水电站导流洞永久堵头顶部空腔高水位下封堵灌浆模拟试验方案及验证

水电站导流洞永久堵头顶部空腔高水位下封堵灌浆模拟试验方案及验证

赵莉飞

中国水利水电第九工程局有限公司贵州贵阳550000

摘要：在我国水电站建设施工中，建（构）筑物因地质情况、施工质量等原因，不可避免的会产生一些质量问题或质量缺陷。本文结合贵州北盘江上某水电站导流洞透水情况，结合已完建筑物之间的关系以及库区内高水位情况，在特殊工况下对导流洞透水问题的处理提出拟处理方案并对其进行试验验证，以期获得相应技术指标。

关键词：透水情况；特殊工况；封堵方案及试验验证；技术指标

1工程简介

1.1工程情况概述

某水电站下闸蓄水后，大坝上游库区水位上升至EL.650.2m高程左右时，导流洞永久堵头某部位于当天突然强透水，瞬间造成导流洞永久堵头上游段洞体空腔内的大量空气受到压缩，产生高压气体冲击波冲击洞体及永久混凝土堵头，高压气体冲击波破坏未进行回填灌浆、固结灌浆、接缝灌浆的永久堵头薄弱部位，高压气体从永久混凝土堵头预埋的接触灌浆管口、已钻的回填灌浆孔和顶部新老混凝土的结合面缝隙喷出，导流洞永久堵头前空腔内的高压气体释放后，导流洞永久堵头前空腔与水库相通的水透过永久堵头顶部缝隙、回填灌浆孔、接触灌浆管透水。按平压堵头充水时间计算，永久堵头的实际透水量为0.43m3/s，当时库水位为EL.674.5m。

根据北盘江径流情况，预计汛期最高库水位EL.725m。?导流洞永久堵头顶部空腔高水位下灌浆封堵施工组织措施?按导流洞平压成功后，最高水位EL.730m（水头130m）进行设计，重点需解决：（1）高水位工况下，钻孔至堵头顶部空腔时孔内涌水封闭问题；（2）控制浆液扩散半径，确保浆液尽可能多填充在永久堵头顶部；（3）是对永久堵头顶部空腔进行有效回填并形成强度，阻断透水通道。施工组织措施已于前期通过由国内相关灌浆专家评审的专家咨询会议。

由于国内尚无同类型工程施工经验可借鉴，为了保证导流洞永久堵头顶部空腔高水头下灌浆封堵施工人员及设备安全、验证施工组织措施是否可行、技术参数能否满足要求，在水电站厂房尾水平台左侧（高程EL.600m）选取适合场地进行模拟试验。

1.2试验布置

根据导流洞永久堵头空腔揭露情况，模拟试验选用12mDg800mm钢管两端用1cm厚钢板封堵模拟堵头顶部空腔，在一侧端部焊接Dg48mm钢管作进水管模拟导流洞上游进水，进水管与右岸EL.710m高位水池连通，试验水头为110m；Dg800mm钢管中部割除一Φ48mm圆孔以模拟灌浆孔，圆孔外焊接Dg75mm钢管模拟灌浆孔孔口管；Dg800mm钢管尾部钢板底部焊接Dg30mm钢管并安装球阀模拟导流洞下游出水。

为模拟现场灌浆情况，灌浆系统布置在电站厂房后侧靠导流洞出口平台位置，水平距离Dg800mm钢管约30m，高出Dg800mm钢管约10m。灌浆系统设置0.5m3混凝土强制式搅拌机、高压砂浆泵、1m3搅拌桶各一台，用Dg48mm钢管作为灌浆管路接至Dg800mm钢管。模拟试验采用“孔口封闭、纯压式全孔一次性灌浆”工艺。

1.3试验目的

（1）模拟现场施工，找出可能出现的突发情况并研究措施进行处理；

（2）检验孔口涌水封闭装置能否满足钻进及起下钻时排水泄压要求、是否安全可靠、能否有效止水；

（3）检验孔口封闭装置能否满足灌浆耐压要求；

（4）检验“水下不分散自流密实砂浆”可灌性、水下凝固时间及强度、水下分散离析程度；

（5）验证设备配置合理性；

（6）验证?导流洞永久堵头顶部空腔高水位下灌浆封堵施工组织措施?可行性。

2试验材料说明

灌浆浆液采用“水下不分散自流密实水泥砂浆”（以下简称水泥砂浆）和水灰比为0.5：1的纯水泥浆两种。永久堵头顶部上、下层脱空灌注采用水泥砂浆，后期细小通道及堵头内前期投放堆积层灌浆采用纯水泥浆。模拟试验主要模拟水泥砂浆灌注工艺。

水泥砂浆配合比结合室内配合比及现场试验情况进行具体调整，以保证其各种性能满足灌浆需要；水泥砂浆现场采用0.5m3混凝土强制搅拌机搅拌；灌浆水泥采用P.O.42.5级普通硅酸盐水泥；灌浆用砂采用人工砂，人工筛分后粒径≦5mm。

3主要施工工艺说明

3.1施工工艺流程

模拟试验施工工艺为：孔内涌水封闭装置安装→钻孔装置安装→管内充水测压→钻孔施工工艺模拟→孔内涌水封闭→灌浆管路安装→灌浆模拟。

3.2孔口封闭及钻孔装置安装

针对高水头涌水，定制加工孔内涌水封闭装置一套（以下简称封闭装置），由泄水泄压系统、孔口封闭系统、止水系统、止回系统、进浆系统组成，装置内部中空，以便实际施工中钻孔。封闭装置安装在Dg75mm孔口管上，安装封闭装置同时安装钻杆及钻具、钻头。

安装完毕后，关闭泄水泄压系统，进行试压水，压水压力1.4Mpa，检查封闭装置耐压情况，无漏水后进入下道工序施工。

3.3钻孔施工工艺模拟

在封闭装置内置入一根钻杆，半开封闭装置，人工上下左右活动钻杆，模拟钻孔施工中的钻进、起钻、下钻情况，并观察钻杆周边及封闭装置周围涌水情况。

3.4孔内涌水封闭

钻杆钻具起出位置超过止水系统时，关闭止水系统、泄水泄压系统，将孔内涌水全封闭在孔内。

3.5灌浆模拟

（1）灌浆方法

1）灌注上、下层脱空段时采用“孔口封闭、纯压式全孔一次性灌浆”；

2）灌注堵头内前期投放堆积层时可根据具体情况选用以下两种灌浆方法：“钻孔不起钻、孔口封闭、孔底循环、全孔一次性灌浆”，用φ42㎜钻杆作为射浆尾管；“孔口封闭、纯压式全孔一次性灌浆”。本次模拟试验仅模拟“孔口封闭、纯压式全孔一次性灌浆”。

（2）灌浆压力：灌注水泥砂浆时大于库水位水头压力0.2～0.5Mpa；灌注纯水泥浆时大于库水位压力0.3～1.0Mpa。具体灌浆压力根据现场实施情况调整。本次模拟试验灌浆压力以水泥砂浆能灌注进入灌浆管内为原则。

（3）灌浆待凝及结束标准：

由于灌后需将Dg800mm钢管切割开检查水泥砂浆灌注扩散情况及水下恒压凝结情况，故本次试验不模拟灌浆待凝及结束标准。

4试验情况综述

4.1孔口涌水封闭及钻孔装置安装

试验第一天：预安装孔口封闭及钻孔装置，并于当日开始试压水。先关闭孔口封闭装置，用进水压力（1.1Mpa）自压，持续5min后改为砂浆泵压水，压水压力为1.5Mpa，持续5min。压水过程中，仅从钻杆外露接头及孔口封闭装置接头处少量渗水，未出现大量涌水，孔口封闭装置经压水检验满足耐压要求。

4.2钻孔施工工艺模拟

试压水完成后，即开始钻孔施工工艺模拟。打开泄水泄压系统，半开孔口封闭系统，人工上下活动钻杆，过程中钻杆上部未出现大量涌水，仅少量水流出，孔口封闭系统处少量水渗出；后关闭泄水泄压系统，全开孔口封闭系统，钻杆被水冲出孔口封闭装置，飞高约5m，大量水从孔口封闭系统处喷射而出，喷高约5m。

模拟试验证明：孔口封闭装置在泄水泄压系统全开、孔口封闭系统半开情况下，可以有效封闭孔内大量涌水不从钻杆内涌出，大大降低施工人员操作危险，能满足钻孔时钻杆旋转、起下钻等施工安全需要；相反，若关闭泄水泄压系统，全开孔口封闭系统，会从孔口封闭系统处大量涌水，将带来极大安全风险，施工中应严禁按此施工。为确保施工人员起下钻过程中安全，起下钻时，再加设一限位装置固定钻杆，确保起钻过程中因操作不当致使钻杆飞出。

4.3灌浆模拟

钻孔工艺模拟完成后，将孔内涌水封闭并安装灌浆管路，管路拐弯处采用90°弯头连接，在砂浆泵出口处安装回浆管及压力表观测进浆压力。

管路安装完成后开始第一次灌注砂浆试验。砂浆水灰比为1：0.28，砂率为1.5，砂未人工筛分，直接利用料场成品料，砂浆采用混凝土拌和楼拌制，混凝土罐车运输至灌浆现场并输送入1m3搅拌桶。第一次灌浆共计拌料2m3，初始放入搅拌桶内400L，开灌时回浆压力表波动较大，指针摆幅为0～6Mpa，砂浆泵负荷很重，灌至2min时，砂浆泵负荷过大，停止运转。经检查，砂浆泵进浆口、出浆口、灌浆管路全部堵塞，管路冲洗干净后，停止灌浆，剩余砂浆全部运至渣场弃置。通过检查桶内及灌浆管路内堵塞情况，砂浆中砂粒径为0～7mm左右，间或夹有混凝土粗骨料及碎石在内，经业主、监理、设计、施工四方会议分析总结：（1）砂浆内粗骨料及碎石系拌和楼及罐车内残余未完全冲洗干净骨料，为保证砂浆可灌性，砂浆不能用混凝土拌和楼拌制，同样也不能用运输过混凝土的罐车运输；（2）砂必须人工筛分，保证粒径≦5mm；（3）砂浆采用新购混凝土强制搅拌机进行制备，待强制搅拌机到场后再进行第二次灌浆试验。

试验第四日，新购混凝土强制搅拌机到场安装完毕后开始第二次灌浆试验，灌浆管路未改动。砂浆水灰比为1：0.28，砂率调整为1，砂采用人工筛分后的砂，粒径≦5mm，砂浆用强制式搅拌机拌制。开灌时回浆压力表波动较大，指针摆幅为0～6.5Mpa，灌浆8min，灌入80L砂浆后浆液面不再下降，14min时管路爆管断开，停止灌浆。经检查，灌浆管路全部堵塞。经现场分析：（1）砂浆灌浆过程中，由于在泵口控制压力，降压时，浆液有回流现象，回流时砂浆在管路内沉淀；（2）灌浆管路沿途压力损失较大，至进入孔口时灌浆压力可能小于水头压力，导致无法将砂浆压入孔内；（3）砂浆增稠剂在搅拌机内无法完全散开，未能完全发挥增稠作用。为了检验上述分析是否正确，暂停灌注砂浆施工，开始压水检验。第一次压水10min，压力表指针摆幅0～5Mpa，期间出现桶内水位上升、管路严重漏水现象。将泵口回浆及压力表改至孔口、90°弯头连接改为软管连接、灌浆管路各接头处加缠止水胶带及密封圈后，进行第二次压水压力1.2Mpa，压水正常，单位注入率90～120L/min。后连续压水三次，压力及注入率均与此次相差无几，停止压水。

次日，将砂浆泵迁至孔口上方，再进行压水试验，压水5min，压力1.15～1.2Mpa，单位注入率60～100L/min，压水正常。人工拌制100L砂浆进行灌注，砂浆砂率调整为0.7，其余参数不变。2min后砂浆全部灌入孔内。将砂浆泵又迁回原处，采用强制式搅拌机制备400L砂率为0.7砂浆进行灌注，灌浆正常，灌浆压力1.15Mpa，单位注入率30～100L/min。制备300L砂率为1砂浆进行灌注，灌浆压力1.15Mpa，约1min时，出现堵管现象，处理后全部灌注入孔内。后再改为连续制备砂率为0.7砂浆进行连续灌注，共计灌注1h，灌浆压力1.15Mpa，灌入孔内2200L砂浆，单位注入率20～30L/min，灌浆过程中未再出现中断。经分析，注入率降低系因砂浆沉淀后灌浆管过流断面减小所致。

灌浆试验于试验第五日结束，并计划于试验第七日切割开Dg800mm钢管检查砂浆凝结情况及扩散情况。

5结论及改进措施

经过五天时间的模拟灌浆试验，找到许多实际施工中将出现的施工问题，并对这些问题针对性的进行分析研究处理，为以后的灌浆施工提供了宝贵的基础资料；同时也验证了?导流洞永久堵头顶部空腔高水位下灌浆封堵施工组织措施?在实际施工中是可行的，措施内各项安全保证措施是可靠有效的，定制加工的孔口封闭装置封闭效果良好。导流洞永久堵头顶部空腔高水位下灌浆封堵可以参照本次试验结果进行施工。

针对本次试验过程中出现的各种情况，对应?导流洞永久堵头顶部空腔高水位下灌浆封堵施工组织措施?，提出改进措施如下：

（1）砂浆砂率0.7时，可灌性最好，容易实现连续灌注，建议砂浆砂率调整为0.7；

（2）施工过程中有堵管、涌水、钻杆飞出等情况出现，施工人员必须佩戴全套防护用品；

（3）施工操作细则必须监督落实到位；

（4）砂浆泵及灌浆管路必须随时保证备用一套，确保连续灌注；

（5）灌浆管路尽量避免90°弯头，各接头必须加装止水胶带及密封圈，砂浆泵尽量布置在孔口附近以降低压力损失；

（6）泵口出浆管不设回路，在孔口安装回浆及压力表；

（7）砂浆增稠剂掺加进先兑水搅拌均匀后再加入搅拌机内，确保完全发挥增稠作用。