金溝河一級水電站隧洞圍巖高壓固結灌漿處理

唐 軍，張亞智

（1.新疆金溝河流域管理局，新疆 沙灣 832100；2.洋縣引酉工程灌溉管理局，陜西 洋縣 723300）

1 工程概況

金溝河一級水電站工程位于新疆維吾爾自治區塔城地區沙灣縣內，水電站工程旨在通過自身15.64 m高的攔河壩的實現對金溝河流域集水面積1265.17 km2河川徑流的截引，通過長度5.74 m的φ3.8 m壓力隧洞以及φ2.8 m的系統管道完成流域至水電站廠房的引流。金溝河一級水電站廠房位于金溝河河道右岸岸臺，離沙灣縣縣城74 km。工程裝機總容量34 MW，年均供電量5533.5萬kW·h，裝機耗費小時數2231.1 h，所使用裝機水輪機為15 MW×2臺+10 MW×1臺，工程為小（Ⅰ）型，等級四級，水電站工程主要包括主流攔河壩、支流引水壩、進水口、引水隧洞、壓力管道、升降壓泵、廠房、尾水渠等建筑物。

2 水文地質條件

2.1 水文地質條件試驗成果

2.1.1 壓水試驗和水力劈裂試驗

金溝河一級水電站隧洞區域地下水主要是基巖裂隙水，儲存在斷層裂隙及孔洞內，依靠環境降水和重構地表水的下滲完成補給。常規壓水試驗在水電站地下廠房進行，在243段試驗段中有242段透水率低于8.9 Lu，均值0.89 Lu，圍巖巖體弱透水性。其余一段則位于斷層破碎帶，透水率為25 Lu，巖體中透水性。高壓壓水試驗結果表明，金溝河一級水電站隧洞內個別斷層破碎帶存在一定透水性外，其余試驗段均屬于弱透水性。

為分析工程區水文地質情況，還需進行水力劈裂試驗。對于隧洞內兩段裂隙密集帶其劈裂壓力較低，分別為4.5 MPa和5.3 MPa；另一陡峭發育張性裂隙劈裂壓力僅有4.1 MPa，其余試驗段劈裂壓力均在6.8 MPa～11.5 MPa范圍。水力劈裂試驗結果顯示，對于埋深55 m以下的弱風化混合巖層劈裂壓力最小為4.8 MPa，工程區隧洞圍巖巖體屬微透水性，此性能及透水率并不受地層壓力條件不同的影響，圍巖巖體完全能承受高內水壓力的影響，不會發生滲透破壞[1]。

以上壓水試驗和水力劈裂試驗結果表明，金溝河一級水電站隧洞地層水文地質條件完全適合鋼筋混凝土襯砌及高壓固結灌漿的實施。

2.1.2 斷裂透水性

通過圍巖巖層開挖發現斷層涌水、滴水現象存在，NE向斷層用水量較大，通過主探洞進行斷層揭露發現大規模突發性涌水，地下水由掌子面距離探洞底板1 m、直徑25 cm的孔內噴射而出，初始單位流量1.5 m3/s，歷時5 h的累計涌水量多達2.55萬m3，此后涌水逐漸減小，10 d后單位流量降至0.0269 m3/s。探洞斷層涌水發生后導致中平洞水位分別降低285 m和115 m，下平洞和高壓岔管水位分別降低240.49 m和156.95 m；中斜井處地下水位埋深本身不大，所以斷層涌水后地下水位并無明顯變化。上述結果表明，金溝河一級水電站隧洞斷層屬儲水-導水構造，儲水孔洞和透水裂隙斷層網絡[2]普遍存在，在隧洞圍巖開挖時所有斷層必將出現滲水和滴水現象，部分裂隙也會出現，地下水資源豐富，斷層透水性強、水滲透性能良好。

2.2 主要水文地質問題

隧洞施工開挖主要揭示西北向斷層并傳統中下斜井、中平洞，斷層透水性能良好，開挖后將發生滲水、滴水及股狀水，下斜井NW向斷層內滲水較多，連通NE向斷層后同時穿過高壓隧洞，加之斷層屬張性和張拗性，透水性強，斷層網絡及水文地質條件復雜。高壓隧洞出現內水外滲后經由NW向滲入斷層、高壓隧洞及廠房，將對混凝土襯砌施工造成不利影響，甚至隨著引水鋼管外水壓力的不斷升高而引發鋼管內鼓、圍巖失穩。

3 隧洞圍巖高壓固結灌漿處理

3.1 灌漿設計

按照透水襯砌理論進行高壓隧洞設計，充水將引起隧洞圍巖混凝土開裂，高壓內水出現外滲，為了減輕內水外滲所引起水量損失并控制可能引發的圍巖失穩，必須進行水電站隧洞圍巖高壓水道固結灌漿處理。

3.1.1 水泥固結灌漿

水泥固結灌漿通常按隧洞靜力水頭的1.3～1.6倍設置灌漿壓力，壓力值最大不能超過7.0 MPa，本工程隧洞圍巖高壓固結灌漿上中下斜井灌漿壓力分別為3.5 MPa、4.5 MPa和7.0 MPa。中平洞和下平洞灌漿壓力分別為5.0 MPa和7.5 MPa。除下斜井、下平洞灌漿孔深4.5 m外，其余洞段內Ⅰ～Ⅱ類圍巖灌漿孔深3.5 m、Ⅲ～Ⅳ類圍巖灌漿孔深5.5 m。下平洞和高壓岔管灌漿孔距1.5 m，下斜井孔距2 m，其余洞段灌漿孔距3.0 m。對于特殊的地質構造區域或灌漿存在異常的特殊孔段必須做加密或加深灌漿處理，此外，對于下平洞和高壓岔管內的斷層還必須增設20 m孔深，單排通常布設2～4個深孔。

3.1.2 化學固結灌漿

在水電站隧洞圍巖下平洞和高壓岔管還需實施系統性化學灌漿，孔深7.5 m，孔距1.5 m，每排布設10孔，對于斷層及透水性較大的特殊圍巖應增加孔洞布設。同時，對于中斜井、下斜井和中平洞特殊地質構造圍巖也必須進行化學固結灌漿，根據斷層產狀進行孔距、孔深、孔數等的確定。化學固結灌漿壓力與相同部位水利固結灌漿壓力相同。固結灌漿孔選擇徑向孔，孔向主要依據隧洞圍巖斷層、結構面等進行調整，以確保灌漿孔多穿過結構面。

3.2 灌漿材料

除使用普通的硅酸鹽水泥外，還包括JD-1改性環氧防水補強劑和改性環氧樹脂，此種型式的抗滲劑力學性能優良，具有抗老化、無毒副、抗滲等優勢[3]。主劑、固化劑和促進劑按100∶7∶1的比例完成配比，并結合固結灌漿實際進行漿液配置，由人工均勻拌和，拌和時間≥10min，漿液初凝時間保持在10 h左右。

3.3 固結灌漿施工

3.3.1 造孔與洗孔

固結灌漿造孔對于孔深不足7.5 m的情況采用φ42 mm或φ50 mm鉆頭的手風鉆一次性完孔，而對于孔深超過7.5 m的深孔則采用圓盤鉆。造孔前掌握好鉆孔角度，避免孔向偏離，影響灌漿圈封閉性能。鉆孔完畢后，使用大流量水按低于1 MPa的沖洗壓力沖洗孔壁，待孔壁內鹽粉和泥渣等徹底沖凈，回水清澈后結束。

3.3.2 灌漿過程控制

（1）水泥灌漿。按照環間分序、環內加密、孔內分段的順序進行高壓岔管漿液灌注，首段段長分別為2.5 m、3.5 m或3.0 m，次段段長為2.5 m或5.5 m。由于中下斜井借助爬升器牽引作用完成灌漿，其操作平臺通常只能上而不能下，所以，灌漿應從低至高逐排進行，同排內則從底孔至頂孔逐孔完成。剩余洞段則按環間分序和環內加密完成全孔一次性灌注。

（2）化學灌漿。實行純壓式全孔一次性灌注，在襯砌混凝土內接近圍巖與混凝土的接觸面安裝阻塞器，并防止高壓化學灌漿過程可能對混襯砌凝土產生高壓劈裂的不利影響。初灌環節實行低壓慢灌，并逐步升壓，每次壓力提升幅度≤0.1 MPa，直至達到設計要求則結束升壓。之后按照灌漿范圍及孔洞布設，從隧洞底部開始向兩側逐次灌漿，并通過鄰孔排水排氣，一旦出現鄰孔冒漿現象，必須盡快排出積水、堵塞鄰孔。

3.3.3 固結灌漿控制

（1）水泥灌漿。當灌漿壓力不足4.5 MPa時，應根據設計壓力待注入率低于1 L/min之時，持續灌注30 min就可結束灌漿；當灌漿壓力超過4.5 MPa時，待注入率低于2 L/min時持續灌漿20 min便可結束灌注。灌漿完畢后為了防止泄壓導致灌入漿液的流失，應先關閉灌漿閥門，再停止灌漿泵。

（2）化學灌漿。待灌漿壓力符合設計要求且進漿量不足0.05 L/min時持續壓漿10 min后便可閉漿結束化學灌漿過程。結束后還要拔塞并在漿孔卡塞段按水∶灰∶砂=0.5∶1.0∶1.0的比例配比封閉液，同時摻入水泥用量3.5%輕燒MgO水泥砂漿封閉灌漿孔，由于封閉液具有微膨脹作用，故應預防干縮裂縫的形成。

3.4 灌漿效果檢查

檢查方式以壓水試驗為主，聲波值比對為輔。經檢查，水泥固結灌漿透水率低于2.0 Lu，化學固結灌漿透水率低于1.5 Lu，合格率達到100%。對上中下平洞、高壓岔管等進行灌漿前后聲波比對測試，結果表明，上平洞灌漿前聲波波速均值3687 m/s～4260 m/s，中下平洞灌漿前后聲波波速均值低于4000 m/s，灌漿結束后聲波波速均值在4894 m/s～4926 m/s范圍內。高壓岔管灌漿前波速均值3172 m/s～3284 m/s，灌漿后均值4700 m/s～4725 m/s，可見，固結灌漿使隧洞圍巖整體穩定性提升。

4 結論及討論

結合所進行的常規壓水試驗、水壓劈裂試驗成果及工程區水文地質調查資料，金溝河流域一級水電站高壓隧洞部分圍巖呈弱滲透性，內水壓力構成圍巖主要應力，抗水力劈裂壓力不高，下平洞及高壓岔管在內水壓力下發生水力劈裂可能性很小，適宜限裂鋼筋混凝土襯砌施工。工程區張拗性斷裂發育，透水性良好，區域NW向發育斷層形成強透水性網絡，容易引發高壓內水外滲，且增加了水文地質條件的復雜性。對于本工程較為復雜的水文地質條件，應實施隧洞系統性高壓水泥固結灌漿及局部化學灌漿的防滲措施，針對灌漿異常等特殊洞段則實行深孔加密固結灌漿強化防滲，灌漿處理效果明顯，且灌漿措施的實施并不影響圍巖巖體的完整性及不透水性。