清蓄電站中平洞不良地質段復合灌漿施工應用

史云吏

（清遠蓄能發電有限公司，廣東 清遠 511853）

1 工程概況

清遠抽水蓄能電站裝機容量1280MW，位于廣東省清遠市清新區太平鎮境內，處于珠三角西北部，距離廣州直線距離75km，是廣東省電力負荷中心的大后方，清遠蓄能電站的建設對于優化廣東電網的負荷能力和穩定運行具有重要意義。清蓄電站的樞紐工程由上水庫、下水庫、水道系統、地下廠房洞室群及開關站、永久道路等部分組成。

水道系統建筑物包括上庫進出水口、下庫進出水口、上庫閘門井、下庫閘門井、輸水隧洞、尾水調壓井以及尾調通氣洞等。采用首部式的開發方式，水道系統采用1管4機的供水方式，設置尾水調壓室系統。水道系統縱剖面采用一級豎井加一級斜井的方案。水道系統水道襯砌型式，除引水支管、尾水支管采用埋藏式壓力鋼管外，其余均采用鋼筋混凝土襯砌。引水水道剖面布置圖見圖1。

圖1 引水水道剖面布置圖

2 工程地質

清遠抽水蓄能電站水道系統沿線為中低山，山體較完整，植被發育。水道廠房系統主要分布在北西—南東向，山體渾圓，山頂較平坦。在北東和南東兩側各發育一條北西向沖溝，兩沖溝間距約900m，均發源于上水庫副壩2下游處，并在下水庫庫尾處交匯。整體上，除中平洞段和尾水洞段經過沖溝外，水道線路其他部位沖溝并不太發育，地形較完整。

水道系統線路除上、下進出水口及上平洞部分為寒武系石英砂巖外，其余大部分均為燕山三期中粗粒黑云母花崗巖。整體而言，引水隧洞除斷層破碎帶處為弱風化巖體外，其余絕大部分深埋于微風化—新鮮的巖體內。除斷層破碎帶屬于Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類圍巖外，其余地段以Ⅰ～Ⅱ類圍巖為主。圍巖初步分類結果Ⅰ～Ⅱ類圍巖約占80%，其余圍巖約占20%。

引水隧洞中平洞主要有3條斷層通過，分別為f24、f80、f20。

f24斷層：走向N70°W/SW∠75°～80°，由三條平行的斷層組成，b1=1.5m，b2=2m，b3=1m，斷層帶為全風化構造角礫巖，圍巖見高嶺土化蝕變，沿斷層帶有地下水滲滴～線流狀出露，有股狀水Q=5～6L/min，受斷層f20及其平行裂隙的相互切割，此斷層的圍巖極不穩定，開挖時出現塌方現象；

f80斷層：走向 EW，傾 S，傾角 80°，b=2m，其與隧洞交角70～75°，對中平洞的圍巖穩定有一定影響；

f20斷層：走向 N24°E/NW∠85°，b=1m，斷層帶為全風化構造角礫巖，圍巖見高嶺土蝕變，沿斷層帶有地下水滲滴狀出露，與f80、f24斷層相互切割，造成圍巖不穩定；

裂隙：零星分布，陡傾角，閉合～微張狀，充填鈣質，裂隙走向基本與斷層f24、f80走向垂直。

3 .復合灌漿施工工藝

為使中平段不良地質段的斷層和細微裂隙可以充分充填固結，該段的固結灌漿選用水泥—化學復合灌漿的方法。化學灌漿是以高分子有機化合物為主體材料的灌漿方法，其化學漿液的滲透系數（10-6～10-8cm/s）遠遠小于水泥漿液，低于0.1mm以下的裂隙也可以有效灌入[1]。

3.1 化學漿液的選擇

目前化學漿液品種繁多，通常按其用途可分為防滲型、補強型、防滲補強型三類。

化學漿液可注性好，漿液粘度低，能注入到細微裂隙中，但是一般的化學漿液都具有毒性并價格昂貴，且結石體強度比水泥漿液的結石體強度低等缺點[2]。化學漿液大體分類見表1。

表1 化學漿液分類

環氧樹脂類漿液常溫下具有固化強、聚合體強度高、粘結力大、化學穩定性好的特點,一般多用于巖體固結補強灌漿中。考慮到高效實用、經濟環保，選用CW系材料作為化學灌漿材料。CW系化學灌漿材料主要是由新型環氧樹脂、稀釋劑、表面活性劑等組成的雙組份灌漿材料[3]。其選用的是CYD型環氧樹脂，它除了能保持E-44環氧樹脂的優點外，還具有低溫條件下粘度相對較低、操作簡單、價格適中的特點。其固化劑選用的是CD固化劑，CD固化劑是一種高分子固化劑，能在低溫和水中固化，能在一定程度上改善環氧樹脂的脆性，且氣味小、毒性低。

3.2 孔位布置

中平洞與豎井、斜井上/下彎段相連，與2號施工支洞相交于樁號Y0+946.811。中平洞襯砌后直徑為9.2m，襯砌厚度為60cm，坡比為0.04。中平洞V類圍巖固結灌漿處理段位于中平洞上游（Y0+606～Y0+654），處理長度為48m，相應增加的水泥—化學灌漿長度1672.5m。根據設計要求，灌漿段共布置17排灌漿孔，其中有2排，每排布置5個孔；有2排，每排布置9個孔；其余13排，每排布置15個孔。為防止灌漿過程漿液擴散范圍過大，進行復合灌漿前，在不良地質段上、下游各布設1排加密水泥灌漿，完成后在進行復合灌漿。

3.3 鉆孔及沖洗

鉆孔時先采用XY-2型75mm地質鉆開孔，開孔深度為入巖0.5～1m，然后采用Φ48mm的手風鉆鉆至入巖7.5m，孔排距為3m，孔深誤差10cm。鉆孔結束之后，用水或者風對注漿孔內的巖粉等雜質進行沖洗，直到回水清凈為止，孔底內的沉積厚度不得超過200mm。

3.4 灌前壓水

為了解巖體裂隙發育情況和透水性，在灌漿之前需要對待灌孔做灌前壓水試驗。壓水試驗壓力為設計灌漿壓力的80%，且不超過1.0MPa，中平洞化學灌漿壓力為4MPa，因此壓水試驗選取1MPa的壓力。采用外徑58mm，即65型的灌漿塞入巖1m左右，塞入時，應使灌漿塞充分膨脹，以防止施壓時灌漿塞沖出。壓水試驗過程中，應每5min測讀一次壓入流量，當連續4個讀數相對穩定后即可結束，取最后的流量值計算其透水率。當透水率≧2Lu時應先采用水泥灌漿，若水泥灌漿達到正常結束標準后待凝8～10h，采用地質鉆掃孔后進行壓水試驗，若透水率≧2Lu，重復水泥灌漿流程。只有當透水率＜2Lu時，進行化學灌漿。

3.5 灌漿

中平洞不良地質段化學灌漿分為3個單元，分別為第一單元Y0+606～Y0+621.5,第二單元Y0+621.5～Y0+635.5，第三單元 Y0+635.5～Y0+654?，F場施工時，順序為第三單元、第一單元、第二單元。

當透水率≧2Lu時，采用水泥灌漿。灌漿壓力達到4.5MPa，為防止混凝土襯砌劈裂，將三通灌漿塞入巖0.5m阻塞待灌孔，連接灌漿管路，通水檢查管路通暢。水泥灌漿采用孔內循環式灌漿法，以5:1的水泥漿液灌注，流量小于2.5L/min，壓力達到4.5MPa結束灌漿。

當透水率＜2Lu時，采用化學灌漿。待灌孔預埋進漿管和回漿管，埋入深度為入巖1m，化灌前進行密閉、耐壓、耐滲試驗，以確保灌漿管路安全密封性能?；瘜W灌漿采用純壓式全孔一次灌漿法施工，按照先施工Ⅰ序孔，再施工Ⅱ序孔（見圖2），從低處往高處灌注、環內從底孔到頂孔的順序灌注?；噙^程應以“逐級升壓、緩慢浸潤”為原則，初始壓力不得大于設計壓力的1/3。當注入率小于0.05L/min，壓力達到設計壓力4MPa，再繼續灌注30mim或達到膠凝時間，即可進行閉漿。

圖2 灌漿孔位布置圖

3.6 施工注意事項

（1）化學灌漿應連續進行，不得無故中段灌漿。如因不可避免因素中斷時，應遵照盡可能縮短中斷時間、及早恢復化學灌漿、應在漿液膠凝時間以前且不影響灌漿質量時恢復灌漿，否則應當掃孔和沖洗，再重新灌漿的原則進行處理。

（2）化學灌漿過程中如發現冒漿、漏漿時，應及時處理。一般原則為采用低壓、低流量的方法進行處理。如果效果不明顯，應及時停止灌漿，待漿液達到初凝時間后進行掃孔復灌。

（3）灌漿過程中，鄰近孔發生串漿時，如果串漿孔滿足化灌要求，可以同時化灌，但應嚴格控制化灌壓力，防止混凝土或者巖體抬動。若不滿足化灌要求，則應及時用快干水泥外加膨脹劑、速凝劑阻塞串漿孔。

（4）化學灌漿時，化學漿液容易從混凝土襯砌施工冷縫及細小裂縫中滲出，化灌施工前及化灌過程中應及時對裂縫進行處理。具體措施為清潔混凝土表面，用手工鉆鑿槽，若裂縫較長，則應間隔1m距離在槽內鉆孔，孔深10～20cm，埋管，以快干水泥封槽，按照化灌要求進行灌注。

（5）為了使化學漿液得到充分有效地利用，避免漿液遠遠超出有效固結灌漿圈，當灌孔的化學漿液耗量超過250kg時，采取改變漿液配比的方法，即將化灌配比6:1改為5:1，且采取限流的控制。當灌孔的耗量超過350kg且無結束跡象，應采取待凝措施，間歇灌注，其間歇時間不應少于6小時。

4 可灌性分析

可灌性分析是推斷研究巖層裂隙的重要指標之一，主要通過對灌孔的注入量和單耗等數據指標的分析，反映該化灌段的可灌性。

中平洞不良地質段化學灌漿分為3個單元，分別為第一單元Y0+606～Y0+621.5,第二單元Y0+621.5～Y0+635.5，第三單元 Y0+635.5～Y0+654?，F場施工時，順序為第三單元、第一單元、第二單元。

中平洞V類圍巖不良地質段耗量分析如表2所示。

表2 不良地質段分單元灌漿耗量分析表

通過分析可以看出，第一單元與第三單元位于化學灌漿區域的兩側，每排灌漿孔位的平均單耗略高于第二單元。而每排孔位的最高單耗則明顯第一、三單元遠遠大于第二單元。從側面反映第一、三單元的灌漿效果良好，較好的阻斷了中間第二單元的裂隙通道。

第一單元中Y0+615.082的6號孔共計耗漿3592.75kg，單耗達到了479.03kg/min，純灌漿時間達到173h，無論時間還是耗量均為該段之最。6號孔的透水率為0.43Lu，采用6：1化學漿液灌注，耗量達到250kg時，采用5:1配比灌注；耗量達到350 kg時，采用間歇待凝、低壓慢灌、控制流量等方式，使漿液灌注范圍控制在有效范圍之內。在6號孔化灌過程中，鄰近多孔發生不同程度的串漿現象，6號孔所處位置及地質構造如圖3所示。

圖3 Y0+615.082的6號孔地質構造示意圖

由圖3可知，Y0+615.082的6號孔穿過f80、N70、f24三條斷層，這三條斷層為全風化角礫巖，并有蝕變現象，三條斷層之間相互切割、相互影響，裂隙發育。分析認為，該孔周圍巖體裂隙發育，化學漿液粘度低，流動性好，在化灌高壓作用下，漿液沿圍巖裂隙滲透擴散，從而導致該孔巖脈化灌可灌性強。由于6號孔的化灌范圍擴散較大，對周圍的裂隙、滲漏通道形成有效地灌注阻塞。以理論化學漿液擴散半徑公式計算[4]：

R——有效擴散半徑,m；

Q——單位時間內的注漿量,kg/min；

t——注漿持續時間,min；

h——一次注入巖層深度,m；

n——巖層孔隙率。

顯然6號孔的理論化灌范圍已經超過有效化灌范圍，因此采取合理有效的手段減少化灌量，加快漿液凝固是合理的。6號孔完成化學灌漿之后，鄰近的化灌孔吃漿量均有明顯大幅回落，單耗均在50 kg/min之內，其中4號、8號孔單耗分別為8.32 kg/min和 5.03kg/min。

引水中平洞固結化學灌漿分序統計見表3。盡管第二單元沒有高單耗（＞100kg/m）孔位，但是較高單耗孔位（50～100kg/m）占比仍然較高，說明該段風化破碎的花崗巖圍巖可灌性好，破碎帶裂隙發育，化學漿液沿細小裂隙及巖石礦物間擴散充填。灌漿量處于正常水平，說明孔位灌漿處于有效灌注范圍之內。

表3 引水中平洞固結化學灌漿分序統計表

5 灌漿效果

5.1 壓水檢查

對比灌漿前后透水率，是評價灌漿效果的重要指標之一。

中平洞不良地質段復合灌漿之前，三個單元分別布置8個、7個、17個壓水檢查孔，最大透水率為6.51Lu，平均透水率為1.25Lu。

復合灌漿結束后，三個單元布置15個檢查孔，最大透水率為1.3Lu，平均透水率0.75Lu?；瘜W灌漿檢查孔合格的標準為85%以上孔段的透水率小于1Lu，其余孔段的透水率小于1.5Lu，且分布不集中。根據灌前灌后壓水資料，中平洞不良地質段灌漿質量達到設計防滲要求。

5.2 取芯

灌漿后對中平洞不良地質段取巖芯觀察，取出的巖芯有明顯的水泥漿液結石和化學漿液膠凝體，裂隙灌填密實，這表明化學漿液對圍巖起到了良好的浸滲作用，反映本次復合灌漿對圍巖的完整性、防滲性、強度有明顯改善，效果顯著。

5.3 聲波檢測

混凝土強度與波速參數之間具有直接的相關性。一般來講，混凝土強度越高，完整性越好，聲波波速越高；混凝土強度越低，完整性越差（如混凝土存在架空或不密實體等），聲波波速越低。因此，通過測試混凝土波速值可以反映水道襯砌體及圍巖質量優劣[5]。

通過對比不良地質段圍巖段灌漿前后聲波檢測結果不難發現，該段聲速由最低1510m/s提高到了最低3076m/s，按照隧道設計規范波速與圍巖性質關系，該部位圍巖等級已由原V類提升至III類[6]。這表明襯砌體及圍巖的完整性在灌漿之后得到了有效提高。與所取巖芯反映結果一致。

表4 Ⅴ類圍巖不良地質洞段固結灌漿前聲波檢測成果

表5 Ⅴ類圍巖不良地質洞段固結灌漿后聲波檢測成果

6 結論

清蓄電站中平洞不良地質段V類圍巖段復合灌漿結果證明該種方法對于不良地質段圍巖完整性及強度提高的作用是顯著的。V類圍巖段在經過系統水泥固結灌漿之后仍然可以灌注大量的化學漿液，這也表明了單一的水泥灌漿并不能充填滿圍巖裂隙、節理。清蓄電站引水水道充水試驗一次成功，各項檢測指標和數據均優于設計和規范要求。

6.1 灌漿材料的選擇

在不良地質段水泥灌漿可以采用超細水泥，盡可能以相對化學漿液低廉的材料充填大部分的裂隙、節理，其對破碎地帶的效果尤為明顯。硅酸鹽水泥在灌漿之前加入5%～10%的硅粉，對于抑制混凝土析鈣有所抑制[7]。灌漿結束之后，對水道環氧噴涂可有效防止淡水殼菜對水道的侵蝕，提高水道的使用壽命。

6.2 灌漿參數的選擇

對于可灌性好的洞段適當加密灌漿孔距，提高封閉效果?？梢允苟炊蝺攘严豆澙淼玫匠浞值奶畛?，對深層發育的裂隙效果更為顯著。

6.3 施工縫的處理

電站引水道混凝土襯砌由于自身收縮、澆筑質量等因素必然是有施工縫的，往往施工縫會成為滲水通道，容易造成內水外滲。處理施工縫如果僅僅采用沿縫刻槽處理實際上只是外觀的美化，在洞內高水壓的作用下很容易被破壞，刻槽處理甚至會成為更大的缺陷。對于滲水明顯的施工縫，在其左右布置兩排灌漿孔，阻斷其滲水通道，既不會對混凝土的完整性造成損壞，又能從根本上解決施工縫滲水的問題。

6.4 灌漿質量的檢查

取芯檢查如果僅僅停留在肉眼觀察的層面，相對投入是不值得的。可適當選取重要部位的巖芯送入實驗室進行切片、磨片或激光共聚焦技術制樣分析[8]，觀察其微觀結構，分析其化學物質，在不同物理環境下分析其狀態、強度等的變化，從而更加全面的評價灌漿質量及后續可能變化。

參考文獻：

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[8] 許晶,黃操軍，孟艷君.激光共聚焦技術在巖芯圖像分析中的應用[J].中國新技術新產品,2010(09):9-10.