中梁一級電站庫區防滲帷幕灌漿試驗效果分析

彭 第,王 偉

(1.吉林大學建設工程學院,吉林長春 130026;2.長春工程學院巖土工程研究所,吉林長春 130021;3.中國水電基礎工程局有限公司,天津 301700)

1 工程概況及試驗區工程地質條件

1.1 工程概況

中梁水電站位于重慶市巫溪縣境內大寧河干流西溪河上,由中梁一級電站、中梁二級電站和中梁三級電站3個梯級電站組成。中梁一級電站壩址位于中梁鄉青巖洞橋上游約 200 m處,距巫溪縣城49.0km。壩址控制流域面積為525km2,多年平均流量為17.1m3/s,多年平均徑流量為5.39億m3。

中梁一級電站庫區防滲工程防滲軸線位于壩址上游6.4km的星溪溝下游約200m處,平行于星溪溝布置,灌漿平洞分上下2層,上層灌漿平洞為PD7勘探平洞擴挖而成;下層灌漿平洞可以通過星溪溝出口附近212m長的斜洞進入,斜洞洞口高程為585.00m。上層灌漿平洞底板高程為626.00m,全長517.00m,設計帷幕灌漿樁號范圍為0+101.00～0+513.00m,帷幕底線高程為535.00m。

1.2 試驗區工程地質條件

防滲區位于天元背斜北翼(倒轉翼),巖層走向為280°～ 285°,傾向 SW,傾角為 65°～88°。背斜核部地層為志留系砂頁巖,南翼巖層傾向SW,傾角約為45°。防滲不涉及南翼地層。防滲勘探洞(PD7號平洞)洞向約189°,與河岸及巖層走向近垂直,平洞洞長552m。

灌漿試驗地段的地質情況應具有代表性[1]。試驗區布置在帷幕樁號0+191.00～0+200.00m,試驗區為長興組與吳家坪組灰色厚層含燧石灰巖,底部王坡段為3m黑色炭質頁巖、鋁土巖夾煤層。巖層傾角由67°逐漸過渡到80°,傾向 SW。試驗段揭露2個溶洞。

在施工下游排SX5孔(0+200.00m)時,孔深20.0m鉆孔開始漏水,20.0～20.5m進尺快,起鉆后鉆具帶有少許黃泥,巖芯呈溶蝕狀。通過15.5～20.5m灌漿段注漿,漿液可自流孔內但孔內無殘留,孔內伴有上竄氣流,初步斷定與溶洞相通。該孔鉆孔加深10cm左右即脫空至24.0m深度,鉆具下壓1.0m(至25.0m深度)取出黃泥。30.5～34.1m為黃泥,34.1～34.6m取上巖芯,巖芯破碎。40.5～47.0m處有多層夾泥層,風化嚴重。鉆進時,有明顯失水現象(返水小),返水呈黃色或鐵紅色。

在施工下游排SX3孔(0+196.00m)時,孔深10.7m鉆孔開始漏水,13.5m脫空至18.0m(10.7～13.5m進尺快,起鉆后鉆具帶有黃泥),18.0m以下充填黃泥,孔內伴有上竄氣流,初步斷定該部位所遇溶洞與SX5溶洞相連通,為半充填型無水溶洞。

在施工上游排SX5孔(0+199.00m)時,孔深25.5～30.5m有多層夾泥砂,返水正常,水色呈鵝黃色或鐵紅色。30.5～45.5m屬強風化層,巖性較軟,并伴有夾泥,返水正常,水色為鐵紅色。此兩部位應與溶洞相通。

在施工上游排SX4孔(0+197.00m)時,孔深25.5～28.0m有多層夾泥層,返水為黃色,水中夾有少量泥砂。

2 試驗目的及灌漿孔布置

防滲區域工程地質復雜,現場帷幕灌漿試驗的目的是:①論證灌漿材料可灌性和漿液配合比的可行性,確定防滲區巖溶、大裂隙和泥砂碎石層灌漿材料和灌漿方式。②通過灌漿試驗,驗證設計提供的灌漿孔排數、孔距、灌漿材料、漿液配合比、灌漿壓力等能否達到灌漿效果,從而選擇符合工程地質條件的灌漿工藝和灌漿技術措施。③研究巖溶處理程序材料配比、工藝方法,并驗證其處理后灌漿帷幕防滲的可行性和可靠性。

帷幕灌漿試驗段布設雙排帷幕灌漿孔,分3序鉆灌,如圖1所示。

圖1 帷幕灌漿試驗孔布置(單位:mm)

3 灌漿試驗

3.1 灌漿漿液

灌漿水泥采用P.O42.5級普通硅酸鹽水泥,根據現場地層條件,灌漿漿液水灰比采用3,2,1,0.8,0.5共5個等級,開灌水灰比采用3。灌漿漿液由稀至濃逐級變化,在灌漿過程變化水灰比時,以測定回漿管的水灰比為準。當某一級漿液注入量達300L以上,或灌注時間已達30min,而灌漿壓力和注入率均無改變或改變不明顯時,換濃一級水灰比漿液灌注。

3.2 灌漿方法

由于裂隙較為發育,灌漿采用孔口封閉、自上而下分段灌漿方法[2-6]。漿液拌制采用集中制漿方式,灌漿采用自動記錄儀記錄。

3.3 灌漿壓力

灌漿分段及灌漿壓力按照表1執行。第4段及以下各段遇特殊情況時可適當縮短或加長灌漿段長度,但最大段長不得超過8m。灌漿壓力控制采用一次升壓法,即盡快達到設計壓力,但灌漿過程中注入率較大時采用分級升壓法或間歇升壓法,并使灌漿壓力與注入率相適應。

表1 灌漿分段及灌漿壓力

灌漿過程中灌漿壓力應根據漿液注入率與實際情況及時進行調整。當漿液注入率 η＞30 L/min時,灌漿壓力P控制在 1～2 MPa之間;η=20～30L/min時,P控制在 2～3MPa之間;η=10～20L/min時,P控制在3～4MPa之間;η＜10L/min時,P＞4MPa。

3.4 灌漿施工工藝

帷幕灌漿按分序加密的原則進行施工,并按先B排、后 A排,每排先施工Ⅰ序孔,然后Ⅱ序孔,再Ⅲ序孔的施工順序進行[7]。

帷幕灌漿孔采用金剛石鉆頭鉆進成孔,終孔孔徑為?76mm。灌漿開始前,對灌漿孔段進行裂隙沖洗和簡易壓水試驗,灌漿孔段的沖洗采用大流量水沖洗,裂隙采用壓力水沖洗,沖洗壓力為灌漿壓力的80%,但小于或等于1MPa。

壓水試驗在裂隙沖洗后進行,一般灌漿孔采用簡易壓水試驗,SX5先導孔采用自上而下單點法壓水,壓水試驗壓力為灌漿壓力的80%,并小于或等于1MPa。

3.5 特殊情況處理

3.5.1 溶洞處理

在施工B排SX5孔、SX3孔時,遇到2個半充填型溶洞,溶洞脫空4.0m和6.0m,其中SX3孔的溶洞豎向發育很深(現場用90m長的管子探測,未到底),現場采用泵送混凝土進行灌注施工。混凝土強度等級為C20,坍落度為18～22cm。

3.5.2 大裂隙處理

為確保溶洞混凝土灌注后能盡快開展灌漿施工,需灌注水泥砂漿充填較大縫隙,水泥砂漿配合比為∶水灰比0.7,灰砂比 1∶1,膨潤土摻量 4%。在灌漿過程中,若純水泥漿灌注量過大則采用水泥砂漿先行灌注,待灌注壓力增大后再用純水泥漿進行復灌。

通過現場實際施工情況看,經過混凝土回填后的溶洞必須用砂漿進行細部充填。多次灌注水泥砂漿能有效堵住大的滲漏通道,效果很好。

3.5.3 泥砂碎石層注漿

3.5.3.1 水泥-水玻璃漿液的應用

水泥-水玻璃漿液可注性較好,可滲透注入裂隙為0.2mm以上的巖體;其凝膠時間短且容易控制,具有早強的特點,且漿液配制容易,使用方便[8]。試驗采用的水泥漿水灰比為0.5,水玻璃波美度為40,漿液試驗在借鑒其他工程的基礎上[9-11],通過室內和現場實驗,選定了水泥-水玻璃漿液配比,在施工中根據現場情況選用。水泥-水玻璃漿液性能參數見表2。

表2 水泥-水玻璃漿液性能參數

共選擇3種灌漿方式進行試驗:第1種是在漿液灌注的同時在孔口向孔內灌入水玻璃;第2種孔內下入注漿管和水玻璃灌注管,孔口利用手壓泵向孔內壓水玻璃,相當于雙液灌漿;第3種是將水玻璃直接加入攪拌槽內,隨漿液一起灌入地層中。在施工過程中,第1種方式容易造成假堵現象,灌注量較大,效果不是很好。第2種方式是先灌一定量的水泥漿,停泵后立即用手壓泵向孔內通過PVC管壓入水玻璃,試驗表明這種方式效果也不好,容易將PVC管鑄死,處理起來比較費時。第3種方式有一定的風險,需要控制好加量,否則會把灌漿泵鑄死,損壞設備。但只要控制好加量和加入的時機,效果還是很好的。

通過灌注水泥-水玻璃漿液,可有效減少水泥漿的灌注量,使水泥漿不至于擴散太遠,但又能形成可靠的帷幕體。同時,灌注水泥-水玻璃漿液可以大幅度減少復灌次數。通過在SX3,SX5和SS5孔中試驗,灌注水泥-水玻璃漿液效果很好,尤其是在SS5孔中灌注效果明顯。

3.5.3.2 水泥-粉煤灰漿液的應用

在水泥漿液中加入粉煤灰,改善了攪拌漿液的稠度、和易性、均勻性、泌水性和可灌性,同時也減少了用水量,提高了后期強度[12]。試驗區中應用水泥-粉煤灰漿液主要是針對灌水泥漿吸漿量大、灌濃水泥漿容易堵管、而灌砂漿灌不進的泥砂碎石層,如SS5孔。

粉煤灰的品質必須符合要求,粉煤灰采用Ⅱ級粉煤灰,其性能參數如下:細度為15%(45μ m方孔篩篩余量),燒失量為7.8%,含水量為0.3%[13]。漿液水固比(水∶(水泥+粉煤灰))為0.5。水泥-粉煤灰漿液性能參數如表3所示。

表3 水泥-粉煤灰漿液性能參數

水泥-粉煤灰漿液初凝時間的延長對防止灌漿管路的堵塞有利,漿液黏度大對于泥砂層與巖石層接觸面充填有一定的效果。但從施工情況看,實際效果沒有預期的理想。

3.5.3.3 水泥-氯化鈣漿液

采用水泥-水玻璃漿液的第1種和第2種方式灌注時效果不理想,而采取直接將水玻璃加入攪拌槽中又怕引起鑄泵。氯化鈣可以直接加入水泥漿中利用泵灌注,水泥水化加快,但早期強度上升較快[14]。

選定2種摻量的水泥-氯化鈣漿液進行對比試驗,當氯化鈣摻量為3%時,初凝時間為15min;摻量為5%～7%時,初凝時間為7.5min。為安全起見,最終選用氯化鈣摻量3%進行施工。從灌漿試驗區SS5孔應用的情況來看,對于泥砂碎石層灌注有一定的效果,但不如水泥-水玻璃漿效果好。

4 灌漿質量檢查與效果分析

4.1 灌漿質量檢查及標準

灌漿檢測項目主要為鉆孔取芯和壓水試驗,并結合灌漿成果資料進行綜合分析。檢查孔壓水試驗合格標準為:帷幕灌漿的質量要求透水率q≤3Lu;檢查孔第1段和第2段的合格率為100%,以下段的合格率在90%以上;透水率不得超過設計值的100%,且為不集中,認為合格。

4.2 單位耗灰量分析

一般情況下,單位注入量應具有隨孔序逐序遞減的規律。從表4可看出:B排Ⅰ序孔單位注灰量為763.4kg/m,Ⅱ序孔和Ⅲ序孔單位注灰量分別為200.9kg/m和162.9kg/m,灌漿試驗區各序孔的單位注入量遵循逐序遞減的規律,說明灌漿效果較好。

注漿過程中總體上注入量遞減,說明隨著灌漿次序的增進,地層逐漸被灌注密實。Ⅰ序孔施工時很多孔段不返水,灌注完Ⅰ序孔后大的孔隙已基本被充填,中小孔隙仍存在,并成為主要滲水通道。Ⅱ序孔和Ⅲ序孔鉆孔時返水已經很正常,說明中等以上孔隙已被充填,透水率隨著灌漿次序的增加逐漸減小;但A排因SS4孔、SS5孔為溶洞發育帶,局部段灌漿注入量大,導致Ⅲ序孔注入量比Ⅱ序孔注入量大。

表4 水泥注入量統計

試驗段平均注灰量為430.94 kg/m,注漿量較大。從地質資料來看,本灌漿區巖層為直立巖層,傾角很陡,滲漏通道大部分是沿著帷幕軸線的縱向方向發育,試驗布孔形式很難保證把所有的滲漏通道全部堵住,為取得更好的灌漿效果,形成較好的防滲帷幕體,建議在吃漿量大的地方和地層破碎帶進行加密灌漿處理。

4.3 壓水試驗

壓水試驗的壓力為灌漿壓力的80%,但最大壓力不超過1MPa,在保持穩定的壓力下,每3～5min測讀流量1次,連續5次讀數,其最大值與最小值之差小于最終值的10%;或最大值與最小值之差小于1L/min時,可結束壓水試驗[15]。

灌漿前地層的透水性參數如表5和表6所示。

灌漿試驗結束14d后鉆進質量檢查孔,檢查孔按自上而下分段進行壓水試驗,段長與灌漿分段一致。灌漿后地層的透水性參數如表7所示。

從表7中可以看出:灌漿處理后,灌漿試驗區檢查孔的平均透水率為0.83Lu,SJ-01孔有3段透水率大于3Lu,SJ-02孔也有3段透水率大于3Lu,且有2段集中,最大值為3.90Lu,最小透水率為 0.07Lu,平均透水率為0.83Lu。從壓水結果看,雖然試驗區地層透水性大幅度減小,但部分透水率超過設計要求,此試驗結果為不合格,究其原因,水泥-水玻璃漿液凝結時間過快,堵塞裂隙,在地層中造成“假堵”現象。

表5 灌漿孔灌前各段壓水透水率區間

表6 灌漿孔灌前各序孔透水率匯總

經灌漿處理后,壩體在設計深度以內的原始滲透條件得到明顯改善,溶洞充填較密實,部分地段能夠滿足設計防滲要求,但部分地段還需要加強。

表7 檢查孔壓水試驗結果

表8 灌漿前后單位透水率區間頻率對比

4.4 灌漿前后透水率比較

灌漿前后單位透水率區間頻率對比如表8所示。從表5和表8中可以看出:灌漿前后透水率降低明顯,灌漿效果較明顯,但并不能滿足設計要求,說明在直立巖層中布孔的孔排距偏大。

灌漿過程中,隨著灌漿次序變化,Ⅱ,Ⅲ序孔的透水率比Ⅰ序孔有明顯減少,但由于試驗區地層復雜,發現上游A排Ⅲ序孔的透水率大于Ⅱ序孔,主要因為SX4,SX5孔為溶洞發育帶,局部段透水率較大。

4.5 耐久性壓水分析

試驗區檢查孔壓水結束后,為了驗證幕體的可靠性,分別對2個孔進行了耐久性壓水試驗,歷時2d。各孔耐久性壓水試驗統計數據見表9。

表9 檢查孔耐久性壓水試驗統計結果

從壓水情況看,壓力和壓入流量在全過程中均比較穩定,沒有出現大的異常,說明帷幕體在高壓力水頭的長期作用下是穩定的。

4.6 鉆孔取芯檢查

從先導孔SX5孔的取芯情況看,巖芯較破碎,很難取出完整的巖芯,巖芯采取率只有50%～60%;從檢查孔SJ-01和SJ-02孔的巖芯情況看,巖芯采取率可達到90%左右,巖芯中可以見到少量水泥結石,如圖2所示。在鉆孔過程中回水中有很多類似米粒大小、強度很低的水泥結石,說明地層孔隙被水泥結石充填,灌漿效果良好。

4.7 抬動觀測

灌漿過程中混凝土蓋板未發生抬動(樁號0+195.00m處設置抬動觀測孔(ST1孔,直徑76mm),抬動值最大僅為0.2mm,在允許范圍內),完全滿足設計要求。

圖2 灌漿后鉆孔巖芯(SJ-02孔)

5 結 論

a.通過檢查孔的檢測,灌漿試驗成果未達到預定目標,地層經灌漿處理后,其滲透性能得到很大改善,但檢查孔有5段壓水透水率超過設計要求,灌漿帷幕未滿足設計防滲要求。

b.從灌漿試驗檢測結果分析,2排灌漿孔(排距1.5m,Ⅲ序孔孔距2.0m)的布孔形式基本能滿足設計要求。實際灌漿施工中,在透水性嚴重的局部加密布置了1排灌漿孔,取得了較好的效果。

c.溶洞回填C20混凝土、大裂隙灌注水泥砂漿起到了較好的灌注效果;泥夾砂碎石地層從各種漿液應用的效果來看,水泥-水玻璃漿液效果較好,水玻璃添加量以質量分數3%為宜,直接加入泵中。

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