錦屏一級水電站基礎工程灌漿檢測技術(shù)及評價標準研究

丁陳奉 孫 云 何 剛 鄧希貴

(1.四川中水成勘院工程勘察有限責任公司，四川 成都 610072；2.中國水電顧問集團成都勘測設計研究院，四川 成都 610072)

錦屏一級水電站壩基巖體內(nèi)存在f5、f8斷層、煌斑巖脈等確定性軟弱巖帶，以及深卸荷作用形成的Ⅳ2級巖體，前期檢測成果研究表明這些地質(zhì)缺陷發(fā)育部位，巖體完整性差，抗變形能力弱，不能滿足壩基抗變形要求。要確保大壩安全必須對左岸壩基巖體內(nèi)的這些地質(zhì)缺陷進行可靠的加固處理。

為增強壩基的均勻性和整體性，增強基礎的承載能力，使建基面高應力能夠均勻擴散至雄厚山體內(nèi)，針對 f5、f8斷層、煌斑巖脈等確定性軟弱巖帶，設計采用了混凝土墊座、地下開挖置換混凝土及灌漿處理措施。隨著灌漿工作大面積的開展，采用多方法、多手段開展灌漿前后的測試對比研究，研究確定左岸抗力體巖體固結(jié)灌漿檢測手段和驗收標準，綜合評價固結(jié)灌漿后左岸抗力體巖體質(zhì)量的改善程度，對指導大壩基礎處理工程施工和評價拱壩安全極為重要。

1 工程概況

錦屏一級水電站采用堤壩式開發(fā)，主要任務是發(fā)電。水庫正常蓄水位 1880m，死水位 1800m，正常蓄水位以下庫容77.65億m3,調(diào)節(jié)庫容49.1億m3，屬年調(diào)節(jié)水庫。電站裝機6臺，單機容量600MW。

樞紐主要建筑物混凝土雙曲拱壩，壩頂高程1885.00m，最大壩高305.00m，壩頂寬度16.00m，壩底厚度63.00m，厚高比0.207，弧高比1.811，壩體混凝土方量約474萬m3；泄洪設施由壩身4個表孔、5個深孔、2放空底孔、壩后水墊塘以及右岸1條泄洪洞組成，采用壩后水墊塘消能；引水發(fā)電建筑物布置在右岸山體內(nèi)，由進水口、壓力管道、主廠房、主變室、尾水調(diào)壓室、尾水隧洞組成。

壩址區(qū)由于河谷地形和地質(zhì)條件的不對稱，導致拱壩的應力、變形不對稱，拱壩開裂風險極大；工程規(guī)模巨大、對壩基及兩岸抗力體質(zhì)量要求較高，巖體的整體性、變形模量、抗剪特性和抗?jié)B特性直接關系到大壩的安全，大壩基礎處理設計及施工是錦屏一級水電站工程關鍵的技術(shù)問題之一。為提高巖體的抗變形能力、均勻性以及抗?jié)B性能，基礎處理工程采取了、壩基固結(jié)灌漿、左右岸抗力體固結(jié)灌漿、抗剪傳力洞、混凝土墊座及網(wǎng)格置換、防滲帷幕灌漿等一系列加固處理措施。

2 物探指標相關性研究

2.1 單孔聲波與對穿聲波的關系

綜合前期勘察階段、施工詳圖階段完成的對穿聲波、單孔聲波對比檢測取得了大量的數(shù)據(jù)，對壩基數(shù)據(jù)進行整理分析，整理施工詳圖階段Vcp-Vp（對穿聲波-單孔聲波）關系見下式，單孔聲波速度與對穿聲波速度間的對應關系如下：

2.2 鉆孔變模與單孔聲波的關系

對兩岸壩基及左岸抗力體的鉆孔變模E0k初篩后的E0k-Vp數(shù)據(jù)對，作出散點圖，舍去孤點或離散性大的數(shù)據(jù)點后，分別按大理巖、砂板巖、綜合分別作E0k-Vp數(shù)據(jù)對散點圖，見圖1。

對錦屏一級水電站基礎工程巖體Eok-Vp（鉆孔變模-單孔聲波）相關關系按式進行回歸，回歸分析后，大理巖、砂板巖、綜合回歸結(jié)果見表1。

圖1 錦屏一級水電站基礎工程巖體E0k-Vp（鉆孔變模-單孔聲波）關系

表1 錦屏一級水電站基礎巖體E0k-Vp（鉆孔變模-單孔聲波）相關關系

表2 巖體鉆孔變模E0k值與承壓板變形模量Eo50值關系對比表

2.3 E050承壓板變模值與單孔聲波的關系

利用可研階段Eo50承壓板試驗有配套單孔聲波數(shù)據(jù)的39點，施工詳圖階段灌排洞Eo50承壓板試驗有單孔聲波測試的10點共49點，經(jīng)過數(shù)據(jù)篩選，共得到29個有效Eo50－Vp數(shù)據(jù)對，作散點圖見圖2，按乘冪關系回歸得到如下關系：

2.4 巖體承壓板變形模量（E050）與鉆孔變形模量（E0k）的關系

利用上述相關關系，利用各巖級單孔聲波的分級界線分別計算變形模量（Eo50）值與巖體鉆孔變模（Eok）值，對比成果見表2。

3 檢測方法技術(shù)研究

基礎固結(jié)灌漿作為一項隱蔽工程的處理，歷年來均以鉆孔芯樣和壓水試驗成果來對工程處理質(zhì)量進行評價，隨著科技的發(fā)展，國內(nèi)外目前涌現(xiàn)出大量新的物探檢測技術(shù)方法針對固結(jié)灌漿效果進行評價，其中主要有單孔聲波、對穿聲波、鉆孔全景圖像、鉆孔變模及地震波層析成像測試。在水電水利灌漿規(guī)范及工程物探規(guī)程中，對固結(jié)灌漿檢測要求采用聲波檢測為主要方法，壓水試驗和鉆孔變模測試為輔助方法。

國內(nèi)已建和在建大型水電工程如二灘、小灣、溪洛渡等均采用單孔聲波為主，輔以其他檢測方法，綜合評價固結(jié)灌漿質(zhì)量，為工程驗收提供依據(jù)。

通過對單孔聲波、對穿聲波、鉆孔全景圖像、鉆孔變模及地震波層析成像檢測技術(shù)原理、特征和適應性分析、整理，列舉各檢測方法優(yōu)缺點見表2-1。

圖2 錦屏一級水電站基礎巖體變形模量與單孔聲波實測E050-Vp關系圖

表3 灌漿效果評價各種檢測方法優(yōu)缺點對比表

結(jié)合灌漿效果評價檢測技術(shù)方法優(yōu)缺點對比表（表 3）可知：單孔聲波檢測的廣泛性、靈活性及科學準確性，確定以單孔聲波為灌漿效果評價主要檢測手段；同時結(jié)合鉆孔全景圖像反映的直觀效應、鉆孔變模表現(xiàn)的抗變形性能，地震波層析成像揭示的巖體整體完整性程度，確定以鉆孔全景圖像、鉆孔變模為輔助灌漿效果評價手段；整體灌漿效果評價的同時，尤其針對基礎處理灌漿工程特別關注的IV2級巖體或地質(zhì)缺陷地段，同步增加對穿組測試和地震CT層析成像，以對穿組、CT層析成像資料作為特定指標參與灌漿效果評價。

通過對各灌漿效果評價技術(shù)方法的比對分析，形成一套以單孔聲波為主，鉆孔全景圖像及鉆孔變模為輔，對穿聲波及地震波層析成像為特定檢測指標的系統(tǒng)灌漿效果評價體系；評價體系中單孔聲波、鉆孔全景圖像及鉆孔變模系統(tǒng)反映灌漿單元整體灌漿效果，對穿聲波指標反映IV2級巖體及特定地質(zhì)缺陷灌漿效果，地震層析成像反映一定區(qū)域宏觀灌漿效果，各檢測技術(shù)資料的整合使得檢測成果資料整體與局部有機結(jié)合，檢測成果更客觀、全面；且單孔聲波、鉆孔變模、對穿聲波的定量指標與鉆孔全景圖像、地震波層析成像的定性指標完美整合，使得灌漿效果隱蔽工程的評價更科學、直觀。

4 灌漿評價標準體系

左岸基礎處理工程固結(jié)灌漿效果評價的標準主要綜合考慮灌漿設計參數(shù)、各級巖體聲波波速指標差異、灌漿工藝微觀機理及生產(chǎn)性灌漿試驗成果等因素而制定。

4.1 灌漿設計參數(shù)

左岸抗力體固結(jié)灌漿總體上分為主灌漿區(qū)和控制灌漿區(qū)。將各高程主灌漿區(qū)邊界一定范圍的區(qū)域劃為控制灌漿區(qū)，要求控制性灌區(qū)內(nèi)采用低壓濃漿并且需在主灌漿區(qū)灌漿前實施。根據(jù)灌漿壓力參數(shù)，將左岸抗力體灌漿分為高壓、中壓及低壓灌區(qū)。其中 1785m高程以下的主灌漿區(qū)為高壓灌漿區(qū)，1785m高程以上的主灌漿區(qū)為中壓灌漿區(qū)，各高程控制灌漿區(qū)以及近邊坡部位的灌漿區(qū)為低壓灌漿區(qū)。考慮灌漿壓力參數(shù)的不同，分別針對高、中、低壓灌區(qū)制定各自灌后檢測標準。

4.2 各級巖體聲波波速差異

結(jié)合巖體聲波波速分析成果，Ⅱ級巖體聲波波速范圍 5240～5854m/s（小值平均值～平均值，下同），其中波速大于5500m/s的占83.2%，波速小于4500m/s的占 5.9%；Ⅲ1級巖體聲波波速范圍3935～5113m/s，其中波速大于 5500m/s的占45.83%，波速小于 4200m/s的占18.1%；Ⅲ2級巖體聲波波速范圍值 3869～4933m/s，其中波速大于4800m/s的占69%，波速小于3800m/s的占13.36%；Ⅳ2級巖體聲波波速范圍值 2744～3932m/s，其中波速小于3500m/s的占36.8%。由于各級巖體聲波波速特征的差異性，灌漿處理過程中，各級巖體力學性能改善程度也不一樣，因此，針對各巖性、巖級巖體差異化制定各各自灌后檢測指標。

4.3 灌漿工藝微觀機理及生產(chǎn)性試驗成果

灌漿施工工藝其本身無法改變巖塊力學性能，而是通過對巖體裂隙的充填，提高巖體整體完整性，從而達到改善巖體力學性能的目的。研其微觀機理，主要表現(xiàn)為張開～微張裂隙的漿液充填；而在巖體聲波指標方面，主要表現(xiàn)在張開裂隙的低波速明顯提高。

生產(chǎn)性灌漿試驗成果表明：III1級巖體由于巖體自身均一，巖體聲波波速較高，灌漿處理后，其巖體整體聲波波速提高率一般為3%～5%，結(jié)合灌漿工藝微觀機理，其巖體聲波波速提高主要集中在低波速孔段（裂隙發(fā)育孔段）。整體考慮左岸基礎處理工程開挖階段III1級巖體波速小于4400m/s的測點占13.92%，灌漿處理后，低波速段巖體聲波波速比例提高約10%,從而制定III1級巖體灌后小于4400m/s測點比例降至 5%；巖體聲波波速大于5200m/s比例大于85%主要依據(jù)III1級巖體自身巖體均一、完整性而制定。其他各級巖體均類比III1級巖體灌后檢測標準而確定。

綜合上述灌漿設計參數(shù)、各級巖體聲波波速指標差異、灌漿工藝微觀機理及生產(chǎn)性灌漿試驗成果，總結(jié)左岸抗力體灌漿檢測標準如下。

（1）高壓灌漿區(qū)、中壓灌漿區(qū)和低壓灌漿區(qū)各灌區(qū)灌后檢測見表4～6。

在斷層、煌斑巖脈的IV2級巖體中進行灌后對穿聲波檢測，其灌后聲波波速檢測指標見表7。

以上固結(jié)灌漿分區(qū)具體布置以施工圖或設計通知為準。

表4 左岸抗力體灌漿處理后高壓區(qū)巖體檢測指標

表5 左岸抗力體灌漿處理后中壓區(qū)巖體檢測指標

表6 左岸抗力體灌漿處理后低壓區(qū)巖體檢測指標

表7 左岸抗力體灌漿處理后Ⅳ2巖體對穿聲波檢測指標

（2）左岸抗力體灌后巖體質(zhì)量檢測以聲波波速為主、透水率為輔，必要時結(jié)合鉆孔變模和鉆孔全景圖像綜合評定。

（3）聲波速度測點以每個檢查孔為單位進行統(tǒng)計，每個單元檢查孔的合格率應≥90%，且不合格的孔不集中。

（4）每個單元檢查孔壓水試驗合格率應≥85%，不合格孔段的透水率不超過設計規(guī)定的150%，且不集中。

（5）左岸抗力體范圍的斷層破碎帶、強風化煌斑巖脈、層間擠壓錯動帶等不參加物探成果統(tǒng)計；斷層影響帶、弱風化以及微～新煌斑巖脈均按所在灌漿區(qū)的指標進行檢測。

5 結(jié) 論

錦屏一級水電站基礎處理工程固結(jié)灌漿效果評價標準是經(jīng)過大量試驗、科學分析、系統(tǒng)總結(jié)取得的。綜合分析開挖階段各物探檢測指標與巖體質(zhì)量等級的相關性，明確物探檢測指標與巖體質(zhì)量等級的對應關系，確定灌漿效果物探指標量化的科學性及合理性；通過檢測工作的可操作性、高效性、經(jīng)濟性等方面選擇合適的灌漿效果評價檢測技術(shù)、方法；最終結(jié)合生產(chǎn)性灌漿試驗和開挖階段檢測成果，綜合考慮灌漿設計參數(shù)、各級巖體物探指標的差異性及灌漿工藝微觀機理等因素制定相應灌漿效果評價標準。

基礎工程開挖階段，通過大量物探測試成果，客觀、科學的建立了各級巖體與物探指標的相關關系。鉆孔全景圖像成果客觀定性反應隱蔽部位巖體質(zhì)量等級，單孔聲波波速、對穿聲波波速、承壓板變模值、鉆孔變模值作為定量指標反應巖體質(zhì)量等級；以巖體質(zhì)量等級為基準，綜合單孔聲波、對穿聲波、承壓板變模值、鉆孔變模值各物探檢測相關關系，為灌漿效果物探指標的量化奠定基礎。

施工質(zhì)量檢測過程中，單孔聲波測試檢測范圍廣、檢測過程緊湊、成果直觀可靠，且結(jié)合其與巖體鉆孔變模、承壓板變模的相關關系，單孔聲波波速值能間接反映巖體力學指標。鉆孔全景圖像客觀展現(xiàn)隱蔽工程真實面貌，但其檢測成果定量性相對較差，鉆孔變模直觀反映巖體力學性能，但檢測工作布置受到一定限制。分析研究確定單孔聲波檢測為灌漿效果評價主要檢測手段；鉆孔全景圖像及鉆孔變模為輔助方法，對穿聲波及地震波層析成像為特定檢測指標的系統(tǒng)灌漿效果評價體系。

通過生產(chǎn)性灌漿試驗，從灌漿設計參數(shù)、各級巖體與物探指標的相關性、灌漿工藝微觀機理等方面總結(jié)錦屏一級水電站基礎工程灌漿效果評價體系、標準，對灌漿隱蔽工程質(zhì)量意義深遠，為工程安全運行提供科學保障。

[1] 中國水電顧問集團成都勘測設計研究院.四川省雅礱江錦屏一級水電站可行性研究報告[R].成都：中國水電顧問集團成都勘測設計研究院,2004

[2] 成都勘測設計研究院.四川省雅礱江錦屏一級水電站左岸邊坡及大壩建基面關鍵技術(shù)咨詢報告[R].成都：中國水電顧問集團成都勘測設計研究院,2008

[3] 鄒麗春,喻建清,李青.小灣拱壩設計及基礎處理.水利發(fā)電,2004,30(10):21～23

[4] 趙永剛.錦屏一級高混凝土拱壩基礎處理研究.武漢:武漢大學,2003