大坝建基岩面找平混凝土封闭式固结灌浆设计及施工技术

　　摘要：三峡工程大坝建基岩面浇筑找平混凝土进行封闭式固结灌浆，在总结灌浆试验研究和生产性试验的基础上，提出找平混凝土封闭式固结灌浆设计及施工技术要求，并全面推广应用。解决了大坝基础约束区混凝土浇筑与固结灌浆的矛盾，降低大坝混凝土产生裂缝的风险。 

　　关键词：大坝基岩面　找平混凝土 固结灌浆　三峡工程 
　　 
　　1　概述 
　　 
　　混凝土坝基础开挖至设计建基岩面高程后，即使采取深挖抽槽或降低建基岩面等处理措施，仍难以全部清除，岩体卸荷及爆破裂隙与基岩本身存在的断层及其交切带、裂隙密集带、岩脉、破碎带、风化沟(坑)等地质缺陷相互作用对坝基构成不利影响，在坝基浅部表层尚存在裂隙张开的岩体。为充填表层岩体中的裂隙，恢复和提高岩体的整体性，改善混凝土坝建基面表层浅部岩体及地质缺陷部位岩体的力学性能，增强坝基岩体匀质性，降低透水性，必须对坝基岩体进行固结灌浆处理，以改善坝基及坝体的应力状况，加强大坝基础混凝土与建基面的整体性，提高大坝稳定安全储备。 

　　固结灌浆通常在大坝基础浇筑一定厚度(3－5m)的混凝土面施工，即为有盖重固结灌浆。其优点可以使用较大的灌浆压力，防止基岩表面冒浆，保证固结灌浆效果，并可兼顾混凝土与基岩间的接触灌浆。但盖重混凝土位于大坝基础强约束区，固结灌浆施工期间，受气温骤降影响，盖重混凝土易产生表面裂缝；由于基岩对混凝土变形的约束，表面裂缝受基础约束力作用，将发展为贯穿性裂缝，损伤坝体整体性，增加裂缝处理工作量。同时，有盖重固结灌浆增加混凝土钻孔量，易打断混凝土内的冷却水管及其他预埋件等，并与大坝混凝土浇筑存在矛盾，影响混凝土浇筑直线工期。 

　　三峡工程大坝为混凝土重力坝，坝基岩体为前震旦纪闪云斜长花岗岩。设计单位长江设计院对三峡工程主体建筑物基础岩体进行了有盖重固结灌浆试验与浇筑找平混凝土封闭式固结灌浆试验。根据试验成果，大坝左岸厂房坝段建基岩体固结灌浆施工中，在具备条件的部位进行找平混凝土封闭式固结灌浆生产性试验和部分坝块应用，右岸厂房坝段及非溢流坝段全面推广应用找平混凝土封闭式固结灌浆施工技术，灌后钻孔检查，弹性波测试和压水试验成果均满足设计要求。 
　　 
　　2　找平混凝土封闭式固结灌浆试验研究 
　　 
　　2.1试验区的基岩条件及找平混凝土 

　　三峡工程大坝建基岩体固结灌浆施工前，在一期基坑内选择两个试验区进行找平混凝土封闭式固结灌浆试验与有盖重(混凝土厚3－5m)固结灌浆对比分析。固结灌浆区的基岩面达到大坝对基岩面的要求，并经基础验收后，才能浇筑找平混凝土，其质量要求与大坝基础约束区混凝土相同。 

　　试验①区尺寸为10.5m×24m，基岩以块状结构为主，次块状结构次之，有小断层7条，其中3条规模较大。断层交汇处岩体质量较差，局部较破碎，且建基岩面局部爆破裂隙张开度达1－3mm，小断层张开达1cm。找平混凝土厚度0.3－0.5m，凹坑处达1.0m，完整岩石的凸包处没有混凝土，允许岩石外露，找平混凝土设计标号为90天龄期200号，三级配，混凝土施工质量良好。 
　　 
　　试验②区尺寸为12m×19m，位于F断层构造岩上，断层倾角陡，构造岩胶结较好，质坚硬，因受后期构造运动的影响，裂隙较发育，岩石破碎，基岩面较破碎，且极不均一。找平混凝土施工同试验①区，混凝土厚度0－1.0m。 

　　从试验钻孔取芯芯样情况看，混凝土一般与基岩胶结紧密，能取到混凝土与基岩连接成整体的芯样。 
　　 
　　2.2固结灌浆试验孔布置 

　　固结灌浆试验孔布置分为规则孔和随机孔两个区段。规则孔区段按方格形和梅花形两种布置，随机孔区段主要针对小断层、构造裂隙、爆破裂隙布灌浆孔。试验①区地质条件较具均匀，性，按2.5m×2.5m梅花形布孔。试验②区规则孔区段为正方形布孔3.0m × 3.0m，随机孔区段为孔排距2.0m×2.0m的三排梅花形，先施钻外侧两排，中间排作为加密孔，安排最后施工。 
　　 
　　2.3试验区固结灌浆工艺 

　　固结灌浆采用自上而下分段钻灌、阻塞器阻塞、孔内循环的灌浆方法施工。第一段灌浆压力0.2－0.4MPa，阻塞器一般阻塞在基岩顶部，如找平混凝土厚度超过0.3m时，阻塞器可阻塞在混凝土与基岩接触处；第二段及其以下灌浆压力0.4－1.5HPa。采用3:1的浆液开始灌注，当注入量已达300L以上或灌注时间已达1h时，而灌浆压力和注入率均无改变或改变不明显时应变浓一级；当注入率大干30L/min时，可根据具体情况越级变浓。当灌浆单位注入量小于10L/min时，采用湿磨细水泥灌注。在设计压力下注入率不大于0.4L/min，持续灌注30min即可结束。灌浆过程中发现冒浆现象，采用降压、变浓浆液和间歇灌浆等措施处理。试验①区26号孔第一段灌浆时发现找平混凝土抬动，当时抬动观测值为180μm(设计允许值为200μm)，由于抬动影响，第二段灌浆时，发现冒浆只得待凝后复灌结束。  [Page]
　　 
　　2.4试验区固结灌浆效果评价 

　　(1)基岩透水性分析 

　　灌前、灌注过程中及灌后检查的压水试验特征值列如表1。 

　　2个试验区合计灌前及灌浆过程中压水透水率大于5Lu的孔段分别为41％及21％，所占比例较大，灌后基本上清除了大于5Lu的地段，大于3Lu的所占比重较小。 

　　(2)灌浆水泥耗量分析 

　　固结灌浆试验水泥注入量特征值见表2。

      从表中可看出，I、Ⅱ序孔L的灌浆注入量较大，Ⅲ序孔仅在少数灌段出现注入量大于10kg/m，占试验区总灌浆段的2－4‰灌浆效果比较明显。 

　　(3)弹性波测试成果分析 

　　弹性波测试灌后较灌前提高3.0％－7.1％。 

　　(4)静弹性模量测试成果分析 

　　灌前静弹性模量最大测值23.06－29.07GPa，最小测值10.08－12.10GPa，平均值14.02－18.03GPa；灌后静弹性模量最大测值34，00一34.29GPa，最小测值12.55－12.96GPa，平均值21.02－21.43GPa。 

　　(5)找平混凝土封闭式固结灌浆试验综合评价 

　　试验区固结灌浆资料与检查压水试验和弹性波测试及静弹性模量测试成果表明，找平混凝土封闭式固结灌浆效果明显，可以满足设计要求。试验②区地质条件比试验①区差，采用随机增布固结灌浆孔，取得较好的灌浆效果，说明对于存在断层破碎带、裂隙发育等地质缺陷的坝基，采用找平混凝土封闭式固结灌浆，除按常规布设灌浆孔外，还应有针对性布置随机灌浆孔，通过加密布孔施灌，提高固结灌浆效果，达到加固处理地质缺陷的目的，以满足设计要求。 
　　 
　　3　找平混凝土封闭式固结灌浆机理分析 
　　 
　　大坝建基岩面高低不平，找平混凝土用于填补地质缺陷开挖的坑沟，封闭基岩表面裂隙，个别完整岩石凸面可以外露，混凝土平均厚度30cm左右。找平混凝土内热量易于消散，其温度趋近于基岩的温度，不会产生长大的温度裂缝。找平混凝土对固结灌浆的作用不是靠其重量来阻止水力劈裂、漏浆和防止抬动，主要通过混凝土与基岩面较好的胶结，混凝土嵌入和阻塞基岩面表面裂隙，约束建基岩体表面裂隙，阻止其张开，形成岩体表层一定范围内的整体性的边界约束条件。使固结灌浆浆液在基岩内沿裂隙面渗透流动，防止其串冒。找平混凝土封闭式固结灌浆通过混凝土对岩面表层裂隙的约束和岩块相互嵌固约束达到防止劈裂抬动的目的。施灌第1段(接触段段长2m)采用较低压力，并通过加密布孔灌浆，将上部浅层大注入量孔段灌注好，形成有效封闭岩层，可对后续孔段的灌浆起到盖重的作用，便于后续孔段在较高压力下灌浆，防止水力劈裂和控制抬动，提高固结灌浆效果。 
　　 
　　4　找平混凝土封闭式固结灌浆在三峡大坝的应用 
　　 
　　4.1大坝基础固结灌浆设计  [Page]

　　三峡工程大坝建基岩体以微风化和新鲜花岗岩为主，部分利用弱风化下带岩石，岩性较均一完整，透水性较小。但受开挖爆破及卸荷影响，岩体的完整性有所降低，透水性增大。大坝基础处理设计要求对坝基应力较大、基础轮廓突变部位及断裂构造带、边坡稳定需要加固的局部位置进行固结灌浆处理。根据大坝基础应力分布的差异，固结灌浆基本范围为坝踵及坝趾约1/4坝宽的位置，对断裂构造及其交切区，裂隙密集带等地质缺陷部位加强固结灌浆。坝基岩体固结灌浆孔深：一般部位5－6m，孔排距2.5m×2.5m：主帷幕前两排孔深分别为10m和20m，孔排距2m×2m，封闭帷幕后一排孔深10m，孔距2.5m，兼作辅助帷幕；地质缺陷或有特殊要求地段孔深10－20m，并视需要加深。固结灌浆一般采用湿磨细水泥浆灌注，注入量大的孔段可先灌注普通水泥浆后改磨细水泥浆。灌浆浆液的浓度应由稀变浓，逐级变换，浆液水灰比采用3:1、2:1、1:1、0.8:1、0.6:1比级，开灌水灰比一般采用3:1。固结灌浆质量采用灌后压力试验及弹性波检测评定。固结灌浆合格标准为灌后基岩压水检查透水率q≤3Lu，灌后基岩弹性波纵波速度平均值V。≥5000m/s。 
　　 
　　4.2大坝基岩面找平混凝土封闭式固结灌浆应用部位 

　　三峡开发总公司组织专家对主体建筑物建基岩面找平混凝土封闭式固结灌浆试验成果进行了评审，根据灌浆试验成果，评审认为三峡大坝坝基可采用找平混凝土封闭式固结灌浆施工技术。业主确定先在二期基坑内施工的左岸厂房坝段选择几个坝段进行找平混凝土封闭式固结灌浆生产性试验。在总结生产性试验经验的基础上，应用在大坝泄洪坝段部分坝块基础固结灌浆。泄洪坝段设2条纵缝，泄1－5号坝段第3块尺寸大(21m×57m)，受温控限制，1999年高温季节不能浇筑基础约束区混凝土，业主安排浇筑找平混凝土进行封闭式固结灌浆施工，为低温季节浇筑基础约束区混凝土并连续上升创造条件，防止该部位混凝土产生裂缝。三期基坑施工的右岸厂房坝段及非溢流坝段全面推广应用了找平混凝土封闭式固结灌浆施工技术。右岸厂房坝段及非溢流坝段固结灌浆总计50个单元，除10个单元采用有盖重固结灌浆施工，6个单元采用有盖重与找平混凝土封闭结合施灌外，其余34个单元全部采用找平混凝土封闭式固结灌浆施工，占单元总数的68％。 
　　 
　　4.3大坝建基岩面找平混凝土固结灌浆质量评价 

　　(1)找平混凝土封闭式固结灌浆施工 

　　大坝建基岩面整修清理完成并经验收合格后，浇筑找平混凝土厚度0.2－0.5m，待达到龄期要求后即进行固结灌浆。找平混凝土质量同大坝基础约束区混凝土，设计标号为90天龄期200号、抗冻标号F150。抗渗标号W10，三级配。找平混凝土封闭式固结灌浆施工方法及工艺与有盖重固结灌浆相同，主要区别在第一段灌浆压力较有盖重固结灌浆采用低值，阻塞器一般阻塞在基岩顶部，如找平混凝土厚度超过0.3m，可阻塞在混凝土与基岩接触处。灌浆过程中，出现冒浆现象，采用地表封堵、嵌缝，低压、浓浆、限流、限量、间歇灌注等方法处理。 

　　(2)找平混凝土封闭式固结灌浆分序施灌及压水成果 

　　右岸厂房坝段固结灌浆I序孔平均注入量为10.85Kg/m，Ⅱ序孔平均单位注入量为6.95Kg/m，呈明显递减趋势，递减率为35.9％；压水成果I序孔平均透水率为15.42Lu，Ⅱ序孔平均透水率为9.04Lu，呈明显递减趋势，递减率为41.4‰符合一般灌浆规律。右岸非溢流坝段固结灌浆I序孔平均注入量为3.90kg/m，Ⅱ序孔平均注入量为1.72Kg/m，呈明显递减趋势，递减率为70.33％；压水成果I序孔平均透水率为5.24Lu，Ⅱ序孔平均透水率为1.47Lu，呈明显递减趋势，递减率为71.9％，符合一般灌浆规律。 

　　(3)找平混凝土封闭式固结灌浆质量检查及评价 

　　右岸厂坝段布置灌浆后质量检查孔87个，压水平均透水率0.04Lu；右岸非溢流坝段布置21个检查孔，压水平均透水率0.23Lu，所有检查孔压水最大透水率均小于1Lu，满足设计要求小于3Lu。检查孔取芯多为中长柱状，一般较完整，获得率90％以上。检查孔芯样水泥结石厚度1－5mm，最厚达10mm。弹性波测试，单孔灌后比灌前提高1.41％－3.89％；跨孔平均值灌后比灌前提高2.51％－5.18％，灌后波速一般不小于5000m/s，满足设计要求。 
　　 
　　5　结语 
　　 
　　(1)2003年6月，三峡工程在三期基坑内施工的大坝右岸厂坝段及右岸非溢流坝段的基础开挖至建基岩面高程，为避开7月、8月高温期间浇筑大坝基础约束区混凝土，而产生大坝混凝土裂缝的风险，业主决定浇筑找平混凝土，进行封闭式固结灌浆施工，为9月份大坝混凝土全面施工创造条件，解决了大坝基础约束区混凝土浇筑与固结灌浆施工矛盾，在秋冬低温期大坝基础约束区混凝土浇筑可以连续上升，降低了混凝土产生裂缝的风险，为混凝土坝建基岩体固结灌浆闯出一条新路。 

　　(2)混凝土坝建基岩面浇筑找平混凝土仅限于固结灌浆区域，主要用于填补坝基地质缺陷处理开挖的沟槽和封堵基岩面裂缝。找平混凝土质量要求同大坝基础混凝土相同。固结灌浆完成后，对已松动的找平混凝土应予清除。在大坝廊道内进行辅助帷幕灌浆和主帷幕灌浆时，将阻塞位置设在找平混凝土层以上部位，以加强对找平混凝土可能存在的裂缝进行补灌。必要时也可在大坝廊道内增布加固灌浆孔。 

　　(3)对于混凝土坝基岩性状相对较差的岩体(如坝基为红层岩石及较破碎的岩体)采用找平混凝土封闭式固结灌浆，应增布设浅孔(孔深5m左右)，采用低压固结灌浆后，作为表层的覆盖岩层重量，增大压力对其以下岩体进行固结灌浆，以保证灌浆质量。坝基表层岩体可在浇筑基础混凝土(厚度5m左右)后，再进行复灌，复灌深度应超过表层浅孔低压灌浆深度，并搭接1m左右，以提高表层岩体固结灌浆和基岩面与大坝混凝土接触面灌浆质量。 

　　(4)找平混凝土封闭式固结灌浆在施灌过程中应加强抬动监测，严格控制灌浆压力与单位注入量的关系，防止抬动。找平混凝土发现抬裂应待凝一段时间后再进行下续孔段灌注，以保证固结灌浆质量。