構皮灘水電站泄洪霧化區松動體的加固處理

唐 斌,李仁鴻

(1.二灘國際工程咨詢有限責任公司,四川 成都 610072;2.中國水電顧問集團成都勘測設計研究院,四川 成都 610072)

1 前 言

構皮灘水電站是烏江干流中游河段的梯級電站,是貴州省和烏江干流最大的水電站,是“西電東送”南部通道中承東啟西、承南啟北的骨干支撐電源點。經勘察查明,右岸泄洪霧化區高程 575～620m范圍內的山坡體,地質條件極為復雜,斷層密布,且有滑移跡象,故定名為松動體,需做穩定處理,以防電站蓄水后造成大面積滑坡,危害大壩的安全運行。

2 松動體的整治處理設計

在對松動體實施處理方案時,從施工難易程度、處理效果、經濟等方面進行綜合分析、計算比較后,優先選取了預應力錨索加地基梁、固結灌漿、擋墻等綜合治理方案。

2.1 預應力錨索及地基梁的設計布置

松動體沿滑移面的穩定安全系數小于 1,下滑力為 2.38×104kN。由于松動體巖石破碎、完整性差,宜采用小噸位級的預應力錨索,經計算比較采用38根 1200kN級預應力錨索加固處理較為合宜。預應力錨索集中布置在松動體中部的 575～620m高程之間,呈梅花形分布,間、排距均為 8m。錨根進入 FⅡ -35斷層下盤 7m,各錨索孔深及傾角不盡相同,最大深度約 50m,最小傾角 29°。松動體表面為第四紀殘坡積覆蓋層,無巖體裸露,在地表布置斷面尺寸為 100cm×60cm的網格形鋼筋混凝土地基梁。在鋼筋混凝土地基梁的節點上布置預應力錨索。網格形鋼筋混凝土地基梁主要是用于增大受力面積,防止錨頭因應力過大而下陷,且可兜住松散巖體,使松動體在特殊工作壯態下保持穩定,確保工程安全。

2.2 固結灌漿孔的布置

為提高松散巖體的抗剪強度指標、增強其均質性及整體性,在大壩上游距壩軸線 15～102.5m、高程 525～620m的范圍內布置了 19排 339個固結灌漿孔作為對松散巖體的補強措施,孔、排距為 4m×4m,呈交錯布置;各孔孔深不盡相同,最大孔深深入巖石 25m。各固結孔均為鉛直孔。

2.3 各工程項目施工順序

首先集中力量實施布置有錨索部位的固結灌漿,之后一部分力量施工錨索,另一部分力量施工錨索孔范圍以外的固結灌漿孔。由于先行做了固結灌漿,極大地提高了錨索孔的成孔率,減小了錨索孔的造孔難度,使錨索施工得以順利進行,確保了電站按期下閘蓄水。

3 固結灌漿施工

3.1 固結灌漿施工次序

固結灌漿按分序加密的原則,分兩個次序施工,通過圍擠壓達到提高固結效果的目的。

3.2 造 孔

使用 SGZ-150型回轉式地質鉆機配金剛石鉆頭鉆孔,開孔孔徑 φ73mm,鉆至深入巖石 0.4m,以下孔徑改為 φ56mm直至終孔。開孔結束之后,鑲嵌 φ73mm孔口管穿過覆蓋層并深入巖石 0.4m。

3.3 灌漿工藝

由于松動體上部為第四紀殘坡積覆蓋層及強風化巖層,造孔時因塌孔較為嚴重而難以成孔,無法實現孔內分段卡塞灌漿,故采取“鑲孔口管,小口徑鉆進,自上而下分段鉆灌,不待凝,不做裂隙沖洗,孔口封閉,孔內循環式”的灌漿工藝。該種灌漿工藝對處理復雜地層比較有效。鑲孔口管既可起到對上部覆蓋層段的保護、防止塌孔作用,又可實現孔內分段做循環式有壓灌漿,下部灌漿時,上部已灌段可得到重復灌漿,有利于提高松動體的固結灌漿質量。

4 預應力錨索施工

4.1 造 孔

采用風動沖擊鉆造孔,孔徑為 φ110mm,直至終孔。造孔過程中經常發生塌孔埋鉆、掉塊卡鉆等各類事故。孔內事故主要集中出現在混凝土地基梁以下的殘坡積覆蓋層、強風化層及深部斷層破碎帶范圍內,各類孔內事故的頻繁發生對造孔施工造成了極大的困難,需對錨孔進行固結灌漿方可成孔。

4.2 編索、下索及錨根生成

錨索均由 9根強度為 1570MPa級的鋼鉸線編織而成,在錨根段 5m范圍內用隔離環,自由段用隔離架組裝,隔離環及隔離架間距均為 2m。錨索編好并經檢查驗收后下入孔內,因孔內極易出現塌孔掉塊,故采取先下錨后注漿的施工措施。在下錨過程中當遇到塌孔、掉塊而不到孔底時,通過采取沖洗措施下入到孔底。錨索下入孔底后再對錨根段注漿,錨根段內注入水灰比為 0.4∶1的 525號普通硅酸鹽水泥漿液,注漿七天后即可張拉。由于從編索至張拉的時間較短,無需對錨索采取防銹保護措施。

4.3 錨索張拉

錨索張拉施工流程:安裝測力計→安裝工作錨具及夾片→使用 YC-200D小型千斤頂將鋼鉸線逐根張拉繃直→安裝限位板→安裝 YCW 250型千斤頂→安裝工具錨及夾片→張拉→鎖定→注漿封孔做永久防銹→切除工作錨以上超長部分鋼鉸線→澆筑錨頭混凝土。

每根錨索的設計錨固力為 120t。因松動體上部為殘坡積覆蓋層及強風化巖層,節理、裂隙發育,斷層密布,地層受壓變形、孔壁摩阻及鋼鉸線松弛徐變,導致錨索的預應力損失較大。為補償和抵消部分預應力損失,采取兩次張拉措施,即采取補償張拉加超載安裝的張拉措施,以補償和抵消錨索的部分預應力損失,確保錨索的永存錨固力。第一次分為300kN、600kN、900kN、1200kN四級張拉,七天后再進行補償張拉,補償張拉力分為 900kN、1200kN、1300kN三級,最后達到 1300kN,在 1300kN的拉力下安裝鎖定。超設計張拉力 100kN,超張拉力系數為 1.08。

錨索的張拉力以安裝在油泵上的壓力表指針所指示的中值為準。張拉過程中,在每級拉力下持荷穩定時,用鋼板尺量測鋼鉸線的實際伸長值,校核張拉力。實際量測的鋼鉸線的伸長值須與理論計算的伸長值基本相符,當實際量測的伸長值大于理論計算值的 10%或小于理論計算值的 5%時,應暫停張拉,待查明原因并采取相應措施予以調整后方可恢復張拉。采用虎克定律計算鋼鉸線的理論伸長值。

4.4 錨索永久防護

預應力錨索張拉完畢,驗收合格并經監理工程師同意之后,即往錨索孔內注漿做永久防護。注漿材料為 525R水泥、水灰比(重量比)為 0.4∶1的濃水泥漿液。待排氣管管口排出的漿液比重達到 1.9時間歇 10min再次注漿,孔內積水及空氣充分排除后即可停止注漿。待凝 24h之后,即待錨索孔內的水泥漿液干縮之后,再將孔口不滿部分填滿,注漿工作即可結束。

各錨索孔注漿結束 24h之后即可使用切割機將工作錨具外的超長部分鋼鉸線切除,切除超長部分后的鋼鉸線在錨具外的外露長度不小于 20mm。切除超長部分鋼鉸線后澆筑混凝土做永久防護。

5 固結灌漿成果資料分析

5.1 單位注入量與孔序間的關系分析

單位注入量與孔序間的關系分析見表1。

由表1可以看出,先施工的Ⅰ序孔平均單位注入量為 86.35kg/m,后施工的Ⅱ序孔平均單位注入量為 49.1kg/m,占Ⅰ序孔的 56.9%,即隨著孔序的加密,單位注入量呈現出逐序減小的變化趨勢,符合一般灌漿統計規律,由此表明灌漿效果極為明顯。Ⅱ序孔仍具有較好的可灌性,表明松動體內的巖石裂隙及斷層極為發育,在較低的壓力下即可獲得顯著的可灌性,同時也表明 4m×4m的孔排距偏稀。

5.2 單位注入量大于 50kg/m的孔段統計

單位注入量大于 50kg/m的孔段統計見表2。

表1 單位注入量與孔序間的關系

表2 單位注入量大于 50kg/m的孔段統計

由表2可看出:

(1)隨著灌漿孔序的加密,對于大單位注入量,后序孔的孔段數及其所占比例呈現出明顯降低的趨勢,符合一般灌漿統計規律,表明灌漿情況正常。

(2)各序孔單位注入量較大的孔段所占比例相對較小,而其所灌入的水泥量所占比例卻相對較大,達到 80%以上,表明松動體內巖石極為破碎,裂隙發育,連通性好,漿液擴散范圍較大,先施工的少數孔段灌入的漿液已將大范圍內的巖石裂隙充填滿,灌漿起到了顯著的效果,后施工的大部分孔段的可灌性已顯著下降,所灌入的水泥漿液起到了將松動體進一步擠密壓實的作用。

6 固結灌漿效果檢查

6.1 固結灌漿檢查孔的布置和聲波測試成果

松動體共有 19排固結灌漿孔,每排隨機布置一個檢查孔,檢查孔孔深為與其相鄰兩個固結孔的最小孔深。檢測孔采用單孔聲波檢測方法,使用 SD—1型聲波檢測儀,探頭為單孔一發雙收探頭,以清水為耦合劑,探頭放到孔底,從下往上逐點檢測,測點間距為 0.2m,聲波測試特征參數綜合成果見表3。

6.2 對灌漿效果及灌漿質量的評述

6.2.1 灌漿效果評述

(1)強風化巖體(β3)范圍內的波速提高率一般為 2.67%～22.14%,最大值為 26.34%,最小值為0.38%,加權平均值為12.22%,大于設計值的11.43%;巖體完整性系數提高率一般為 5.26%～47.37%,最大值為 57.89%,最小值為 0.00%,加權平均值為 26.95%,大于設計值的 24.77%,表明對強風化巖體(β3)的灌漿效果優于設計要求。

表3 灌漿效果及灌漿質量特征參數綜合成果

(2)弱風化巖體(β2)范圍內的波速提高率一般為 1.83%～18.04%,最大值為 21.41%,最小值為0.92%,加權平均值為 10.69%,略小于設計值的12.17%;巖體完整性系數提高率一般為 2.5%～40.0%,最大值為 46.67%,最小值為 0.00%,加權平均值為 22.51%,略小于設計值的 25.83%,表明對弱風化巖體(β2)的灌漿效果略低于設計要求。

(3)微風化～新鮮巖體(β1)范圍內的波速提高率一般為 1.11%～6.83%,最大值為 7.43%,最小值為 0.0%,加權平均值為 4.60%,略大于設計值的3.9%;巖體完整性系數提高率一般為 2.47%～14.49%,最大值為 15.9%,最小值為 0.00%,加權平均值為 9.82%,略大于設計值的 7.9%,表明對微風化～新鮮巖體(β1)的灌漿效果優于設計要求。

(4)由表3可以看出,除對弱風化巖體(β2)的灌漿效果較設計值略小外,對強風化巖體(β3)及微風化～新鮮巖體(β1)的灌漿效果均優于設計值。從提高率的絕對值來看,對這三類巖體的灌漿處理效果由好到差依次是 β3→β2→β1,規律性很明顯,表明三類巖體內的裂隙抗劈裂強度不同,可灌性亦不相同,進而灌漿效果也就不同。強風化巖體(β3)內的裂隙抗劈裂強度較低,在 0.3MPa壓力下即可取得較好的可灌性;弱風化巖體(β2)內的裂隙抗劈裂強度介于強風化巖體(β3)與微風化～新鮮巖體(β1)之間,其灌漿效果也介于強風化巖體(β3)與微風化～新鮮巖體(β1)之間;而微風化～新鮮巖體(β1)內的的裂隙抗劈裂強度較高且相對較為完整,在 0.5MPa壓力下的可灌性較差。總體而言,三類巖體的灌漿效果和設計要求較為一致。

6.2.2 灌漿質量評述

(1)強風化巖體(β3)經過灌漿處理之后,波速加權值為 2.94km/s,大于設計值的 2.92km/s,由此表明強風化巖體(β3)的灌漿質量滿足設計要求。

(2)弱風化巖體(β2)的設計波速要求每段的Vpmin值為 3.38km/s,在所測試的 28段中僅有 2段小于 3.38km/s,分別為 3.33km/s和 3.30km/s,其他各段均大于設計值,合格率為 92.86%。波速加權值為 3.83,略小于設計值的 3.91km/s。

(3)微風化～新鮮巖體(β1)的設計波速要求每段的 Vpmin值為 4.73km/s,在所測試的 24段中僅有一段為 4.62km/s略小于設計值之外,其他各段均大于設計值,合格率為 95.84%。波速加權值為5.34km/s,大于設計值的 5.07km/s,表明微風化～新鮮巖體(β1)灌后質量滿足設計要求。

6.2.3 灌漿質量綜合評述

由表3可以看出,除弱風化巖體(β2)灌漿后的波速略小于設計值之外,強風化巖體(β3)和微風化～新鮮巖體(β1)的灌漿質量均優于設計要求。經分析認為,弱風化巖體(β2)裂隙內充填的泥質物較多,在 0.5MPa的壓力下存在局部盲區,孔、排距 4m×4m又過于偏大,根據國家規范(SDJ210-83)中第 3.6.8條的要求,三類巖體小于設計值的最大百分數為 7.14%,小于規范要求,故不影響對整個灌漿工程的評價。固結灌漿達到了設計目的,灌漿效果及質量均滿足設計要求。

7 結束語

(1)對松動體處理采用預應力錨索加地基梁、固結灌漿、擋墻等綜合治理方案是切實可行的,達到了對松動體處理的預期效果。

(2)灌漿成果資料顯示,隨著灌漿孔序的加密,后序孔的單位注入量呈現出明顯的遞減變化趨勢,符合一般灌漿統計規律,表明灌漿效果明顯。

(3)檢查孔測試的聲波資料較客觀地反映了松動體的地質情況及其可灌性,松動體的可灌性與其地質條件相吻合。

(4)對松動體實施預應力錨固處理時為減少預應力損失確保永存錨固力,宜采用補償張拉加超載安裝相結合的張拉施工措施。