基礎灌漿引起地層抬動的機理分析與控制方法

陳 娟 徐力生

隨著灌漿工程的發展,用灌漿基本三參數流量(Q)、壓力(P)、水灰比(W/C)控制優化灌漿工藝過程和灌漿質量,國內外已作大量的研究工作,并用于實踐。同時由于灌漿施工不當引起的地層抬動,也逐漸引起了關注。地層抬動參數是灌漿效果的一個重要影響參數,控制好地層抬動是灌漿施工中避免造成破壞的關鍵,抬動控制成為灌漿設計中必須考慮的問題。

1 工程概述

某水電站大壩為鋼筋混凝土面板堆石壩,擬建壩高261.5 m,裝機容量5 850 MW,左岸為地下發電系統,由主廠房、主變室、尾水洞等龐大而復雜的地下洞室群組成。

1.1 地質構造

左岸壩區基巖地層主要為二疊紀～三疊紀花崗巖體(γ34～γ15)及輝綠玢巖脈(Vπ);三疊系中統懷組下段(T12m)及第四系。節理裂隙主要為:1)N25°～ 50°E,NW∠80°～ 90°延伸長大于 1 000 m,帶寬 2 m～ 6 m,由碎裂巖、角礫巖等組成。2)N14°～ 30°E,SW∠50°～68°延伸長大于800 m,帶寬0.5 m～1.8 m,上下裂面起伏不平,上寬下窄,由碎裂巖、石英脈透鏡體等組成。3)N0°～ 22°E,SW∠42°～58°延伸長大于 660 m,帶寬 0.5 m～1.2 m,由角礫巖、碎斑巖等組成,局部有碎粉巖。

1.2 結構面工程地質分級

結構面工程地質分級的原則是依據其宏觀上的性狀差異進行劃分,主要分為Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ類。左岸工程區巖體質量一般為Ⅱ類,Ⅲ類巖體,出現少數Ⅰ類巖體。

2 各因素影響下的抬動機理分析

2.1 灌漿壓力

灌漿壓力是指作用到灌漿段上的實際壓力。假設在地表以下一定位置有一條水平的裂隙,施以不同的灌漿壓力,得到注漿量、抬動值及彈模改善量等灌漿檢驗效果參數與灌漿壓力的關系,見圖1～圖5。

圖1中的曲線存在著拐點,對應著灌漿過程中的兩個過程:漿液的擴散半徑小于裂隙長度時的灌漿過程和擴散半徑等于裂隙長度時的灌漿過程,在壓力較小時,漿液的擴散半徑小于裂隙的長度,灌漿壓力與地表抬動值存在著曲線關系,若用二次函數來擬合,其相關系數R2能達到0.999 8。隨著壓力的增大,漿液的擴散半徑等于裂隙的長度,如圖2所示,此時漿液充滿了整個裂隙,灌漿壓力同地表抬動值存在著線性關系,其相關系數能達到0.999 998。

在拐點之前,灌漿壓力與由巖體變形引起的注漿量存在著非線性關系,若用二次函數來擬合,其相關系數R2能達到0.999 5以上,如圖3所示。

在拐點之前,地表抬動值與漿液擴散半徑的關系也是非線性的,若用二次函數來擬合,其相關系數 R2能達到0.999 8以上,如圖4所示。

在拐點之前,由巖體變形引起的注入量與漿液擴散半徑的關系也是非線性的,若用二次函數來擬合,其相關系數R2能達到0.999 5以上,如圖5所示。

由以上分析,說明在其他灌漿基本條件一致的情況下,灌漿壓力與地表抬動值、巖體變形引起的注漿量存在以下關系:1)灌漿壓力同地表抬動值在拐點前成非線性關系,在拐點后成線性關系。2)灌漿壓力在拐點之前同由巖體變形引起的注漿量成多次曲線關系,在拐點之后成線性關系。

2.2 灌漿注入量

灌漿單位注入量和灌漿壓力一樣,與抬動變形之間有著密切的關系。注入量較大時,有利于漿液的擴散,但注入量過大,又會使漿液來不及擴散,產生擴張壓,引起抬動變形。當灌漿壓力很小而單位注漿量很大時,注入的漿體所具備的能量仍然很大,同樣有可能造成抬動破壞。

2.3 混凝土蓋板

在廊道做灌漿施工時,要嚴格使蓋板與基巖保持緊密的結合。混凝土蓋板對抑制灌漿壓力引起的抬動有一定的作用,但是當灌漿壓力超過一定值時,抬動引起蓋板開裂將不可避免。假設漿液擴散在層面內1 m2的范圍內充滿漿液,首段灌漿壓力取值為0.2 MPa,那么在這1 m2的范圍內產生的上舉力為:

設混凝土蓋板容重為2 800 kg/m3,則需要混凝土蓋板的厚度:

一般情況下,60 cm～120 cm厚的混凝土蓋板根本無力承受這么大的力量,當然層面的實際連通情況會斷斷續續的,產生的上舉力相對較小,但是這種力量仍不可忽視。

3 抬動控制方法

3.1 灌漿壓力的控制

灌漿施工時,一般使用較高的壓力,左岸Ⅰ類,Ⅱ類結構面中存在著易于劈裂的層面、軟弱巖帶和潛在的不連續面等,它們在高壓力作用下,一方面能使漿液更好的壓入巖層中的小裂隙和空洞,獲得較大的擴散范圍,使得在孔距相對增大時,一樣能滿足要求,同時也使鉆孔數目減少,施工經濟,工期縮短。另一方面使用較高的壓力提高了水分從漿液中析出的速度,有利于漿液凝結密實,提高結石強度,增強防滲穩定性能。

但灌漿壓力也不能過大,壓力過大,會使巖石裂隙擴寬,甚至產生新的裂隙,使原來的地質條件惡化,以致抬動變形。

適宜的灌漿壓力,既要大到保證使地層孔隙得到充分的灌注,又要不致給底層帶來不利影響。左岸工程區地下廠房帷幕灌漿利用拐點前增大壓力以提高灌入能力是可行的,尤其是在鉆孔達到較深灌漿段時,可以大幅度增大灌漿壓力。

工程按最初要求設計最大壓力為6.0 MPa,最初設計值見表1,施工中根據具體條件及所用漿液等情況做出調整,見表2。

表1 帷幕灌漿壓力初值表

表2 帷幕灌漿壓力調整值表

3.2 灌漿注入量的控制

灌漿注入量對于巖體地層抬動的影響也很明顯,因此為了防止抬動有必要進行灌漿限量控制。即控制每一灌漿段的注入水泥量。左岸灌漿施工區Ⅲ類結構面存在一些巖體含有細微裂隙或天然防滲性良好,透水率不大于1.0Lu的地區,一般說這部分裂隙可灌性較差,造成帷幕灌漿不吸漿狀況,可適當降低灌漿注入量和灌漿壓力,避免造成裂隙擴大引起抬動變形,破壞地層條件。

3.3 多次灌漿填充

混凝土蓋板對抬動有一定的抑制作用,但壓力過大時,混凝土蓋板仍會開裂。解決方案為:1)在不引起蓋板抬動的條件下通過多次灌漿充填蓋板與基巖的接觸面,減少蓋板抬動的受力面積。2)配以錨桿加固,對蓋板變形部位采取打錨桿的措施,為增加錨桿與基巖的連接強度,在錨桿上加焊阻力環。

3.4 抬動變形觀測

在左岸某灌漿施工廊道內應用了自動化抬動觀測裝置,該裝置的結構見圖6,在進行抬動絕對值測量時,通常是在灌漿孔周圍(灌漿能影響到的范圍內)打一個或幾個鉆孔作為抬動觀測孔,并埋置抬動觀測裝置。該裝置選用了傳感器代替常用的千分表測量位移,傳感器測量精度 0.001 mm,測量范圍:0.001 mm～10 mm,設計要求的抬動變形最大值小于1 mm。

4 結語

由于灌漿工程是隱蔽工程,灌漿質量的優劣直接關系到大壩和基礎的安全,因此,在灌漿工程中控制地層抬動將成為確保灌漿質量,提高工作效率的發展趨勢。

[1] 張景秀.壩基防滲與灌漿技術[M].第2版.北京:中國水利水電出版社,2002:108-178.

[2] 唐紅俠,周志芳,王文遠.水劈裂過程中巖體滲透性規律及機理分析[J].巖土力學,2004,25(8):1320-1322.

[3] 胡尚清,高 紅,吳 萍.灌漿壓力對灌漿效果的影響因素分析[J].黑龍江水專學報,2000,27(2):41-42.

[4] 龍啟富,王克祥.天生橋二級水電站Ⅲ號隧洞灌漿抬動變形的處理[J].貴州水力發電,2001,15(3):62-63.