大崗山水電站高拱壩壩基固結灌漿試驗

楊學祥,李 焰

(1.長江大學城建學院,湖北 荊州 434023;2.葛洲壩集團試驗中心,湖北 宜昌 443002)

1 壩基地質概述

大渡河大崗山水電站位于四川雅安市,拱壩壩高210 m,壩區基巖以灰白色、微紅色中粒黑云二長花崗巖為主,局部出露肉紅色正長花崗巖和輝綠巖脈,少部分基巖在氣液交代變質、構造變質及風化作用下發生蝕變。壩區花崗巖各類巖脈穿插發育,以輝綠巖脈為主,寬度大于2 m或較破碎的輝綠巖脈共計151條,寬度大于5 m的輝綠巖脈約53條,主要為陡傾角。壩區長大裂隙和斷層帶多沿輝綠巖脈分布,對壩肩抗滑穩定不利(可能構成不利塊體的側裂面)。壩址區無大的斷層,除右岸F1斷層規模較大,破碎帶寬度0.9 m～7.1 m外,其它規模較小,破碎帶寬度多在0.1 m～0.3 m。

2 試驗研究目的與對象

現場固結灌漿試驗的目的[1]是:研究灌漿對壩體整體性、基巖強度等方面的改善情況以及相應的巖石力學參數,同時分析巖體的可灌性、施灌方法、施工工藝等有關技術數據,為拱壩基礎處理設計和施工提供參數。

根據拱壩建基面的地質條件不同,固結灌漿試驗主要研究對象有下面兩種情況。

2.1 弱風化下段弱卸荷Ⅲ2類花崗巖巖體

Ⅲ2類花崗巖巖體在拱壩建基面左岸990 m～1135 m高程下游拱端出露,其中990 m～1070 m出露最大寬度為7 m左右,1070 m～1135 m出露最大寬度為2 m左右,在建基面右岸1090 m高程以上較大范圍出露。

2.2 鑲嵌～碎裂結構的Ⅳ類輝綠巖脈

拱壩建基面出露多條輝綠巖脈,大部分性狀較差,為Ⅳ類巖,少數巖脈為Ⅴ類巖,伴隨巖脈發育的斷層為Ⅴ類巖。大部分出露在大壩左右岸的拱端或拱端以里較近范圍,走向多近似平行拱端,傾角較陡,對拱壩壩基變形影響較大。

3 試區與鉆孔布置

結合現場勘探與工程進展,選擇右岸 PD305平洞(A區)、左岸PD207平洞(B區)作為壩基固結灌漿試驗區。A試區、B試區主要灌漿對象分別為弱風化下段弱卸荷Ⅲ2類花崗巖巖體和β21輝綠巖脈。見圖1。

左右岸兩個試區各采用一組13個灌漿孔的正方形布孔形式進行布孔。A試區陡傾角裂隙發育,為使灌漿孔穿過更多裂隙,布孔為斜孔,與豎直向夾角為20°;B試區輝綠巖脈β21傾角70°～80°,順巖脈走向,布孔為直孔。灌漿試驗將13個試孔分三個次序進行,各類孔布置見圖2。

圖1 試區剖面圖

圖2 A試區灌漿孔布置

A、B試區平均孔深為35.00 m,抬動觀測孔孔深為30.00 m。測試孔和檢查孔孔徑為76mm;兩個試區灌漿孔開孔孔徑為91mm,終孔孔徑均為76mm。

4 灌漿試驗施工工藝與方法

4.1 鉆孔方法與灌漿材料

采用風動和回轉鉆機造孔。灌漿試驗以孔口封閉法為主。采用普通硅酸鹽水泥灌漿作為灌漿材料。水泥漿液按照水灰比分為 2∶1、1∶1、0.8∶1、0.6∶1 四級。

4.2 鉆孔沖洗與灌前壓水試驗

沖洗:各灌漿孔段在壓水試驗前以該段灌漿壓力的80%(超過1MPa時按1MPa)進行壓力水沖洗,沖洗時間為直到回水清澈并延續10 min結束。

簡易壓水試驗:兩試區水泥灌漿孔每段在灌漿前,均進行了簡易壓水試驗,試驗壓力為該段灌漿壓力的80%,超過1MPa采用1MPa;壓水時間20 min,每5 min測讀一次壓水壓力和流量,取最后讀數為計算值。

五點法壓水試驗:兩個試區的灌前測試孔及灌后檢查孔采用五點法壓水試驗。繪制試驗孔段的壓力-透水率(P～Q)曲線,通過判別P～Q曲線的類型來分析在試驗壓力作用下裂隙狀態的變化規律。P～Q曲線的類型分為5類:A為層流型,B為紊流型,C為擴張型,D型為沖蝕型,E型為充填型。各段次P～Q曲線類型見表1。

4.3 劈裂壓水試驗

劈裂壓水試驗:為了解被灌巖體抗水力劈裂能力,灌前在A試區RP4孔巖體較完整的孔段中和B試區LP4孔內輝綠巖脈孔段,分別選擇1段進行劈裂壓水試驗,觀測壓力與流量的變化規律,為合理選擇灌漿壓力提供依據。被灌巖體抗水力劈裂能力主要與巖體強度、完整性和節理面的性狀、試段埋深及試區邊界條件等因素相關,從表2和圖3、圖4可見:

(1)兩個試區原始巖體的啟縫壓力較低,其中弱風化下段弱卸荷Ⅲ2類花崗巖巖體啟縫壓力為2.0MPa,鑲嵌～碎裂結構的Ⅳ類輝綠巖脈的啟縫壓力為1.08MPa。

(2)劈裂壓水試驗降壓過程曲線向升壓過程曲線右側移動,表明巖體變形多呈現塑性變形,可能與結構面和裂隙中含有充填物有關[2,3]。

表1 灌前測試孔的P～Q曲線類型

表2 劈裂壓水試驗成果

圖3 A試區RP4(6.1 m～9.1 m)劈裂壓水曲線

圖4 B試區LP4(16.5 m～18.5 m)劈裂壓水曲線

4.4 灌漿段長度與壓力控制

灌漿段長:此次灌漿試驗選定灌漿段長為5 m,終孔段不大于6 m。考慮到試區處于中、陡傾巖帶,為了減少地表冒漿及抬動變形,上部的第1、第2段采用2 m及3 m的段長,啟灌深度定為0.5 m。

灌漿壓力:結合兩個試區灌前劈裂壓水試驗成果,確定兩個試區的最大灌漿壓力為5.5MPa。考慮到試區Ⅰ、Ⅱ序灌漿孔均屬于外圍孔,為了減少漿液向試區被灌巖體外部無益的流失,Ⅰ、Ⅱ序灌漿孔采用雙限壓力控制措施。各試區灌漿試驗初定壓力見表3、表4。

表3 A試區灌漿壓力使用表

表4 B試區灌漿壓力使用表

4.5 灌漿漿液變換與結束標準

A試區:①灌前簡易壓水透水率小于15 Lu的孔段,開灌采用2∶1水灰比漿液,Ⅰ序孔注入率大于10 L/min,Ⅱ序孔、Ⅲ序孔注入率大于15 L/min立即更換為1∶1的漿液進行灌注。②灌前簡易壓水透水率大于15 Lu的孔段直接采用1∶1漿液進行灌注。③當灌漿壓力保持不變,注入率持續減少時,或當注入率不變而壓力持續升高時,不得改變水灰比。④當某一比級漿液的注入量已達300 L以上或灌注時間已達1 h,而灌漿壓力和注入率均無改變或改變不顯著時,應改濃一級。⑤當注入率大于30 L/min時,可根據具體情況越級變濃。

B試區:①普通水泥漿液,開灌采用2∶1水灰比漿液,當孔內水被全部排出開始灌注后,如果注入率大于15 L/min,立即更換為1∶1漿液進行灌注。②當灌漿壓力保持不變,注入率持續減少時,或當注入率不變而壓力持續升高時,不得改變水灰比。③當某一比級漿液的注入量已達300 L以上或灌注時間已達1 h,而灌漿壓力和注入率均無改變或改變不顯著時,應改濃一級。④當注入率大于30 L/min時,可根據具體情況越級變濃為0.8∶1或者0.6∶1。

灌漿試驗結束標準:孔口封閉灌漿法灌漿,在設計灌漿壓力下,注入率不大于1 L/min時,延續灌注時間不少于60 min即可結束本段次灌漿。

4.6 合理控制灌漿壓力

為減小巖石抬動現象的發生,根據吸漿率的及時變化情況合理的控制灌漿壓力是高壓灌漿施工中的一個重要原則。在灌漿過程中嚴格控制灌漿壓力與吸漿率協調,嚴密控制升壓速度與吸漿率協調,按照以往工程經驗[4],控制灌漿壓力不超過表5所規定的數值。

表5 灌漿壓力與吸漿率控制

5 試驗測試情況及結論

5.1 試驗測試成果與分析

A試區Ⅲ2類花崗巖平均單位注灰量175.51 kg/m,Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ次序孔分別為316.05 kg/m、250.82 kg/m、83.47 kg/m、32.77 kg/m,相應的灌漿前透水率分別為68.59 Lu、89.64 Lu、18.23 Lu、2.43 Lu;B試區Ⅳ類輝綠巖(β21)平均單位注灰量為90.39 kg/m,Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ次序孔分別為107.27 kg/m、96.51 kg/m、64.83 kg/m,對應的灌漿前透水率分別為51.55 Lu、15.67 Lu、4.06 Lu。灌漿單位注灰量和透水率依灌漿次序遞減趨勢明顯,符合一般的灌漿規律性[5]。

灌漿試驗后主要測試成果見表6。

表6 灌漿前后巖體力學及滲透性指標對比

5.2 結論與建議

(1)從實驗可以得到結論,AB兩個試區巖體,聲波波速、完整性系數、變模均有所提高,透水率完全可以達到設計要求。

(2)如能進一步縮小孔距和采用更大的灌漿壓力,適當調整灌漿工藝,A試區Ⅲ2類巖體還可改善。Ⅲ2類巖體處理方法可以根據工程需要和工程位置考慮灌漿加固或采取其它工程措施。

[1]鄭守仁.大壩建基巖面找平混凝土封閉式固結灌漿設計及施工技術[J].中國三峽,2009,(3):58-63.

[2]尤明慶.水壓致裂法測量地應力方法的研究[J].巖土工程學報,2005,27(3):350-353.

[3]孫鋒,盧 超,尤春安,等.劈裂灌漿鉆孔附近彈塑性應力分析[J].水利與建筑工程學報,2006,4(4):28-30.

[4]楊學祥.三峽工程右岸大壩基礎找平混凝土封閉法固結灌漿施工[J].水利水電技術,2005,36(6):72-75.

[5]Yang Xue-xiang,Yan Li.Construction and quality analysis of curtain grouting in foundation of dam for Yangtze Three Gorges Project[C]//Hanlongliu,Geotechnical Engineering for Disaster Mitigation and Rehabilition.Springer,2008.