某水利工程F12斷層破碎帶化學灌漿技術研究

曾禮成

（廣東水電二局股份有限公司，廣東 廣州 511300）

1 水利工程概況

某水利樞紐工程是廣東省大埔縣梅州市高陂鎮下游5 km處的一座大型水利樞紐。在河床中部設一泄洪閘門，左邊設船閘，右邊設電廠廠房，兩側設混凝土重力壩，魚道設在電廠廠房左邊，魚道左邊設1個開口排漂孔。F12斷層位于泄水閘10#、9#壩段。泄水閘F12 斷層破碎帶位于壩橫0+287.54～壩橫0+322.54，斷裂最大底寬為25.00 m。斷層主要為角礫巖和糜棱巖，斷層侵蝕程度較高，上、中、下斷層間夾雜著強風化的花崗巖，巖體破碎，強度較低。為改善F12 斷裂斷裂區的抗滲性和抗滲性，采取回填混凝土塞法，在破碎區及兩側先水泥加固，然后化學注漿，以改善其承載力和防滲性能。化灌孔按實際情況排列84個，43個一序孔和41個二序孔。

2 準備破碎帶化學灌漿設備與材料

破碎帶化學灌漿技術執行過程中需要用到的執行設備包括衆液配制與盛放裝置、灌漿泵、鉆機、攪拌機、止漿塞、配套儀表和灌漿數據采集裝置，其漿液配制與盛放裝置由電子秤、攪拌器、料筒等構成。韓江高陂水利工程F12斷裂斷裂段注漿所采用的注漿泵是HS-B02 型注漿泵，其灌漿壓力0～2 MPa 可以連續調節。將灌漿泵與吸漿管、雙液混合器等設備相連。鉆孔設備包括鉆機和鉆頭，選用76 改進的旋轉振動鉆機。在灌漿工程中，攪拌設備主要承擔漿料的生產，為了避免漿液的沉淀，經常采取二次拌和的方法。此外，灌漿數據采集裝置由比重計、耐震壓力表、攝像機、秒表和電子秤等部分組成。

3 確定化學灌漿擴散機理

在流體力學理論的支持下，注入的化學漿液在斷層破碎帶中的剪切力分布情況可以表示為：

公式（1）中變量R為化學漿液的流動半徑，S為漿液在斷層破碎帶的面積，y為漿液在擴散方向上的坐標。在任意時刻，化學灌漿漿液的擴散距離與時間的慣性系可以表示為：

公式（2）中x和ρ分別為漿液的移動距離和密度，Q為漿液的注入量，變量v為漿液在斷層破碎帶中的移動速度，該變量的計算公式如下：

公式（3）中μ（t）為漿液的黏滯力。在擴散過程中，灌漿漿液滿足公式4表示的平衡條件。

公式（4）中ΔFx和ΔFy分別為斷層破碎帶中任意一點在水平和豎直兩個方向上的應力增量。在灌漿加固過程中，水玻璃在酸性固化劑的作用下產生凝膠，其反應機理如下：

在實際的灌漿機理確定、分析過程中，需要綜合考慮F12斷層破碎帶的實際地質條件和水文條件。

4 計算F12斷層破碎帶化學灌漿施工參數

F12斷層破碎帶化學灌漿的施工參數主要包括注漿量、注漿壓力等，其中注漿量的計算公式如下：

其中κfill為灌漿漿液填充系數，Hgrouting為生成的灌漿孔深度，δ為斷層破碎帶的空隙率。此外，灌漿壓力的計算結果為：

上式中κfocus為灌漿孔應力集中系數，Fmin和Fmid對應的是灌漿點出的中間和最小主應力，β為土體抗拉強度，C為漿液容重，Hpipe表示灌漿管高度。按照上述方式可以得出F12 斷層破碎帶化學灌漿所有施工參數的計算結果。

5 實現F12斷層破碎帶化學灌漿

按照圖1表示流程執行化學灌漿操作。

圖1 斷層破碎帶化學灌漿工藝流程圖

水利工程F12 斷層破碎帶化學灌漿技術的執行大體可以分為6個步驟，分別為鉆孔、沖洗、配漿、壓水、灌漿和封孔。根據水利建設項目的實際情況，首先要根據水利建設項目的具體情況，選用適宜于韓江高陂水利工程土壤條件的開孔設備，并嚴格按有關的水利建設規范進行孔位計算，并確定孔向。化學灌漿的鉆孔在水泥灌漿結束7 d后進行，按分序分段控制孔深，孔深不超過13 m 但進入弱風化巖的總孔深度為13 m，壓入弱風化巖0.50 m。根據設計圖紙或監理工程師所要求的位置進行鉆孔，鉆孔與設計位置的誤差不得超過10 cm。注漿之前，必須對注漿孔壁進行清洗和裂縫沖刷。采用高壓水洗的方式沖洗至清水清澈為止。化學灌漿之前，首先需要對生成的灌漿孔進行壓水檢測，采用單點法，在灌漿過程中，必須保證鉆孔的數量不低于5%。壓水檢測通過后，利用準備的灌漿設備，依照計算的灌漿參數，按分序分段加密的原則進行灌漿，采用孔內循環式灌漿方式，精準控制每一段的漿料用量，將泥漿分層壓入到了井眼的空隙里面，沒有注滿的泥漿可以通過回漿管回流到攪拌桶里面。采用注漿終壓作為注漿終點，并根據采漿量和暴露的圍巖狀況進行實時調整。每次注漿后，應及時封堵，并采取全孔注漿替代，即在全孔注漿完畢后，用0.50∶1的高密度漿代替孔中的漿液進行純壓注漿，注漿壓力為最大注漿壓力，注漿持續60 min。

6 灌漿效果實測分析

按照上述流程，執行化學灌漿操作，并在施工過程中對各個灌漿孔的實時壓力進行監測與控制。為滿足F12 斷層破碎帶的堵水加固效果，要求化學灌漿技術執行結束后，破碎帶中所有灌漿孔的透水率不得高于2 Lu，單孔涌水量不得高于0.50 L/min·m，同時化學灌漿成果的變形量不得高于0.30 mm。化學灌漿結束30天后，進行堵水效果測試，共布設7個檢查孔，采用人為操作的方式在F12 斷層破碎帶區域噴灑1 000 ml 清水，在24 h內記錄相關數據，并利用公式計算得出透水率和涌水量指標的測試結果。見表1。

表1 化學灌漿技術堵水效果測試數據表

從表1中可以看出，此次化學灌漿技術施工結果的最大透水率為1.93 lu，最小透水率為0.28 lu，滿足設計要求，通過平均值計算灌漿孔的平均單孔涌水量為0.17 L/min·m，低于預設值。

7 結語

以韓江高陂水利工程F12 斷層破碎帶為研究區域提出更有針對性的化學灌漿技術，優化設計的化學灌漿技術能夠達到預期的堵水與加固效果。然而在實際的工程應用過程中，化學灌漿技術的執行效果與人為操作質量存在直接關系，需要對技術操作進行嚴格約束并制定相應的安全保護措施。