金溝河一級(jí)水電站隧洞圍巖高壓固結(jié)灌漿處理

唐 軍，張亞智

（1.新疆金溝河流域管理局，新疆 沙灣 832100；2.洋縣引酉工程灌溉管理局，陜西 洋縣 723300）

1 工程概況

金溝河一級(jí)水電站工程位于新疆維吾爾自治區(qū)塔城地區(qū)沙灣縣內(nèi)，水電站工程旨在通過(guò)自身15.64 m高的攔河壩的實(shí)現(xiàn)對(duì)金溝河流域集水面積1265.17 km2河川徑流的截引，通過(guò)長(zhǎng)度5.74 m的φ3.8 m壓力隧洞以及φ2.8 m的系統(tǒng)管道完成流域至水電站廠房的引流。金溝河一級(jí)水電站廠房位于金溝河河道右岸岸臺(tái)，離沙灣縣縣城74 km。工程裝機(jī)總?cè)萘?4 MW，年均供電量5533.5萬(wàn)kW·h，裝機(jī)耗費(fèi)小時(shí)數(shù)2231.1 h，所使用裝機(jī)水輪機(jī)為15 MW×2臺(tái)+10 MW×1臺(tái)，工程為小（Ⅰ）型，等級(jí)四級(jí)，水電站工程主要包括主流攔河壩、支流引水壩、進(jìn)水口、引水隧洞、壓力管道、升降壓泵、廠房、尾水渠等建筑物。

2 水文地質(zhì)條件

2.1 水文地質(zhì)條件試驗(yàn)成果

2.1.1 壓水試驗(yàn)和水力劈裂試驗(yàn)

金溝河一級(jí)水電站隧洞區(qū)域地下水主要是基巖裂隙水，儲(chǔ)存在斷層裂隙及孔洞內(nèi)，依靠環(huán)境降水和重構(gòu)地表水的下滲完成補(bǔ)給。常規(guī)壓水試驗(yàn)在水電站地下廠房進(jìn)行，在243段試驗(yàn)段中有242段透水率低于8.9 Lu，均值0.89 Lu，圍巖巖體弱透水性。其余一段則位于斷層破碎帶，透水率為25 Lu，巖體中透水性。高壓壓水試驗(yàn)結(jié)果表明，金溝河一級(jí)水電站隧洞內(nèi)個(gè)別斷層破碎帶存在一定透水性外，其余試驗(yàn)段均屬于弱透水性。

為分析工程區(qū)水文地質(zhì)情況，還需進(jìn)行水力劈裂試驗(yàn)。對(duì)于隧洞內(nèi)兩段裂隙密集帶其劈裂壓力較低，分別為4.5 MPa和5.3 MPa；另一陡峭發(fā)育張性裂隙劈裂壓力僅有4.1 MPa，其余試驗(yàn)段劈裂壓力均在6.8 MPa～11.5 MPa范圍。水力劈裂試驗(yàn)結(jié)果顯示，對(duì)于埋深55 m以下的弱風(fēng)化混合巖層劈裂壓力最小為4.8 MPa，工程區(qū)隧洞圍巖巖體屬微透水性，此性能及透水率并不受地層壓力條件不同的影響，圍巖巖體完全能承受高內(nèi)水壓力的影響，不會(huì)發(fā)生滲透破壞[1]。

以上壓水試驗(yàn)和水力劈裂試驗(yàn)結(jié)果表明，金溝河一級(jí)水電站隧洞地層水文地質(zhì)條件完全適合鋼筋混凝土襯砌及高壓固結(jié)灌漿的實(shí)施。

2.1.2 斷裂透水性

通過(guò)圍巖巖層開挖發(fā)現(xiàn)斷層涌水、滴水現(xiàn)象存在，NE向斷層用水量較大，通過(guò)主探洞進(jìn)行斷層揭露發(fā)現(xiàn)大規(guī)模突發(fā)性涌水，地下水由掌子面距離探洞底板1 m、直徑25 cm的孔內(nèi)噴射而出，初始單位流量1.5 m3/s，歷時(shí)5 h的累計(jì)涌水量多達(dá)2.55萬(wàn)m3，此后涌水逐漸減小，10 d后單位流量降至0.0269 m3/s。探洞斷層涌水發(fā)生后導(dǎo)致中平洞水位分別降低285 m和115 m，下平洞和高壓岔管水位分別降低240.49 m和156.95 m；中斜井處地下水位埋深本身不大，所以斷層涌水后地下水位并無(wú)明顯變化。上述結(jié)果表明，金溝河一級(jí)水電站隧洞斷層屬儲(chǔ)水-導(dǎo)水構(gòu)造，儲(chǔ)水孔洞和透水裂隙斷層網(wǎng)絡(luò)[2]普遍存在，在隧洞圍巖開挖時(shí)所有斷層必將出現(xiàn)滲水和滴水現(xiàn)象，部分裂隙也會(huì)出現(xiàn)，地下水資源豐富，斷層透水性強(qiáng)、水滲透性能良好。

2.2 主要水文地質(zhì)問(wèn)題

隧洞施工開挖主要揭示西北向斷層并傳統(tǒng)中下斜井、中平洞，斷層透水性能良好，開挖后將發(fā)生滲水、滴水及股狀水，下斜井NW向斷層內(nèi)滲水較多，連通NE向斷層后同時(shí)穿過(guò)高壓隧洞，加之?dāng)鄬訉購(gòu)埿院蛷堔中裕杆詮?qiáng)，斷層網(wǎng)絡(luò)及水文地質(zhì)條件復(fù)雜。高壓隧洞出現(xiàn)內(nèi)水外滲后經(jīng)由NW向滲入斷層、高壓隧洞及廠房，將對(duì)混凝土襯砌施工造成不利影響，甚至隨著引水鋼管外水壓力的不斷升高而引發(fā)鋼管內(nèi)鼓、圍巖失穩(wěn)。

3 隧洞圍巖高壓固結(jié)灌漿處理

3.1 灌漿設(shè)計(jì)

按照透水襯砌理論進(jìn)行高壓隧洞設(shè)計(jì)，充水將引起隧洞圍巖混凝土開裂，高壓內(nèi)水出現(xiàn)外滲，為了減輕內(nèi)水外滲所引起水量損失并控制可能引發(fā)的圍巖失穩(wěn)，必須進(jìn)行水電站隧洞圍巖高壓水道固結(jié)灌漿處理。

3.1.1 水泥固結(jié)灌漿

水泥固結(jié)灌漿通常按隧洞靜力水頭的1.3～1.6倍設(shè)置灌漿壓力，壓力值最大不能超過(guò)7.0 MPa，本工程隧洞圍巖高壓固結(jié)灌漿上中下斜井灌漿壓力分別為3.5 MPa、4.5 MPa和7.0 MPa。中平洞和下平洞灌漿壓力分別為5.0 MPa和7.5 MPa。除下斜井、下平洞灌漿孔深4.5 m外，其余洞段內(nèi)Ⅰ～Ⅱ類圍巖灌漿孔深3.5 m、Ⅲ～Ⅳ類圍巖灌漿孔深5.5 m。下平洞和高壓岔管灌漿孔距1.5 m，下斜井孔距2 m，其余洞段灌漿孔距3.0 m。對(duì)于特殊的地質(zhì)構(gòu)造區(qū)域或灌漿存在異常的特殊孔段必須做加密或加深灌漿處理，此外，對(duì)于下平洞和高壓岔管內(nèi)的斷層還必須增設(shè)20 m孔深，單排通常布設(shè)2～4個(gè)深孔。

3.1.2 化學(xué)固結(jié)灌漿

在水電站隧洞圍巖下平洞和高壓岔管還需實(shí)施系統(tǒng)性化學(xué)灌漿，孔深7.5 m，孔距1.5 m，每排布設(shè)10孔，對(duì)于斷層及透水性較大的特殊圍巖應(yīng)增加孔洞布設(shè)。同時(shí)，對(duì)于中斜井、下斜井和中平洞特殊地質(zhì)構(gòu)造圍巖也必須進(jìn)行化學(xué)固結(jié)灌漿，根據(jù)斷層產(chǎn)狀進(jìn)行孔距、孔深、孔數(shù)等的確定。化學(xué)固結(jié)灌漿壓力與相同部位水利固結(jié)灌漿壓力相同。固結(jié)灌漿孔選擇徑向孔，孔向主要依據(jù)隧洞圍巖斷層、結(jié)構(gòu)面等進(jìn)行調(diào)整，以確保灌漿孔多穿過(guò)結(jié)構(gòu)面。

3.2 灌漿材料

除使用普通的硅酸鹽水泥外，還包括JD-1改性環(huán)氧防水補(bǔ)強(qiáng)劑和改性環(huán)氧樹脂，此種型式的抗?jié)B劑力學(xué)性能優(yōu)良，具有抗老化、無(wú)毒副、抗?jié)B等優(yōu)勢(shì)[3]。主劑、固化劑和促進(jìn)劑按100∶7∶1的比例完成配比，并結(jié)合固結(jié)灌漿實(shí)際進(jìn)行漿液配置，由人工均勻拌和，拌和時(shí)間≥10min，漿液初凝時(shí)間保持在10 h左右。

3.3 固結(jié)灌漿施工

3.3.1 造孔與洗孔

固結(jié)灌漿造孔對(duì)于孔深不足7.5 m的情況采用φ42 mm或φ50 mm鉆頭的手風(fēng)鉆一次性完孔，而對(duì)于孔深超過(guò)7.5 m的深孔則采用圓盤鉆。造孔前掌握好鉆孔角度，避免孔向偏離，影響灌漿圈封閉性能。鉆孔完畢后，使用大流量水按低于1 MPa的沖洗壓力沖洗孔壁，待孔壁內(nèi)鹽粉和泥渣等徹底沖凈，回水清澈后結(jié)束。

3.3.2 灌漿過(guò)程控制

（1）水泥灌漿。按照環(huán)間分序、環(huán)內(nèi)加密、孔內(nèi)分段的順序進(jìn)行高壓岔管漿液灌注，首段段長(zhǎng)分別為2.5 m、3.5 m或3.0 m，次段段長(zhǎng)為2.5 m或5.5 m。由于中下斜井借助爬升器牽引作用完成灌漿，其操作平臺(tái)通常只能上而不能下，所以，灌漿應(yīng)從低至高逐排進(jìn)行，同排內(nèi)則從底孔至頂孔逐孔完成。剩余洞段則按環(huán)間分序和環(huán)內(nèi)加密完成全孔一次性灌注。

（2）化學(xué)灌漿。實(shí)行純壓式全孔一次性灌注，在襯砌混凝土內(nèi)接近圍巖與混凝土的接觸面安裝阻塞器，并防止高壓化學(xué)灌漿過(guò)程可能對(duì)混襯砌凝土產(chǎn)生高壓劈裂的不利影響。初灌環(huán)節(jié)實(shí)行低壓慢灌，并逐步升壓，每次壓力提升幅度≤0.1 MPa，直至達(dá)到設(shè)計(jì)要求則結(jié)束升壓。之后按照灌漿范圍及孔洞布設(shè)，從隧洞底部開始向兩側(cè)逐次灌漿，并通過(guò)鄰孔排水排氣，一旦出現(xiàn)鄰孔冒漿現(xiàn)象，必須盡快排出積水、堵塞鄰孔。

3.3.3 固結(jié)灌漿控制

（1）水泥灌漿。當(dāng)灌漿壓力不足4.5 MPa時(shí)，應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)壓力待注入率低于1 L/min之時(shí)，持續(xù)灌注30 min就可結(jié)束灌漿；當(dāng)灌漿壓力超過(guò)4.5 MPa時(shí)，待注入率低于2 L/min時(shí)持續(xù)灌漿20 min便可結(jié)束灌注。灌漿完畢后為了防止泄壓導(dǎo)致灌入漿液的流失，應(yīng)先關(guān)閉灌漿閥門，再停止灌漿泵。

（2）化學(xué)灌漿。待灌漿壓力符合設(shè)計(jì)要求且進(jìn)漿量不足0.05 L/min時(shí)持續(xù)壓漿10 min后便可閉漿結(jié)束化學(xué)灌漿過(guò)程。結(jié)束后還要拔塞并在漿孔卡塞段按水∶灰∶砂=0.5∶1.0∶1.0的比例配比封閉液，同時(shí)摻入水泥用量3.5%輕燒MgO水泥砂漿封閉灌漿孔，由于封閉液具有微膨脹作用，故應(yīng)預(yù)防干縮裂縫的形成。

3.4 灌漿效果檢查

檢查方式以壓水試驗(yàn)為主，聲波值比對(duì)為輔。經(jīng)檢查，水泥固結(jié)灌漿透水率低于2.0 Lu，化學(xué)固結(jié)灌漿透水率低于1.5 Lu，合格率達(dá)到100%。對(duì)上中下平洞、高壓岔管等進(jìn)行灌漿前后聲波比對(duì)測(cè)試，結(jié)果表明，上平洞灌漿前聲波波速均值3687 m/s～4260 m/s，中下平洞灌漿前后聲波波速均值低于4000 m/s，灌漿結(jié)束后聲波波速均值在4894 m/s～4926 m/s范圍內(nèi)。高壓岔管灌漿前波速均值3172 m/s～3284 m/s，灌漿后均值4700 m/s～4725 m/s，可見，固結(jié)灌漿使隧洞圍巖整體穩(wěn)定性提升。

4 結(jié)論及討論

結(jié)合所進(jìn)行的常規(guī)壓水試驗(yàn)、水壓劈裂試驗(yàn)成果及工程區(qū)水文地質(zhì)調(diào)查資料，金溝河流域一級(jí)水電站高壓隧洞部分圍巖呈弱滲透性，內(nèi)水壓力構(gòu)成圍巖主要應(yīng)力，抗水力劈裂壓力不高，下平洞及高壓岔管在內(nèi)水壓力下發(fā)生水力劈裂可能性很小，適宜限裂鋼筋混凝土襯砌施工。工程區(qū)張拗性斷裂發(fā)育，透水性良好，區(qū)域NW向發(fā)育斷層形成強(qiáng)透水性網(wǎng)絡(luò)，容易引發(fā)高壓內(nèi)水外滲，且增加了水文地質(zhì)條件的復(fù)雜性。對(duì)于本工程較為復(fù)雜的水文地質(zhì)條件，應(yīng)實(shí)施隧洞系統(tǒng)性高壓水泥固結(jié)灌漿及局部化學(xué)灌漿的防滲措施，針對(duì)灌漿異常等特殊洞段則實(shí)行深孔加密固結(jié)灌漿強(qiáng)化防滲，灌漿處理效果明顯，且灌漿措施的實(shí)施并不影響圍巖巖體的完整性及不透水性。