化學灌漿在宜興電站酸性水治理中的應用

王林林

（浙江華東建設工程有限公司，浙江杭州 310030）

1 工程概況

江蘇宜興抽水蓄能電站由上水庫、下水庫、輸水系統、地下廠房和地面開關站等組成，裝機4×250 MW。上水庫位于銅官山主峰北側溝源，正常蓄水位471.5 m，全庫盆采用鋼筋混凝土面板防滲，主壩由鋼筋混凝土面板堆石壩和混凝土重力擋墻組成，壩頂長494.90 m，最大壩高75.20 m。下水庫位于銅官山東北山麓，利用原會塢水庫改建而成，正常蓄水位78.90 m，大壩采用粘土心墻堆石壩壩型，壩頂長483 m，最大壩高50.4 m。地下廠房洞室群位于輸水系統中部，埋深310～370 m，按兩洞四機布置，主副廠房開挖尺寸為155.3 m×22 m×52.4 m（長×寬×高）。主體工程自2003年7月開始開挖，2005年7月底廠房開挖完成，2007年8月完成1號機組倒送電，目前4臺機均已投入商業運行。

根據前期勘察成果，宜興工程地下廠房區地下水的pH值小于6.5，具弱～強的一般酸性腐蝕，地下廠房頂拱網架安裝完成后不到半年時間，屋面彩鋼板出現多處被頂拱滲水滴穿、腐蝕的現象。2008年6月上旬，又發現網架面板被滴穿、腐蝕，水滴到3～4號機組段發電機層，嚴重影響機組的安全運行。酸性水的長期存在對巖體內的錨桿、吊頂網架等金屬構件會產生局部影響，亟需進行處理。

2 酸性水產生原因及設計處理方案

2.1 酸性水產生原因

地下水質的形成和演變與地下水相接觸的巖體、斷層等介質的性質密切相關。從本工程區巖石、斷層樣化學分析看，巖屑砂巖以SiO2和Al2O3為主，地下水質局部酸性化、強酸性化與巖體中黃鐵礦(FeS2)的氧化有關。經對地下水全面調查、檢測，認為：地下廠房洞室群的開挖、地下水位的降低和含水層的疏干，為氧氣的進入和使還原環境轉變為氧化環境創造了條件，從而促使巖石中的黃鐵礦溶解于水中，為黃鐵礦晶體發生各種化學反應提供了前提條件，是形成酸性水的主要原因。

2.2 設計處理方案

根據酸性水的分布范圍、成因以及目前地下工程的運行狀況，設計提出以“有針對性的局部處理、堵排措施結合、全面長期監測”為主的處理原則。該處理原則得到了以潘家錚、譚靖夷等院士為首的世行特咨團及中國水利水電建設工程咨詢公司的贊同。根據設計處理原則，針對不同區域的處理方案為：主廠房頂拱處理范圍為酸性水發育的廠右0+030～0+070（3號、4號機組段），酸性水主要集中在f15、f2、f600、f605等斷層部位，采用排干巖體中的水分或堵住主要滲水通道，堵住氧氣進入巖體的通道，阻止黃鐵礦氧化反應、水解反應進行的方案。主變洞頂拱酸性水處理方案同主廠房頂拱，由于主變洞頂拱僅有一處酸性水，針對該處的f11、f12斷層進行固結灌漿，阻斷滲水通道，同時在相應的上層排水廊道加密排水幕，減少外水滲入主變洞頂拱。排水廊道本身斷面較小（3 m×3 m），自穩能力強，因此對酸性水部位，僅做增設長排水孔處理，截斷滲水滲至廠房的路徑，另外也減小噴層的水壓力，減少錨桿與酸性水接觸程度。

3 施工工藝

3.1 固結灌漿布孔

廠房頂拱灌漿兼排水廊道處理部位共布設了362個固結灌漿孔，孔深2.5～7 m，鉆孔孔徑?60 mm。主變洞頂拱處理部位共布設55個固結灌漿孔，分兩序布置，孔深為Ⅰ序孔4 m、Ⅱ序孔6 m，鉆孔孔徑?60 mm。主廠房頂拱根據漏水情況布設35個淺層固結灌漿孔，分一序布置，孔深均為0.7 m，鉆孔孔徑?32 mm。

3.2 洗孔

灌漿前對灌漿孔進行鉆孔沖洗，孔內沉積厚度不超過20 cm。灌漿前采用壓力水進行裂隙沖洗，直至回水清凈時止。沖洗壓力為0.6 MPa。

3.3 灌漿方法

孔深小于6 m的孔采用全孔一次灌漿法，水泥灌漿采用孔內循環灌漿，化學灌漿采用純壓式灌漿。灌漿孔相互串漿時，可采用群孔并聯灌注，孔數不宜多于2個，并控制灌漿壓力，防止混凝土面或巖石面抬動。灌漿試驗壓力定為0.5～0.8 MPa。

3.4 灌漿材料

3.4.1 水泥灌漿材料

水泥灌漿試驗材料選用高抗硫酸鹽超細水泥，性能要求如下：

（1）超細水泥勃氏比表面積要求大于6 000 cm2/g，或顆粒粒徑50%以上小于10～12 μm，最大粒徑不大于35 μm。

超細水泥中化學成分：氧化鎂（MgO）含量≤5.0%，三氧化硫（SO3）含量≤3.5%，燒失量不得大于5.0%，總堿量不大于0.6%。安定性必須合格。

漿液水灰比為0.6∶1，標準養護時，其物理力學性能指標見表1。

（2）漿液水灰比為0.6∶1，標準養護時，凝結時間：初凝不早于2 h，終凝不遲于6 h。

（3）漿液是穩定的，其標準是1000 mL漿液，2 h內的析出清水量應小于5%。

3.4.2 化學灌漿材料

化學灌漿環氧材料采用低粘度環氧材料，技術指標符合混凝土裂縫用環氧樹脂灌漿材料規范（JC/T1041-2007）。材料技術性能要求見表2、表3。

表1 高抗硫酸鹽超細水泥性能指標Table 1:Performance indexes of the high sulphate-resisting superfine cement

表2 灌漿材料漿液性能Table 2:Performance indexes of the grouting slurry

表3 灌漿材料固化物性能Table 3:Solid properties of the grouting material

3.5 灌漿結束標準及封孔方法

（1）在規定壓力下，當單孔注入率不大于0.4 L/min時，繼續灌注30 min，灌漿結束。

（2）灌漿孔灌漿結束后，排除鉆孔內的積水和污物，采用0.5∶1的漿液進行純壓式灌漿封孔，孔口壓抹齊平。

3.6 排水孔鉆孔

（1）頂拱廊道及上層排水廊道排水孔鉆孔采用潛孔鉆鉆孔，鉆孔平均孔徑?75 mm。鉆孔終孔時孔底偏差不大于1/40的設計鉆孔孔深。

（2）鉆孔過程中，及時進行孔斜測量，控制孔斜，確保孔斜符合規范DL/T5148-2001及相關技術要求規定。

4 灌漿試驗情況

4.1 灌漿試驗單耗成果

依據設計要求，需先選定區域進行灌漿試驗，對灌漿成果進行對比分析后確定最終灌漿材料及方案。超細水泥灌漿試驗成果：平均單耗4.64 kg/m，可灌性普遍較差。根據設計技術要求，選用比水泥漿液可灌性更好的低粘度環氧灌漿材料進行化學灌漿試驗。化學灌漿試驗材料選用低粘度自流型環氧灌漿材料，化學灌漿試驗成果：平均單耗34.54 kg/m，檢查孔典型芯樣見圖1，試驗結果表明化學灌漿可灌性好。

4.2 灌漿試驗聲波成果

化學灌漿試驗區選取了兩個孔做灌前灌后聲波測試，測試結果見表4。經全面分析試驗孔各測點灌前灌后值，其中V≤4 500 m/s的測點數由灌漿前的21%降為灌漿后的0%，而V≥5 000 m/s的測點數由灌漿前的8%提升為灌漿后的23%，表明灌漿試驗區內巖體完整性得到了明顯改善，達到了“堵”的目的。

表4 化學灌漿試驗區灌前灌后聲波值統計表Table 4:Values of sound wave speed before and after chemi-cal grouting

5 化學灌漿施工

根據灌漿試驗成果，全面展開廠房頂拱灌漿兼排水廊道固結灌漿、主變洞頂拱固結灌漿、廠房頂拱淺層固結灌漿。各部位灌漿成果見表5。

根據設計要求，全部固結灌漿工作完成后，在上層排水廊道、頂拱灌漿兼排水廊道相應部位鉆設加密排水幕，并對固結灌漿過程中堵塞的原排水孔進行補鉆排水孔。加密后全部排水孔間距為3 m，實際共鉆孔93個，合計1 894.2 m。

6 灌漿效果分析

6.1 固結灌漿單耗分析

經查閱本工程斷層分布位置圖，地下廠房頂拱灌漿兼排水廊道灌漿單耗較大的區域與斷層分布基本吻合。主變洞處理范圍內灌漿前未發現明顯滴水，故灌漿單耗也明顯較頂拱灌漿廊道少。廠房頂拱淺層固結灌漿作為頂拱廊道灌漿的補充措施，主要以填充廠房頂拱混凝土噴射層與基巖間空隙、封堵少量滴水點為目的，鉆孔深度為0.7 m，故單耗很低。以上成果表明，本次化學灌漿的單耗情況與地質情況基本吻合。

表5 單元灌漿量及單耗匯總表Table 5:Statistics of unit grouting and unit consumption

6.2 上層排水廊道及廠房頂拱滴水變化情況

灌漿過程中發現廠房頂拱有很濃的環氧漿液氣味，且有3處明顯的噴層混凝土表面漿液出露，共有6處滴水有明顯的漿液氣味，表明環氧漿液能有效充填裂隙。上層排水廊道有8個排水孔在灌漿過程中先后出現滴漿現象，表明環氧漿液可灌性、滲透性較好。

廠房頂拱區在頂拱廊道灌漿前，根據頂拱集水盒的位置及編號確定流量監測目標點，共監測4個滴水點、8個排水孔滴水點。固結灌漿后，前期監測的8個排水孔點滴水流量明顯減小，其余4個滴水點已不再滴水。各次普查監測點滴水流量情況詳見表6。

表6 固結灌漿前后廠房頂拱監測點滴水量對比Table 6:Water drops at the grids before and after grouting

由以上成果可見，經過廠房頂拱灌漿兼排水廊道固結灌漿及廠房頂拱淺層固結灌漿處理后，廠房頂拱各相應監測點漏水量明顯減小，灌漿效果顯著，達到了預期目的。

6.3 地下廠房頂拱滴水點水樣的pH值變化情況

根據設計要求，灌漿前后需對處理范圍內滴水的酸堿度進行監測。表7為固結灌漿前后廠房頂拱監測點pH值現場檢測的對比情況。

由表7可見，經過灌漿處理后，各監測點現場檢測的pH值均有所提高，達到了預期目的。

6.4 固結灌漿檢查孔取芯情況

固結灌漿檢查孔數量按不低于灌漿孔的5%確定，共布置27個檢查孔。為保證取芯率，采用?91鉆進。從芯樣情況分析，本次灌漿效果明顯，基本每個芯樣中均能發現有化學漿液固結體，特別是有些細小的裂隙充填有漿液（見圖2、圖3），表明化學漿液的可灌性好、灌漿效果好。

表7 固結灌漿前后廠房頂拱監測點pH值現場檢測對比Table 7:pH values before and after grouting

6.5 固結灌漿前后聲波測試對比情況

化學灌漿施工前，對部分孔進行了聲波測試，各單元已完成聲波測試孔共37個。化學灌漿施工后，完成聲波測試孔26個，其中廠房頂拱灌漿兼排水廊道24個，主變洞2個。各部位平均聲波測試對比成果見表8。

從表8可以看出，頂拱灌漿廊道及主變洞原波速V≤4 500 m/s的巖體經過化學灌漿后，波速分別提高了13.05%和10.75%。原波速4 500 m/s＜V＜5 000 m/s的巖體較完整，灌漿使波速提高的空間有限，灌后分別提高了3.52%和0.87%。原波速V≥5 000 m/s的巖體整體性好，灌漿使波速再提高幾無可能，灌后分別提高了0.88%和0%。

從灌前、灌后聲波波速對比情況分析，原波速低的部位灌漿后波速提高幅度大，主變洞灌漿的波速較頂拱灌漿廊道高，因此灌漿提高值較少，符合地質特性。灌漿后，廠房頂拱灌漿兼排水廊道及主變洞波速均已超過4 500 m/s，巖體完整性有了明顯的改善，灌漿效果明顯。

7 結 語

（1）從化學灌漿成果及取芯檢查、聲波檢測結果來看，巖芯裂隙面有化學漿液固化物，化學灌漿對提高巖體完整性效果較為明顯。工程處理后，地下廠房頂拱的滲滴水點消失、滲水量明顯減小。從酸性水形成機理分析，化學灌漿能較好填充巖體裂隙（包括細小的裂隙），堵住主要滲水通道，大大減少了水這一主體，同時又減少了巖體中氧氣含量，從而大幅減少了酸性水的形成。

表8 固結灌漿前后聲波檢測成果統計表Table 8:Results of sound wave detections before and after grouting

（2）從化學灌漿情況分析，化學灌漿的結束標準可在水泥灌漿結束標準的基礎上大幅降低，根據經驗可取后者的1/10，但同時也要考慮經濟性及灌漿所希望達到的處理目的。

（3）工程處理后，地下廠房滲滴水點的SO42-、Ca2+、Mg2+、Fe3+離子含量及礦化度普遍增大，分析認為離子濃度增大主要由滲滴水點水量減少、成分濃縮導致，說明“堵排結合”的處理措施是可行、有效的。頂拱灌漿廊道內排水孔的加密施工將減少地下水向廠房頂拱區域的滲透，而化學固結灌漿在漿液填充裂隙、提高巖體完整性及抗滲性的同時，將阻止地下水向廠房頂拱區域的滲透，減少或阻緩巖體與空氣接觸的程度，在一定程度上阻斷地下水與黃鐵礦化學反應的途徑，因此，“堵排結合”的處理措施可以基本消除酸性水的不利影響。

[1]黃國興，陳改新.水工混凝土建筑物修補技術及應用[M].中國水利水電出版社.

[2]蔣碩忠.綠色化學灌漿技術[M].武漢長江出版社.