尼泊尔上崔树里1水电站大坝覆盖层帷幕灌浆技术研究

 尼泊尔上崔树里1水电站大坝覆盖层帷幕灌浆技术研究

王华

中国水利水电第六工程局有限公司  辽宁沈阳 110000

摘要：尼泊尔上崔树里1水电站位于尼泊尔RASUWA地区，项目装机容量216MW，为了实现发电量由UPPER TRISHULI-3B HUB变电站的长10KM的220KV线路输送并连接至国家电网，中国电建在大坝位置进行了补充勘探和帷幕灌浆试验以及固结灌浆试验，以此来证明覆盖层帷幕灌浆在上崔一大坝地层中实施的可行性。

关键词：上崔树里1水电站；帷幕灌浆技术；研究

1概述

尼泊尔上崔树里1水电站位于尼泊尔RASUWA地区，项目装机容量216MW。进水口位于尼泊尔RASUWA区GOSHAINKUNDA TRISHULI河与BHOTEKOSHI河流交汇处下游250M，地下厂房位于MAILUNG河与TRISHULI河交汇处上游500M。设计排放量为76立方每秒，总落差为340.89～342.86米。下游区4350.88平方千米，水位1255.00米。年发电潜力为1501.4GWh。导流围堰有三个弧形闸门，每闸11米宽，16.5米高，有潜水消力溢洪道。进水口有2个卷闸，每个宽5.5米，高8.0米。水流从进水口由一条297米长，直径为6.5米的进水渠道流至沉砂池。三个沉砂池平行分布，每个宽10米，高24.13米，长115.0米，每池带有两个沉降作业区。引水隧道长9716米，直径6.5米，从沉降池至竖井。竖井深292.122米，由40米长的水平压力管道连接，并沿110.70米长的压力钢管至地下厂房。厂房洞室长83.0米，宽18.7米，高43.9米。3条尾水管洞每条长27.95米，从厂房连接至尾水闸门，宽9.0米。尾水隧道长238.00米，直径6.5米，将尾水排至TRISHULI河。最终所发电量由UPPER TRISHULI-3B HUB变电站的长10KM的220KV线路输送，并连接至国家电网。大坝地基为洪冲积漂石、卵石天然地基。大坝基础防渗原设计采用Ф100cm咬合桩的形式，并在桩墙上游面设置一排灌浆帷幕进行补强，在2022年5月初，LTA 到现场，经过讨论，提出了防渗墙的防渗方案。

尼泊尔市场目前没有适合本工程的咬合桩施工设备，也不允许临时进口二手施工设备，新购置设备的经济问题是承包商不能承受的，这也是承包商强烈寻求替代方案的直接原因，考虑到咬合桩施工存在施工设备调配困难、工期滞后、以及存在有渗流薄弱环节等缺陷，咬合桩方案不适合本工程。参考咬合桩方案，防渗墙的方案同样存在大型冲击钻机设备进口问题，考虑到设备进口，施工困难，工期太长等问题，连续防渗墙的方案也不适用于本工程。中国电建提出采用灌浆帷幕来代替防渗墙和咬合桩的方案。综合考虑方案确定的时间和可行性及可靠性，最终不论采取何种防渗处理方案，帷幕灌浆都将需要进行，中国电建在大坝位置进行了补充勘探和帷幕灌浆试验以及固结灌浆试验，以此来证明覆盖层帷幕灌浆在上崔一大坝地层中实施的可行性。

2覆盖层结构特性

2.1覆盖层深度

中国电建进场后在首部枢纽补充完成了5个钻孔，共计308m。其中BDH-1位于坝前左岸，揭露的覆盖层深度为13m，BDH-2位于左岸军队路旁，揭露的覆盖层深度为46m，BDH-3位于左岸坝轴线上，揭露的覆盖层深度为35m，BDH-4位于坝轴线左岸河床略靠下游位置，揭露的覆盖层深度为60m，BDH-6位于左岸坝后，揭露的覆盖层深度为73m。通过补充钻孔可知：坝轴线河床覆盖层为13.0～46.0m，河流沉积物厚度从右岸至左岸有逐渐增大的趋势。

2.2覆盖层岩性

崔树里河是典型的雨洪性河流，河床物质主要由冲积物、洪积物交替沉积而成，河床冲积物的颗粒级配很差，特别是超大块石、大块石、漂石含量很高，很难用常规的筛分法得出冲积物颗粒级配的准确曲线，在可研阶段（NWEDC完成）、基本设计阶段（大林公司完成）取得的地质成果中，对覆盖层颗粒级配没有研究成果。

根据上崔3A（已经竣工）的部分地质成果，参考上崔3A地质成果报告，并结合已完成大量类似水电工程的建设经验，推测本工程覆盖层中，中细沙含量约占10-20%，砾石含量约占10%，卵石含量约占20-30%，漂石含量约占40-60%，漂石原岩主要为片麻岩、石英岩和片岩，粒径20～100cm，个别大于500cm，呈次棱角状～次圆状。粗颗粒集中，颗粒级配不连续，相应的不均匀系数Cu（d60/d10）为16～26，曲率系数Cc（d302）/d60*d10为0.13～0.90。此外，本次补勘钻孔过程中，对覆盖地层进行了重型圆锥动力触探试验，动力触探成果显示河床覆盖层具有从上至下逐渐密实的特点。覆盖层0～7.0m 土体相对松散，埋深7.0m 以下整体中密～密实，7.0m 以下河床承载力基本值＞600KPa，变形模量＞40Mpa。

2.3覆盖层渗透性

大林公司前期对河床覆盖层进行了常规水头注水试验，从大林公司的渗透成果分析，河床覆盖层渗透系数K=2.6×10

-2cm/s～2.5×10-3cm/s，具有中等～强透水性。同时中国电建在补勘过程中采用双栓塞对基岩分段进行了16 段压水试验，从试验结果来看，坝址区基岩渗透系数K=1.12×10-4cm/s～4.41×10-5cm/s，整体具有弱～微透水性。

2.4综合评价

坝基河床覆盖层具有颗粒级配不良，粗大颗粒相对集中的显著特征。河床覆盖层具有中～强透水性，存在坝基渗漏及渗透变形问题，渗透变形以管涌为主，两侧岩石地基存在一定绕坝渗漏问题，均需做相应的防渗处理。

3灌浆帷幕方案

3.1地层可灌性

根据《水电水利工程覆盖层灌浆技术规范》（DL/T5267-2012）描述,覆盖层地基的可灌性可按可灌比(M)或其他指标判别，并通过现场试验确定。

3.1.1可灌比M判别

可灌比可按下式计算：

M=D15／d85

式中：D15--覆盖层粒径指标，小于该粒径的土体重占覆盖层总重的15％，mm；

d85--浆液材料粒径指标，小于该粒径的材料重占材料总重的85％，mm。

M>15时可灌注水泥浆；M>10时可灌注水泥黏土浆。

（1）水泥浆液

参考上崔3A地质成果报告，并结合大量类似水电工程的建设经验，推测本工程覆盖层中，中细沙含量约占10%～20%，中细粒径取D15为0.5mm；

拟使用红狮水泥配制浆液，d85粒径取0.06mm；

计算：M=0.5/0.06=8.3，小于可灌比M=15标准值。

结论：水泥浆液可灌性相对较好，强度较高。

（2）水泥黏土浆液

水泥黏土浆液d85粒径取0.026mm；

计算：M=0.5/0.026=19.2，大于可灌比M=10标准值。

结论：水泥黏土浆液可灌性好。

3.1.2渗透系数判别

渗透系数的大小，可以间接地反映土壤孔隙的大小，根据渗透系数的大小，可选择不同的灌浆材料。

K=800m/d 水泥浆液中可加入细砂；

K>150m/d 可灌纯水泥浆：

K=(100～200)m/d可灌掺有减水剂的水泥浆：

K=(80～100)m/d 可灌加有2％～5％活性掺料的水泥浆；

K≤80m/d 可灌黏土水泥浆。

大林公司的渗透成果分析，河床覆盖层渗透系数K=2.6×10-2cm/s～2.5×10-3cm/s（2.16m/d～22.46m/d），小于80m/d标准值。

结论：可灌注黏土水泥浆。

3.1.3粒径小于0.1mm颗粒含量百分数判别

根据一些灌浆工程实践表明，砂砾石地基中小于0.1mm的颗粒含量小于5％时，一般都易接受水泥黏土浆液的有效灌注。

根据推测的河床覆盖层土的颗粒级配曲线图，覆盖层砂砾料中小于0.1mm的颗粒接近0。

结论：水泥黏土浆液能有效灌注。

3.1.4砂砾石层的不均匀系数判别

砂砾石层的不均匀系数是表示砂砾石层中颗粒组成情况的一项指标，通常以下式表示：

Cu=D60/d10

式中 Cu--不均匀系数；

     D60--砂砾石层的颗粒级配曲线上含量为60%处的粒径；

     d10--砂砾石层的颗粒级配曲线上含量为10%处的粒径。

根据推测的河床覆盖层土的颗粒级配曲线呈双峰型，粗颗粒集中，颗粒级配不连续；相应的不均匀系数Cu（d60/d10）为16～26，易产生管涌渗透变形。

结论：地层可接受浆液灌注。

3.1.5总体评价

通过上述4个指标判别，本工程大坝基础覆盖层砂砾石灌注水泥黏土浆液是适宜的。

3.2设计可靠性

帷幕的厚度可按下式计算：

T=H/j

式中：T--帷幕厚度，m；

      H--最大设计水头，m；

j--帷幕的允许比降，水泥黏土浆可采用3~6，若大于6应通过试验论证。

本工程设计帷幕厚度4~5m，最大设计水头为1255-1235=20m。

计算：T=20/(3~6)=3.3~6.7m.

结论：设计帷幕厚度4m是可靠的。

3.3施工可行性

3.3.1施工技术

帷幕灌浆施工需要在有盖重混凝土保护下进行，孔口段灌浆时浆液在压力作用下充填盖重混凝土和基础面间的空间，有效截断渗流通道，降低坝基扬压力。

覆盖层帷幕灌浆有《水电水利工程覆盖层灌浆技术规范》（DL/T5267-2012）用于指导施工，理论技术成熟。

本工程覆盖层中漂石含量约占40-60%，漂石原岩主要为片麻岩、石英岩和片岩，粒径20～100cm，个别大于500cm。地质钻机具有良好的地层钻进适应性，采用循环钻灌法。

假定帷幕线长100m,3排孔，间排距2m，平均孔深30m，累计钻灌4500m,需要投6台钻机，在5~6个月内完成，满足工期要求。

3.3.2施工资源

中国电建承建各种类型水电站建设，具备处理复杂覆盖层帷幕灌浆能力，有经验的施工人员调配入场迅速。

帷幕灌浆施工的钻灌设备，在尼泊尔市场也易于调配，运输条件要求低。

结论：帷幕灌浆方案在技术上可行、施工资源调配容易，工期有保证。

4灌浆试验成果

4.1概述

根据本工程设计、建设合同要求，项目部于2022年4月11日开始组织大坝基础固结和帷幕灌浆试验。共计完成固结灌浆试验3排6孔，总计92m，水泥用量

58.84t，平均单耗0.64t/m； 帷幕灌浆2排15孔，总计 295m，水泥用量72.375t，平均单耗 0.245t/m。

完成灌前地质勘探孔2个，其中帷幕勘探孔深度为37.3m，固结勘探孔深度为27.9m；完成灌后检查孔3个，其中固结检查孔1个，孔深15m，帷幕检查孔2个，孔深20m。

委托尼泊尔CGER实验单位对灌前地勘孔及灌后检查孔物理声波检测。

4.2实验灌区布置和实验灌孔布置

4.2.1灌区平面位置

实验区选址在大坝轴线控制闸段，地面高程1243m，其中1243~1240为盖重层，盖重层顶部为50cm厚的C25钢筋混凝土，实验区：长*宽为21*4m，盖重层不灌浆，埋设直径90mm长3m的孔口钢管。

4.2.2灌孔布置

根据设计要求及类似工程经验，本次实验分为帷幕灌浆区和固结灌浆区，帷幕灌浆试验孔设2排，排距为1.5m和2.0m，灌孔间距为1.5m和2.0m，上游排7孔，下游排8孔，总计15孔；上下游排分I~III序。固结灌浆灌孔间排距2.0*2.0米，梅花布置，分为I~III序。帷幕灌浆底线设定在EL1220，灌孔孔深23m，固结灌浆底线设定在EL1225，灌孔深度18m。

在灌区设灌前地勘孔2个，灌后检查孔3个。

4.3实验方法及过程

4.3.1灌浆方法

本次实验灌浆方法采用自上而下分段孔内栓塞循环灌浆的方法，由全自动记录仪记录注入量、注入压力、浆液密度和容重。

4.3.2钻孔设备及方法

钻孔施工设备采用XY-2地质钻机，孔口直径90mm钻孔孔径为76mm，采用自上而下分段钻进施工，总计投入钻机2台。

实验区地质以漂石和砂砾石夹层为主，钻孔过程中偶尔遇到塌孔、夹钻等问题，造成钻具掉落等现象。需要采用边钻孔边护壁的措施，（使用水：膨润土=3：1）作为冲洗和护壁的循环泥浆。遇到孔壁坍塌掉块严重的孔段，使用1:1纯水泥浆进行护壁。

本次实验，灌前地勘孔采用下90mm套管的双管取芯工艺。检查孔开孔直径为90mm，采用双管取芯工艺，自上而下分段钻孔取芯。岩芯直径为51mm。

4.3.3灌段长度

固结灌浆自上而下灌浆，自盖重层下部采用2m－2m－3m－3m －5m－终孔；

帷幕灌浆自上而下灌浆，自盖重层下部采用2m－2m－3m－3m －5m－5m－终孔；

4.4灌前压水试验和灌后压水检查

4.4.1压水方法

本次实验压水方式采用孔内顶压塞自上而下分段压水，压水试验在灌前进行，地勘孔，检查孔在取芯后进行。

4.4.2水柱压力检测

每次压水检查前均测量灌孔的地下水位高程，经多次测量，实验区水位均稳定在EL1241，每次压水在记录仪参数中输入叠加压力表压力和地下水位高程压力。

4.5岩芯采取

本次实验对于地勘孔采用直径110mm跟管钻孔，跟管内双管取芯的施工方法，其中双管外径为76mm，芯样直径为51mm，每次回采长度小于3m。

灌后检查孔采用自上而下分段钻进，方法和地勘孔一致。

4.6灌后检查

固结灌浆试验在结束7d后钻检查孔检查，帷幕灌浆试验在结束14d后检查。对所有检查孔进行取芯、分段压水和物理声波实验。压水方式采用五点法压水，固结灌浆需进行载荷试验验证效果，（由于灌浆结束后进入主汛期，未进行原位载荷试验，目前结果按压水结果和声波结果为依据）。

4.7灌浆成果分析

4.7.1固结灌浆成果分析

(1)本次实验，固结灌区采用常规方法进行灌浆，灌段总长度92米，水泥总计注入量58.84t，平均延米注灰量0.64t。灌注以砂砾石、混合块石、漂石为主的覆盖层基础时，为限制浆液无效扩散范围，灌区宜采用限压限流措施和停灌待凝措施。流量控制在20~40L/min，当总注入量达到0.5t/m且无明显变化时，采用了停灌待凝措施，停灌时间8小时以上。

(2)固结灌浆7天后检查钻孔明显返水，钻孔顺利，无掉钻和夹钻现象。灌浆地质条件得到明显改善，但当压水压力大于0.6MPa时，容易使已成型灌区产生劈裂破坏。

(3) 固结灌浆地勘孔柱状图显示灌区地层以漂石层为主，故首先灌注的GS-II-2、GS-I-3孔注浆量大，有多次复灌，之后灌注的GS-I-3、GS-III-5、GS-III-6孔的注浆量和复灌次数呈明显递减，符合地层加固特点。

(4) GS-I-1透水率与相邻序GS-II-2、GS-II-4孔的透水率相近，但注浆量小，推测该地层以砂砾石层为主。

(5) 试验区的GS-I-1、GS-II-2、GS-I-3、GS-II-4的注浆量和透水率，比GS-III-5孔大，符合灌浆规律，漂石含量高地层的灌浆参数设置合理。

(6) 检查孔各段透水率在2.65--32.36Lu，与灌浆孔灌前透水率下降显著，表明灌浆效果较好。

(7) 灌后检查孔采用5点法压水，前3段EL1240~EL1233采用0.3-0.6-1.0MPa压力进行，升压至0.6MPa 以上时进水量突然增大，说明灌区在高压水的作用下产生破坏，后2段采用0.1-0.3-0.5MPa五点法压水，透水率2.6~5.9.Lu说明灌后效果明显。

4.7.2帷幕灌浆成果分析

1

1.1

1.2

1.3

1.4

1.5

1.6

1.6.1

1.6.2

（1）参数选用分析

本次帷幕灌浆方法采用GIN法，GIN值一般分为五类，根据地质条件、灌区岩石性质、灌浆孔深度、工程需要等凭借实践经验并参照类似工程灌浆情况，综合考虑后确定。选用原则为：表层段多选用较低值，深部孔段选用较高值；硬岩地段可选用较高值，软岩地段宜选用较低值。本次实验选用GIN值为1500， Vmax开始时选用250L/m 后提高到300L/m，Pmax选用15Bar。通过本次实验发现多数孔段为大注入段，如按GIN=P*V作为结束灌浆条件，导致在进浆量很大的时候就结束了，灌后帷幕防渗效果差，现场实际采用总注入量控制，当灌段总注入量达到Vmax（L/m）和灌段长度K的乘积即K*300L后结束。

砂砾层地段钻孔采用了膨润土护壁或水泥浆护壁段，本次帷幕灌浆试验为提高扩散范围采用2：1水泥浆初灌并提高初始压力使泥浆护壁劈裂，再使用0.6级的稳定浆液按要求正常灌注。

当灌注压力达到Pmax的条件后，进浆量极少或不进浆时结束。

（2）帷幕灌浆孔位分析

帷幕灌浆共15个孔按间排距不同分2个试验区：

间距1.5m试验区，包括WS-III-2  、WS-I-3、WS-III-4、WS-II-5孔，WX-I-1、WX-III-2、WX-II-3、WX-III-4、WX-I-5孔；

间距2m试验区，包括WS-III-6、WS-I-7、WS-II-8孔; WX-III-6、WX-II-7、WX-III-8孔。

间距1.5m试验区灌注情况分析

上游排I序和II序孔注浆量呈下降趋势，但不明显，透水率异常。

下游排除WX-III-4孔注浆量异常外，其余孔I序和II序孔注浆量呈下降趋势，透水率也呈下降趋势，符合灌浆规律。

间距2m试验区灌注情况分析

上游排I序和II序孔注浆量呈下降趋势，但不明显，透水率异常。

下游排I序和II序孔注浆量呈下降趋势，透水率也呈下降趋势，符合灌浆规律。

（3）灌注效果分析

各孔随孔深的增加，透水率没有明显呈下降趋势，表明地层变化复杂。上游排大部分孔在底部10米范围内透水率突然增加，但注浆量并未增加，推测该段地层以砂砾石为主。

总体来说，间排距1.5m对比间排距2.0m效果较好。从灌后压水检查成果分析，灌前的大部分灌段透水量很大，灌后所有孔段渗透系数均小于5*10-4cm/s。说明灌后地基抗渗能力大幅提高，能够满足项目的防渗要求。

5结论

通过本次灌浆试验成果分析，同时类比了尼泊尔同类项目，上崔三A项目均采用了帷幕灌浆的方式进行基础防渗，且防渗效果好，所以，本项目的大坝基础采用帷幕灌浆防渗的方法是合适的，完全能够达到设计要求。