勝利水電站庫區消落帶泥質砂巖區環氧樹脂干預材料研究

張 偉

（遼寧潤中供水有限責任公司,遼寧 沈陽 110166）

1 工程背景

勝利水電站屬于渾河的重要支流蘇子河梯級開發的最末一級，是一座以發電為主，兼具防洪和養殖等諸多綜合性功能的大型水利樞紐工程[1]，壩址位于遼寧省新賓縣勝利村境內，工程等別為Ⅳ等[2]。勝利水電站工程選定方案的水庫正常蓄水位為146 m時，相應庫容為356.8 萬m3。水庫按20年一遇洪水設計，設計洪水位為146.78 m；100 年一遇洪水校核，校核洪水位為148.07 m，水庫總庫容為586.7 萬m3。該工程由擋水壩、翻板閘、沖沙閘、電站廠房及變電站等組成。最大壩高21.79 m，翻板閘總凈寬140.0 m，翻板閘堰頂高程141 m，閘門高為5.0 m。沖沙閘閘門尺寸為7 m×6.5 m，底板高程為140.0 m，電站總裝機容量14100 kW，多年平均發電量3232萬 kW·h。年利用小時數2450 h，電站保證出力11250 kW[3]。在電站建成運行過程中，上游庫區會因為庫水位的升降變化形成落差較大的消落帶。水庫庫區消落帶內的巖體由于受到濕干交替作用的影響，有可能引起巖體本身宏觀力學性質的變化，特別是力學強度的劣化，進而對邊坡的穩定性和工程的安全運行造成不利影響或潛在威脅[4]。當然，不同類型的巖體受上述濕干作用的影響程度是不同的。勝利水電站壩址位于蘇子河上游的峽谷段內，河道呈彎曲的“S”型，總體為右凸岸，坡度為40°～ 45°，有殘存的Ⅲ級基座階地，高程為320.00 m～341.20 m，河床覆蓋層厚5 m～16 m。壩址上下游為主要為侏羅紀和三疊紀地層，出露巖層以結晶片巖為主，具有相對完整的下盤，巖層產狀比較穩定。鉆孔和探洞顯示，壩址區巖體風化深度不大。壩址區的地下水根據埋藏條件，有裂隙潛水和局部裂隙承壓水兩種類型。均由大氣降水補給，向河床排泄。

勝利水電站上游左岸消落帶分布有面積較大的侏羅紀和三疊紀泥質砂巖，這種性質的巖體在遇水后會發生幅度較大的力學強度劣化，對其進行一定的劣化進程干預是十分必要的[5]。目前，針對軟巖力學強度劣化的干預方式主要有三種，分別是錨固、電化學加固以及化學材料加固[6]。對于水庫運行期間消落帶長期處于“濕干”交替作用的復雜物理化學環境條件中，采用錨固方法時，由于錨桿或錨索長期置于水環境中容易發生銹蝕，致使錨固方法的耐久性無法保證，不宜使用；采用電化學加固時，由于消落帶附近存在大量的可導電的庫水，電化學方法的效果將明顯減弱，也不宜使用。因此，采用化學材料加固就成為當前唯一可行的方法。

2 試驗方案設計

2.1 干預材料的選取

泥質砂巖的遇水后力學強度劣化的主要原因有兩個方面：①粘土礦物隨著庫水位的升降而產生的吸水膨脹與失水干燥；②砂巖巖體中存在的方解石、石英以及長石等各種硅氧化合物的遇水融蝕以及水壓作用下的微裂隙擴展。上述兩種作用的共同影響，最終導致巖體顆粒之間的膠結作用變弱。

基于上述劣化原因，勝利水電站庫區上游消落帶泥質砂巖的力學強度劣化的化學干預材料需要滿足以下五個要求：①要有良好的隔水性，能夠阻斷水分進入巖體內部；②材料本身要具有良好的環保屬性，不會對庫區的水環境造成明顯的污染；③材料本身要有較強的耐腐蝕性，能夠經受住庫水的長期侵蝕；④材料本身要與泥質砂巖有良好的親和力，具有良好的粘結性；⑤材料要具有良好的抗老化性能。

結合上述要求，環氧樹脂無疑是最適合的化學材料。但是，該類材料目前主要應用于建筑物的補強加固，尚未有消落帶巖體劣化干預的研究成果。基于水庫消落帶特殊環境特點，結合建筑補強加固領域環氧樹脂材料，特別是中國專利ZL201510081359.0 和ZL201110237103.6 中的相關成果和不足[7～8]，提出由E51 環氧樹脂為主，添加不同數量的正丁基縮水甘油醚以及651 低分子聚酰胺的材料。其中，正丁基縮水甘油醚為稀釋劑，以降低材料的粘度，651 低分子聚酰胺為固化劑，提高材料在巖體表面的附著力。

2.2 材料的配比方案

材料的配比對劣化干預效果存在顯著影響。勝利水電站上游的消落帶的泥質砂巖主要表現為中風化到強風化狀態，因此，針對兩種不同風化程度的巖體，提出不同的材料配比方案。以往的研究表明[9]，當E51 環氧樹脂和651 低分子聚酰胺的比例為100∶（30 ～50） 時，兩者反應形成的固化產物力學性能及防腐性能較好，當E51 環氧樹脂和丁基縮水甘油醚混合的比例達到100∶40 時，環氧樹脂幾乎可以完全稀釋于丁基縮水甘油醚中，流動性極好。最終，結合不同風化程度巖石的特征以及材料涂刷的易操作性和經濟性，提出材料配比方案，見表1。

表1 材料配比試驗方案設計

2.3 試驗方案

在庫區進行中風化和強風化的泥質砂巖采樣，每種配比取3 組45 個使用該配比的環氧樹脂材料涂抹后的中風化紅砂巖和強風化紅砂巖試樣進行如下試驗：每組的15 個樣本每3 個樣本分別進行0 次、1 次、4 次、8 次和16 次濕干交替作用，然后進行壓縮試驗。其中，對第一組按照圍壓0 MPa進行單軸壓縮試驗，第二組、第三組分別按照圍壓1 MPa、2 MPa進行三軸壓縮試驗，根據試驗數據，利用公式（1）計算獲取試樣的峰值抗壓強度值，以獲得不同配比的環氧樹脂材料在岸坡應力以及庫水漲落條件下對泥質砂巖的力學強度的干預性能。

式中：σ為峰值抗壓強度，MPa；P為破壞荷載，N；A為截面面積，m2。

3 試驗結果與分析

3.1 中風化樣本試驗結果與分析

按照上述試驗方案，對不同配比的環氧樹脂材料干預下的泥質砂巖試樣在不同圍壓和濕干交替次數下進行單軸或三軸壓縮試驗，并根據試驗數據計算出相應的峰值抗壓強度，結果見圖1～圖3。由試驗結果可知，試驗結果的數據點存在一定的離散性，究其原因，主要是天然巖石試樣具有明顯的非均質性特點。但是，通過試驗結果仍可以看出泥質砂巖在水庫消落帶周期性濕干交替作用下峰值抗壓強度的變化特征。

采用Z1 配比的試樣，在第1 次濕干交替作用之后，就出現了十分明顯的峰值抗壓強度劣化，與沒有經過濕干交替作用的試樣相比，在0 MPa、1 MPa、2 MPa三種不同圍壓條件下，其峰值抗壓強度分別下降了2.45%、1.68%和2.23%；同時，隨著濕干交替作用次數的不斷增加，試樣的峰值抗壓強度不斷降低，但是劣化幅度不斷減小，劣化速率呈現不斷減慢的趨勢。在試樣經歷4 次濕干交替作用之后，三種不同圍壓條件下的峰值抗壓強度分別下降了7.13%、10.27%和11.87%；在試樣經歷8 次濕干交替作用之后，三種不同圍壓條件下的峰值抗壓強度分別下降了5.87%、8.98%和10.49%；在試樣經歷16 次濕干交替作用之后，三種不同圍壓條件下的峰值抗壓強度分別下降了6.21%、9.13%和10.50%。

采用Z2 配比的試樣，在第1次濕干交替作用之后，出現了較為明顯的峰值抗壓強度劣化，但是與采用Z1 配比的試樣相比，劣化幅度較小，與沒有經過濕干交替作用的試樣相比，在0 MPa、1 MPa、2 MPa三種不同圍壓條件下，其峰值抗壓強度分別下降了1.72%、1.37%和1.30%；同時，隨著濕干交替作用次數的不斷增加，試樣的峰值抗壓強度不斷降低，劣化幅度不斷減小，劣化速率不斷減慢。在同樣次數的濕干交替作用以及同樣圍壓條件下，采用Z2 配比的試樣較采取Z1配比的試樣其峰值抗壓強度的下降幅度明顯偏小。這說明，采用Z2 配比可以獲得更好地干預效果。

采用Z3 配比的試樣，在第1 次濕干交替作用之后，出現了較為明顯的峰值抗壓強度劣化，與采用Z2 配比的試樣相比，劣化幅度有所加大。隨著濕干交替作用次數的不斷增加，試樣的峰值抗壓強度不斷降低，但是劣化幅度不斷減小，劣化速率不斷減慢。三種不同配比的試驗結果顯示，采用Z2配比可以獲得更好地干預效果。

圖1 中風化試樣0 MPa圍壓試驗結果

圖2 中風化試樣1 MPa圍壓試驗結果

3.2 強風化樣本試驗結果與分析

按照上述試驗方案，對不同配比的環氧樹脂材料干預下的強風化泥質砂巖試樣在不同圍壓和濕干交替次數下進行單軸或三軸壓縮試驗，并根據試驗數據計算出相應的峰值抗壓強度，結果見圖4～圖6。通過試驗結果仍可以看出泥質砂巖在水庫消落帶周期性濕干交替作用下峰值抗壓強度的變化特征。

圖3 中風化試樣2 MPa圍壓試驗結果

圖4 強風化試樣0 MPa圍壓試驗結果

圖5 強風化試樣1 MPa圍壓試驗結果

圖6 強風化試樣2 MPa圍壓試驗結果

采用Q1 配比的試樣，在第1 次濕干交替作用之后，出現明顯的峰值抗壓強度劣化，與沒有經過濕干交替作用的試樣相比，在0 MPa、1 MPa、2 MPa三種不同圍壓條件下，其峰值抗壓強度分別下降了9.72%、2.13%和7.08%；同時，隨著濕干交替作用次數的不斷增加，試樣的峰值抗壓強度不斷降低，劣化幅度不斷減小，劣化速率呈現不斷減慢的趨勢。在試樣經歷4 次濕干交替作用之后，三種不同圍壓條件下的峰值抗壓強度分別下降了17.01%、7.01%和12.55%；在試樣經歷8 次濕干交替作用之后，三種不同圍壓條件下的峰值抗壓強度分別下降了21.03%、10.82 %和15.77%；在試樣經歷16 次濕干交替作用之后，三種不同圍壓條件下的峰值抗壓強度分別下降了23.72%、13.29%和17.84%。

采用Q2 配比的試樣，在第1 次濕干交替作用之后，出現較明顯的峰值抗壓強度劣化，與采用Z1 配比的試樣相比，劣化幅度明顯較小，與沒有經過濕干交替作用的試樣相比，在0 MPa、1 MPa、2 MPa三種不同圍壓條件下，其峰值抗壓強度分別下降了2.76%、2.22%和2.09%；同時，隨著濕干交替作用次數的不斷增加，試樣的峰值抗壓強度不斷降低，劣化幅度不斷減小，劣化速率不斷減慢，同時相同條件下Q2 配比的干預效果均優于Q1 配比。

采用Q3 配比的試樣，在第1 次濕干交替作用之后，出現了較為明顯的峰值抗壓強度劣化，但是與采用Q1 和Q2 配比的試樣相比，劣化幅度最小。同時，隨著濕干交替作用次數的不斷增加，也呈現出試樣的峰值抗壓強度不斷降低，但是劣化幅度不斷減小，劣化速率不斷減慢的趨勢。同時，在同樣次數的濕干交替作用以及同樣圍壓條件下，采用Q3 配比的試樣的峰值抗壓強度的下降幅度最小。因此，試驗結果顯示采用Q3 配比可以獲得更好地干預效果。

4 結論

本次研究以遼寧省勝利水電站庫區消落帶泥質砂巖為例，基于水庫運行期間消落帶泥質砂巖力學強度劣化的物理和化學機制，提出了消落帶泥質砂巖力學強度劣化環氧樹脂化學干預材料，并進行了相應的配比研究，獲得的主要結論如下：

（1）對于中風化巖體，采用Z2 配比，即E51 環氧樹脂∶丁基縮水甘油醚∶651低分子聚酰胺=100∶20∶40的環氧樹脂材料可以獲得更好地干預效果。

（2）對于強風化巖體，采用Q3配比，即E51環氧樹脂：丁基縮水甘油醚∶651低分子聚酰胺=100∶40∶40環氧樹脂材料可以獲得更好地干預效果。

（3）建議針對勝利水電站庫區消落帶泥質砂巖的不同風化程度，采取不同配比的環氧樹脂材料進行力學強度劣化的化學干預。