无法继续增加；4、要求完成的剩余时间十分紧张，经过计算如按以往施工工艺难以完成。对此，采取的措施是加大灌浆段长，分别在灌浆廊道内选取两个试验段，对段长调整到0.5m和1m进行具体灌浆试验，最后通过试验确定当帷幕灌浆孔为3排孔时，段长调整到1m，其他灌浆参数不变，检查孔可达到设计要求。段长变为原来的3倍，极大的提高的施工工效，有效缩短施工工期50%以上。
6.2 坚硬大孤石的跟管钻孔处理
由于是深厚覆盖层施工，钻孔及成孔非常困难，覆盖层内夹杂大量坚硬孤石、漂石，最大直径大于5m，且富含地下动水，跟管钻进十分困难。通过岩石坚固系数的试验，该地区岩石坚固系数达到了18以上，且直径1m以上的孤石含量达到了30%～40%。单套管跟管钻进最深只能达到40m，部分孔可能更浅就会出现跟管断裂的问题。为解决这一难题，采取了同一孔内同时跟两套管的施工工艺，采用直径147mm的钻具进行上部30m的施工，当出现跟管断裂的情况后取出钻头，跟换直径108mm的钻具及套管进行钻孔，直至入岩。入岩后采用岩心钻机进行取芯钻孔。
该工艺虽然能够有效的解决跟管断裂导致的孔故问题，使该孔能够继续钻进。但由于跟管较多，重复更换钻具等工艺繁琐，给现场施工管理带来一定难度。
6.3 花管灌浆工序控制
由于花管灌浆对各道工序要求非常高，包括跟管钻进、套壳料填筑、花管下设、套管拔出，其中任何一个环节出现问题很可能造成全孔报废的严重后果，工序控制要求非常高。为此制定了工序承包责任制和相应的奖惩机制，尽量提高单孔的成孔率，减小重新开孔带来的经济及时间损失。钻孔及跟管由钻孔机组负责实施，完成后申请现场技术人员验收，合格后交由拔管及花管下设机组进行施工，花管下设机组完成该施工工序后由现场技术人员及灌浆机组进行验收，验收合格后交由灌浆施工机组进行管理。灌浆机组灌浆前再申请灌浆验收，重新对孔深进行检查，合格后方可进行灌浆。整个流程中如有任何一个环节验收不合格将进行返工处理，直至验收合格为止。如在返工过程中消极怠工，单位时间内无法完成将给予一定的处罚；同时，如一次性验收合格，将计入该月绩效考核，月末统一进行奖励。如此有了一套完整的管理机制和奖惩措施，整个施工过程中大大提高了单孔成孔效率及灌浆质量。
7施工成果
通过一系列的控制措施及灌浆优化方案，施工工效及施工进度得到了大幅度的提高，克服了工期紧张、地质条件差成孔困难、工序复杂等诸多难题，扭转了施工进度缓慢的局面，最终达到了业主的施工要求及质量要求。累计完成覆盖层钻孔8996.56m，灌浆10441.1t，平均耗灰量1160.57kg。
8质量检查
根据施工规范及设计要求，帷幕灌浆质量检查采用钻孔取芯，覆盖层内注水试验，共计进行覆盖层注水试验95段，检查孔检测比例5%。检查孔覆盖层注水试验最大渗透系数6.6×10-5，最小渗透系数7.37×10-6，全部合格，各项指标满足设计要求。检查孔取芯显示，在不同深度可见水泥结石，水泥充填效果较好。同时根据大坝蓄水情况分析，未发现大坝下游有明显渗水点，大坝蓄水运行良好。
钻孔常水头注水试验方法：用带水表的注水管或量筒连续向套管内注入清水，使管中水位高于地下水位一定高度或至管口并保持固定，测出高出地下水位的固定水头Hc，并记录时间和水表（或量筒）读数。试验时保持固定水头Hc不变，其波动幅度不应大于1.0cm。先按1min间隔观测5min，再按5min间隔观测到30min，以后每隔30min观测一次，直到最后两次平均流量之差不大于10％，视为流量稳定，终止试验。
用下式计算渗透系数：
k＝q×ln（2×L/D）/（2×π×L×Hc）
式中：k——渗透系数，单位cm/min；
q——稳定流量，单位cm3/min；
L——试验段长度，单位cm；
D——试验段钻孔直径，单位cm；
Hc——固定水头高度，单位cm。
检查孔的封孔采用分段压力灌浆封孔法，浆液采用0.45：1或0.5：1的纯水泥浆。
9结束语
巴基斯坦杜伯华水电站帷幕灌浆为系统的深厚覆盖层潜孔钻跟管钻进，花管灌浆施工，不同于常规帷幕灌浆工法。由于其特殊的地质条件，独特的潜孔钻跟管钻进成孔及花管灌浆工艺，对该工程的建设都是不小的考验。在帷幕灌浆施工过程中，通过不断的摸索、研究与总结，逐步形成了复杂地质条件潜孔钻跟管钻进、花管灌浆的施工技术，为今后类似工程的组织与施工积累了宝贵经验。
论文作者:熊颖
论文发表刊物:《基层建设》2018年第34期
论文发表时间:2019/1/15
标签：浆液论文; 帷幕论文; 钻孔论文; 填料论文; 开环论文; 地层论文; 套管论文; 《基层建设》2018年第34期论文;