黑麋峰工程高壓引水隧洞灌漿參數的選擇

盛 毅， 李 堅

(中國水利水電建設工程咨詢中南有限公司，湖南 長沙 410014)

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黑麋峰工程高壓引水隧洞灌漿參數的選擇

盛 毅， 李 堅

(中國水利水電建設工程咨詢中南有限公司，湖南 長沙 410014)

摘要：黑麋峰工程高壓引水隧洞最大靜水頭385 m，并且有兩處斷層出露，采用鋼筋混凝土襯砌，存在高壓水劈裂襯砌混凝土和圍巖，產生過量滲漏甚至發生滲透破壞的工程破壞問題。現場施工時，通過灌漿試驗，合理選擇灌漿參數、灌漿工藝，達到了提高圍巖抗劈裂強度和防滲性能，經充水工況檢驗，高壓引水隧洞圍巖穩定且滲水量小，方法獲得成功。

關鍵詞：高壓隧洞；灌漿參數；灌漿工藝；過程控制。

1 概述

黑麋峰工程引水隧洞圍巖最小初始地應力和抗地下水劈裂強度比內水壓力略低，采用鋼管襯砌固然安全可靠，但受作業場地限制施工難度非常大，成本較高。經分析研究決定引水隧洞及高壓岔管采用鋼筋混凝土襯砌，襯砌厚度50～80c m，斷層帶采取混凝土置換處理。根據類似工程經驗和前期試驗研究證實，上述方案存在高壓水劈裂襯砌混凝土和圍巖的可能，尤其是高壓岔管及地質條件不良洞段在高水頭運行工況下，可能產生過量滲漏甚至發生滲透破壞。因此，工程建設中采取了以高壓固結灌漿提高圍巖防滲性能和整體強度以及化學灌漿補充加強圍巖防滲性能的灌漿施工方法，達到提高圍巖抗地下水劈裂強度、防滲漏的目的，確保高壓引水隧洞運行安全。而方案實施時，合理選擇灌漿參數、灌漿工藝及灌漿質量控制是解決問題的關鍵。

2 工程概況

湖南長沙黑麋峰抽水蓄能電站樞紐主要由上水庫、引水發電系統和下水庫等3大建筑物組成，裝機4臺，單機容量300 MW，總裝機容量1200 MW。上水庫正常蓄水位EL400 m，下水庫正常蓄水位EL103.7 m，引水主洞的布置方式為“一洞兩機”，兩條引水主洞平行布置，引水隧洞最大靜水頭385 m。

3 地質條件

兩條引水隧洞斜井～岔管段圍巖為微風化～新鮮花崗巖，Ⅱ2、Ⅲ1類圍巖段長939 m(占73%)，Ⅲ2類圍巖段長268 m(占21%)，Ⅳ、Ⅴ類圍巖段長78 m(占6%)，主要斷層有F15、F51。其中，F15斷層位于近高壓引水岔管的主洞，產狀：N200E，SE/750，與洞軸線交角700，破碎及影響帶寬4 m，斷層帶巖體蝕變明顯，次生斷層發育。F51斷層位于斜井～下彎段，產狀：N300E，SE/660，與洞軸線交角600，破碎及影響帶寬10 m，斷層帶巖體蝕變明顯。圍巖發育節理見有陡傾角、中傾角及緩傾角，按其走向分為NE、NW、NWW三組，長度一般為1～5 m，少數大于10 m，呈閉合或微張狀態。

4 灌漿試驗

黑麋峰工程引水隧洞高壓灌漿必須起防滲和固結雙重作用效果，降低圍巖的透水率，并提高不良地質巖體的變形模量。選擇合理的灌漿參數，是保證灌漿效果的關鍵?，F有的灌漿規范其技術指標和質量指標用于本工程偏低，只有通過灌漿試驗確定適當的灌漿參數和灌漿方法去指導施工，才是解決問題的關鍵。黑麋峰工程引水隧洞所遇到的圍巖地質狀況有四類，因此引水隧洞灌漿前選取了具有代表性的四個圍巖區段安排高壓灌漿試驗：

A區：④尾水洞4W0+230.0～4W0+246.0段左半洞，模擬新鮮完整巖體水泥灌漿。

B區：2#引水隧洞2Y0+913～2Y0+923段左半洞，模擬F15斷層上游側巖體磨細水泥灌漿。

C區：1#引水隧洞1Y0+893.87～1Y0+ 903.87 m段右半洞，模擬岔管部位磨細水泥灌漿和化學灌漿。

D區：1#引水隧洞1Y0+903.870～1Y0+ 932.370 m段右半洞，模擬斷層破碎帶、影響帶高壓固結灌漿及化學灌漿。

試驗前設計擬定了灌漿參數、灌漿工藝及灌漿預計達到的效果，通過試驗和對灌漿試驗資料的分析、以及根據現場實際情況和有關專家的咨詢意見，及時對引水隧洞灌漿施工的試驗參數和方法進行調整以得到最佳的灌漿參數、灌漿工藝并確定灌漿質量檢查標準。

5 灌漿試驗成果

5.1 A區灌漿試驗成果及分析

A區試驗調在4#尾水洞4W0+230～4W0+246段進行，主要模擬新鮮基巖地段的灌漿參數。A區灌漿試驗于2008年4 月2日開始施工，6月14日全部完成，共完成試驗灌漿孔25個、聲波孔2個、彈?？?個、抬動孔2個、壓水試驗孔2個。其中灌漿孔中I序孔19個，II序孔12個，I序孔分段施工8個孔、不分段施工11個，II序孔分段施工4個，不分段施工8個。

試驗中灌漿透水率最大值為35.61 Lu(G1－5號固結孔)，最小值為0.001 Lu(G1－3號固結孔)，I序孔平均灌前透水率為13.704 Lu、II序孔為1.311 Lu，遞減率達到90.43%；灌漿注灰量最大值為1263.12 kg/m(G1－5號固結孔)，最小值為0 kg/m(G1－4號固結孔),I序孔平均注灰量為130.37 kg/m，II序孔平均注灰量為0.50 kg/m，遞減率達到99%。

灌后檢查孔壓水試驗分五點法和十一點法，五點法3個孔，十一點法7個孔，最大透水率分別為0.111 Lu和0.009 Lu，最小透水率均為0.000 Lu，灌后透水率明顯比灌前透水率小。

本區聲波測試共4組，灌前值從3600 m/s 至6000 m/s，灌后值從4213～6213 m/s，平均提高率為0.7%～7.25%，通過固結灌漿后聲波值有明顯的提高，灌后聲波值也都達到了設計的不小于4200 m/s的要求。

施工過程中安裝了抬動裝置，對試驗的全過程進行了跟蹤觀測，在4.5 MPa和5.0 MPa的高壓壓力下均無抬動。

綜合上述灌漿成果數據可以看出，本次試驗的各灌漿參數滿的選擇達到了設計預定的目標，擬定的各項灌漿參數是合理的，根據初擬的灌漿參數，灌漿效果是顯著的，灌漿數據表明滿足規范要求的變規律。

5.2 B區灌漿試驗成果及分析

B區灌漿試驗選擇在2#引水下平洞2Y0+912.250～2Y0+924.750段進行，模擬F15斷層上游側巖體磨細水泥灌漿。試驗于2008年6月1日開始，于12月27日全部完成(包括質量檢查)。總共完成固結灌漿孔65個(鉆孔灌漿段長325 m)，其中I序孔36個、II序孔29個，彈?？?個，抬動孔2個，灌前檢查孔11個。

灌漿成果中I序孔共分54段施工，灌前平均透水率0.20 Lu、平均單位耗灰量3.03 kg/m，II序孔總共分48段施工，灌前平均透水率為0.35 Lu、平均單耗1.79 kg/m；由于B區試驗時下游面混凝土還沒有襯砌，G1－13號全孔注入量為2175 kg，該孔灌漿時出現串、冒漿，在I序孔灌漿單耗灰量中未參與統計與分析(造成數據偏差較大)。雖然I序孔的灌前透水率較II序孔大，但灌漿注灰量I序孔比II序孔大，造成I序孔灌前透水率比II序孔大的原因主要是因為透水率均較小(都小于0.5 Lu)，吸漿量還是呈規律變化的，滿足一般灌漿變化規律，灌漿還是達到了一定的效果。

灌后共有13個檢查進行了常規壓水試驗和高壓壓水試驗，常規壓水試驗檢查中最大值為0.133 Lu、最小值0.00 Lu、平均值0.075 Lu；高壓壓水試驗中最大值為0.14 Lu、最小值0.00 Lu、平均值0.0215 Lu，灌漿成果都達到了設計預期目的。

B區同時進行了灌前灌后聲波測試對比，其測試四組，其中灌前最小值為3667 m/s，對應的灌后最小值為4304 m/s、平均值為5100 m/s，平均提高率達7.0%，其它三組都大于4200 m/s，大部分測試值都大于4500 m/s，測點均滿足設計要求。

抬動觀測孔1個孔，灌漿時進行不間斷人工觀測，在最大灌漿壓力6 MPa下無抬動發生。

5.3 C區灌漿試驗成果及分析

5.3.1 高壓固結灌漿成果及分析

C灌漿試驗區位于1＃引水下平洞1Y0+894.000～0+904.870段(雙層鋼筋)的右側，主要模擬岔檔部位超細水泥灌漿和化學灌漿進行的試驗，該部共有固結孔5環計40孔、化灌孔5環計40孔，均在襯砌前進行了孔口管埋設。40個孔共灌注水泥13218.50 kg，平均單耗33.05 kg/m。其中Ⅰ序孔平均單耗45.62 kg/m，Ⅱ序孔平均單耗20.47 kg/m，灌前透水率Ⅰ孔平均為0.53 Lu、II序孔為0.42 Lu，從灌漿成果來看，各序灌漿孔的注漿量有一定的規律性，Ⅰ序孔比Ⅱ序孔遞減123%，灌前透水率Ⅰ序孔比Ⅱ序孔遞減26%。從以上數據可以看出，前序孔灌注后，充填了部分裂隙，對后序孔產生良好影響，說明灌漿質量良好。

灌后8個檢查孔做了5點法壓水試驗，最大的透水率為0.02 Lu，最小為0 Lu，均滿足設計要求，說明通過灌漿試驗確定的相關參數是合理的。

5.3.2 化學灌漿成果及分析

引水洞C區化學灌漿試驗共完成40個孔，試驗于2008年7月01日開始，于2008年9月27日完成，歷時88天。化學漿采用全孔一次性灌注，純壓式灌漿，灌漿壓力5.5 MPa，化學灌漿材料孔口和管道占漿配比采用A組∶B組= 6.5∶1進行，灌漿后改為A組∶B組=5∶1的配合比進行。

化學灌漿孔I序環I序孔8個、II序孔12個，II序環I序孔8個孔、II序孔12個，灌前最大透水率為0.04 Lu，分別是H4－11和H3－11兩孔，最小透水率為0.00 Lu(H2－15孔)，灌前壓水試驗孔3個，平均透水率0.02 Lu，可以看出通過高壓固結灌漿后，壓水檢查都滿足設計要求，透水率小于0.1 Lu；灌漿I序孔單位注入量為17.28 kg/m，II序孔13.46 kg/m，遞減率為22.1%，通過這些數據可以看出化學灌漿采用設計初擬的灌漿參數是合理的，漿液滲透性較好，在超細水泥不能灌注時化學漿液還是能較好的滲透到細微裂隙中，達了設計補強圍巖防滲的預期目地。

5.3.3檢查孔及聲波測試成果分析

C區聲波測試共完成14組，其中水泥灌漿前完成10組，化學灌漿后完成4組，大部分孔采用灌前灌后對比，平均提高率為0.6%～13.3%，說明通過灌漿(水泥和化學灌漿)聲波值還是有所提高的，灌前部分孔不合格的通過灌漿后都能滿足設計要求，本次試驗所有孔的測試值都滿足設計要求，說明設計擬定的設計參數是合理的，能滿足規范要求，可以運用推廣到其他部位中去。

非開行呼吁增強非洲農業競爭力。5月21日，非洲開發銀行（AfDB）第53屆年會農業領導力論壇指出，非洲需增強農業競爭力，以創新技術帶動農業轉型。非開行將繼續致力于把非洲農業打造為價值1萬億美元的產業，制定農業發展對策，確保農業增長。論壇強調，非洲還需延伸產業鏈條，促進農業增產增效，提高競爭力以躋身世界前列。

5.3.4 抬動觀測成果

抬動觀測孔2個孔，灌漿時進行不間斷人工觀測，在最大灌漿壓力6 MPa下無抬動發生。

5.4 D區灌漿試驗成果及分析

5.4.1高壓固結灌漿成果及分析

引水洞F15斷層高壓固結灌漿試驗(D區)共完成99個孔，其中灌漿前12個灌漿孔有24段做了5點法壓水試驗。99個孔共灌注水泥33908.2 kg，平均單耗34.24 kg/m。其中Ⅰ序環Ⅰ序孔平均單耗87.22 kg/m，灌前透水率最大為G2－5第一段25.24 Lu；Ⅰ序環Ⅱ序孔平均單耗26.75 kg/m，灌前透水率最大為G4－13第一段2.06 Lu；Ⅱ序環Ⅰ孔平均單耗22.53 kg/m，灌前透水率最大為G9－15第一段0.96 Lu；Ⅱ序II環序孔平均單耗10.02 kg/m，灌前透水率最大為G5－12第一段1.34 Lu。

灌后12個檢查孔中有24段(第二段及第三段)做了5點法壓水試驗，24段做了11級高壓壓水試驗。常規壓水最大的透水率為0.22 Lu，最小為0 Lu，2～5 m段平均透水率為0.08 Lu，5～10 m段平均透水率為0.005 Lu。高壓壓水最大的透水率為0.50 Lu，最小為0 Lu，2～5 m段平均透水率為0.16 Lu，5～10 m段平均透水率為0.04 Lu，均滿足設計要求，說明通過灌漿試驗確定的相關參數是合理的的。

5.4.2 化學灌漿成果及分析

本次試驗主要完成了1Y0+914.370～1Y0+ 934.370 m段化學灌漿試驗，該部位共計99只化學灌漿孔，孔深入巖5 m，間排距1500 mm×1500 mm，孔向垂直于砼面。該部位在混凝土澆筑完成后達到一定凝期后，進行高壓固結灌漿試驗，在高壓固結灌漿試驗所有檢查完成后，進行高壓化學灌漿孔灌漿試驗，共歷時80天。

1#引水洞F15斷層高壓化學灌漿孔灌漿試驗已完成99只孔，其中灌漿前12只灌漿孔有12段做了5點法壓水試驗，12段做了11級高壓壓水試驗。99只孔共灌注化學灌漿材料4584.18 kg，廢棄化學灌漿材料 2110.82 kg，共用化學灌漿材料 6735.17 kg，平均單耗9.26 kg/m。其中Ⅰ序環Ⅰ序孔平均單耗15.0 kg/m，灌前透水率為0 Lu，Ⅰ序環Ⅱ序孔平均單耗10.8 kg/m，灌前透水率為0.01 Lu，Ⅱ序Ⅰ環序孔平均單耗5.1 kg/m，灌前透水率為0 Lu，Ⅱ序Ⅰ環序孔平均單耗5.6 kg/m，灌前透水率為0 Lu。從以上數據可以看各次序孔的灌前透水率和灌漿單位注入量都呈遞減規律變化，灌漿滿足一般變化規律要求，說明設計的預選參數是合理的，灌漿也是可行的，可以應用到相同地質條件的部位。

5.4.3 檢查孔及聲波測試成果分析

D區聲波測試共完成10組，均做了灌前灌后對比，平均提高率為4.4%～13.7%，提高最大的孔為G4－6由2051 m/s提高到4060 m/s，說明通過灌漿聲波值還是有明顯的提高的，大部分孔都能滿足設計要求，對于波速值較低的J3(低于4000 m/s的占20.6%，設計要求不大于10%)，最低波速值不合格的有5個孔(不小于3800 m/s)，占總測組數的50%，對于不滿足設計要求的孔與設計協商后進行了補灌，補灌后基本都能滿足規范要求。

5.4.4 抬動觀測成果

抬動觀測孔2個孔，灌漿時進行不間斷人工觀測，在最大灌漿壓力6 MPa下無抬動。

6 灌漿成果的利用

6.1 灌漿孔布置

引水隧洞混凝土襯砌后洞徑8.5 m(周長26.7 m)，灌漿孔的間、排距根據工程部位、巖體類別而采取不同的布置方式：

(1)岔管段：水泥灌漿孔間、排距為2 m×2 m，化學灌漿孔間布于水泥灌漿孔之間。水泥灌漿孔入巖孔深有5 m、10 m二類孔，化灌孔入巖孔深5 m。

(2) F15斷層帶：水泥灌漿孔環距1.5 m，每環18孔，化學灌漿孔間布于水泥灌漿孔之間。水泥灌漿孔入巖孔深10 m，化灌孔入巖孔深5 m。

(3) F51斷層帶：水泥灌漿孔環距1.8 m，每環16孔，化學灌漿孔間布于水泥灌漿孔之間。水泥灌漿孔入巖孔深有10 m、15 m兩類孔，化灌孔入巖孔深5 m。

(4) Ⅱ2、Ⅲ1類圍巖段：水泥灌漿孔環距3 m，每環10孔，灌漿孔入巖孔深5 m。

(5) Ⅲ2類及其以上圍巖段：水泥灌漿孔環距3 m，EL140以下每環21孔，EL140以上每環20孔，灌漿孔入巖孔深5 m。

6.2 灌漿孔內分段與灌漿壓力

引水隧洞灌漿分為三個區域，即EL140以下洞段、EL140～EL220洞段、EL220以上洞段。不同的區域選用了不同的灌漿壓力。

(1) EL140以下洞段：孔深5 m孔，分兩段0 ～2 m、2 ～5 m，灌漿壓力分別為：3 MPa、6 MPa；孔深10 m孔，分三段0 ～2 m、2 ～5 m、5 ～10 m，灌漿壓力分別為：3 MPa、5 MPa、6 MPa；孔深15 m孔，分四段0 ～2 m、2 ～5 m、5 ～10 m、10 ～15 m，灌漿壓力分別為：3 MPa、5 MPa、6 MPa、6 MPa。

(2) EL140～EL220洞段：僅有孔深5 m孔，分兩段，灌漿壓力分別為：3 MPa、5 MPa。

(3) EL220以上洞段：僅有孔深5 m孔，不分段，灌漿壓力為3 MPa，實際施工中，EL186以上洞段沒分段。

(4) 化學灌漿不分段，化灌最大壓力為5.5 MPa，施工中按3 MPa、4 MPa、5 MPa、5.5 MPa分級加壓，須當進漿量≤0.4L/min，且持續時間≥30 min時，才允許壓力升級。

水泥灌漿先灌孔口段，逐段向孔底推進，第一段灌漿結束后，等強14天進行第二段灌漿，第二段以下各段灌漿不受時間限制。灌漿栓塞始終置于孔口，保證下部段的灌漿對上部段的復灌。

6.3 灌漿分序與群孔并灌

灌漿分Ⅱ序進行，采用“環間分序，環內加密”的方式，即：環分為Ⅰ序環和Ⅱ序環，同環內的孔分為Ⅰ序孔和Ⅱ序孔，施工按照Ⅰ序環Ⅰ序孔——Ⅰ序環Ⅱ序孔——Ⅱ序環Ⅰ序孔——Ⅱ序環Ⅱ序孔的順序進行。引水斜洞EL220以上灌漿自下而上逐環推進，環間不分序，環內對稱灌，逐漸加密。

群孔并灌僅在同一環內，并且要求處于對稱孔位，耗灰量大的孔原則上采取單孔灌。實際施工中EL186以上洞段采用了三孔并灌及二孔并灌，EL186以下洞段采用單孔灌或二孔并灌。

6.4 灌漿材料

EL220以上洞段使用的為：“牛力”P·O42.5袋裝水泥；EL220以下洞段使用的為：“江門中建”MFC－GM8000型超細水泥；化學灌漿使用的為：“帕斯卡”PSI－501環氧灌漿材料。

6.5 漿液配比

灌漿使用了1∶1、0.8∶1、0.5∶1 三個級配的水灰比，水泥灌漿開灌水灰比為1∶1，部分孔吸漿量小，沒有變換水灰比灌漿結束，吸漿量大的孔按規范要求逐級變換，終灌及封孔水灰比為0.5∶1。1#引水上彎段開灌使用了3∶1的水灰比。

化學灌漿材料孔口和管道占漿配比采用B 組=6.5∶1進行，灌漿后改為A組=5∶1的配合比(主材：固化劑)進行。

6.6 灌漿結束標準

灌漿全部使用自動記錄儀記錄，水泥灌漿結束標準為：吸漿量小于0.2 L/min，再屏漿30 min，并控制單段灌漿總時間不小于60 min?；瘜W灌漿達到設計壓力后，吸漿量為0 L/min時，屏漿3 h后開始閉漿，當閉漿壓力下降小于5 MPa時，再補充加壓到設計壓力直至漿液初凝結束灌漿。

6.7 灌漿質量檢查指標

灌漿質量檢查以壓水檢查為主，聲波檢測為輔，斷層帶并做了彈模檢測。灌漿質量檢查指標為：壓水檢查圍巖的透水率q＜0.5 Lu，且80%以上檢查段的高壓滲入流量Q≤2 L/min；物探檢查斷層破碎帶巖體彈性波速Vp≥4000 m/s，變形模量E≥2Gpa的測點在80%以上，斷層影響帶巖體變形模量E≥3Gpa的測點在80%以上。

壓水檢查抽檢率為灌漿孔數6%～10%，最大壓力：高程140 m以下為4 MPa，高程140 ～220 m為3 MPa，高程220 m～上彎段2 MPa，采用五點法壓水，具體壓力分級為：

4 MPa分為：1 MPa、2.5 MPa、4 MPa、2.5 MPa、1 MPa 五級

3 MPa分為：1 MPa、2 MPa、3 MPa、2 MPa、1 MPa 五級

2 MPa分為：1 MPa、1.5 MPa、2 MPa、1.5 MPa、1 MPa 五級。

壓水檢查各檢查孔布置在相鄰灌漿孔組成的三角形中心，同時采取自動記錄儀和人工觀測兩套系統記錄，止水栓塞深入到巖體內。平洞段頂拱120°范圍的檢查，要求先將栓塞裝置在襯砌混凝土內做壓力為1 MPa的單點法壓水檢查，該單點壓水合格后，將栓塞深入到巖體內做高壓壓水檢查。壓水檢查、聲波檢測成果表明：灌漿施工質量滿足設計及規范要求。

7 結語

黑麋峰工程高壓隧洞灌漿試驗工作中，設計方案符合實際情況，監理采取了全過程監控，前期預設試驗參數和專家咨詢選定的灌漿參數、灌漿工藝，通過在試驗中的調整、修改后的各類灌漿參數在后續實際施工中完全得到落實，質量檢查結果表明，圍巖整體性和透水率都達到了預期目的。經兩次充水試驗檢驗和觀測成果確認，隧洞圍巖的滲水量小，1#、2#流道滲漏量分別為：0.95 L/S、0.52 L/S，圍巖整體呈穩定狀況。上述結果表明：地處高壓、地質條件不良的高壓引水隧洞及高壓岔管通過灌漿補強后采用鋼筋混凝土襯砌在一定條件下是可行的。

Selection of Grouting Parameter of the High-pressure Diversion Tunnel in Heimifeng Mountain Project

SHENG Yi, LI Jian
(Hychro China Mid-south Engineering & Consulting Co., Ltd., Changsha 410014, China)

Abstract:The high-pressure diversion tunnel in Heimifeng Mountain project has a maximum hydrostatic pressure at 385 meters, as well as two faults were exposing. According to adoption of reinforced concrete lining, high-pressure liquid would split lining concrete and surrounding rock. Also, the problems of excessive seepage and its damage would emerge. At its site construction, choosing reasonable grouting parameter and technology improve split-tensile strength and impervious properties of surrounding rock through grouting test. Then condition survey was done to show that surrounding rock of high-pressure diversion tunnel was steady, with minor seepage quantity, which meant the adopted measure successed.

Key words:high pressure tunnel; grouting parameter; grouting technology; process control.

作者簡介：.盛毅(1974 - )，男，工程碩士，高級工程師，湖南長沙人，長期從事項目現場監理工作。

* 收稿日期：2015-07-06

中圖分類號：TV5

文獻標志碼：B

文章編號：1671-9913(2015)06-0063-06