淺成基性侵入輝綠巖固結灌漿分析

唐 建 立

(河南省水利勘測有限公司，鄭州 450008)

0 前 言

隨我國水利工程的興建，尤其是大型工程建設中面臨的工程地質條件越來越復雜，許多大型水利樞紐工程往往在布置在河流出山口附近，這些部位往往是地質條件相對薄弱的部位，經常會有區域性斷層分布，抑或有軟弱夾層、巖層風化嚴重等地質缺陷存在[1-4]。另外，基巖開挖一般采用爆破技術施工，爆破施工由于其累積破壞作用逐步降低巖體完整性及力學參數，這就造成建基面巖體不可避免的損傷[5,6]。為處理這些原生地質缺陷及后期施工原因造成的地質條件惡化，工程中常常采用巖體固結灌漿手段處理[7,8]。

固結灌漿施工手段是目前工程中常用的地基淺層改善加固措施，可以很好地起到改良地質缺陷、減少工程開挖量、提高地基抗變形及承載力等作用[9,10]。由于灌漿工程的隱蔽性使其施工質量無法直觀的表現[11]。對此，國內外學者在固結灌漿施工及其處理效果方面做了大量的工作，國內大型水利樞紐工程也不乏應用案例，國內如二灘水電站、溪洛渡水電站、錦屏水電站等大型水利工程建設期均進行了建基面固結灌漿施工，并取得了較好的施工效果。本文結合河南省某大型水庫溢洪道泄槽段弱風化上帶淺成侵入輝綠巖開挖前、后垂直方向波速變化情況，及其固結灌漿前、后波速變化情況，通過分析多組現場試驗波速測試成果，最后提出弱風化輝綠巖無蓋重固結灌漿波速總體提高率可以達到15%的處理效果，但基面處理效果不佳。為后期工程提供一定幫助。

1 工作區地質情況

河南省某大型水庫為國務院確定的172項重大水利工程之一，溢洪道位于主壩左岸，包括進水渠段、進口翼墻段、控制段、泄槽段及消能防沖段等五部分，其中泄槽段長99 m。該建筑物地層巖性主要為元古界熊耳群馬家河組安山玢巖及輝綠巖，泄槽段巖性為輝綠巖，弱風化狀巖體一般呈青灰色，風化后呈黃色，隱晶質結構，塊狀構造。建基面以上輝綠巖主要為強風化狀，裂隙寬0.5～1.0 mm，裂面較平整，多附黑色鐵錳質薄膜，風化后呈砂土狀。建基面下部巖體風化狀態多為弱風化上帶，巖體風化程度相對較高， 裂隙較發育，短小裂隙特別發育且呈閉合狀，少量充填鈣質，膠結較好，鉆探巖芯呈長柱狀。但是輝綠巖抗風化能力很差，建基面巖體淋雨后表層迅速泥化，整體強度降低。

圖1 溢洪道泄槽段典型剖面圖Fig.1 Typical section view of spillway section

2 實驗性施工

溢洪道泄槽段(0+035～0+134)基礎設計采用無蓋重固結灌漿處理以提高基礎巖體整體性，設計加固基面下5.0 m內的巖體，灌漿孔間距3.0 m，正方形布置，要求灌漿后巖體波速提高率不小于15%。根據地質資料結合校核工況計算，單根錨桿需提供110 kPa抗拔力，設計采用φ25 mm鋼筋作為錨桿筋體，Φ80 mm錨桿需錨入基巖4.2 m，考慮現場輝綠巖抗風化能力弱及遇水后力學參數可能降低的風險，確定采用5.0 m長系統錨桿確保混凝土底板不被高速水流掀起。

2.1 固結灌漿的必要性

泄槽段建基面下輝綠巖巖體裂隙發育，裂隙以北西走向最為發育，受區內構造影響，巖體完整性較差，多呈碎裂結構，整體抗沖刷能力差。在開挖卸荷次生張應力[12]及爆破開挖振動作用下，巖體中的閉合裂隙會張開，加速巖體工程地質條件惡化。工程運行后，基面下輝綠巖在地下水等作用下也會進一步惡化。

根據水工模型試驗，溢洪道在防洪高水位(50年一遇)時泄量約為8 298 m3/s；在設計洪水位(500年一遇)時泄量約為9 386 m3/s；在校核洪水(5 000 年一遇)時泄量約為13 544 m3/s。敞泄情況下，溢洪道最大流速達到35 m/s，高流速下極易產生負壓及空蝕[13]。當建基面下存在地質條件較差、巖石破碎等不利情況時，若混凝土底板存在裂縫或止水失效，混凝土下部分巖塊即被該處竄入的高速水流帶走，引起底板局部懸空，導致該處底板受力情況惡化，在流速水頭轉化的壓力水頭共同作用下，底板混凝土進一步破壞[14]。建基面下破碎巖體失去底板的保護，更容易被水流掏空[15,16]。如此惡性循環，更大范圍的底板破壞極易發生[16]。同時，在高速水流負壓作用下，若基面下巖體破碎，不能提供足夠的抗拔力，混凝土底板也會產生掀起的風險。

2.2 第一次試驗

(1)試驗目的：通過本次試驗確定無蓋重灌漿的灌漿壓力、灌漿材料等，論證在無蓋重情況下巖體的可灌性，以及滿足設計要求所需要的孔距、灌漿壓力。

(2)具體實施：本次試驗在樁號0+061～0+072(偏中-36～0)范圍內布置三個試驗區，孔距分別為2.0 m×2.0 m、2.5 m×2.5 m、3.0 m×3.0 m，分兩序施工，Ⅰ序孔采用0.3 MPa灌漿壓力，Ⅱ序孔采用0.4 MPa灌漿壓力，固結灌漿入巖深度為5 m，全孔采用一次灌漿法施工。

灌漿采用P.O 42.5水泥，水灰比采用3∶1、2∶1、1∶1、0.5∶1四個比級，以3∶1水灰比開灌。當灌漿壓力保持不變，注入率持續減少時，或注入率不變而壓力持續升高時改變水灰比。當灌漿段在最大壓力下，注入率連續30 min不大于1 L/min結束灌漿。

(3)實驗結果：2.5 m×2.5 m、3.0 m×3.0 m兩個試驗區測試成果顯示均不能滿足波速提整體高15%的要求，2.0 m×2.0 m試驗區能滿足要求。測試成果統計見表1。

表1 溢洪道泄槽段第一次固結灌漿試驗區波速測試統計Tab.1 Wave velocity test statistics of the first consolidation grouting test area of the spillway

2.3 第二次試驗

(1)試驗目的：由于第一次試驗僅2.0 m×2.0 m試驗區滿足設計要求，與初步設計差別較大，為節約投資，決定再進行3.0 m×3.0 m、2.5 m×2.5 m間距試驗，每個灌漿孔分兩段灌進行試驗性施工。

(2)具體實施：本次試驗在樁號0+065.5～0+071.5(偏中7.5～13.5)、0+120～0+126(偏中4.5～10.5)范圍內各布置一個3.0 m×3.0 m試驗區，0+115～0+120(偏中0.5～5.5)范圍內布置2.5 m×2.5 m試驗區。灌漿孔分兩序施工，每孔第一灌漿段2 m，采用0.3 MPa灌漿壓力，第二灌漿段3 m，采用0.4 MPa灌漿壓力。

灌漿采用P.O 42.5水泥，水灰比采用3∶1、2∶1、1∶1、0.5∶1 四個比級，以3∶1水灰比開灌。當灌漿壓力保持不變，注入率持續減少時，或注入率不變而壓力持續升高時改變水灰比。當灌漿段在最大壓力下，注入率連續30 min不大于1 L/min結束灌漿。

(3)實驗結果：2.5 m×2.5 m、3.0 m×3.0 m試驗區均有較多不合格點存在，測試成果統計見表2。

表2 溢洪道泄槽段第二次固結灌漿試驗區波速測試統計Tab.2 Wave velocity test statistics of the second consolidation grouting test area of the spillway

3 檢測結果分析

3.1 灌漿前波速降低分析

根據兩次灌漿前波速測試成果看出建基面下1.0 m范圍內波速值普遍較低，一般小于2 000 m/s(見圖2)，說明建基面巖體受卸荷及爆破累積破壞影響較為嚴重，其物理力學性質發生弱化，反映到波速上就是波速值明顯降低。根據張文舉[17]等人的研究結果，巖體開挖卸荷影響深度一般不小于1.0 m，與本次的測試結果較為吻合。

圖2 灌前波速值隨深度變化曲線Fig.2 Wave velocity value with depth before filling

3.2 灌漿后波速提高率分析

根據兩次試驗結果，弱風化狀輝綠巖采取固結灌漿提高其完整性是可行的，采用2.0 m×2.0 m間距的灌漿孔灌漿，灌漿后波速總體提高率是可以達到15%(見表1、圖3)。第二次試驗采用分段灌漿法施工，通過對比，這些措施可以起到一定的效果(見表2、圖4)，然仍不能達到總體提高率15%的設計要求。

圖3 第一次試驗波速提高率隨深度變化曲線Fig.3 The first test wave velocity increase rate with depth curve

圖4 第二次試驗波速提高率隨深度變化曲線Fig.4 The second test wave velocity increase rate with depth curve

3.3 存在問題分析

根據試驗區波速測試成果結合圖5可以看出，本次無蓋重灌漿的波速提高主要集中在灌漿段中部，灌漿孔口及孔底效果較差。究其原因，下部灌漿效果較差是因灌漿孔4.0 m以下巖體多呈微風化狀，巖體較完整、可灌性差造成的，對工程質量影響很小；然而，建基面下1.0 m范圍內灌漿效果一般也不理想，該范圍內由于卸荷弱化作用，裂隙由初始閉合狀態逐步變化為不同程度的張開，但在無蓋重固結灌漿施工中，上部灌漿壓力一般偏低，造成灌漿效果較差，特別是在灌漿止塞范圍內，往往會形成灌漿盲區，難以達到預期的目的。

圖5 2.0 m×2.0 m試驗區波速測試成果Fig.5 2.0 m×2.0 m test area wave speed test results

3.4 施工實施方案

根據兩次試驗性施工檢測結果，采用3.0 m×3.0 m、2.5 m×2.5 m孔距進行固結灌漿無法滿足整體波速提高15%的設計要求。施工采用2.0 m×2.0 m孔距進行固結灌漿，灌漿孔分兩序施工，每孔第一灌漿段為2 m，采用0.3 MPa灌漿壓力，第二灌漿段為3 m，采用0.4 MPa灌漿壓力。

灌漿采用P.O 42.5水泥，水灰比采用3∶1、2∶1、1∶1、0.5∶1四個比級，以3∶1水灰比開灌。當灌漿壓力保持不變，注入率持續減少時，或注入率不變而壓力持續升高時改變水灰比。當灌漿段在最大壓力下，注入率連續30 min不大于1 L/min結束灌漿。

4 結 論

無蓋重灌漿確實能夠提高破碎巖體完整性、承載力、壓縮模量等物理力學指標，現有的學術論文中不乏成功案例的報道。但是，這些案例中固結灌漿的主要目的是為提高地基承載力及壓縮模量，很少涉及建基面灌漿后完整性的論述。本文通過對輝綠巖開挖前、后垂直方向波速及其固結灌漿前、后波速對比，結合多組現場試驗波速測試成果，發現在淺成侵入輝綠巖中固結灌漿處理其波速總體提高率能達到15%的要求，同時在底板下設置錨筋，可滿足泄槽底板的抗浮穩定性要求。

由于輝綠巖特殊的物理力學性質，雖然波速整體提高率能滿足要求，但其在開挖卸荷次生張應力及爆破開挖振動作用下引起的巖體表層裂隙張開處理效果不佳，反映在波速方面就是其基面下0.5～1.0 m范圍內波速提高不明顯，特別是基面下0.5 m孔口管止塞范圍為固結灌漿的灌漿盲區[18]，固結灌漿效果較差。在淺層固結灌漿中，雖然灌漿段小于6 m，分段灌漿依然能明顯提高灌漿后巖體波速提高率。因此，在弱風化狀淺成基性侵入輝綠巖地層中進行固結灌漿應根據灌漿目的區別對待，當以提高基面完整性為主要目的時，施工中宜先進行小灌漿段分段灌漿，底板混凝土分兩期施工，一期混凝土施工中預留灌漿孔采用接觸灌漿的方式進行淺部灌漿補強，同時進行抬動觀測，防止一期混凝土抬動破壞，灌漿完成后根據需要切槽施工排水溝，而后施工二期抗沖耐磨混凝土。

□