綜合檢測在建基巖體軟弱巖帶化學灌漿試驗研究中的應用

鄧希貴 廖 偉 何 剛 范泯進

綜合檢測在建基巖體軟弱巖帶化學灌漿試驗研究中的應用

鄧希貴 廖 偉 何 剛 范泯進

（四川中水成勘院工程勘察有限責任公司 四川成都 610072）

錦屏一級水電站拱壩為目前世界最高混凝土拱壩。大壩對壩基及兩岸巖體質量要求高，壩基巖體的整體性、變形模量、抗剪特性和抗滲性直接關系到大壩的安全。與壩基密切相關的規模較大斷層及煌斑巖脈等，對建筑物的穩定性、基礎應力傳遞等極為不利，必須進行穩妥可靠的處理，以提高基巖質量，確保拱壩安全。本次試驗有針對性地采用化學灌漿方法對f5斷層和煌斑巖脈進行加固處理，經處理后的f5斷層和煌斑巖脈基本能滿足設計的力學指標要求。在本次現場化學灌漿試驗研究過程中，分別對灌前、水泥灌后和化學灌漿灌后均采取系統的綜合檢測手段進行檢測，取得了豐富的試驗檢測成果資料，為灌漿效果評價發揮了重要作用。

建基巖體 f5斷層 煌斑巖脈 軟弱巖帶 化學灌漿 試驗研究 綜合檢測 成果應用

1 前言

錦屏一級水電站大壩為混凝土雙曲拱壩，最大壩高305m，裝機容量3600MW，是目前壩高居世界第一的特大型工程。該電站大壩正常蓄水位時，壩體承受總水推力近1200萬t。因此，要求壩基及兩岸抗力體一定要具有足夠的強度和剛度，滿足拱座抗滑穩定和拱壩整體穩定。同時，要具有抗滲性和滲透穩定性，以及在水長期作用下的耐久性。經對左岸抗力體f5斷層及煌斑巖脈采用一般水泥高壓固結灌漿試驗證明，其巖體物理力學指標難以達到設計指標要求。若對抗力體范圍內的f5斷層及煌斑巖脈采用混凝土網格進行局部置換，其置換開挖施工安全風險極大，對本工程的總工期目標實現有較大的制約。因此，設計提出選擇規模大、性狀差的f5斷層及煌斑巖脈進行高壓水泥-化學復合灌漿試驗研究的方案。擬通過現場灌漿試驗，研究水泥-化學灌漿在技術上的可行性、效果上的可靠性、經濟上的合理性。本次試驗于2007年9月底開始，于2008年3月中旬結束，歷時160多天。在整個化學復合灌漿試驗過程中，分別對各試驗區灌前、水泥灌漿后和化學灌漿后開展了壓水試驗、聲波測試、鉆孔變形模量和鉆孔全景圖像等綜合檢測手段進行了系統檢測，為灌漿效果評價發揮了重要作用。為進一步開展壩址區f2、f5、f13、f14、f18斷層、煌斑巖脈、層間擠壓錯動帶等軟弱巖帶處理方案的制定及優化提供了基礎資料。

2 試驗研究目的及要求

2.1試驗目的

本次現場化學固結灌漿試驗研究的主要對象為f5斷層及煌斑巖脈軟弱巖帶。以提高f5斷層及煌斑巖脈的抗壓、變形模量、抗拉、抗剪強度、抗滲性和泊松比等物理力學指標。擬通過現場灌漿試驗研究，了解經化學灌漿處理后，其整體性、剛度、防滲性、抗剪強度和泊松比等物理力學指標的提高幅度，論證經過灌漿處理后的巖體做為拱壩基礎的合理性、耐久性和可靠性，提出相應的巖體力學參數值，在經濟合理的前提下滿足大壩建基面的要求，改善拱壩基礎的適應性和安全性。

表1 f5斷層及煌斑巖脈灌后物理力學指標

2.2灌后巖體技術指標要求

經過水泥-化學復合灌漿處理后的f5斷層及煌斑巖脈物理力學指標擬達到表1要求。

3 試驗區工程地質特征

3.1f5斷層工程地質特征

f5斷層試驗區選擇在左岸基礎處理工程1730m高程1730m-2＃排水洞0+081～0+087洞段上游側施工供風洞內。試驗區巖性為2（6）層薄層大理巖，層面裂隙發育，該部位f5斷層帶寬1.0～1.5m，主要由碎裂碎塊巖夾少量糜棱角礫巖條帶組成.上盤影響帶寬1.0～1.5m，下盤影響帶寬1.5～2.0m，影響帶巖體破碎，影響帶及附近巖體裂隙密集發育且松弛，以碎裂結構為主。該試驗區內破碎帶為V級巖體，影響帶及附近巖體為IV2級巖體。

3.2煌斑巖脈工程地質特征

煌斑巖脈試驗區選擇在左岸基礎處理工程1885m高程1885-2＃固結灌漿平洞0+045～0+50洞段向上游開挖的支洞內。巖脈位于砂板巖中。一般厚約2.0～2.5m，弱-強風化，脈體走向裂隙發育。試區底板部位兩側為斷層接觸，上盤斷層帶寬20～50cm，局部70～90cm，由碎裂巖組成且松弛。下盤斷層帶寬2.0～2.5m，主要由碎裂巖、角礫巖組成，風化較強，平行煌斑巖脈的裂隙密集發育。煌斑巖脈兩側的砂板巖較破碎，裂隙發育，松弛，呈碎裂-鑲嵌結構。與煌斑巖脈接觸處1.0～2.0m范圍內巖體多破碎，呈碎裂結構。該試驗區內砂板巖和煌斑巖脈主要為IV2級巖體，少量砂板巖為Ⅲ2級巖體。

4 檢測孔布置及檢測方法

4.1檢測孔布置

為檢測f5斷層及煌斑巖脈化學灌漿試驗效果，分別在f5斷層試驗區灌前布置了4個檢測孔，水泥灌漿后布置2個檢測孔，化學灌漿后布置5個檢測孔。在煌斑巖脈試驗區灌前布置了4個檢測孔，水泥灌漿后布置3個檢測孔，化學灌漿后布置5個檢測孔，孔深為30～35m不等。

4.2檢測方法

為了檢測f5斷層及煌斑巖脈水泥灌漿和化學灌漿后巖體的滲透性能及巖體物理力學性質的改善程度，在試區開展灌前、水泥灌漿和化學灌漿后除對檢查孔進行鉆孔取芯外，且均采用壓水試驗、單孔聲波、鉆孔變模、鉆孔全景圖象測試等綜合檢測手段進行檢查，對水泥灌漿和化學灌漿后巖體灌漿效果進行綜合評價，以評價灌漿效果。

5 檢測成果分析

5.1壓水試驗成果

f5斷層及煌斑巖脈試驗區在灌前、水泥灌漿和化學灌漿后按設計要求進行了壓水試驗。

f5斷層試驗區，V級巖體灌前透水率多為30～100Lu，少量大于100Lu，屬中等透水為主。水泥灌漿及化學灌漿后，巖體透水率均小于1Lu。

煌斑巖脈試驗區Ⅳ2級巖體灌前透水率q=30～100Lu，部分大于100Lu，屬中等～強透水，水泥灌漿后透水率多小于1Lu，少量1～3Lu，屬微透水，化學灌漿后透水率q=0Lu，巖體透水率均小于1Lu。

壓水試驗成果表明，f5斷層試驗區隨灌序增進及加密補強灌漿、化學灌漿后，透水率均小于1Lu。通過水泥-化學的復合灌漿能改善f5斷層V級巖體滲透性能。煌斑巖脈試驗區經過水泥-化學復合灌漿處理，煌斑巖脈達到不透水，對改善該試驗區Ⅳ2級巖體滲透性能效果顯著。

5.2物探檢測成果

f5斷層及煌斑巖脈水泥-化學復合灌漿試驗過程中，分別在灌漿各階段均進行了鉆孔聲波、鉆孔變模和鉆孔全景圖像檢測。

5.2.1 f5斷層試驗區物探檢測成果

（1）分析f5斷層水泥灌漿后及化學灌漿后30天單孔聲波波速統計分析表明，f5斷層破碎帶水泥灌漿后較灌前巖體聲波波速平均值變化較大，由灌前的2664m/s提高到灌后的4789m/s，提高幅度接近80%。但破碎帶化灌后比水泥灌后聲波波速提高幅度較小，即由水泥灌后平均聲波波速4789m/s提高到化灌后的4858m/s，僅提高1.44%。由此表明，水泥灌漿使得碎裂巖、角礫巖、碎塊巖空隙間得到水泥的有效充填，對f5斷層破碎帶聲波波速提高較大；而化學灌漿對f5斷層（碎裂角礫巖夾碎塊巖）物理力學性能改變較小。即水泥灌漿能有效地充填于碎塊間，提高破碎帶的密實度，而化學漿液僅充填、膠結于巖塊角礫間，未能滲透于巖石中，對改善f5斷層破碎帶的性狀作用不大。

（2）f5斷層試驗區灌前斷層破碎帶未獲得變模數據，水泥灌漿后在破碎帶部位僅測得1個數據，其鉆孔變模值為2.67GPa，且對比性不強，不具備統計規律。主要原因在于水泥灌漿前、后檢測孔孔壁巖體破碎、較軟等，導致無法獲得巖體變模值。說明f5斷層破碎帶灌漿前及水泥灌漿后變形模量均較小。化灌后在f5斷層破碎帶部位僅測得到3個有效鉆孔變模數據，其變化范圍為1.6～3.1GPa，平均鉆孔變模值為2.6GPa，與水泥灌后相比無提高。

（3）f5斷層試驗區鉆孔全景圖像測試成果表明，f5斷層破碎帶孔段灌前孔壁粗糙，凹凸不平，巖體破碎，呈碎塊狀，結構松弛，局部呈空腔。水泥灌后破碎帶孔段碎塊間明顯充填水泥結石，松散、破碎帶巖體得以固結，但水泥灌后破碎帶孔段孔壁仍粗糙。化灌后破碎帶孔段孔壁較粗糙，碎塊間見明顯充填水泥結石及化學膠結物，但化學膠結物未滲透入巖塊中。

5.2.2 煌斑巖脈試驗區物探檢測成果

（1）煌斑巖脈灌前、水泥灌后單孔聲波波速平均值變化較小，由灌前的3262m/s提高到灌后的3388m/s，提高幅度僅4%，表明水泥灌漿對提高煌斑巖脈的聲波作用不大。化灌后與灌前原巖體相比，聲波波速平均值變化較大，由灌前的3262m/s提高到化灌后的4322m/s，提高幅度達32%，且聲波波速主要集中在3000～5000m/s，消除了小于3000m/s的低波速帶，局部高達5000m/s以上。

（2）煌斑巖脈水泥灌漿前、后鉆孔變模提高幅度較大，由灌前的0.72GPa提高到灌后的1.44Gpa，提高幅度達100%，表明經水泥灌漿后，煌斑巖脈及周邊巖體裂隙得到了水泥的有效充填。煌斑巖脈的抗變形能力增加較多，但仍然不滿足設計指標要求。化灌后與灌前相比，鉆孔變模平均值變化更大，由灌前的0.72GPa提高到灌后的3.52GPa，提高幅度達390%，表明化學灌漿對煌斑巖脈的物理力學性能改變較大。

（3）煌斑巖脈試驗區鉆孔全景圖象測試成果表明，灌前孔壁粗糙，局部呈空穴狀，裂隙張開明顯。水泥灌漿后裂隙明顯充填水泥結石，但孔壁仍較為粗糙，化灌后檢測孔孔壁光滑，煌斑巖脈巖體張開裂隙充填較密實，部分被充填的裂隙明顯呈黃色。表明煌斑巖脈經化灌后其完整性得到了較大的改善。

6 結論

通過對錦屏一級水電站左岸抗力體f5斷層及煌斑巖脈開展的水泥-化學復合灌漿試驗研究取得的豐富研究成果及大量綜合檢測成果資料表明：f5斷層和煌斑巖脈經水泥-化學復合灌漿處理后，巖體透水性得到了大大改善，灌后透水率均能達到試驗預期要求。化學灌漿對f5斷層破碎帶物理性能改善效果較差，對風化煌斑巖脈軟弱巖帶物理性能改善效果較好。該試驗研究成果，為優化建基巖體中的斷層、煌斑巖脈、層間擠壓錯動帶等軟弱巖帶的處理設計，提供了基礎資料。

（1）f5斷層破碎帶灌前透水率多為30～90Lu，隨水泥灌序增進及水泥加密補強灌漿、化學灌漿后，透水率均小于1Lu，灌后透水率達到試驗預期要求。經水泥灌后破碎帶平均聲波波速已達到4789m/s，其聲波波速達到設計要求，水泥灌漿后碎塊間明顯充填水泥結石，松散、破碎帶巖體得以固結，對f5斷層破碎帶聲波波速提高較大。但再經化學灌漿處理后破碎帶平均聲波波速僅為4858m/s，與水泥灌漿后相比其聲波波速提高不明顯，表明化學漿液僅充填、膠結于巖塊角礫間，未能滲透于巖石中，雖然使得破碎帶巖體得到進一步充填膠結強化，但對改善f5斷層破碎帶的性狀作用不大。

無論是水泥灌后還是再經化灌處理后f5斷層破碎帶平均鉆孔變模值均不滿足設計指標。

（2）煌斑巖脈灌前透水率q=30～100Lu，部分大于100Lu。水泥灌后透水率多小于1Lu，少量1～3Lu，再經化學灌漿處理后巖體透水率均小于1Lu，透水率滿足試驗預期指標要求，顯著降低了煌斑巖脈巖體的滲透性能。水泥灌漿使得煌斑巖脈中的張開裂隙得到了較為有效的填充，水泥灌漿后煌斑巖脈平均聲波波速僅為3390m/s，平均鉆孔變模為1.44GPa，水泥灌漿后煌斑巖脈物理力學性未達到設計指標要求，再經化學灌漿處理后，煌斑巖脈完整性得到了較大的改善，物理力學指標得到了大幅度的提高，煌斑巖脈平均聲波波速達到4322m/s，平均鉆孔變模值為3.52GPa。可見，化灌后聲波波速達到設計要求，但其鉆孔變模值仍未能達到試驗預期要求。

為此，設計根據上述試驗研究成果，并結合工程地質條件及結構設計要求，擬對錦屏一級水電站大壩右岸1730～1670m高程間f14斷層、左岸1885～1829m高程間防滲帷幕煌斑巖脈原防滲設計混凝土置換斜井方案，改為水泥-化學復合灌漿方案；對1670m高程以下防滲帷幕f5斷層采用水泥加密灌漿處理，若仍達不到設計要求，可進一步采用化學灌漿進行補強.大壩左岸防滲帷幕線上f2斷層及層間擠壓錯動帶、大壩右岸防滲帷幕線上f13、f18斷層等，在常規水泥灌漿后仍難以達到設計要求時，再次進行化學復合灌漿補強處理設計，對加快工程進展，提高整體工程質量和安全是十分重要的。

圖4 ZK608-ZK609孔異常交匯法成果圖

（3）對同孔深鉆孔野外工作，CT成像法的工作量是交匯法工作量的4倍，室內解釋工作量相差不大。這充分顯示交匯法野外工作高效的特性。

5 結束語

在完成工程實例1、實例2的解釋之后，對兩孔之間的物探工作及解釋方法更加清晰明了。電磁波穿透異常交匯法是物探工作中最基本的工作思維方法，與電磁波CT成像法相比可稱為新技術。盡管其工作方法還有待進一步的驗證、完善，但其對異常體屬性以及中心位置可確定的特征，對于設計和施工來說具有決定性的意義。所以該方法對工程勘察，尤其是巖溶勘察的詳查、細查階段以及大壩建基面滲漏的勘測工作，具有高效、快速、直觀、明了的特點。

10.3969/j.issn.1672-2469.2014.02.011

TV4

B

1672-2469（2014）02-0040-04

鄧希貴（1960年— ），男，教授級高級工程師。