某水電站河床壩基固結灌漿效果分析

蘇 星，陳 奎

(中國水電顧問集團成都勘測設計研究院，四川 成都 610072)

1 前 言

在建的某水電站為雙曲拱壩，最大壩高285.5m，以發電為主，兼有攔沙、防洪、改善下游航運等綜合效益。河床壩基固結灌漿規模較大，共涉及7個壩段，從左岸至右岸依次為13～19號壩段，高程324.5～328m，順河向長約70m，橫河向寬約130m，面積約9 000m2。

壩區地層平緩，河床壩基開挖揭示的為厚度約25～30m二疊系上統峨眉山玄武巖(P2β3)，下伏巖層自上而下依次為玄武巖(P2β2、P2β1)、泥頁巖沉積層(P2βn)及茅口組石灰巖(P1m)。層間錯動帶C2發育于P2β3、P2β2之間，高程為292～300m，呈含屑角礫型。河床壩基P2β3層以Ⅲ1級巖體為主，少量Ⅱ級巖體，部分Ⅲ2級巖體；P2β3層以下巖層以Ⅱ級巖體為主。其中Ⅱ、Ⅲ1級巖體均滿足大壩建基要求，Ⅲ2級巖體約占15%，由錯動帶交匯或裂隙集中發育等構造原因造成，一般不連續分布，隨機發育，需進行處理。Ⅲ2級巖體、P2β3層內隨機發育的錯動帶，以及因地應力松弛和開挖爆破造成的松弛巖體為壩基固結灌漿的主要對象。

2 固結灌漿設計與灌后質量檢查

2.1 灌漿設計方案

河床壩基采用混凝土有蓋重固結灌漿，混凝土澆筑高度滿足灌漿壩段不小于6m、相鄰壩段不小于4m，當混凝土達到50%設計強度后在混凝土倉面進行鉆孔灌漿。固結灌漿孔孔距1.5m×3.0m(順河向×橫河向)，呈梅花形布置，灌漿入巖孔深上游約1/3區為25m、下游約2/3區為30m，孔徑φ110mm，孔向垂直向下。根據灌后質量檢查效果，對未能達到驗收合格標準的壩段進行補強處理，并重新檢查；對局部未能達到設計要求的部位，可在廊道內和上下游貼角處對拱壩建基面上下游局部進行補強灌漿。

2.2 灌漿后質量檢查

灌后巖體質量檢查采用聲波測試為主、鉆孔變模和鉆孔全景圖像為輔，并結合鉆孔壓水試驗、灌漿前物探成果、有關灌漿施工資料以及鉆孔取芯資料等綜合評定。檢查孔總數大致為灌漿孔總數的5%。河床壩基各壩段灌后檢查孔布置見圖1。進行的物探測試包括單孔聲波測試、對穿聲波測試、鉆孔全景圖像測試、壓水試驗以及鉆孔孔內變模測試。

3 固結灌漿效果分析、評價

可行性研究、招標設計階段河床壩基C2層間錯動帶以上的P2β3層玄武巖主要為Ⅲ1級巖體，大壩設計采用的P2β3層玄武巖變形模量為10GPa，施工詳圖設計階段根據400m高程以下開挖揭示的地質條件，對大壩體型進行了必要的調整，河床壩基Ⅲ1級巖體變形模量設計采用值為9GPa。

河床壩基固結灌漿的效果主要從灌漿后提高壩基巖體的整體剛度和均一性、減小不可恢復變形、抗

圖1 河床壩基固結灌漿灌后檢查孔布置

滲性的改善以及是否達到拱壩建基設計要求來分析、評價。

3.1 整體剛度

(1)鉆孔變模。壩基巖體的整體剛度在灌后檢測中主要通過鉆孔變模平均值、聲波速度平均值來反映。在河床壩基13～19號壩段共對47個孔進行了變模測試，灌前23孔，灌后24孔。各壩段及河床壩基整體變形模量平均值統計結果見表1。

根據表1統計結果可知，13～19號壩段灌后各壩段變形模量平均值均大于設計要求的9GPa，最大值為14.5GPa，最小值為9.7GPa；河床壩基整體變形模量灌后平均值為12.3GPa，滿足設計要求。從鉆孔變形模量的統計結果可以發現，整個河床壩基、各壩段巖體的整體剛度得到明顯提高，灌漿效果顯著，達到了設計要求。

(2)E0-Vp相關關系。根據不同設計階段獲得的E0、Vp數據進行回歸分析，得到聲波與變形模量的相關關系如下：

(1)

利用公式(1)，可將河床壩基大量的鉆孔聲波數據、并考慮層內錯動帶的影響可以得到壩基巖體的綜合變形模量，進行河床壩基的整體剛度分析。河床壩基巖體聲波統計平均值及按公式(1)計算的變模值見表2。

表1 河床壩基鉆孔變模統計

表2 河床壩段灌后聲波波速平均值、計算變模統計

13～19號壩段參與統計聲波的單孔或對穿孔共81組，覆蓋了整個河床壩基。從壩段平均波速計算變模值來看，最小值為13.2GPa，最大值為22.1GPa。

(3)壩基巖體綜合變模分析。河床壩基巖層為層狀巖體，無斷層發育，主要地質構造為層內錯動帶Lc，傾角平緩，帶寬一般3～5cm，少數10～20cm，局部交匯。若同時考慮河床壩基巖體與錯動帶的受力、變形，可按公式(2)計算其綜合變形模量。

(2)

式中E——綜合變形模量；

a1、a2——分別為巖體和Lc所占的百分比；

E1、E2——分別為巖體和錯動帶Lc的變形模量計算采用值。

現根據公式(2)對整個河床壩基的綜合變形模量進行敏感性計算、分析，成果見表3。

表3中整個河床壩基灌后檢查孔聲波平均值為5 402m/s，根據公式(1)得到河床壩基聲波計算變模值為20.2GPa，作為公式(2)中巖體變形模量E1

的計算采用值。根據壩基巖體聲波測試的經驗，層內錯動帶(Lc)固結灌漿前波速平均值多在2 500～3 300m/s，灌后平均波速多在3 500～4 200m/s，根據聲波變模轉換關系，變模值為5.0～9.0GPa，但實際上錯動帶(Lc)經過灌漿處理后聲波值一般提高較大，變模值提高幅度較小，不能達到5.0～9.0GPa。可研、招標階段對層內錯動帶(Lc)提出的變形模量建議值為2.0～3.0GPa，考慮到固結灌漿后錯動帶(Lc)的變模值有一定的提高，故計算采用值E2取上限3.0GPa。河床壩基以下30m范圍內的P2β3層巖體中層內錯動帶(Lc)的厚度多在0.5～1.5m，所占百分比1.7%～5%。從表3的計算成果來看，當河床壩基下部不發育錯動帶時，巖體的綜合變模為20.2GPa；當錯動帶所占百分比為5%時，綜合變模為15.7GPa；即便考慮到錯動帶隨機發育、個別壩段下部可能發育數量較多厚度較大、平均厚度增加至3m、所占比例為10%時，綜合變模為12.8GPa ，仍能滿足設計要求。

由河床壩基鉆孔變模的統計、巖體聲波計算變模值以及綜合變模的敏感性分析可知，河床壩基巖體的整體剛度經固結灌漿后提高明顯，提高幅度達17.1%，在整體性方面能滿足拱壩建基要求。

表3 河床壩基灌漿后綜合變形模量敏感性分析計算

3.2 均一性

壩基巖體的均一性改善主要表現為緩傾角層內錯動帶物理力學性能的提高，減小不可恢復變形。在物探測試方面主要反映在固結灌漿前后鉆孔變模測試中小值的減小、波速小于4 000m/s測試段所占比例的的減小和錯動帶聲波值的提高等方面。

從鉆孔變模測試情況來看，河床壩基灌前小于5GPa的測試段所占百分比為12.8%，灌后減小到8.9%，減小幅度為30.5%。大于12GPa的百分比由32.9%增加到53.0%。各壩段鉆孔變模測試中的小值所占的比例均有一定幅度的減小，大值有所增加(參見圖2)。

河床壩基各壩段灌前檢測孔聲波波速統計資料表明，波速小于4 000m/s的孔段所占的百分比一般在10%～18%，灌漿后小于4 000m/s所占百分比減小至2%～10%。灌漿后層內錯動帶的聲波值有較大幅度的提高，其力學性能、充填程度均有一定的改善。河床壩基各壩段層內錯動帶固結灌漿后的平均波速較灌前提高幅度在6.2%～28.7%，提高效果明顯(見表4)。

鉆孔變模測試中的小值、聲波測試中小于4 000m/s所占比例的減少以及灌后層內錯動帶波速的提高均表明固結灌漿后河床壩基的均一性得到一定的改善，對壩基減小不可恢復變形以及不均勻沉降起到積極作用。

3.3 抗滲性

固結灌漿后對河床壩基的透水性進行了質量檢查。壓水試驗在各壩段灌漿結束7d后進行，試驗采用單點法，每5m為一個壓水試驗段。經過系統灌漿后，河床壩段壓水試驗中未出現透水率大于4.5Lu的測試段，小于3Lu的試驗段占總試驗段的85%以上，整個河床壩基呈弱偏微透水層，有效提高了壩基的抗滲性，一定程度上可對壩基帷幕灌漿起到輔助作用。

圖2 河床壩基灌漿前后鉆孔變模試驗值分布

表4 河床壩段灌漿前后錯動帶聲波波速平均值統計 m/s

4 河床固結灌漿三維地質建模簡介

該水電站是國家級的重點水電工程，積極研究、應用新技術、新手段才能更好地為工程服務，三維地質建模的應用就是其中的一個應用項目。河床壩基相關工程問題較多，完整性差的巖體、錯動帶空間展布較復雜，因此有必要通過三維圖件進行模擬、分析，為壩基固結灌漿中發現問題及時處理，提供直觀、有效的途徑。基于Gocad2.0.8軟件，建立了河床壩基灌漿檢測三維模型。三維模型中包括的信息有建基面開挖地形、壩基以下各級巖體的空間范圍、地層巖性、主控結構面以及灌后檢查孔的檢測成果。三維圖形的建立使灌漿的檢查分析更加直觀、立體；有助于灌漿后壩基以下不滿足要求部位空間范圍、結構面的空間展布情況的判定；也可以直接應用三維圖件進行平、剖面的繪制，相關數據的讀取，提高了工作效率。河床壩基13號壩段固結灌漿的三維地質模型見圖3。

圖3 河床壩基13號壩段固結灌漿三維模型

5 結束語

通過對某水電站河床壩基灌漿檢查資料的分析、計算，表明灌漿達到了預期效果，使壩基在整體剛度、均一性、抗滲性等方面得到改善，能夠滿足拱壩建基要求。通過建立河床壩基灌漿效果三維分析模型，提高了地質資料綜合分析和科學決策能力。