金平水电站帷幕灌浆先导孔压水试验方法探讨.doc

1、金平水电站帷幕灌浆先导孔压水试验方法探讨摘要：本文通过对四川省甘孜州金平水电站大坝左岸灌浆廊道帷幕灌浆先导孔孔内栓塞法和孔口封闭法压水试验结果的分析，论述了不同压水试验工艺对试验结果的影响效应，可供其它水电工程帷幕灌浆压水试验参考。 关键词：帷幕灌浆；孔内栓塞法；孔口封闭法；压水试验；金平水电站 中图分类号：TV543+.16 文献标识码：A 1 工程简介 金平水电站位于四川省甘孜藏族自治州的康定县境内、大渡河左岸支流金汤河干流的中游，为金汤河干流梯级开发的第一级水电站，混合式开发。坝址位于子龙沟口下游 2.9km 处的园岩窝，至金汤河河口公路里程约 50km，距康定县城 107km。 金平水

2、电站以发电为主，兼顾生态环境用水。水库正常蓄水位为3090.00m，死水位为 3037.00m，总库容 2380 万 m3，调节库容 2030 万m3，具有季调节能力。电站装机 2 台，总装机容量 10 万 kW。 枢纽建筑物主要由沥青混凝土心墙堆石坝、左岸竖井溢洪道、右岸放空及生态输水建筑物、右岸引水建筑物及右岸地下厂房等组成。首部枢纽由沥青混凝土心墙堆石坝、右岸取水口及左岸竖井溢洪道等建筑物组成，沥青混凝土心墙堆石坝坝顶高程为 3093.50 m，坝轴线长268.00m，最大坝高 91.50m。 2 工程地质条件 坝址河段河流流向总体上近南北，坝址区河谷基本顺直，河谷横断面形态呈不对称“V

3、”形谷。坝址河床常水位 3008.30m，水面宽 7.0m，河谷底宽 79.0m，正常蓄水位 3090.0m 时，坝轴线河谷宽 237.9m，宽高比约 2.9:1。 坝址左岸坝轴线处基岩裸露；右岸坡面在高程 3010.00m3065.00m局部见基岩出露，出露基岩为二叠系上统大石包组(P2d)深灰绿色致密块状玄武岩，两岸基岩段节理裂隙较发育。坝址两岸其余坡面则被第四系崩、坡积及泥石流混合堆积块、碎石夹粘土所覆盖，厚度 18m50m。坝址河床覆盖层厚 35m85m，从上往下可分为四层： ：崩、冲积混合堆积含漂/块(碎)砂卵石夹粘土，漂/块、碎石成分为玄武岩，弱风化微新，断面新鲜，不规则状；碎石成

4、分以玄武岩为主，含少量灰岩；卵石成分包括灰岩及玄武岩。分布于河床以下深0m35.35m。变形模量 E030MPa，渗透系数 K=10-1cm/s。 ：河湖相粘土，褐黄色，软塑状。分布于河床以下深35.35m37.56m 处，向上游厚度趋薄。变形模量 E04MPa，渗透系数K=10-6cm/s。 ：崩、冲积混合堆积含漂/块砂卵/碎石夹粘土，块、碎石成分均为玄武岩，卵石成分包括玄武岩、灰岩及方解石(脉)。分布于河床以下深 37.56m81.16m 处。变形模量 E030MPa，渗透系数 K=10-1cm/s。 ：崩积块、碎石，含少量冲积卵石，块、碎石成分以玄武岩为主，含少量灰岩，弱风化微新，棱角清

5、楚；卵石成分有灰岩、玄武岩等。分布于河床以下深 81.16m85.56m。变形模量 E030MPa，渗透系数 K=10-1cm/s。 3 首部枢纽大坝设计防渗措施 金平水电站坝址区河床及右岸岸坡（大部分）为覆盖层，且覆盖层的透水性较强，存在坝基渗漏问题；左岸坝肩卸荷岩体裂隙的透水性亦很强，存在绕坝渗漏问题。鉴于以上因素，为确保大坝稳定，减少坝基及绕坝渗漏问题，结合有关规范和其它工程实践经验，坝体采用沥青混凝土心墙，坝基采用混凝土防渗墙结合防渗帷幕进行立体式全断面防渗，并采用固结灌浆加强坝基整体稳定性，详细孔位布置图见图 1。 坝基防渗方案详见图 2，具体布置原则为：在坝基及右岸岸坡覆盖层段设置

6、混凝土防渗墙，墙厚分别为 1.2m 和 0.8m，墙体嵌入基岩 1.0m；坝基防渗墙底部、岸坡基岩段及右岸防渗墙底部设置防渗帷幕，岸坡段防渗帷幕与坝基帷幕灌浆相连接形成整体防渗系统以防止心墙坝基础渗漏。为降低两岸基岩的渗透压力，防止绕坝渗漏，减少渗漏量，两岸帷幕灌浆向山体延伸，穿过卸荷裂隙，并接地下水位线。防渗帷幕与防渗墙连接部分的灌浆孔布置在防渗墙中心线上，帷幕灌浆孔孔距为 1.5m，左岸坝肩灌浆平洞内设置单排帷幕灌浆，深入山体 68m，帷幕深度按深入相对不透水层顶板 q3Lu 以下 5m 或地下水位线来控制。 图 1 沥青混凝土心墙堆石坝基础处理平面图 图 2 沥青混凝土心墙堆石坝防渗线路

7、纵剖面图 4 先导孔压水试验 为了准确定位帷幕深度，必须精确得知相对不透水层顶板 q3Lu 线及地下水位线精确位置。因前期勘察钻孔数量及勘察精度有限，按照设计要求及水工建筑物水泥灌浆施工技术规范 （DL/T 5148-2001，以下简称灌浆规范） ，在帷幕灌浆的先灌排或主帷幕孔中需布置先导孔。先导孔的作用主要是用于核对或补充灌浆地区地质资料，核实地下水位线以及相对不透水层顶板界线（q3Lu 顶板线） ，以便最终确定各个帷幕灌浆孔深度。帷幕灌浆先导孔需满足下列要求： a）帷幕灌浆先导孔应自上而下分段进行压水试验，试验采用单点法或五点法。 b）采用自上而下分段循环式灌浆法、孔口封闭灌浆法进行帷幕灌

8、浆时，各灌浆段在灌浆前宜进行压水试验。 4.1 先导孔孔位布置 根据设计图纸和设计单位编制的四川省金汤河金平水电站首部枢纽基础灌浆施工技术要求 ，施工单位选取了代表性地段进行灌浆试验。灌浆规范规定先导孔可在一序孔中选取，施工方根据相关要求在一序孔中共选取 18 个灌浆孔（其中 10 个孔孔深为超过设计帷幕深度 15m）作为先导孔，先导孔和抬动孔孔位、施工深度初步安排情况详见图 3。 图 3 大坝左、右岸下层灌浆平洞帷幕灌浆先导孔、抬动孔孔位布置图 4.2 先导孔压水试验 4.2.1 试验压力的确定 设计技术文件要求提出帷幕灌浆压力应通过现场试验确定，并根据有关地质资料给出了建议参考值，见表 1

9、。 表 1 帷幕灌浆压力设计参考值表 注：表中灌浆压力可根据现场灌浆试验作适当调整。 施工单位与 2011 年 12 月 29 日至 2012 年 2 月 11 日进行了左岸下层灌浆平洞（坝横 0+235坝横 0+230.5 段）帷幕灌浆试验。灌浆试验钻孔划分为、序,灌浆试验确定的灌浆压力见表 2。 表 2 现场灌浆试验确定灌浆压力表单位：MPa 0 灌浆规范对帷幕灌浆先导孔压水试验压力做了规定，具体要求见表3。 表 3 压水试验压力值选用表 灌浆工程压水试验方法一般使用一级压力的单点法，但灌浆试验或先导孔可采用三级压力五个阶段的五点法。 4.2.2 试验压力起算零线的确定 试验压力起算零线确

10、定方法如图 4 示，须按照以下三原则确定： a）当地下水位在试段以上时，压力起算零线为地下水位线； b）当地下水位在试段以下时，压力起算零线为通过试段中点的水平线； c）当地下水位在试段以内时，压力起算零线为通过地下水位以上试段中点的水平线。 图 4 压力起算零线确定示意图 4.2.3 压水试验成果计算 单点法压水试验成果以透水率 q 表示，按下式计算求得透水率 q 值。五点法压水试验成果用透水率 q 值和 P-Q 曲线表示，并参照表 4 确定曲线类型；透水率 q 值以压水试验三级压力中的最大压力值 P 及相应的压入流量 Q 按照下式计算。 式中：q试段透水率，Lu； Q压入流量，L/min；

11、 P作用于试段内的全压力，MPa； L试验段长度，m。 其中，全压力 P=P1+P2，P1压力表指示压力，MPa；P2压力表中心至压力起算零线的水柱压力，MPa。 表 4 五点法压水试验的 P-Q 曲线类型及特点表 4.3 压水作业 我国的水电科技发展较快，灌浆工艺不断得以改进和优化。现今应用最广泛、技术最成熟的莫过于孔口封闭灌浆法。孔口封闭灌浆法是在钻孔的孔口安装孔口管，自上而下分段钻孔和灌浆，各段灌浆时都在孔口安装孔口封闭器进行灌浆的方法。 结合孔口封闭灌浆法，为了提高效益，灌浆规范提出帷幕灌浆先导孔各孔段可与压水试验同步自上而下进行灌浆，这样采用孔口封闭法压水试验应运而生。由此压水试验就

12、有传统的孔内栓塞法和孔口封闭法两种试验工艺。 金平大坝基础帷幕灌浆即采用孔口封闭灌浆法进行施工，灌浆及压水试验施工流程见图 5。压水试验主要采用孔口封闭法进行压水，后为对比两种不同压水试验对结果的影响程度，特对指定钻孔孔段分别采用孔口封闭法和孔内栓塞法进行压水试验作业，两种不同压水试验均按照下列相关要求进行： a）压水试验一般情况下可使用灌浆施工所用的设备和仪表，但须保持足够的精度和适宜的标值范围。 b）压水试段长度与待灌浆段长度一致。 c）压水试验用栓塞或封闭器、压力表、水表、流量计等器具与管路系统按要求可靠连接，栓塞下置到位并有效卡塞（顶压式或液压式栓塞）或孔口封闭器可靠安装，试压检查通过

13、；水泵配备空气室，管路上安装稳压罐。 d）钻孔内待灌浆段采用孔内栓塞按要求进行压水试验后，根据压水试验方法的规定进行透水率计算及成果表示。采用孔口封闭压水法进行压水试验时，在孔口安装封闭器，将射水管下至距孔底 20cm 处，在回水管路上量测压水压力，同时测量流量。 e）量测设备采用灌浆自动记录仪。 f）若全泵量时压力表无读数，则透水率栏填写最大流量值及该区域孔段透水率的最大值。 图 5 孔口封闭灌浆法施工流程图 4.4 孔内栓塞法和孔口封闭法压水试验结果分析 4.4.1 孔内栓塞法和孔口封闭法压水试验结果 为了准确定位 3Lu 透水率顶板位置，进而确定帷幕灌浆钻孔深度，需对先导孔压水试验结果严

14、格控制，得到较为精确的压水试验数据。现场为了确定两种压水工艺对试验结果的影响程度，选取左岸下层灌浆廊道 W1-1 及 W1-13 两个先导孔分别采用单点法和五点法均进行同一试段孔内栓塞和孔口封闭法压水试验，试验结果见表 5、表 6（五点法仅统计压入流量稳定后数据） 。 表 5 金平水电站 W1-1 钻孔单点法 05 试段压水试验成果表 表 6 金平水电站 W1-13 钻孔 08 试段五点法压水试验记录表 4.4.2 不同工艺压水试验结果分析 根据孔内栓塞法和孔口封闭法压水试验工艺、计算方式以及试验结果，从理论上和试验结果两方面进行分析。 4.4.2.1 理论分析： 在确保孔内栓塞法压水钻杆接头

15、完全封闭密实、孔内栓塞与孔壁接触良好状况下压水试验结果最为真实，但其操作工艺复杂， 试验时间过长，不适宜大范围的生产灌浆。 孔口封闭法压水完全完全不存在上述缺点，但其由于在孔口封闭，计算透水率时，试验段长 L 取未灌段岩石的长度（即待灌浆段长度） ，已灌段视为不透水（即吸水量视为零） ，而且若上部已灌各段灌浆效果不很理想，则有可能下部未灌段进行压水试验时流量 Q 可能会比实际数值偏大。因此，按照透水率计算公式实际计算所得岩体的透水率 q 值将会比孔内栓塞法偏大。可据此粗略了解各灌浆段在灌浆前的岩体渗透性，查看各次序灌浆孔透水率变化的规律，指导灌浆工作的进行。然而若用其试验结果来确定帷幕灌浆孔深

16、将有失准确性，将会造成工程量的增加，增大工程投资和工期。 4.4.2.2 试验结果分析： 左岸下层灌浆廊道 W1-13 钻孔五点法压水试验因孔内栓塞法压水时钻杆接头漏水，其试验结果与孔口封闭法试验结果不具有可比性，但对于该孔同一试段，不同压力阶段压水数据具有规律性可循。笔者又对 W1-1、W1-13 先导孔其余各试段以及其他先导孔压水试验进行了跟踪调查，通过对所有帷幕灌浆先导孔不同试段压水资料的分析统计，可以得出以下结论： a）对同一压水试验段，随着压力的不断增大，试验结果透水率也呈增大趋势。原因是随着压力的增大，进入岩石开型孔隙的水量增速较快，即 Q 增速比压力 P 增速快，固依据透水率公式计算数值必增大。 b）对同一压水试验段，压力由小增大时试验结果透水率数据较真实，压力由大减小时试验结果透水率数据总体呈偏小趋势。原因是压力最大时流量大，在压力突然减少后岩石孔隙间未来的及消散的水对新进入钻孔的外来水有抵触效应，相应压入流量 Q 减少速度大于压力 P 减少速度，固计算结果偏小。 左岸下层灌浆廊道 W1-1 钻孔单点法压水试验结果与理论分析基本一