万家寨水利枢纽工程坝址地段河谷呈“U”形，河宽400m，两岸岸坡陡立，岸高百米以上。坝址地层呈单斜构造，岩体总体走向NE30°～60°，倾向NW，倾角小于10°，地质构造简单，稳定性相对较好。坝址无较大断层，但裂隙较为发育。坝址基岩由寒武系、奥陶系石灰酸岩类地层组成。在地质构造上位于相对隆起地带，属单斜构造。主要发育有间小褶曲，轴向为NE 和NW 两组，延伸不等，两翼地层倾角不大，影响范围20m，断层不发育。主要裂隙发育有三组：第一组走向NW275°～285°，倾向NW，倾角80°～90°，第二组走向NE10°～25°，倾向NW 或SE，倾角80°～90°，这两组裂隙均属张性延伸，一般20～30m，个别达40～50m。第三组为沿层面发育的剪切裂隙。坝基的主要岩性为中厚层灰岩夹薄层灰岩、鲕状灰岩、页岩及少量泥灰岩，岩层单层厚度一般为0.5～5cm，多呈条带状，互层状、夹层状分布，抗风化能力较差，亲水性相对较好，在该集中带内，常伴生有层间剪切带及泥化夹层。层间剪切带多顺层或与层面及角度相交发育，多分布于软硬相间的软弱岩层—泥灰岩页岩中。泥化夹层多发育在层间剪切带内，基本顺层发育，局部斜切层理，多为棕黄色，加绿色粘泥加岩组成，排列紧密，一般厚度0.2～1.0cm，最厚达6.0cm，层面起伏差1.0～2.0cm，透水性较强。
（二）岩基灌浆设计
根据万家寨水利枢纽工程的结构和地基特点，设计地基处理措施以排水为主，灌浆为辅，排灌相结合。灌浆分固结灌浆和帷幕灌浆，排水采用排水孔。
（1）固结灌浆。主坝及护坦部位均布置了固结灌浆孔，布孔形式多采用梅花形布置。灌浆孔间排距视地质情况和部位的不同分为2.5m×2.5m、3.0m×3.0m 和4.0m×4.0m。河床坝段孔深分A、B、C 区，其中A 区（一般为甲块）为入岩7.0m，B 区（一般为乙块）为入岩，C 区（一般为丙块，丁块）为入岩；护坦部位原设计为入岩5.0m，后调整为入岩5.0～10.0m 不等；岸坡坝段原设计大多采用垂直岸坡入岩7.0m 的斜孔，后全部改在两岸坝肩部位不同高程的平台面上施工，孔深7.0～40.0m。
（2）帷幕灌浆。原设计两岸平洞内灌浆孔为单排，孔深为32.0～93.4m，电站坝段帷幕灌浆孔为3 排，第一排帷幕（下游排）倾向下游，顶角3°～7°，孔深22.0～48.4m，中间排为主帷幕孔，倾向上游，顶角为0°～4°，孔深28.0～44.0m。上游排为第二副帷幕孔，倾向上游顶角15°，孔深入岩垂直投影5.0m，19 号坝段及两岸岸坡坝段均布置两排灌浆孔。下游排为副帷幕孔，倾向下游，顶角为0°～5°，孔深13.0～65.0m；上游排为主帷幕孔，倾向上游，顶角6°～7°，孔深15.5～70.5m。
（3）排水孔。在两岸肩平硐及主廊道内副帷幕孔后处布置一排主排水孔；基础排水廊道内布置了两排孔深8.0m 的地基排水孔；护坦部位纵横向半圆排水管等部位布置了入岩6.0～12.0m 的地基排水孔。
（三）灌浆试验
根据设计要求，于1995年8～11月、1996年1～6月，在主坝8 丙块和主帷灌浆廊道内4 坝段部位分别进行了坝基固结灌浆、帷幕灌浆试验工作。
1.试验目的
了解在灰岩上用水泥灌浆方法解决坝基防渗问题和提高岩体完整性的可能性，确定适宜的灌浆参数，验证拟定的施工工艺与方法。
2.试验内容或拟获取的主要参数
1）测定灌浆前、后单位透水率、单位耗浆量的变化情况；
2）确定适宜的灌浆压力、孔深、孔距、排距；
3）灌浆前、后声波测试值的变化情况；
4）灌浆材料及施工工艺的选用。
3.试验区孔位布置与孔深
（1）帷幕灌浆试验：
1）帷幕灌浆试验的布置。帷幕灌浆试验选定在主坝4 号坝段甲块主灌浆廊道内，试验区布置两排灌浆孔。下游排为副帷幕孔，其孔向垂直；上游排为主帷幕孔，倾向上游，方位NW356°0′51″，顶角7°，排距0.7m，孔距3.0m，每排分Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ孔序。在廊道下游桩号为坝下0+002.8 线上布置两个观测孔，如图9-4。
图9-4 帷幕灌浆试验布孔图
2）帷幕灌浆试验的孔深。副帷幕孔以深入∈2Z4 岩层、距∈2Z3 与∈2Z4 岩层界面3.0m为原则，入岩19.0m；主帷幕孔以深入∈2Z3 一个灌浆段为原则，入岩27.0m；导孔入岩32.0m；检查孔入岩27.0m；观测孔入岩37.0m。导孔最后一段压水试验透水率大于1.0Lu时，应加深一段（5.0m），直到透水率小于1.0Lu 为止。
（2）固结灌浆试验。固结灌浆试验选在主坝8 号坝段丙块进行，试验区长10.0m，宽19.0m，共布置了3 排17 个试验孔，分入岩10.0m 区和入岩7.0m 区两部分；梅花形布置孔，每排分Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ孔序施工，在试验区周围布置4个抬动观测孔。固结灌浆试验布置如图9-5。
图9-5 固结灌浆试验布孔图
4.试验成果及其分析
（1）透水率试验成果。透水率试验成果如表9-4。
由表9-4可见，强透水层（大于10.0Lu）的主要在第1 段和第7 段。其余孔段的透水率均属中、弱透水层，从∈2Z5～∈2Z3 岩层的透水率分层统计见表9-5。
表9-4 帷幕灌浆阀前各孔序透水率统计表 （单位：Lu）
表9-5 透水率分层统计表 （单位：Lu）
从灌前所做的67 段压水试验透水率的统计及表9.1.5 的分层统计，可以看出强透水层主要在∈2Z5 和∈2Z3 层。
灌后布置几个检查孔，均采用三级压力水进行试验检查，其结果见表9-6。
检查孔压水试验21 段，从表9-6可见，透水率最大值为0.83Lu，最小值为0，平均值为0.11Lu。显然，均小于透水率的设计的值1.0Lu。
表9-6 各检查孔段透水率统计表 （单位：Lu）
灌前透水率平均值，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ孔序分别为7.26Lu、1.40Lu、1.40Lu，灌后检查孔透水率平均为0.11Lu。
固结灌浆入岩7.0m 区Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ孔序透水率平均值分别为14.4Lu、6.01 Lu、0.12 Lu；入岩10.0m 区Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ孔序透水率分别为16.42Lu、3.42Lu、2.31Lu；灌后检查孔入岩7.0m 区和入岩10.0m 区透水率平均值分别为1.3Lu、1.07Lu。显然，均小于透水率的设计的值3.0Lu。
（2）单位注入量变化情况。帷幕灌浆试验Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ孔序单耗小于5kg/m的分别占该孔序总段数的26%、75%、80%，而单位注入量频率最大的为小于5kg/m的段次，占5%；其次为5～20kg/m的段次占27.0%；20～1000.0kg的段次占18.0%；超过1000.0kg/m的段次占1.0%。由此可知，岩层中主要是细小水平裂隙发育，宽大裂隙及溶蚀洞穴很少。同时，也说明随着孔序的增加、单位注入量小于5kg/m的频率也在增大，基本符合灌浆规律，因而防渗效果明显。
固结灌浆入岩7.0m区，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ孔序单位耗灰量分别为145.6kg/m，10.44kg/m和4.12kg/m；入岩10.0m区，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ孔序单位耗灰量分别为111.48kg/m、296.79kg/m和20.3kg/m；检查孔入岩7.0m 区和入岩10.0m 区，单位耗灰量分别为0.46kg/m 和0.66kg/m。其中入岩10.0m区的Ⅱ孔序单位耗灰量296.79kg/m，大于Ⅰ序孔的111.48kg/m。现场实际情况如下：
1）24 号孔（2 孔序）第二段透水率Lu 值并非很大，开始灌浆压力升至0.6MPa 时，耗浆量为21.5L/min，灌至30min 时耗浆量突然增为34.4L/min，压力逐渐减小变为零。其中浆液逐渐变浓终为0.5∶1，灌注时间长达6h，总耗灰量8.0t。分析认为：①与L24裂隙有关；②入岩较深；③岩石裂隙中充填有泥质物和暗色矿物质，在压力升高时，充填物从较疏松的裂隙中冲开，使浆液向较远距离扩散以致造成压力逐渐减小、耗浆量增大。
2）5 号孔第二段也较大，34 号孔原为Ⅰ孔序，在压水试验时与抬动观测孔（G4 号孔）相串，为不影响观测，经监理工程师同意将该孔改为Ⅱ序孔。
综合上述两种因素分析，综合试验成果中，Ⅱ孔序的单位耗灰量大于Ⅰ孔序，这是正常现象。可见，随孔序的增加，单位耗灰量随之减小，基本符合灌浆规律。
（3）灌浆压力。帷幕灌浆和固结灌浆试验设计规定基岩抬动不大于0.2mm 控制。帷幕灌浆第一、二、三段灌浆压力分别为1.0MPa、1.5MPa 和2.0MPa，第四段及其以后各段均为3.0MPa，灌浆过程中没有发现抬动情况，中国水电四局建议将灌浆压力每段提高0.5M Pa。
固结灌浆入岩7.0m 区Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ孔序灌浆压力分别为0.4MPa、0.5MPa 和0.6MPa；入岩10.0m 区Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ孔序，第一段分别为0.4MPa、0.5MPa 和0.6MPa，第二段分别为0.5MPa、0.6MPa 和0.7MPa。施工过程中有抬动现象，其中Ⅰ孔序最大抬动值为0.14mm，Ⅱ、Ⅲ孔序均未发现抬动现象。因此，固结灌浆压力Ⅰ序孔为0.3MPa，Ⅱ、Ⅲ序在现有地基上增加0.1～0.2MPa，对于入岩10.0m 区灌浆段长为3.0m（原设计为4.0m），第二段7.0m 为宜。
（4）灌浆孔深、间距、排距。试验最终综合成果和现场情况观察结果表明，本试验设计的帷幕灌浆与固结灌浆孔的间距、排距及固结灌浆孔的孔深设计是比较合理的。
（5）声波测试。帷幕灌浆后，在高程870.00～864.00m 之间声波测试值有较为明显的提高，特别是在865.00～864.00m 之间提高较大，达22%。固结灌浆声波测试值也有不同程度的提高，但个别部位（主要为剪切带）达不到设计值4000m/s 的要求。建议设计者将坝基声波测试值规定为完整岩体大于4000m/s，剪切带部位大于2500m/s。
（四）施工工艺及施工程序
1.施工程序(www.xing528.com)
（1）帷幕灌浆施工程序。施工详图→质检和监理工程师审查、签认→现场测量布孔→钻孔→洗孔→压水试验→灌浆→镶孔口管并待凝72h→下一段钻进→终孔封孔→检查孔施工。
（2）固结灌浆施工程序。施工详图→工程师审查、签认→现场测量布孔→钻孔→洗孔→压水试验（至少Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ孔序1 孔）→灌浆→机械压浆封孔→检查孔施工。
（3）排水孔施工程序。施工详图→工程师审查、签认→布孔→钻孔→冲洗孔→过滤体安装→孔口装置安装。
2.施工工艺
（1）帷幕灌浆施工。帷幕灌浆施工工艺如下：
1）钻孔。采用SGZ-ⅢA 型地质钻机，金刚石钻头。第一段孔孔径一般为Φ76mm；第二段以后采用Φ56mm 或Φ60mm 钻头钻进；导孔及检查孔第一段为Φ91mm，第二段以后为Φ76mm。
2）洗孔。采用压力脉动冲洗法洗孔。洗孔最大压力为1.0MPa，时间不少于30min；在孔口返水颜色完全变清，且延续5～10min 时洗孔终止。
3）压水试验。一般施工孔的接触段、终孔段和各孔序主、副孔至少各1 孔做压水试验。全孔每段采用单点压水试验，实验压力为1.0MPa；导孔及检查孔采用5 点法压水，压力分别为0.3 MPa、0.6 MPa、1.0 MPa、0.6 MPa 和0.3 MPa。
声波及弹模测试：仅在主灌浆廊道内7 号、8 号坝段的7F-导-1 和8-F-导-3 两孔及该部位的检查孔内进行。
4）灌浆。灌浆设备采用BW100/100 型泥浆泵，灌浆材料选用山西大同525 号普通硅酸盐水泥；水灰比采用5∶1、3∶1、1∶1、0.8∶1、0.6∶1 和0.5∶1 六个比级，一般采用5∶1 开灌：灌浆段长第一段为2.0m（含0.5m 混凝土）；第二段为3.0m；第三段、第四段及其以后各段均为5.0m；终孔段长不得大于8.0m。灌浆压力第一、二、三段分别为1.5MPa、2.0MPa、2.5MPa；第四段及其以后各段均为3.5MPa。每段灌浆压力比试验段提高0.5MPa。灌浆方法，采用孔口封闭法。
5）灌浆变换及结束标准。依据SL62—94和设计的技术要求（802H-G1-20），浆液变换采用以下准则：①当灌浆压力保持不变，注入率持续减少或随注入率保持不变，而灌浆压力持续升高时，不得改变灌浆水灰比；②当某一比级浆液注入量达300L以上或灌浆时间超过1h，而灌浆压力和注入量均无明显改变时，应改浓一级；③当注入率大于30L/min时，可视具体情况越级变浓。结束标准，依据在设计规定压力下，注入率不大于1L/min时，延续时间不少于90min，或总灌注时间不少于120min，满足上述两条件之一后方可结束灌浆。
6）封孔。采用置换和压力灌浆法封孔，其浆液水灰比0.5∶1，灌浆压力为3.5MPa。
（2）固结灌浆施工。固结灌浆施工工艺如下：
1）钻孔。采用SGZ-ⅢA型地质钻机，金刚石钻头。孔径一般施工孔为Φ56mm或Φ60mm，检查孔为Φ76mm，且检查孔要求取心。
2）洗孔。采用压力脉动冲洗法洗孔。压力为该段灌浆压力的80%，最大值不超过1.0M Pa。
3）声波及弹模测试。灌前声波测试孔由监理工程师指定，检查孔全部要求做声波测试，弹模测试在主坝5丙、右岸丙、丁块的主要针对剪切带部位共测试8个孔12个测试段，仪器采用日本产OYO-200型弹模仪。
4）灌浆。灌浆设备、材料、浆液水灰比、浆液变换原则等与帷幕灌浆相同。当灌浆段入岩深度为7.0m时，采用一段灌浆（灌浆段长7.5m，含0.5m混凝土）；当灌浆段入岩深度大于7.0m、小于10.0m时，分两段施工，第一段3.5m（含0.5m混凝土），第二段至终孔；当灌浆段入岩深度大于10.0m时，采用自上而下，每5.0m为一段进行分段灌浆，终孔段长控制在8.0m以内。灌浆压力，第一段，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ孔序分别为0.3MPa、0.4MPa、0.5MPa；第二段，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ孔序分别为0.4MPa、0.5MPa、0.6MPa；10.0m以上的孔在第二段的地基上每向下增加1.0m，灌浆压力相应提高0.05MPa。对于地质条件较差的部位，压力适当提高（基础混凝土加钢筋网），个别单元压力达1.0MPa。
5）灌浆结束标准。在设计规定压力下，当注入率不大于0.4L/min，延续30min时，即可结束灌浆。
6）封孔。采用0.5∶1的水泥浆机械压浆封孔法封孔。
（3）排水孔施工。排水孔施工工艺如下：
1）钻孔。采用SGZ-ⅢA型或SGZ-ⅠA型地质钻机、金刚石钻头钻孔。主排水孔，开孔孔径为Φ150mm，终孔孔径为Φ130mm；地基排水孔孔径为Φ110mm。
2）过滤体安装。过滤体的构成从内到外分别为聚氯乙烯塑料管（花管）、18目尼纶网、聚胺脂泡沫软塑料、工业过滤布。过滤体安装主要针对地质条件较差的部位，如左岸3～6号坝段、右岸16～19 号坝段等。
3）孔口管安装。主排水孔孔口管下部为DN100mm地质钢管，长约1.0m，上部为d=10mm厚压板，中间夹塑料垫板，外接DN25mm钢管及阀门；地基排水孔孔口装置为DN100 渡锌钢管，长20cm，外露5cm，敞口。
（五）质量控制和检查手段
整个施工过程中采用“三检制”原则进行质量控制，对于灌浆过程中的关键环节，如：灌浆孔分序、孔深、孔斜、灌浆压力、灌浆水灰比、结束标准和封孔等作业，施工专职质检人员和监理工程师将其作为重点来抓。对于检查孔的压水试验必须有监理工程师和施工专职质检人员在场时进行，确保压水试验成果的真实性和有效性。
1.检查方法
（1）固结灌浆检查方法。固结灌浆以声波测试和压水试验为主，结合现场检查和资料整理分析等综合评定。
（2）帷幕灌浆检查方法。帷幕灌浆以压水试验为主，结合现场检查、资料整理和取芯情况等综合评定。排水孔主要以检查孔深、孔斜和过滤体、孔口装置的安装等工作。
2.测试参数
工程设计规定测试参数有：
（1）声波测试。岩体声波测试值设计值见表9-7。
表9-7 岩体灌浆声波测试设计值（单位：m/s）
（2）透水率测试。透水率设计值，固结灌浆检查孔压水试验透水率值小于3.0Lu为合格，小于1.5Lu 为优良；帷幕灌浆检查孔压水试验透水率值小于1.0Lu 为合格。
（六）施工成果分析
1.固结灌浆施工成果分析
万家寨水利枢纽工程绝大部分孔段耗浆量较小，只有个别部位接触段、裂隙密集带、剪切带等部位单位耗浆量相对偏大，并出现串、冒、漏浆现象。具体部位见表9-8。
表9-8 灌浆过程中出现的特殊情况及处理措施
固结灌浆共111个单元，所有检查孔压水试验透水率值均小于3.0Lu（设计要求值），灌后波速值均有不同程度的提高，检查孔采取的岩心中不同程度可见水泥结石存在，静弹模测试成果：5丙40号孔灌后变形模量和弹性模量分别为5.33GPa 和5.73GPa；灌前5丙40号孔变形模量和弹性模量分别为2.09GPa 和3.73GPa，分别提高59%和52%。12丙B—5孔灌后变形模量和弹性模量分别为3.76GPa 和8.14GPa，灌前孔变形模量和弹性模量分别为2.85GPa 和4.04GPa，分别提高32%和102%。
经监理工程师、设计和业主验收，优良单元90个，优良率81.08，合格单元21个，合格率100%，综合评定固结灌浆质量等级为优良。
2.施工帷幕灌浆成果分析
帷幕灌浆共37个单元。检查孔压水试验，除左岸982.00m平硐检1第一段透水率为1.08Lu 外，其余各段均小于1.0Lu（设计要求值）。检查孔岩芯中不同程度可见水泥结石存在，结石在∈2Z5 和∈2Z4 岩层的水平裂隙中存在较多，厚度约1.0mm 左右，说明该夹层水平裂隙较发育，同时浆液扩散性较好。垂直裂隙中也发现水泥结石存在，并在12号坝段检查孔878.90～877.30m高程段取得一块厚度达5cm的水泥结石，推测该段为小溶洞，已被浆液所充填。
声波测试只在7号、8号坝段内进行，灌前7号坝段导孔888.00～888.80m高程段和883.00～884.40m高程段波速值最低，在3500m/s 以下，灌后该处达4100～6500m/s，平均提高19.5%。8号坝段882.50～889.50m高程段波速值灌后提高10%～15%。
静弹模测试成果：7号坝段导孔888.50m高程段变形模量和弹性模量提高较大，分别达500%、400%，其原因是该测段在灌前测试时，其变形模量和弹性模量均较低，并在灌前测试完发现胶囊下部有两条近似环状的压痕，宽度约1.0～1.5cm，说明该段有软弱夹层存在，这与灌后检查孔的岩芯描述是一致的。但是，在灌后检查孔测试中未发现有胶囊压痕现象，说明岩体强度已改善，其变形模量和弹性模量分别达9.47GPa 和13.71GPa。
8号坝段导孔及检查孔两侧段灌浆效果较好，在高程883.60m 和882.60m处的变形模量和弹性模量分别达9.48GPa、9.78GPa、13.71GPa 和14.14GPa。
帷幕灌浆共37个单元，其中优良单元35个，优良率94.59%，合格单元2个，合格率100%，综合评定帷幕灌浆质量等级为优良。
3.排水孔施工成果分析
排水孔共114个单元。由于后期增加工程，排水孔未进行验收工作，通过自评，优良111个，优良率97.37%；合格单元3个，合格率100%。
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