安徽某抽水蓄能電站下庫(kù)面板壩趾板強(qiáng)風(fēng)化基巖固結(jié)灌漿試驗(yàn)研究與探討

周鵬濤,胡富航，沈維耘

(1.中國(guó)水利水電建設(shè)工程咨詢(xún)西北有限公司，西安　710065；2.中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，杭州　310000)

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安徽某抽水蓄能電站下庫(kù)面板壩趾板強(qiáng)風(fēng)化基巖固結(jié)灌漿試驗(yàn)研究與探討

周鵬濤1,胡富航2，沈維耘1

(1.中國(guó)水利水電建設(shè)工程咨詢(xún)西北有限公司，西安710065；2.中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，杭州310000)

摘要：某抽水蓄能電站下水庫(kù)混凝土面板壩趾板地基以強(qiáng)風(fēng)化為主，巖體破碎至較破碎，中陡傾角結(jié)構(gòu)面較發(fā)育，且風(fēng)化程度較深，為滿足功能要求，需進(jìn)行特殊固結(jié)灌漿和后續(xù)的帷幕施工。筆者通過(guò)試驗(yàn)論證強(qiáng)風(fēng)化粗顆粒花崗巖地層固結(jié)灌漿的可灌性和可行性，探求適宜的灌漿參數(shù)和施工工藝，取得了初步的研究成果，可供類(lèi)似工程參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：趾板；風(fēng)化巖；大壩；固結(jié)灌漿；試驗(yàn)

1工程概況

某抽水蓄能電站樞紐建筑物主要由上水庫(kù)、下水庫(kù)、輸水系統(tǒng)及地下廠房洞室群和地面開(kāi)關(guān)站組成，總裝機(jī)容量1 800 MW(6×300 MW)。本工程屬Ⅰ等大(1)型工程。本工程地震基本烈度小于6度。

其中，下水庫(kù)大壩壩型為鋼筋混凝土面板堆石壩，壩頂高程345.10 m，最大壩高59.10 m(趾板處)，壩頂長(zhǎng)443.69 m、寬8.00 m。下水庫(kù)正常蓄水位為340.00 m，相應(yīng)庫(kù)容1 080.00萬(wàn)m3；死水位為318.00 m，死庫(kù)容177.00萬(wàn)m3；有效庫(kù)容903.00萬(wàn)m3。豎井式溢洪道布置于大壩右岸，導(dǎo)流泄放洞布置于溢洪道與右壩肩庫(kù)岸山體內(nèi)。

2工程地質(zhì)條件

下水庫(kù)壩址區(qū)出露的基巖為燕山晚期第二階段侵入的粗粒花崗巖與同期侵入的花崗細(xì)晶巖，巖脈走向?yàn)镹W向，近直立，呈脈狀分布于壩址右岸。第四系覆蓋層為殘坡積粉質(zhì)黏土夾碎(塊)石和沖洪積漂卵礫石夾中粗砂，前者主要分布于山坡處，厚度一般為0.5～1.0 m，局部大于2.0 m，稍密。后者主要分布于登源河北支流及左岸臺(tái)地，稍密～松散，厚度一般為0～5.0 m，局部大于5.0 m。壩趾區(qū)粗粒花崗巖，受北東向區(qū)域斷裂的影響，巖體抗風(fēng)化能力弱，風(fēng)化程度深。全風(fēng)化層一般厚1～6 m，強(qiáng)風(fēng)化下限埋深：左岸為4.00～33.10 m，臺(tái)地為10.80～40.30 m，右岸為3.20～48.50 m；弱風(fēng)化上段下限埋深：左岸為16.10～39.90 m，臺(tái)地為15.95～45.00 m，右岸為12.50～60.00 m。根據(jù)室內(nèi)外巖石試驗(yàn)成果，強(qiáng)風(fēng)化巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度平均值僅為5.07 MPa，弱風(fēng)化上段巖石為11.94 MPa，弱風(fēng)化下段巖石為35.60 MPa，微風(fēng)化巖石為66.71 MPa。

圖1　下水庫(kù)主要建筑物布置圖　　單位：m

壩址區(qū)無(wú)大的斷層破碎帶穿過(guò)，主要結(jié)構(gòu)面均以陡傾角為主，緩傾貫穿上、下游的不利結(jié)構(gòu)面亦不發(fā)育。壩址區(qū)強(qiáng)風(fēng)化粗粒花崗巖厚度大、分布廣、性狀相對(duì)均一，壩基穩(wěn)定性好，斷層破碎帶、建基面高差較大及巖體風(fēng)化差異懸殊的部位，存在差異變形問(wèn)題，需采取必要的處理措施[1]，詳見(jiàn)圖2。

3趾板固結(jié)灌漿處理方案的擬定

壩址區(qū)強(qiáng)風(fēng)化層厚度大，趾板建基面如置于弱風(fēng)化巖體上，開(kāi)挖深度局部將達(dá)40.0 m，開(kāi)挖及壩體填筑工程量大，投資增加。招標(biāo)階段，將大壩趾板置于強(qiáng)風(fēng)化層中下部巖體上。鋼筋混凝土趾板寬6 m，厚0.5 m，根據(jù)趾板水力梯度計(jì)算結(jié)果，在趾板后增設(shè)有連接板(防滲板)。趾板基礎(chǔ)布置2排固結(jié)灌漿孔，孔深入巖6.0 m，孔距3 m，梅花形布置；防滲板寬1～6 m，厚0.3 m，滿布固結(jié)灌漿孔，孔深入巖6.0 m，間排距2 m×2 m梅花形布置。設(shè)計(jì)要求趾板、防滲板固結(jié)灌漿，質(zhì)量檢驗(yàn)合格標(biāo)準(zhǔn)為：聲波測(cè)試單孔或跨孔灌前、灌后平均波速提高在5%以上，灌后巖體透水率不大于3 Lu為合格(固結(jié)灌漿質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)以灌后巖體透水率為主)。

在技施初期，經(jīng)研究對(duì)大壩趾板建基面做了優(yōu)化，河床段趾板建基面抬高6 m，置于強(qiáng)風(fēng)化層中上部巖體，趾板按等寬6 m，厚0.5 m設(shè)計(jì)；同時(shí)對(duì)趾板基礎(chǔ)下游區(qū)設(shè)防滲連接板，連接板寬2.6～20.0 m，厚0.3 m。趾板固結(jié)灌漿設(shè)計(jì)思路同招標(biāo)階段，連接板布置3排固結(jié)灌漿孔，孔排距2 m×2 m梅花形布置。

圖2　下水庫(kù)大壩地質(zhì)剖面圖　　　單位：mm；高程，m

4固結(jié)灌漿生產(chǎn)性試驗(yàn)研究

2015年，下水庫(kù)大壩趾板開(kāi)挖，為論證和優(yōu)化灌漿設(shè)計(jì)，探求固結(jié)灌漿施工控制工藝、措施及參數(shù)，在大面積施工前先選擇具有代表性地層進(jìn)行固結(jié)灌漿、帷幕灌漿生產(chǎn)性試驗(yàn)[2]。本工程灌漿試驗(yàn)區(qū)選擇在河床段偏左趾板下游防滲板上，試驗(yàn)區(qū)連接板長(zhǎng)40.0 m，寬9.0 m，厚0.3 m，為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。根據(jù)灌漿工程現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)性試驗(yàn)工作大綱，試驗(yàn)區(qū)擬定了幾組灌漿試驗(yàn)。趾板、防滲板固結(jié)灌漿分別為2排孔和3排孔，本文以第①組固結(jié)灌漿試驗(yàn)為例進(jìn)行分析介紹。

4.1試驗(yàn)?zāi)康?/p>

(1) 第①組固結(jié)灌漿試驗(yàn)為3排孔，代表下水庫(kù)大壩趾板、防滲板固結(jié)灌漿區(qū)的地層和工況，通過(guò)試驗(yàn)探求合適的灌漿參數(shù)和適宜的灌漿工藝、工法[3]。

(2) 因設(shè)計(jì)方案的調(diào)整，趾板置于強(qiáng)風(fēng)化層中上部巖體，第①組灌漿試驗(yàn)布置15個(gè)灌漿孔，入巖6.0 m，間排距2 m×2 m梅花形布置，以論證強(qiáng)風(fēng)化中上部地層(粗粒花崗巖)的可灌性[4]。

(3) 通過(guò)灌漿試驗(yàn)了解耗灰大小，以及對(duì)工程造價(jià)做出全面的分析[2]。

4.2試驗(yàn)施工方法

固結(jié)灌漿試驗(yàn)分2序施工，從孔口起按2.0、4.0 m自上而下分2段卡塞，孔內(nèi)循環(huán)式灌漿。灌漿孔布置方式為直線3排式，試驗(yàn)區(qū)孔位布置如圖3所示。

(1) 灌漿試驗(yàn)工藝流程為：基面清理→底板混凝土澆筑→聲波測(cè)試孔、抬動(dòng)觀測(cè)孔施工及檢測(cè)→一般試驗(yàn)孔分序灌漿→待凝3～7 d檢查孔壓水試驗(yàn)→待凝14 d灌后聲波檢測(cè)→封孔。

(2) 主要工序介紹[4-6]

1) 鉆孔：試驗(yàn)區(qū)鉆孔采用XY-2型回轉(zhuǎn)式鉆機(jī)，鉆孔直徑為75 mm，金剛石鉆頭鉆進(jìn)。鉆孔過(guò)程中嚴(yán)格控制孔位、孔向及孔深偏差。

2) 抬動(dòng)觀測(cè)孔：試驗(yàn)區(qū)布置1個(gè)抬動(dòng)觀測(cè)孔，深入基巖6.0 m，壓水試驗(yàn)及灌漿過(guò)程中嚴(yán)密監(jiān)測(cè)，實(shí)測(cè)灌漿最大抬動(dòng)變形值167 μm，滿足小于200 μm的設(shè)計(jì)要求。

圖3　第①組固結(jié)灌漿試驗(yàn)孔位布置圖　　單位：m

3) 灌漿：采用自上而下分段孔內(nèi)循環(huán)式(混凝土蓋重厚0.3 m)，灌漿以自動(dòng)記錄儀記錄為主，同時(shí)進(jìn)行手工記錄，對(duì)記錄儀進(jìn)行校驗(yàn)，保證灌漿過(guò)程真實(shí)可信。因系生產(chǎn)性試驗(yàn)，使用水泥強(qiáng)度等級(jí)42.5 MPa。

灌漿試驗(yàn)第1段(0～2 m)壓力Ⅰ序孔0.2 MPa、Ⅱ序孔0.25 MPa；第2段(2～6 m)壓力Ⅰ序孔0.3 MPa、Ⅱ序孔0.4 MPa。在實(shí)際灌漿過(guò)程中根據(jù)注入率大小調(diào)整灌漿壓力，灌漿漿液遵循由稀到濃、逐級(jí)變換的原則，漿液水灰比采用2∶1、1∶1、0.8∶1、0.5∶1四個(gè)比級(jí)，開(kāi)灌水灰比2∶1，漿液變換原則按施工技術(shù)規(guī)范執(zhí)行。灌漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)為：在設(shè)計(jì)壓力下吸漿量小于1 L/min時(shí)延續(xù)灌注30 min結(jié)束[3，7]。

4) 灌漿特殊情況處理：施工過(guò)程中發(fā)現(xiàn)周邊裸巖冒漏漿液的情況，采取常規(guī)的封堵、降壓、濃漿、限流、間歇(不超過(guò)30 min)、待凝等措施后達(dá)到灌漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。其中部分孔段在灌注時(shí)發(fā)現(xiàn)回漿變濃現(xiàn)象，采取相同水灰比的新漿進(jìn)行灌注，效果不佳。另外在灌漿過(guò)程中發(fā)現(xiàn)混凝土表面出現(xiàn)細(xì)微裂縫且未貫穿，經(jīng)分析認(rèn)為裂縫主要是灌漿抬動(dòng)造成，與溫度變化關(guān)系不大，對(duì)此采取了加強(qiáng)抬動(dòng)觀測(cè)頻率，嚴(yán)格控制壓力與注入率關(guān)系，采用分級(jí)升壓、限流灌注等措施，使注入率控制在10 L/min左右，若注入率大于10 L/min就降壓，小于10 L/min再試探性升壓至設(shè)計(jì)壓力，同時(shí)觀測(cè)抬動(dòng)變形，效果較好[1,3]。

4.3試驗(yàn)效果分析

4.3.1灌前壓水試驗(yàn)

灌前壓水共計(jì)29段，其中Ⅰ序孔平均透水率247.78 Lu；Ⅱ序孔平均透水率157.14 Lu，可以看出隨著孔序的遞增，透水率呈遞減變化。結(jié)合試驗(yàn)區(qū)地層特性及灌漿冒漏漿情況，推斷灌前地層透水率存在一定程度的失真，因而會(huì)引起地層透水率實(shí)際普遍偏大的問(wèn)題，見(jiàn)表1。

表1　第①組試驗(yàn)灌前壓水試驗(yàn)成果統(tǒng)計(jì)表

4.3.2單位注入率分析

本組試驗(yàn)各次序孔平均單位耗灰量233.96 kg/m，Ⅱ序孔單位耗灰量較Ⅰ序孔有大幅遞減，符合一般規(guī)律,詳見(jiàn)圖4。

圖4　第①組固結(jié)灌漿試驗(yàn)水泥單耗分序柱狀圖

經(jīng)分段統(tǒng)計(jì)灌漿成果發(fā)現(xiàn)孔口段(0～2 m)吃漿量普遍較大，由于孔口段受地層開(kāi)挖影響，表層巖體破碎，灌漿過(guò)程中冒漏漿液情況明顯，混凝土與基巖的結(jié)合面亦比較薄弱，灌漿過(guò)程中沿結(jié)合面外漏嚴(yán)重，通過(guò)鑿除檢查發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)區(qū)混凝土板與基巖結(jié)合部位周邊外漏水泥漿結(jié)石明顯且厚度約2～5 cm。綜上分析灌漿淺表層裂隙冒漏、結(jié)合面外漏是影響灌漿試驗(yàn)水泥單耗較大的主要因素，因沿結(jié)合面外漏漿液量無(wú)法有效統(tǒng)計(jì)，這里實(shí)際灌入巖體的水泥量也很難準(zhǔn)確量化。

4.3.3灌后檢查孔取芯檢查

根據(jù)灌漿成果資料，第①組試驗(yàn)布設(shè)1個(gè)質(zhì)量檢查孔，自上而下分段施工，SY001-JC01檢查孔鉆孔取芯6.0 m，巖芯采取率為0，RQD值為0，經(jīng)分析認(rèn)為強(qiáng)風(fēng)化粗顆粒花崗巖巖層破碎、完整性差且強(qiáng)度較低，本身因素造成的,加之巖體抗鉆孔擾動(dòng)及水流作用的影響。水泥漿液以沿層理或裂隙脈狀充填為主，鉆孔取芯除結(jié)合面處能看到較完整的水泥結(jié)石外，對(duì)于強(qiáng)風(fēng)化粗粒花崗巖一般觀察不到水泥漿的痕跡。對(duì)此，在距原灌漿孔0.5 m處鉆孔取芯，檢查效果和前一個(gè)取芯孔相同，說(shuō)明沿垂直層理面方向漿液擴(kuò)散范圍小，灌漿效果不佳與實(shí)地相符[2,8]。

4.3.4檢查孔壓水試驗(yàn)效果分析

對(duì)本組1個(gè)檢查孔做灌后第3方壓水試驗(yàn)，壓水壓力按相應(yīng)孔段灌漿壓力的80%控制，共壓水2段，其中第1段透水率142.25 Lu，第2段透水率39.75 Lu，均大于設(shè)計(jì)要求的3 Lu標(biāo)準(zhǔn)，合格率為0，經(jīng)分析認(rèn)為該處巖層為陡傾角裂隙發(fā)育，加之強(qiáng)風(fēng)化粗顆粒花崗巖巖性致密，細(xì)微裂隙發(fā)育，漿液沿垂直走向擴(kuò)散半徑較差。對(duì)此，又加大一個(gè)檢查孔進(jìn)行灌后第3方壓水試驗(yàn)，其中第1段透水率64.29 Lu，第2段透水率32.25 Lu，從圖5灌前、灌后透水率頻率分布曲線可以看出，目前采用的灌漿孔排距偏大，對(duì)改善巖體防滲性能不顯著，需改進(jìn)設(shè)計(jì)。

圖5　第①組固結(jié)灌漿試驗(yàn)灌前灌后透水率頻率曲線圖

4.3.5聲波測(cè)試成果分析

第①組試驗(yàn)布設(shè)1個(gè)聲波測(cè)試孔，其中灌前平均波速在1 955～2 392 m/s之間；灌后平均波速在2 000～2 809 m/s之間，各測(cè)點(diǎn)提高率在0.1%～19.5%之間，由于灌前波速較低，該提高率亦屬正常[9]。詳見(jiàn)表2和圖6。

表2　第①組試驗(yàn)平均波速統(tǒng)計(jì)表

圖6　第①組試驗(yàn)灌前灌后波速分布圖

綜合分析以上試驗(yàn)成果，認(rèn)為在強(qiáng)風(fēng)化粗顆粒花崗巖中層裂隙灌注，可灌性較好，但孔距偏大，透水性難以滿足設(shè)計(jì)要求，需要改進(jìn)調(diào)整。

5存在問(wèn)題

根據(jù)灌漿過(guò)程中Ⅰ、Ⅱ序孔灌前灌后壓水試驗(yàn)及吃漿情況的試驗(yàn)結(jié)果,可以總結(jié)如下現(xiàn)象：

(1) 灌漿試驗(yàn)水泥單耗較大。通過(guò)取芯發(fā)現(xiàn)結(jié)合面比較薄弱，與基巖沒(méi)有形成良好的粘結(jié)，灌漿試驗(yàn)區(qū)周邊強(qiáng)風(fēng)化巖層受開(kāi)挖影響表層破碎，抗風(fēng)化能力弱，且沒(méi)有形成良好的封閉狀態(tài)，實(shí)際上大部分水泥漿沿混凝土與基巖的結(jié)合面及周邊裂隙冒漏，這是水泥單耗較大的主要原因。另一方面，灌前壓水試驗(yàn)得到地層透水率非常大，這其中也有周邊裂隙冒漏影響的因素，從側(cè)面驗(yàn)證了這一結(jié)論。

(2) 灌漿表現(xiàn)為吃水不吃漿，回漿變濃。強(qiáng)風(fēng)化粗粒花崗巖巖性致密，細(xì)微裂隙發(fā)育，在設(shè)計(jì)壓力下水泥漿難以被壓入巖石裂隙中；加之巖層為陡傾角裂隙發(fā)育，垂直裂隙走向漿液達(dá)不到有效擴(kuò)散半徑，這是影響灌漿質(zhì)量的根本因素[6]。

(3) 分段灌漿卡塞困難。強(qiáng)風(fēng)化粗粒花崗巖巖體本身強(qiáng)度較低，受鉆孔擾動(dòng)及水流作用能力弱，導(dǎo)致鉆孔孔壁不規(guī)則、塌孔等，出現(xiàn)卡塞困難問(wèn)題，達(dá)不到分段卡塞法灌漿的目的，也是影響灌前壓水試驗(yàn)及灌漿效果的因素[3]。

綜上所述，針對(duì)灌漿試驗(yàn)揭露出的地質(zhì)問(wèn)題及灌漿卡塞困難問(wèn)題，必須及時(shí)分析和總結(jié)，使所采用的技術(shù)及手段與地層相適應(yīng)，否則應(yīng)研究適宜于該地層工況的方案，以達(dá)到工程防滲目的[2]。

6改進(jìn)措施

(1) 在強(qiáng)風(fēng)化粗顆粒花崗巖中上部巖層通過(guò)灌漿改善巖體抗變形能力及防滲要求，需進(jìn)一步研究、論證適合的孔排距和工藝控制措施。

(2) 通過(guò)試驗(yàn)可知，巖體沿垂直裂隙走向可灌性差，漿液水平擴(kuò)散較弱，若采取灌漿處理措施，應(yīng)從本質(zhì)上解決漿液擴(kuò)散問(wèn)題。建議：① 加厚趾板、防滲板混凝土蓋重，適當(dāng)加大灌漿壓力；② 采取縮小垂直層理裂隙方向灌漿孔距，或采用細(xì)水泥灌注；③ 改變漿液性能，如水泥漿摻適量減水劑，增強(qiáng)其流動(dòng)性；④ 改善灌漿周邊巖層的漏冒漿現(xiàn)象，使灌漿盡可能在相對(duì)封閉的地層中進(jìn)行；⑤ 選用“分段卡塞法灌注”，孔口混凝土與基巖接觸段灌注完成待凝時(shí)間不宜小于24 h，再進(jìn)行下一段鉆灌；⑥ 采取“孔口封閉灌漿法”，解決卡塞困難問(wèn)題[3，10]。

7結(jié)語(yǔ)

應(yīng)根據(jù)粗粒花崗巖工程地質(zhì)條件、巖層特性，研究適宜的工藝參數(shù)和保證措施，制定技術(shù)上可行、經(jīng)濟(jì)合理的基礎(chǔ)處理方案。

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Study on Tests of Consolidation Grouting for Plinth on Strongly Weathered Rockmass

ZHOU Pengtao1, HU Fuhang2, SHEN Weiyun1

(1.China Hydro Consulting Engineering Corporation, Northwest Branch, Xi'an710065,China; 2. East China Engineering Corporation Limited, Hangzhou310000,China)

Abstract:The plinth foundation of the concrete face dam of the lower reservoir of on pumped storage power plant is the strongly weathered rock mostly. The rock mass is fractured to more fractured. The structural planes with moderate and steep dip angle are much developed and strongly weathered. To satisfy the function requirement, consolidation grouting and later curtain grouting shall be performed. Through tests, the grouting possibility and feasibility of the consolidation in the strongly-weathered coarse-grain-sized granite terrane are demonstrated, exploring the proper grouting parameters and technology. Accordingly, primary study achievement is available and can be referred to other similar projects.

Key words:plinth; weathered rock; dam; consolidation grouting; test

中圖分類(lèi)號(hào)：TV543

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1006-2610.2016.01.022

作者簡(jiǎn)介：周鵬濤(1986- )，男，陜西省乾縣人，助理工程師，從事水利水電監(jiān)理工作.

收稿日期：2015-10-26

文章編號(hào)：1006—2610(2016)01—0083—05