抽水蓄能電站微細裂隙巖層防滲技術研究

崔，謝 武，江志安

（1.天津大學，水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津市 300350；2.中國水電基礎局有限公司，天津市地基與基礎工程企業重點實驗室，天津市 301700）

0 引言

隨著我國抽水蓄能電站的快速發展，其面臨的水文地質條件也愈發復雜，其中，裂隙巖體高質量防滲是一個重要技術難題[1]。由于地質運動，巖體地基中存在大量裂隙，如原生裂隙和次生裂隙等[2，3]。其中，主裂隙在流體壓力下延伸擴展，與其范圍內的不同級次、不同成因類型的次級裂隙形成了相互連通的裂隙網絡。裂隙網絡的發育程度和連通程度對巖體力學特性和滲流有著重要的影響。為了加固工程基礎、控制圍巖變形、治理地下突涌水，工程中通常采用注漿手段進行加固。注漿過程中，未凝結的注漿材料在泵送壓力下填充巖體的微細裂隙，經一段時間后硬化形成不透水區域，使巖體成為完整的結構[4，5]。微裂隙巖層注漿的關鍵難題是注漿材料的可灌性。由于微裂隙寬度極小，甚至在0.1mm以下，常規的水泥基注漿材料顆粒粒徑較大，難以滿足可注性。所以，研發一種可靠的注漿材料并深入研究其注漿理論，與開發相適應的注漿工藝對抽水蓄能電站的建設具有重要意義。

本文針對抽水蓄能電站裂隙巖層基礎的防滲問題，提出了一種適應于微裂隙巖體防滲的新型納米硅溶膠材料，并以清遠抽水蓄能電站為工程依托，對其面臨的斷層破碎帶和裂隙巖體防滲施工進行了較為系統的研究。

1 適應于微裂隙巖層的灌漿材料

硅溶膠（silica sol）是納米SiO2膠體微粒在水中穩定均勻擴散形成的一種膠體溶液，又名硅酸溶膠，為淡藍色透明或乳白色溶液，硅溶膠擁有大的比表面積、高吸附性、高滲透性等優點，且其具備良好的凝膠性能，所以可以將其作為化學灌漿材料加以利用。此外，硅溶膠最大的優點是其顆粒極小，其膠體粒子直徑在10～20nm之間，可以滿足微細裂隙巖體的灌漿要求。

1.1 硅溶膠的工程特性

硅溶膠漿液的密度為1260kg/cm3，pH值為10.0，黏度測定結果如圖1所示，從圖中可以看出，硅溶膠漿液的初始黏度約為5mPa·s，表明其流動性較好，可灌性優良；漿液的充分固化時間為29min。

圖1 硅溶膠漿液的黏度測試結果Figure 1 Viscosity results of silica sol slurry

硅溶膠漿液固結后無側限抗壓強度是其重要的性能之一。分別測定硅溶膠漿液固結養護后的3天、7天、14天及28天的抗壓強度，其強度變化如圖2所示，從圖中可以看出，固化后試塊養護3天后的無側限抗壓強度為0.25MPa，隨著養護齡期的增長，其強度逐漸增加，但增加的速率愈發緩慢，在齡期為28天，其強度為1.27MPa，滿足工程要求。

圖2 硅溶膠漿液固化后抗壓強度Figure 2 Compressive strength of cured silica sol slurry

1.2 硅溶膠固砂體的滲透特性

將硅溶膠漿液注入填充標準砂的試模中，經1～2天脫模后進行養護，到達相應齡期測試其滲透系數。結果如圖3所示：隨著養護齡期的增長，硅溶膠固砂體的滲透系數呈不斷降低的趨勢。其中，其滲透系數在30天內變化最為顯著，并于90天后變化趨勢不明顯。可以發現，對于硅溶膠固砂體，養護齡期越長，抗滲性能越佳。

圖3 硅溶膠固砂體滲透系數隨齡期變化Figure 3 The relationship between the permeability coefficient of silica sol and curing time

從上述結果分析看，硅溶膠工程特性滿足基礎防滲加固要求，且在微裂隙巖層中的可灌性較好，可用于微裂隙巖層防滲處理。

2 抽水蓄能電站裂隙巖層防滲技術

2.1 依托工程概況

清遠抽水蓄能電站工程上庫主壩為黏土心墻堆石壩，壩頂長度230m，最大壩高52.5m。大壩防滲系統采用自上而下黏土心墻、砼墊層、斷層混凝土塞、基礎固結灌漿結合帷幕灌漿的型式。上庫蓄水之后，現場監測表明主壩壩基滲水量高于設計值，經進一步地勘后，確定心墻混凝土墊層下強風化帶和弱風化上帶淺層基巖為主要滲漏部位[6]，需進行補強處理。前期先后在壩址的弱風化帶、斷層破碎帶進行灌漿試驗，結果表明，破碎帶中的變質石英砂巖、片巖和微風化帶，因巖性致密、裂隙微細，普通水泥難以灌入，有些單耗僅為0.15～3.5kg/m。綜合工程地質條件可以得出如下結論：寬度超過0.035mm的裂縫就可能成為滲水通道；對于水泥漿而言，最小可灌裂隙寬度在0.1～0.5mm范圍內，小于0.1mm的微細裂隙則無法保證灌漿效果[7]。因此，采用水泥漿作為主灌漿材料，硅溶膠作為輔助灌漿材料，二者聯合達到防滲效果。

2.2 灌漿布置

灌漿試驗區布置在主壩右壩肩補強帷幕軸線上，單排帷幕，孔距1.5m。上庫主壩K17+1～K20共4個孔設計縮短孔距為1.2m，Ⅰ序孔、Ⅱ序孔、Ⅲ序孔采用純水泥漿進行灌注；K21～K28共8個孔設計孔距為1.5m，Ⅰ序孔、Ⅱ序孔采用純水泥漿灌注，Ⅲ序孔采用硅溶膠漿液進行灌注。詳細布置見圖4。

圖4 帷幕灌漿試驗區孔位布置Figure 4 The hole arrangement of curtain grouting test area

2.3 灌漿試驗結果分析

2.3.1 水泥單位注入量

水泥單位注入量頻率區間成果見表1。

表1 各次序孔單位注入量頻率成果匯總表Table 1 The unit injection rate frequency results of each hole

單位注入量可反映出灌漿過程所采取的工藝技術、灌漿材料、漿液配比是否具有合理性，一情況下，單位注入量隨孔序逐漸遞減[11]。本次試驗區灌漿的水泥漿液單位注入量成果具體見表1。根據表1可以看出，Ⅲ序孔比Ⅱ序孔遞減了2.71%，Ⅱ序孔比Ⅰ序孔遞減了46.16%。從表1試驗區各序孔平均單位注入量可以看出，Ⅰ序孔154.07kg/m＞Ⅱ序孔82.95kg/m＞Ⅲ序孔80.7kg。隨著孔序的增加水泥單位注入量有逐漸降低的趨勢，符合灌漿的遞減規律。

從表1中看出，Ⅰ序孔單位注入量頻率最大的是100～500kg/m的段次占47.8%，其次是50～100kg/m的段次占17.4%，最小的是＞500kg/m的段次占8.7%；Ⅱ序孔單位注入量頻率最大的是10～50kg/m的段次占38.1%，其次是100～500kg/m的段次占33.3%，最小的是50～100kg/m的段次占9.5%；Ⅲ序孔單位注入量頻率最大的是10～50kg/m的段次占60%，其次是＜10kg/m的段次占20%，由此也可反映出，灌漿試區石英砂巖中的裂隙，主要是細微裂隙與較為寬大裂隙兩種，水泥漿液灌漿可灌性較好。

灌漿試驗各次序孔單位注灰量頻率曲線見圖5，可以看出，全孔的平均單位注灰量均按序呈現明顯遞減趨勢，體現出灌漿的逐序加密后注入量遞減規律，說明隨著灌漿次序的增加，巖體逐漸被灌注密實。

圖5 水泥灌漿各次序孔單位注入量頻率曲線圖Figure 5 The frequency curves of cement grouting hole unit injection volume

2.3.2 硅溶膠單位注入量與透水率

根據表2和表3可以看出，隨著透水率增加，硅溶膠單位注入量逐漸增加，符合正常灌漿規律。灌前透水率＜10Lu的孔段占39.2%，透水率與單位灌注量遞增關系明顯，硅溶膠漿液很好被灌注。灌前透水率在10～50Lu的孔段，共計15段占53.6%，灌注硅溶膠漿液平均注入量為123.73L/m。根據灌漿資料分析，并結合以往類似工程灌漿成果對比，平均注入量大于100L/m，為正常灌注量，證明在此地層條件下，針對張開度小的細裂隙可灌性較好。

表2 Ⅲ序孔硅溶膠灌漿成果表Table 2 The colloidal silica sol grouting for Ⅲ holes

表3 Ⅲ序孔灌注硅溶膠透水率與單位注入量統計表Table 3 The silica sol permeability and unit injection volume of Ⅲ holes

2.4 效果檢測

2.4.1 檢查孔壓水試驗

帷幕灌漿工程質量的評定標準為：經檢查孔壓水試驗檢查，壩體混凝土與基巖接觸段透水率的合格率為100%；其余各段的合格率不小于90%。不合格試段的透水率不超過設計規定的150%，且不合格試段的分布不集中。灌漿質量可評為合格。清遠抽水蓄能電站上庫灌漿地層的滲透系數為10-3～10-4cm/s（約為10～120Lu），經過現場灌漿施工處理后檢查結果見表4，可以看出水泥灌漿區最大透水率為4.48Lu，還有1段透水率為3.85Lu，其他孔也均合格。硅溶膠灌漿區最大滲透系數為2.29Lu，壩體混凝土與基巖接觸段及其下一段的透水率的合格率為100%，其余各段的合格率為100%。灌漿檢查孔試驗效果表明硅溶膠灌注區域比水泥灌注區域效果更好。

表4 檢查孔壓水試驗結果Table 4 The results of check the hole pressure water

2.4.2 芯樣檢查

隨著灌漿施工的完成，漿液注入裂隙，檢查孔巖芯自上而下整體趨勢是越來越完整。水泥灌漿檢查孔巖芯部分有水泥漿浸染的痕跡見圖6，能明顯看到多處有明顯的水泥結石。硅溶膠灌漿檢查孔巖芯在外部很難看見，因硅溶膠凝膠強度較低，只有經過破壞后巖芯自然斷裂，節理微細裂隙面才有硅溶膠充填裂隙痕跡，如圖7所示。

圖6 水泥灌漿孔巖芯結石Figure 6 Core stone in cement hole

圖7 硅溶膠灌漿孔巖芯Figure 7 Core diagram of silica sol hole

2.4.3 壩后量水堰滲漏量觀測

上庫主壩防滲補強處理前，在高水位時，量水堰滲流量達到85L/s。處理后在同等高水位時，量水堰滲流量約10L/s（已達到設計允許滲流量）。

3 結論

隨著我國能源戰略的實施，抽水蓄能電站得到快速發展，其選址地質條件也越來越復雜，其中，微裂隙巖體的防滲處理是一個重要技術難題。本文結合一種新型的灌漿材料，開展了裂隙巖層防滲施工技術研究，主要結論如下：

（1）硅溶膠灌漿材料是無毒安全環保的化學灌漿材料，它具有黏度低、可灌入微細裂隙、膠凝時間可控、凝膠滲透系數低、抗擠出能力強等優點，可適應微裂隙（＜0.1mm）巖體的防滲灌漿處理。

（2）采用水泥基灌漿材料聯合硅溶膠進行滲漏地層防滲，可兼顧不同尺寸的滲漏通道，如斷層破碎帶和微細裂隙巖層，防滲效果優良。

上述技術應用于清遠抽水蓄能電站工程基礎防滲灌漿，取得了滿意的工程效果。