楊房溝水電站f27斷層蝕變帶化學灌漿試驗研究

謝 斌，王 灝，劉 均 峰

(中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610081)

1 概 述

楊房溝水電站拱壩左岸壩基高程1 947～1 990 m上游側發育f27斷層蝕變帶，產狀：N50-85°W SW∠55～65°，寬10～15 cm，最大可達20 cm。帶內為碎塊巖、蝕變巖、巖屑充填，面平直光滑，沿斷層面兩側分布蝕變巖體，上盤蝕變巖體厚度0.2～1.5 m，下盤蝕變巖體厚0.6～2.6 m，蝕變巖體單軸飽和抗壓強度20～40 MPa，屬Ⅳ類巖體。f27斷層蝕變帶與拱壩壩基帷幕斜交，影響拱壩壩基防滲，采用常規水泥灌漿可灌性差，難以達到壩基防滲要求，須采用化學灌漿以滿足壩基防滲要求。在正式化學灌漿前必須對所選灌漿材料進行室內及現場灌漿試驗，對灌漿材料、灌漿參數、施工工藝、灌漿設備及灌漿效果檢查等進行驗證，該試驗研究對于指導類似工程基礎處理具有參考意義[1]。

通過現場灌漿試驗研究，了解經化學灌漿處理后，f27斷層蝕變帶影響區的完整性、抗滲性、抗壓強度和抗剪強度提高的效果，論證經過灌漿處理后的巖體作為拱壩基礎的合理性和可靠性，提出相應的巖體力學參數值，滿足大壩抗力體的要求[2]。

化學灌漿灌后巖體檢測指標包含壓水試驗透水率、聲波波速、鉆孔變形模量、鉆孔全景圖像檢測等。并鉆取滿足常規物理性質、抗滲性能、干濕抗壓強度、室內變形模量及磨片鑒定等檢測項目的巖芯以開展相關檢測工作[3,4]。

2 室內模擬灌漿試驗

2.1 化學漿材物理力學試驗

該次化學漿材物理力學試驗，選擇了兩家單位的環氧漿材進行室內試驗研究。

漿材型號和配比如下：

(1)型號：CW511，配比(質量比)A∶B=5∶1、6∶1；CW512型號配比(質量比)A∶B=5∶1、6∶1。

(2)型號：PSI501，配合比(質量比)9∶1；PSI530型號，配合比(質量比)9∶1。

對不同配方進行大量室內試驗后，根據設計要求和f27斷層及蝕變帶特性，最終選擇性能較好的CW511高滲透環氧漿材和PSI501(9∶1)高滲透環氧漿材進行室內模擬灌漿試驗。

2.2 室內模擬化學灌漿試驗成果

根據室內化學漿材的試驗成果，選擇具有代表性的f27斷層及蝕變帶原狀巖塊進行室內模擬試驗。CW511浸泡試驗成果：吸水率為1.04%，吸漿率為1.72%，浸泡后巖樣平均抗壓強度為15.03 MPa；PSI501浸泡試驗成果吸水率為1.49%，吸漿率為1.47%，浸泡后巖樣平均抗壓強度為14.36 MPa。CW511室內模擬灌漿試驗成果：吸漿率為1.15%，灌后巖樣抗壓強度22.17 MPa；PSI501室內模擬灌漿試驗成果：吸漿率為1.42%，灌后巖樣抗壓強度20.4 MPa。通過灌(浸泡)后切片發現環氧漿液有效灌(進)入巖樣的細微裂隙中[5]。

經對上述化學漿材和室內模擬灌漿成果分析，最終選擇PSI501型號，配合比(質量比)9:1進行現場化學灌漿試驗。該化學灌漿漿液性能和固化物性能滿足環氧樹脂材料的漿液性能L(低黏度)、固化性能Ⅱ型要求，檢測成果見表1。

表1 PSI501型號環氧樹脂灌漿材料漿液性能檢測成果

3 現場灌漿試驗

3.1 灌漿試驗區選擇

根據f27斷層及蝕變帶影響區范圍，并結合開挖階段勘探資料，經現場實地考察和反復研究，化學灌漿試驗區選擇在8號壩段1 955 m高程基礎廊道，在帷幕線以外f27斷層及蝕變帶區域。f27斷層化學灌漿試驗區樁號范圍為：K0+120.78～K0+123.03，鉆孔共布置兩排，排距0.6 m，孔間距1 m，下游排距廊道下游邊墻0.5 m。

3.2 現場灌漿試驗方案

根據設計要求，化學灌漿前需進行水泥灌漿，在巖體透水率≤1 Lu時，再進行化學灌漿。

該試驗區所在部位前期已完成水泥灌漿，灌后檢查孔透水率均小于1 Lu，不再進行整體水泥灌漿，若化學灌漿段灌前壓水試驗透水率大于1 Lu，需先進行水泥漿液灌注，直至透水率小于1 Lu時，再進行化學灌漿。

化學灌漿采用PSI501低黏度改性環氧樹脂灌漿材料，該材料具有強度高、黏度低、操作時間可控、收縮性小、穩定性高、耐久性好、施工簡便等性能。

3.3 現場灌漿試驗方法

(1)化學灌漿試驗區施工順序：施工準備→孔位放樣→抬動孔施工(利用1 955 m高程基礎廊道帷幕灌漿已施工的抬動孔)→先導孔施工→下游排(Ⅰ序孔→Ⅱ序孔)→上游排(Ⅰ序孔→Ⅱ序孔)→檢查孔施工→質量驗收。

(2)化學灌漿施工工藝流程見圖1。

圖1 化學灌漿試驗施工工藝流程圖

(3)化學灌漿采用“孔內卡塞、自上而下分段”純壓式灌漿法，最大化學灌漿壓力3 MPa。

(4)灌漿段長、孔深。灌漿孔分段與鉆孔分段一致，見表2。各灌漿孔段的灌漿壓力為3 MPa。

(5)主灌漿材料為PSI501環氧灌漿材料，配合比為A∶B=9∶1(質量比)。

表2 化學灌漿范圍和段次劃分表

(6)化學灌漿遵循“長時間、慢速率、盡量達到一定的注入量”的原則，控制好灌漿壓力和注入率的協調關系，一般情況下注入率控制在0.05 ～0.1 L/min·m之間。當注入率≤0.05 L/min·m時，適當升高灌漿壓力，當注入率≥0.1 L/min·m時，需適當降低灌漿壓力或控制注入量。

(7)Ⅰ序孔距為2 m，Ⅱ序孔距為1 m，排距0.6 m。鉆孔終孔段孔徑不小于φ56 mm。

(8)每段灌漿總歷時達到40 h以上，在設計灌漿壓力下，不吸漿或注入率≤0.01 L/(min·m)時，屏漿4 h即可結束化學灌漿。

(9)在每段灌漿結束后，關閉進、回漿閥門，待壓力自然歸零后，由進漿管灌注0.5∶1水泥漿，并打開回漿閥門，用水泥漿液置換出孔內化學漿液，當孔內化學漿液置換完后，屏漿30 min后待凝12 h，然后進行下一孔段鉆灌施工。

4 化學灌漿成果分析

該試驗區共計完成化學灌漿孔5個，化學灌漿72 m。下游排Ⅰ序孔單位化學漿材耗量37.07 kg/m，Ⅱ序孔單位化學漿材耗量9.50 kg/m，Ⅱ序孔單耗較Ⅰ序孔單耗減少74.37%；上游排Ⅰ序孔單位化學漿材耗量11.55 kg/m，Ⅱ序孔單位化學漿材耗量10.24 kg/m，Ⅱ序孔單耗較Ⅰ序孔單耗減少11.34%。

該試驗區Ⅰ序孔單位化學漿材耗量18.57 kg/m，Ⅱ序孔單位化學漿材耗量9.87 kg/m，Ⅱ序孔單耗較Ⅰ序孔單耗減少46.85%，各序孔的單位注入量呈現Ⅰ序孔>Ⅱ序孔，符合一般灌漿規律。

5 化學灌漿效果檢查

灌漿效果檢查主要采用壓水試驗、聲波測試、孔內電視以及鉆孔取芯進行室內物理力學性能試驗，其成果可作為評價灌漿試驗效果的主要依據。

5.1 壓水試驗

化學灌漿試驗區共布置1個灌前測試孔，共計進行“單點法”壓水3段。灌后共布置3個檢查孔，共計進行“單點法”壓水7段，成果統計見表3。

表3 試驗區灌前測試孔與灌后檢查孔壓水成果統計表

化學灌漿試驗區灌前測試孔最大透水率0.36 Lu，平均透水率0.12 Lu；灌后檢查孔最大透水率0.11 Lu，平均透水率0.03 Lu。灌后最大透水率較灌前減少69.44%，灌后平均透水率較灌前減少75.00%，灌后檢查孔各段壓水透水率均小于1 Lu，符合壓水試驗合格標準。

5.2 聲波檢測

化學灌漿試驗區灌前對1孔進行了單孔聲波測試，灌后14 d后對3孔進行了單孔聲波測試。化學灌漿試驗區灌前測試段聲速范圍為4 282～5 572 m/s，平均聲波波速為5 070 m/s，小于3 700 m/s波速測點占比為0。灌后測試段聲速范圍為4 520～5 895 m/s，平均聲波波速為5 137 m/s，小于3 700 m/s波速測點占比為0。灌后較灌前平均波速提高67 m/s，提高1.32%。灌后較灌前最小波速提高238 m/s，提高5.56%。

5.3 鉆孔全景圖像分析

化學灌漿試驗灌后全景圖像顯示：巖體細微裂隙均得到了有效充填。

5.4 鉆孔取芯室內試驗

開挖階段現場提取了f27斷層及蝕變帶天然巖樣，進行室內物理力學性能試驗。在檢查孔巖芯中選取了部分代表性的芯樣進行檢測，灌后巖體檢測的物理力學指標有：常規物理性質、抗滲性能、干濕抗壓強度、室內變形模量和磨片鑒定。

(1)常規物理性質。灌前巖塊干密度在2.49～2.72 g/cm3之間。含水率均值在0.29%～2.63%之間。灌后巖塊的干密度在2.68～2.76 g/cm3之間，含水率在0.05%～0.38%之間。

(2)抗滲性能。灌前試驗成果表明：當滲透壓達到3 MPa時，蝕變巖未產生滲透變形破壞。灌后試驗數據表明：灌后巖體的滲透系數在2.80×10-6mm/s～1.20×10-5mm/s之間，灌后巖體的滲透系數較低，防滲能力較高。

(3)抗壓強度及室內變形模量。灌前巖石的單軸抗壓強度試驗成果： f27斷層蝕變巖天然單軸抗壓強度在7.86～59.56 MPa之間，均值為24.81 MPa，飽和單軸抗壓強度在5.23～34.01 MPa，均值為18.63 MPa，略低于f27強蝕變巖，也屬較軟巖～軟巖類。取自槽底的中等蝕變巖天然模量為17.81 GPa，飽和彈性模量為7.39 GPa；而取自建基面的強蝕變巖天然彈性模量僅為0.89～1.72 GPa，飽和彈性模量僅為0.19～0.6 GPa。灌后巖石的單軸抗壓強度試驗成果表明：灌后巖石的天然單軸抗壓強度為136.60 MPa，飽和單軸抗壓強度為103.17 MPa，灌后巖石的抗壓強度處于較高的水平。對巖石的室內彈性模量進行計算，結果表明：灌后干燥巖體的變形模量為21.74 GPa，飽和巖體的變形模量為16.40 GPa。灌后較灌前干燥巖體、飽和巖體的變形模量均有較大程度提高。

(4)室內抗剪強度。灌前巖石天然摩擦角均值為51.23°，黏聚力均值為9.72 MPa；飽和內摩擦角均值為41.45°，黏聚力為13.37 MPa。飽和條件下，蝕變巖內摩擦角較天然條件下降低約10°，而黏聚力較接近。由于灌后巖石完整性較好，內摩擦角折減系數取0.87，黏聚力折減系數取0.25。灌后天然巖體的黏聚力為3.82 MPa，內摩擦角為41.75°；灌后飽和巖體的黏聚力為2.905 MPa，內摩擦角為40.79°。

(5)微觀結構與化學組成。灌前巖石微觀結構顯示，f27斷層蝕變巖破碎程度較高，微觀裂隙相對發育，且通常填充針葉狀綠泥石，長石邊緣可見伊利石化。壩基f27斷層蝕變帶的蝕變類型以礦物顆粒的機械破碎以及暗色礦物的綠泥石化為主，伴有少量的斜長石組云母化蝕變，部分樣品中可見斜長石進一步蝕變為綠泥石。受風化卸荷等因素影響，建基面處的強蝕變巖微裂隙大多張開，礦物顆粒間或礦物碎片間接觸松散。

灌后巖石微觀結構呈現出典型的花崗巖特征，結構較為致密。化學灌漿處理后存在少量微裂縫，大部分裂縫中充填有顆粒狀物質。漿液對節理裂隙的充填較為充分。化學漿液能夠有效地進入巖石內部，漿液顆粒有效地充填了結構面，并且和巖石表面產生了較好的連接，對巖石的完整性、強度及抗滲性能有較大程度的提高。巖石顆粒和漿液顆粒之間形成了良好的連接，有效地提高了巖石的完整性和強度，對巖石的抗壓和抗剪強度指標有較大的提高。

6 結 語

利用PSI501低黏度改性環氧樹脂灌漿材料，對f27斷層及蝕變帶進行化學灌漿，巖石顆粒和漿液顆粒之間形成了良好的連接，有效地提高了巖石的完整性和強度，對巖石的抗壓和抗剪強度指標有較大的提高，灌漿效果明顯。

化學灌漿后，根據孔內電視和鉆孔取芯觀察及室內試驗成果，f27斷層及蝕變帶巖體張開的裂隙經水泥灌漿后得到了較為有效的填充，細微裂隙及微小孔隙被化學膠凝體充分填充，抗滲性能有較大程度的提高。

f27斷層及蝕變帶得到了有效的膠結及充填，其整體性及變形模量、巖體完整性系數等都有較大的提高。說明該次灌漿效果明顯，灌漿材料配方、灌漿工藝、施工參數合理。