第五章 大坝基岩固结灌浆及工程实例 在岩石地基上建坝，一般多进行固结灌浆。实践经验证明，破碎、多裂隙的岩石经过固结灌浆后，其弹性模量和抗压强度均有明显的提高，可以增强岩石的均质性，减少不均匀沉陷。岩石透水性也大为降低，对改进地基岩石性能、效果很显著。第一节 固结灌浆设计 在进行固结灌浆设计之前，必须弄清地质条件，明确本工程坝基固结灌浆的主要目的、主要对象和通过灌浆后基础岩石应达到的技术指标。 各个工程坝基地质条件有好有坏，各不相同，即使在同一大坝的基础范围内，也可能有的部位好，有的部位差。固结灌浆设计必须根据实际地质条件及对基础岩石要求改善的程度而定，不能千篇一律。灌浆工程量的多少，与灌浆设计是否正确合理有直接关系，不同的设计所得出的灌浆工程量不同，有时相差很大，特别是比较高的大坝，基础固结灌浆工程量常常多达数万米，例如丹江口水库大坝，坝高97m，实际完成固结灌浆的工程量为66226m；潘家口水库大坝，坝高107.5m，设计工程量为46200m；白山水电站拱坝，坝高1495m，设计工程量为62775m，故进行固结灌浆设计时，尤须慎重，不仅是从技术方面考虑，还应注意节约。 一、固结灌浆的范围 固结灌浆的范围主要是根据大坝基础的地质条件，岩石破碎情况，坝型和基础岩石应力条件等而定。 对于重力坝，当基础岩石比较良好时，有的工程仅在坝基内的上游和下游应力大的地区进行固结灌浆，见图5-1，三峡大坝基岩固结灌浆多数坝段如此布置。此外，在裂隙多，岩石破碎和泥化夹层集中的地区要重点进行固结灌浆。在坝基岩石普遍较差，而坝又较高的情况下，则多进行坝基全面积固结灌浆。例如新安江大坝、故县大坝的坝基就是全面积做了固结灌浆。有的工程甚至在坝基以外的一定范围内，也进行固结灌浆，例如潘家口水库大坝、白山水电站大坝各自在坝基的上下游35m和510m范围内均进行了固结灌浆。印度的巴克拉混凝土重力坝，高226m，全基础面积和坝踵上游15m，坝趾下游l8m的范围内均进行了固结灌浆。 对于拱坝，因作用于基础岩石上的荷载较大，且较集中，因此，一般多是整个坝基进行固结灌浆，灌浆孔常较深，特别是两岸受拱坝推力大的坝肩座基础，更需加强固结灌浆工作。例如，我国已建成的恒山拱坝、龙羊峡拱坝、法国的蒙特纳尔拱坝、日本的下筌拱坝等坝肩拱座基础均进行了特殊的固结灌浆处理工作。 二、固结灌浆孔的布设 固结灌浆孔的布设常采用的形式，一般多为方格形、梅花形和六角形，见图5-2、图5-3、图5-4，也有采用菱形或其它各种形式的。方格形的主要优点是便于补加灌浆孔,在地质条件复杂、岩石破碎、多裂隙地区多采用之。梅花形布孔主要的缺点是不便于补加灌浆孔，所以在地质条件较好、预计灌完浆后不需补加灌浆孔的地区多采用此形式。 由于岩石的破碎情况、节理发育程度、裂隙的状态、宽度和方向的不同，孔距亦随之而异。根据我国一些大坝的固结灌浆资料统计，最终孔距一般在2.55m之间，而排距等于或略小于孔距。国外的一些大坝基础固结灌浆，其最终孔距和排距多在l020ft(3.0561m)范围内变化。日本坝基岩层灌浆施工规范中有这样的规定：坝基全面进行均匀的固结灌浆时，第次序固结灌浆孔的孔距可取510m，而后根据灌浆情况，逐次加密，最终孔距达到255m。 有的拱坝，除在基础全面积进行固结灌浆外，还在坝基应力大的部位布设灌浆孔，常常分为两期进行灌浆施工。第一期固结灌浆在基础全面积上布孔，孔深57m，或更深一些，用较低压力灌浆。第二期固结灌浆，在坝上游、下游钻孔，钻孔较深，或是从灌浆廊道内钻进，钻孔呈放射状，待混凝土浇筑一定高度后，用较高的压力进行灌浆，见图5-5。 地质条件复杂的坝基或高坝的基础，对岩石固结的程度要求较高时，应先进行灌浆试验，通过试验成果的分析、研究，才能比较正确地确定各项技术参数如孔距、排距、孔深，以及采取适当的布孔形式，灌浆程序和灌浆压力等。 三、固结灌浆孔的深度 固结灌浆孔的深度，目前尚无统一的标准，也还没有适合的计算公式，一般都根据地质条件，如岩石的破碎程度、风化深度、裂隙大小、大坝坝型和高度以及基础应力的分布和大小等多种条件，综合考虑而定。曾有人提出，固结灌浆的深度可根据坝基的应力情况确定，并认为这个深度应达到应力等于50的基础正应力处，这个深度可根据室内光弹性试验来确定，但也仅能作为确定深度的参考。 固结灌浆依照深度的不同，可分为三类： 1浅孔固结灌浆 孔深5m左右，采用风钻钻孔，孔径多为3250mm。 由于坝基的表层岩石一般均有不同程度的风化现象，节理裂隙较多，或因受卸荷及基础爆破开挖的影响，岩层表面裂隙较多。为了普遍加固表层岩石，一般都进行浅孔固结灌浆。固结灌浆面积大，范围广。因钻孔浅，可采用全孔一次灌浆法灌浆。 2中深孔固结灌浆 孔深6l5m，常采用架钻或大型风钻钻孔，孔径多为5065mm。 在地质条件较差，如风化较严重，节理发育，裂隙多，或在基础较深处有软弱破碎带，以及基础岩石承受荷载较大的部位，多进行中深孔固结灌浆。 高坝的防渗灌浆帷幕前面(上游)常布设12排中深固结灌浆孔，兼起防渗作用，其孔深一般多为8m或8m以上。 灌浆方法多采用自上而下或自下而上分段灌浆。 3深孔固结灌浆 孔深在15m以上，常用钻机钻孔。孔径根据钻机型式和钻进方法而定，一般多为7591mm。采用金刚石钻头钻进的孔径较小。因钻孔深，故应采用分段灌浆法灌浆。 在基础岩石深处有破碎带或软弱夹层、裂隙密集且较宽，而坝又比较宽，基础应力也较大的情况下，常需要进行深孔固结灌浆。例如朱庄水库大坝，坝高100m，河床坝段固结灌浆深度1527m(指在岩石中)。恒山拱坝，坝高69m，左岸拱座基础岩石固结灌浆深度3040m。日本下筌拱坝，坝高98m，两岸坝肩固结灌浆深度2030m，因左岸坝肩岩石破碎，在4080m深处，又布设了上、下高差1520m的三层灌浆洞，在洞内钻放射状灌浆孔，进行固结灌浆加固岩石。第二节 固结灌浆施工 固结灌浆工作很重要，工程量也常较大，是筑坝施工中一个必要的工序。根据其施工程序，在施工进度上，应为其安排好一定的灌浆时间。这是保证固结灌浆质量的前提。 固结灌浆施工，常与其它工序如开挖、立模、浇筑等发生干扰，遇到这类问题时，应当本着“各方兼顾，均保质量”的原则，很好地、合理地解决，这也是保证固结灌浆质量一个重要关键。 一、固结灌浆施工时间 固结灌浆施工最好是在基础岩石表面浇筑有混凝土盖板或有一定厚度混凝土，且已达到其设计强度的50后进行。但也有由于某些原因而安排在混凝土浇筑前进行灌浆的。前者的优点是：岩石表面有盖板后，能够防止岩石表面漏浆；可以使用大的压力灌浆，对灌浆质量有利。缺点是：需直接在混凝土上钻孔，增加了钻孔工程量，而且又易钻坏混凝土内埋设的冷却水管、测试仪器或其它构件；或需要设置预留孔比较费事；或需要预埋导管，耗用管材，同时，也常易与浇筑混凝土工序相互干扰，影响进度。后者的优点是：易于观察到表面冒浆，能及时发现问题，便于迅速处理；即使偶而因灌浆压力过大，致使岩面发生上抬变形时，也可处理，避免了混凝土坝体上抬的危险。缺点是：由于岩石表面无盖重，不能施用大的灌浆压力；在岩石破碎、裂隙多的地带，往往由于灌浆时漏浆，灌不好灌，堵也不易堵，影响灌浆质量。关于这一问题，总的来看，在基岩上浇筑适当厚度的混凝土后，再进行灌浆，是有利的，在岩石破碎、多裂隙地带，特别是需要通过固结灌浆而提高基岩力学性能的部位，更应如此。三门峡、故县、湖南镇、乌江渡、白山等大坝基础的固结灌浆均是这样做的。 有些大坝固结灌浆施工，在混凝土浇筑前，先行灌注第、序孔，灌浆压力稍低，当混凝土浇筑到一定厚度后，再用较大的压力灌注第序孔。例如潘家口水库大坝的固结灌浆就是采用这种方法的，日本有些大坝也采用了这种方法。 二、固结灌浆施工次序 固结灌浆施工的特点是“围、挤、压”，就是先将灌浆区圈围住，再在中间插孔灌浆挤密最后逐序压实。这样易于保证灌浆质量。所以，固结灌浆的施工次序必须遵循逐渐加密的原则。先钻、灌第次序孔，而后开始第次序孔的钻进和灌浆工作，依次类推，这样还可以随着各次序孔的循进，及时地检查灌浆效果。 浅孔固结灌浆，在地质条件比较好、岩石又较为完整的情况下，灌浆施工可采用两个次序进行，如图5.1-2(a)、图5.1-3和图5.1-4(a) 所示。地质条件较差时，应选用图5.1-4(b)三个次序灌注。 深孔和中深孔固结灌浆，为保证灌浆质量，以三个次序施工为宜，如图5.1-2(b)方格形，图5.1-4(b)六角形。在钻机多、场地小、施工次序不易安排的情况下，可允许相邻两个次序孔，在高程上相错开23段的情况下同时进行灌浆工作。 钻孔应统一编号，做好施工记录，及时整理资料，以便指导灌浆施工。这样做可以防止以后孔位混乱，查找不清，造成质量检查的困难，如遇到问题，由于资料完整，也易于分析和处理。三、固结灌浆浆液固结灌浆浆液一般应以水泥浆为主，在节理裂隙发育地区，注入量很大时，常常在水泥浆液中掺加砂，制成水泥砂浆灌注。因为固结灌浆主要目的是提高基础岩石强度，故一般情况下不掺用粘土。近期有些工程坝基固结灌浆采用稳定性浆液，水灰比为0.7:1，加入0.5%的膨润土，该工程固结灌浆质量标准为透水率q5Lu，也是可以的。应予注意的是若采用稳定性浆液，水灰比应控制在0.7左右，马什漏斗测试粘度宜小于38s（以2835s为好）。但有个别工程采用水灰比为1：1，掺加4%膨润土的稳定性浆液，其28天抗压强度仅为6MPa，是不合适的。因为固结灌浆主要目的是提高岩体力学性能，不应采用强度低的浆液。固结灌浆所用水泥的强度等级可为32.5或以上，材质应新鲜，不能有潮湿或结块现象。存放时间较长的水泥除经过试验证明质量合格者外，不得使用。当地下水有侵蚀性时，应使用具有抗侵蚀性的水泥。 四、钻孔冲洗工作固结灌浆中，钻孔冲洗十分重要，特别是在地质条件较坏、岩石破碎、含有泥质充填物的地带，更应重视这一工作。冲洗的方法有单孔冲洗和群孔冲洗两种。单孔裂隙冲洗多采用压力水冲洗，冲洗的压力可为该孔段灌浆压力的80%，将水压入孔底后流出，直至返出的水呈清澈状态为止。当钻孔较深，用压力水冲洗效果不显著时，可以使用空气扬水方法，用气和水进行洗孔。 群孔冲洗，对岩石破碎、裂隙发育地区，在各钻孔间裂隙相互串通的情况下，可采用这种冲洗方法。利用一组钻孔(46个)，使用空气和水进行压力冲洗，从12个钻孔中进气，另12个钻孔中进水，从其它钻孔中冲洗出粘土等杂质。而后，轮换进气、进水，反复冲洗，直至一组内的各孔均冲洗干净，再进行群孔灌浆(即串通孔同时灌浆)。灌浆时可以敞开一孔，让其排气、排水，待此孔排出较浓的水泥浆时，关闭此孔，或再开始向此孔内进行灌浆。进行群孔压力冲洗时，还可以加入一些化学剂，见第七章第二节。 五、简易压水 钻孔经裂隙冲洗后进行简易压水，一个压力点，压力值可为灌浆压力的80%，此值若大于0.3MPa时，也可采用0.3MPa,稳定时间30min。浅孔固结灌浆的压水稳定时间可短一些，一般采用1030min即可。六、灌浆压力灌浆压力是提高灌浆效果的重要手段，在条件允许的情况下，以采用较大的灌浆压力为好。无混凝土板盖重条件下的浅孔固结灌浆情况比较简单，采用一次灌注法时，将灌浆塞卡在岩面孔口，灌浆压力宜为0.20