錦屏一級水電站f2斷層化學灌漿施工質量控制探討

劉超，李俊濤

（中國水電第七工程局有限公司成都水電工程建設有限公司，成都611730）

1 引言

在我國，化學灌漿技術已經走過了幾十年的發展歷史，其中的灌注工藝和漿材也隨著不斷地發展而得以逐步改善[1]。近年來，化學灌漿在軟弱巖帶、斷層處理中的應用越來越廣泛，灌注效果也十分顯著，發展前景十分廣闊。作為一項復雜的工程技術，目前并無有關化學灌漿在施工過程中如何有效控制質量的工法[2]。

不管是施工準備階段還是施工階段，均存在影響化學灌漿灌注效果的因素。在施工準備階段，工程項目所處的地質環境、所選漿材的性能、即將應用的灌注機具均會影響化學灌漿灌注效果，因此，技術人員和施工人員需在此階段重點考慮上述問題。而在施工過程中，各施工工序相互聯系、相互制約，相互之間的影響也會改變化學灌漿的最終灌注效果[3]。通過實地調查了解到，施工人員在施工現場應密切關注化學灌漿時的孔內排水情況與漿液膠凝時間。此外，在化學灌漿施工時，漿液返滲情況較易出現，因此，施工人員應確保灌注過程具有合理性。

2 施工準備階段的控制

2.1 工程地質的掌握

在施工準備階段，施工方對工程地質資料的掌握非常關鍵，因為基巖的結構、走向與分布的狀況是施工的重要依據。對于化學灌漿施工階段而言，漿液的凝固很大程度上取決于基巖的成分、顆粒、含水狀況與化學成分。工程施工的推進也必須參照巖層的實際走向。因此，在進行化學灌漿之前，必須要首先做好巖體地質資料的處理工作[4]。

在錦屏一級水電站f2斷層的化學灌漿施工開始之前，經過初步勘察，斷層具有一定的復雜性，因此，研究組擬以其為研究工程，準確勘察該層出露的各斷面的地質情況，依據這些勘察文件，同設計人員、物探人員展開綜合討論，由此完成對該工程地質狀況的界定工作。表1 為本次會審的結果。

上述數據是對于該處地質情況的概括，令斷層露出的情況更為明晰，能夠作為現場施工的有力指導依據，保障施工的質量與安全性。對于化學灌漿施工而言，地質資料是極為重要的，在勘測分析階段就必須嚴謹認真地進行，確保資料的準確性。

表1 錦屏一級水電站左岸1670m 層4#固結灌漿洞的f2斷層揭示情況統計

2.2 灌注機具的選擇

化學灌漿過程中的原則就是以較緩的速率、較長的歷時周期，確保達到既定注入量。因此，為了保證灌漿工程質量，灌漿泵的選擇也非常重要。灌漿泵的性能參數也是決定工程質量和工期的關鍵。在錦屏一級f2斷層進行化學灌漿時，由于該處斷層地質狀況非常復雜，所以灌漿泵始終要處于較低流量的狀態，并且流量也應視工程推進情況而不斷調節。灌漿泵還需要具有較強的抗腐蝕性和能夠做到長時間無故障運行。在對多款國內外品牌型號的灌漿泵產品進行分析對比之后，本次工程選擇了以下兩款灌漿泵。第一是深圳帕斯卡公司的DMIX-C300 型；第二是天津機械廠生產的JDB-1250/1 型[5]。表2 列出了上述兩款產品的具體參數。

表2 化學灌漿泵性能參數表

灌漿泵的選擇對于化學灌漿工程的質量與工期也有著顯著的影響。上述兩款灌漿泵產品在性能方面的優勢就是對灌漿速率的控制較好，能夠比較理想地滿足本次工程的灌注要求，是對灌漿質量的有力保障。上述兩款產品在工作的故障率、持久性方面也不低于國外同類產品，同時，經濟性也較為理想。因此，對于本次錦屏一級f2斷層化學灌漿施工而言是理想的選擇。

3 灌漿施工階段的控制

3.1 灌注歷時的控制

在化學灌漿的實踐操作中，需要嚴格把控好灌漿歷時設置。如果歷時設置不合理可能直接導致灌漿施工失敗或者質量達不到預期效果。

圖1 PSI-501（6:1）：η-t 曲線

從圖1 的錦屏一級水電站f2斷層化學灌漿灌注漿液PSI（配合比為6：1）的η-t 曲線中可以看出，具有低粘度特點的環氧漿材的粘度與其灌漿歷時呈正相關。這意味著灌注時間越長，其粘度也會逐漸增大。一旦其粘度達到一定數值，漿材必然會出現可灌性差乃至失去可灌性等問題。基于此，可在漿材粘度達到可灌性的臨界點時及時停止灌注，這一操作可起到有效縮短灌注歷時、保證灌注質量的目的。在化學灌漿中，有效灌注歷時就是從起灌至粘度達到臨界點的時間段。從圖1 的η-t 曲線圖來看，本次化學灌漿施工中的環氧漿液粘度達到100MPa·s 時，灌注歷時為28h；當粘度達到300MPa·s 時，灌注歷時則高達48h。這些數據證明，環氧漿液粘度達到100MPa·s 時，其有效可灌性呈明顯下降趨勢，而達到300MPa·s 時，漿液有效可灌性基本失去，灌注歷時越來越長，化學灌漿質量難以保證[6]。

3.2 孔內余水的排除

施灌前，施工人員首先需將孔內積水排除，這樣才能避免后灌入的漿液同積水融合而形成乳濁液。除此以外，不及時排除孔內積水還會遭壓力擠壓并停留于裂隙中，導致漿液被水稀釋。被水稀釋后的漿液在進行膠凝操作后，附近巖體的物理力學性能將大大降低，具體表現為聲波值和變模降低。總之，不排除積水后的漿液難以達到相應的設計指標，甚至還會導致孔隙率低的被灌體尤其是孔隙率≤10%的被灌體無法進行純漿液填充，化學灌漿質量也將受到嚴重影響。因此，有效控制施灌前的孔內排水過程，在很大程度上有力地保障了施工質量[7]。

在本項目中，施工人員主要采用風、漿聯合排水進

行孔內排水操作。為確保灌注質量，開灌一定時間內還應不定時開啟回漿閥進行排水，具體操作如下：通過射漿管，應用高壓風排除大部分的水，然后再以漿排水。

圖2 孔內余水的排除

3.3 施灌中注入率的控制

在化學灌漿施工過程中，控制注入率是重要的施工步驟，能否實現控制注入率對工程整體灌漿質量有著很大影響。為提高巖層力學性能，施工人員在處理地層基礎時不僅要對細微的裂隙進行填充，還需滲透進巖層中，因此，通常在化學灌漿的地層基礎處理時會使用一種“浸潤式”灌注的巖層處理方法。此外，為保證化學漿液對巖層的有效滲透，在“浸潤式”灌注過程中還應遵循“低速率、慢浸潤”的原則。錦屏一級水電站左岸近壩區f2斷層的空間走向十分復雜，因此，施工人員在進行化學灌漿時需采取一定的措施來控制施灌過程中的注入率，如此才能確保化學漿液對巖層的有效浸潤。一般而言，注入率應控制在0.05～0.1L/min·m。當注入率≤0.05L/min·m 時，應適當升高灌漿壓力（以設計灌漿壓力為參考），當注入率≥0.1L/min·m 時，需適當降低灌漿壓力（以設計灌漿壓力為參考）或控制注入量，即控制好灌漿壓力和注入速率的協調關系，使灌漿過程達到長歷時、慢速率的目的，盡量達到一定的注入量，從而保證灌漿質量[8]。

3.4 漿液返滲的控制

作為施工過程中至關重要的一環，閉漿、待凝可避免已灌漿液出現返滲，同時，還可確保漿液的充分膠凝與固化，避免漿液在巖層裂隙與縫隙中出現灌注不飽滿的現象，并達到補強防滲的目的。

在具體施工過程中，技術人員發現，錦屏一級水電站f2斷層化學灌漿施工的處理難度極大，施工周期也比較緊張。如果按照上述DL/T 5406—2010 化學灌漿規范中所提出的閉漿方式來施工顯然是不可行的，這樣是無法有效保證施工節點的[9]。在此背景下，施工部門具體分析了錦屏化學灌漿的特點和工期要求，針對情況相對特殊的f2斷層化學灌漿后的閉漿操作采取了如下處理措施，即閉漿完成后，使用0.5：1 的水泥濃漿來置換孔內的化學漿液[10]，待其初凝后再實施下一段的鉆灌。這一操作的原理主要是基于水泥濃漿密度大于化學漿液，而水泥漿液的初凝時間通常為4～8h，如此也就可發揮封閉、阻斷孔內裂隙的作用。通過上述一系列施工步驟，f2斷層灌漿施工工程按期完工，并有效避免了漿液返滲，灌漿質量也得到了保障。

圖3 漿液返滲的控制

4 錦屏一級水電站左岸1670m 近壩區f2斷層帶化學灌注效果

從錦屏一級水電站左岸1670m 近壩區f2斷層帶化學灌注效果來看，其透水率均小于0.5Lu，單孔聲波波速在4600～4900m/s，巖體變形模量在5.1～7.7GPa，巖體抗剪強度在3.6～4.9MPa。之所以能夠達到這些效果，與技術人員科學分析地質情況、合理選擇灌漿機具以及合理控制灌漿過程中的關鍵工序有關。而在對f2斷層帶進行灌漿施工中所使用的PSI 系列環氧漿材，還起到了改善巖體滲透性和物理力學參數的重要作用。

圖4 不同巖層灌后化學漿液充填情況偏光檢測影像

5 結語

本研究以錦屏一級水電站左岸1670m 近壩區f2斷層帶為例，探究了化學灌漿施工中的質量控制問題[12]。在化學灌漿施工過程中，施工人員必須盡最大可能避開影響灌漿質量的因素，加強對施工過程的管控，這樣才能有力保障最終的灌注質量。