水利水電工程中壩基固結(jié)灌漿試驗(yàn)設(shè)計(jì)研究

朱小磊ZHU Xiao-lei；徐龍?jiān)芚U Long-yun

（①常州市城市防洪工程管理處，常州 213017；②江蘇省水利建設(shè)工程有限公司，揚(yáng)州 225002）

0 引言

作為水利水電工程重要的組成部分，壩基結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性直接影響著水利水電工程的運(yùn)行效率及安全性。但基于壩基位置的特殊性，容易出現(xiàn)滲漏，面臨結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步及工藝的優(yōu)化與改進(jìn)，固結(jié)灌漿法被應(yīng)用于壩基結(jié)構(gòu)優(yōu)化中，其能夠起到良好的防滲作用[1]。當(dāng)然，在固結(jié)灌漿過程中也難免會(huì)遇到抬動(dòng)、漏漿等問題，為進(jìn)一步優(yōu)化工藝，達(dá)到固結(jié)灌漿的目的，需要在施工作業(yè)中進(jìn)行固結(jié)灌漿試驗(yàn)，結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果設(shè)置合理的參數(shù)，對壩基問題予以有效的解決，消除安全隱患。

1 工程概況

大崗山水電站地處四川省雅安市，地處高山峽谷地區(qū)，地質(zhì)條件非常復(fù)雜。國家“十一五”已經(jīng)將大崗山水電站列為重點(diǎn)工程，與此同時(shí)其還是西部大開發(fā)的十大重點(diǎn)項(xiàng)目之一，總裝機(jī)容量260 萬千瓦，壩高210m，是大渡河流域唯一的混凝土高拱壩，設(shè)計(jì)抗震基本烈度為世界第一。壩區(qū)基巖以花崗巖為主，包括微紅色與灰白色，局部有花崗巖與輝綠巖脈，經(jīng)過多年的日曬風(fēng)水、雨淋，基巖中有一部分已經(jīng)在氣液交代中發(fā)生變質(zhì)，出現(xiàn)了蝕變。壩區(qū)大部分分布的是輝綠巖脈，其中穿插了其他類型的巖脈，輝綠巖脈多數(shù)在2m 寬度以上，約為151 條，5m 以上的有52條，為陡傾角。壩區(qū)順輝綠巖脈可見有大裂隙、斷層帶分布，其會(huì)對壩肩抗滑穩(wěn)定性產(chǎn)生一定的影響，對塊體的側(cè)裂面會(huì)產(chǎn)生不利影響。壩址區(qū)未見較大的斷層，僅在右岸出現(xiàn)了較大規(guī)模的F1 斷層，破碎帶從0.9m 寬到7m 不等，其余斷層以及破碎帶均在0.1～0.3m。

2 工程問題分析

為了解灌漿對壩體整體功能的影響及對基巖強(qiáng)度的改善情況，明確巖石力學(xué)參數(shù)，研究進(jìn)行現(xiàn)場固結(jié)灌漿試驗(yàn)，收集了巖體的施灌技術(shù)與方法、施工工藝等相關(guān)參數(shù)，其巖體的可灌性進(jìn)行分析，從而設(shè)計(jì)出合理的拱壩處理參數(shù)[2]。基于拱壩建基面地質(zhì)條件的差異性，將固結(jié)灌漿試驗(yàn)研究內(nèi)容分為如下兩個(gè)方面：①III2 類花崗巖巖體。對左岸拱壩建基面進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在高程1000～1140m 范圍內(nèi)，可見有III2 類花崗巖巖體出露，1000～1070m 段出露的寬度最高能夠達(dá)到7m，1070m 至1140m 之間段最大寬度僅為2m 左右，且基建面右岸可見1090m 高程范圍內(nèi)出露。②IV 類輝綠巖脈，為鑲嵌-碎裂結(jié)構(gòu)。拱壩基面可見多條輝綠巖脈，但大部分性狀不佳，屬于IV 巖類，僅有少數(shù)為V 類巖[3]。其中V 類巖順著巖脈發(fā)育。斷層大多數(shù)在大壩左右岸的拱端出露，另外拱端以里較近的范圍內(nèi)也有部分?jǐn)鄬樱式破叫械墓岸俗咝危瑑A角陡，影響了拱壩壩基變形[4]。

3 試區(qū)與鉆孔布置

通過對現(xiàn)場工程的勘探及綜合分析，選取了兩個(gè)固結(jié)灌漿試驗(yàn)區(qū)，其中A 區(qū)為右岸PD305 平洞，B 區(qū)為左岸PD207 平洞。A 試區(qū)灌注的是弱風(fēng)化下段III2 類花崗巖巖體，B 試區(qū)灌注的則是β21 輝綠巖脈。左右岸試區(qū)均進(jìn)行布孔，采用的是帶有13 個(gè)灌漿孔的布孔，形狀為正方形。A 試區(qū)呈現(xiàn)為陡傾角，可見裂隙發(fā)育，因此采用斜孔以便灌漿孔能夠穿過盡量多的裂隙，其與豎直方向上保持20°的夾角。B 試區(qū)灌漿輝綠巖脈β21，傾角范圍為70°～80°，沿巖脈的走向進(jìn)行直孔布孔。

4 固結(jié)灌漿試驗(yàn)施工工藝

4.1 施工工藝流程

大崗山水電站壩體壩基灌漿采用分段灌注的方案，遵循自上而下的原則，施工單元嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)圖明確分區(qū)，需要注意的是在混凝土澆筑過程中可對施工子單元作出進(jìn)一步的明細(xì)劃分，固結(jié)灌漿施工工藝流程如圖1 所示。

圖1 固結(jié)灌漿施工工藝流程

4.2 灌漿材料的選擇

①水泥制漿。崗山水電站壩體壩基灌漿所用水泥為32.5 級(jí)普通硅酸鹽水泥，若需要使用到超細(xì)的水泥，則可以對32.5 級(jí)水泥進(jìn)行磨細(xì)處理，細(xì)度應(yīng)達(dá)到可通過80um方孔篩的程度，篩余量在5%以下。由于該工程固結(jié)灌漿作業(yè)項(xiàng)目大，需要用到較大的水泥量，因此采用了集中制漿的方案，完成制漿后，經(jīng)砂漿泵運(yùn)輸至施工現(xiàn)場。純水泥漿配置如表1 所示。

表1 水泥漿配置表

②摻合料。按照技術(shù)規(guī)范梳理固結(jié)灌漿漿液制備的流程，需要在其中適量摻入粉煤灰、砂石及水玻璃等，應(yīng)經(jīng)過試驗(yàn)明確摻入的比例，試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)由監(jiān)理方進(jìn)行審核，獲得批準(zhǔn)后可投入使用。

③外加劑和水。遵循技術(shù)說明合理選擇速凝劑、減水劑等各項(xiàng)外加劑，為保障添加的合理性，可以進(jìn)行現(xiàn)場灌漿試驗(yàn)，然后結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果明確最佳的添加量。需要注意的是摻入的外加劑若溶于水，那么需要以水溶液的形式摻入，外加劑溶液的配置需要結(jié)合工程試驗(yàn)中心提供的配料單合理安排。壩基固結(jié)灌漿用水應(yīng)進(jìn)行抽樣試驗(yàn)，所選取的水質(zhì)必需符合潔凈、無污染的標(biāo)準(zhǔn)，與水工混凝土拌要求相符，水溫度均在40℃以下。

4.3 鉆孔沖洗與灌前壓水試驗(yàn)

在實(shí)施鉆孔沖洗時(shí)，首先需要壓力水沖洗，應(yīng)注意參數(shù)的設(shè)置，壓水試驗(yàn)應(yīng)以灌漿孔段灌漿壓力80%進(jìn)行沖洗，以回水清澈，再延續(xù)沖洗10min 為沖洗結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。在灌漿前，針對兩試區(qū)的水泥灌漿孔進(jìn)行了簡單的壓水試驗(yàn)，壓力設(shè)定為對應(yīng)試區(qū)段壓灌漿壓力的80%，時(shí)間以20min為宜，對壓力及流量予以監(jiān)測，5min 測讀一次數(shù)據(jù)，將最后的讀數(shù)作為最終計(jì)算結(jié)果。應(yīng)用五點(diǎn)法壓水試驗(yàn)，首先測試了試區(qū)的灌前測試孔及灌后檢查孔，并繪制了其對應(yīng)的壓力-透水率曲線，對P-Q 曲線的類型進(jìn)行判別，以此為依據(jù)對試驗(yàn)壓力下裂隙狀態(tài)變化情況進(jìn)行分析。P-Q 曲線類型共包括5 種，不同段次對應(yīng)的P-Q 曲線如表2 所示。

表2 不同段次對應(yīng)的P-Q 曲線

4.4 劈裂壓水試驗(yàn)

劈裂壓水試驗(yàn)主要目的是掌握被灌巖體對水力劈裂的抵抗性能，灌前分別在A 試區(qū)與B 試區(qū)選取了一段巖體比較完整的孔段依次進(jìn)行了劈裂壓水試驗(yàn)，總結(jié)了壓力及流量變化情況，以便后續(xù)科學(xué)制定灌漿壓力參數(shù)。以往學(xué)者在研究中發(fā)現(xiàn)巖體強(qiáng)度、完整性是影響被灌巖體抗水利劈裂性能的主要因素，另外其他的指標(biāo)如試段埋深、節(jié)理面性狀也會(huì)影響到劈裂性能。經(jīng)試驗(yàn)將劈裂壓水相關(guān)數(shù)據(jù)做如表3 匯報(bào)，從表中數(shù)據(jù)可以得知兩試區(qū)巖體的啟縫壓力均較低，在弱風(fēng)化下段為2.0MPa；輝綠巖脈僅為1.07MPa。試驗(yàn)還顯示降壓曲線向升壓曲線右側(cè)移動(dòng)，提示巖體存在塑性變形，考慮是結(jié)構(gòu)面、裂縫的充填物引起。

表3 劈裂壓水試驗(yàn)結(jié)果

4.5 灌漿段長度及壓力控制

灌漿段長5m，應(yīng)控制好終孔段灌漿的深度，應(yīng)不得超過6m。試區(qū)地形特殊，為中陡傾巖帶，因此決定在第1、2段選擇2m、3m 段長，設(shè)置啟灌深度為0.5m，以防止抬動(dòng)變形，最大程度上降低地表冒漿。通過灌前劈裂壓水試驗(yàn)，最終將A、B 試區(qū)最大灌漿壓力均設(shè)置為5.5MPa。由于試區(qū)灌漿孔為外圍孔，研究應(yīng)用雙限壓力控制措施，以避免漿液向試區(qū)無益流失。

4.6 灌漿漿液變換

通過對A 試區(qū)相關(guān)數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)灌前壓水為15Lu孔段透水率，宜選擇2∶1 水灰比漿液，I 序孔應(yīng)保持10 L/min 以上的注入率，II 序孔與III 序孔注入率在15L/min，需要將其立即更換為比例為1∶1 的漿液實(shí)施灌注。若透水率在15Lu 以上的孔段，灌注作業(yè)可直接選擇1∶1 漿液。若灌漿壓力無變化，注入率減少，水灰比可保持不變。若注入漿液＞300L 或經(jīng)過1h 灌注仍未出現(xiàn)灌漿壓力及注入率的改變，或變化不明顯，那么需要增加一級(jí)濃度。注入率＞30L/min 時(shí)，可結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行濃度增級(jí)。

針對B 試區(qū)，其采用的是普通水泥漿液，開灌所用漿液水灰比為2:1，孔內(nèi)水完全排出且開始正式灌注后，注意觀察注入率，若超過15L/min，可以將其調(diào)整為1∶1 漿液實(shí)施灌注。若灌漿壓力無變化，但注入率有減少，或后者保持不變，壓力有明顯升高，此時(shí)無需改變水灰比。若漿液注入量超過300L 或經(jīng)過1h 灌注仍未出現(xiàn)灌漿壓力及注入率的改變，或變化不明顯，那么需要增加一級(jí)濃度。注入率＞30L/min 時(shí)，可結(jié)合實(shí)際情況，調(diào)整為0.8:1 或0.6:1。

灌漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)：研究所用均為孔口封閉灌漿，在壓力參數(shù)下，注入率不高于1L/min，延續(xù)灌注超過1h，表明已經(jīng)完成本段次的灌漿，可以結(jié)束。

4.7 灌漿壓力的控制

作為高壓灌漿施工必需遵循的原則，灌漿壓力控制直接影響著灌漿效果，在灌漿過程中應(yīng)灌注吸漿率的變化規(guī)律，根據(jù)相關(guān)參數(shù)控制好灌漿壓力，可在一定程度上防止或減小巖石的抬動(dòng)。本研究結(jié)合以往經(jīng)驗(yàn)，對灌漿壓力參數(shù)及吸漿率控制如表4。

表4 灌漿壓力及吸漿率控制參數(shù)

5 試驗(yàn)測試結(jié)果及分析

完成固結(jié)灌漿試驗(yàn)后，由建筑單位、監(jiān)理單位等各個(gè)主體對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行綜合分析，結(jié)合試驗(yàn)區(qū)段孔位情況，現(xiàn)場布設(shè)2 個(gè)檢查孔，孔深設(shè)置為5m，對壓水試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)。同時(shí)觀察了裂隙被漿液填充后的變化情況，分析了透水率。從獲得的數(shù)據(jù)可以判斷灌漿次序與注灰量、透水率遞減保持一致，與灌漿的規(guī)律相符，詳細(xì)結(jié)果見表5。

表5 灌漿前后A 區(qū)及B 區(qū)巖體力學(xué)性能及滲透性指標(biāo)

由上可知，經(jīng)過壩基固結(jié)灌漿，A、B 兩個(gè)試區(qū)的巖體無論在完整性系數(shù)方面還是變模方面均得到了相應(yīng)的提升，其透水率能夠滿足設(shè)計(jì)要求。同時(shí)，通過試驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)可以預(yù)測，若進(jìn)一步縮小孔距，增加灌漿壓力，優(yōu)化灌漿工藝，可以更進(jìn)一步地改善A 試區(qū)III2 類巖體的力學(xué)性能。當(dāng)然在對III2 類巖體進(jìn)行處理時(shí)可以結(jié)合工程需求及工程位置，采用灌漿加固或其他相應(yīng)的工程措施予以改進(jìn)，以達(dá)到理想的效果。

6 結(jié)束語

綜上所述，大崗山水電站壩基灌漿工程量大，在固結(jié)灌漿試驗(yàn)中將右岸PD305 平洞以及左岸PD207 平洞作為固結(jié)灌漿試驗(yàn)區(qū)，采用劈裂壓水試驗(yàn)、鉆孔沖洗與灌前壓水試驗(yàn)以及劈裂壓水試驗(yàn)等，明確了相關(guān)參數(shù)，試驗(yàn)結(jié)果表明固結(jié)灌漿能夠提升巖體的透水率與完整性，對大壩壩基表層能夠起到良好的補(bǔ)強(qiáng)效果，為大壩壩基灌漿施工提供技術(shù)層面的支持。