錦屏二級水電站引水洞綠片巖段灌漿試驗研究

楊 進 忠

(雅礱江流域水電開發有限公司，四川 成都 610051)

1 概 述

錦屏二級水電站利用四川雅礱江錦屏大河彎天然落差，通過單洞長約16.7 km的4條引水隧洞截彎取直引水發電。引水隧洞沿線錦屏山覆巖體埋深主要處于1 500～2 000 m，最大埋深達2 525 m，隧洞埋深大、洞線長、洞徑大，是世界上最大規模的水工洞室群工程[1]。

電站引水洞沿線地應力高、地下水豐富、地質條件復雜，隧洞設計支護體系和周邊圍巖共同組成承載結構和防滲主體。為了提高圍巖自身的整體穩定性，確保綠片巖洞段支護體系和圍巖的共同承載能力，隧洞周邊圍巖固結灌漿效果至關重要，甚至高于普通巖層洞段要求。綠片巖巖體特性和實際施工情況表明，綠片巖地層裂隙不發育、相對隔水、可灌性差，圍巖普通固結灌漿無法達到設計要求。為了解決該項技術難題，施工期間及時開展了加強固結灌漿試驗研究，即在普通固結灌漿完成的基礎上，分段進行細水泥灌漿和化學灌漿試驗，并分析對比兩種方案處理效果，選定技術可行、經濟合理的加強固結灌漿方案，以解決綠片巖地質洞段圍巖抗變形穩定問題。

2 基本巖層條件及巖性分析

錦屏二級水電站1號引水洞K1+470～2+000 m段巖體主要為綠泥石片巖，局部洞段夾有少量透鏡體或大理巖條帶，埋深普遍處于1 550～1 850 m，實測最大地應力為30.45 MPa。該洞段巖體自身性質差，并受褶皺構造擠壓和高地應力作用影響，圍巖較破碎且較為軟弱，綜合評價為Ⅳ類[1]。

綠片巖是一種區域變質巖，其主要礦物成分為綠泥石，呈片理構造，普遍為鱗片變晶結構。電站引水洞綠片巖經取樣試驗測試，單軸干抗壓強度為38.8 MPa，飽和抗壓強度為19.47 MPa，強度軟化系數約0.5；干燥巖石彈模為13.18 GPa，飽和彈模約3.54 GPa，彈模軟化系數約0.27，可見綠片巖遇水軟化效應十分突出[2-3]。

電站引水洞圍巖開挖松動圈測試表明，綠片巖洞段松弛范圍普遍處于3～6 m間，局部達6.6 m。施工期變形監測表明，綠片巖洞段實測收斂值較大，最大收斂值累計可達31 cm，最大收斂速率為0.197 cm/d。收斂基本穩定后，經斷面掃描檢測，圍巖變形量普遍處于20～60 cm間，局部竟然可超過100 cm[4]。

3 普通固結灌漿效果分析

為解決綠片巖洞段圍巖松散軟弱問題，隧洞襯砌和周邊圍巖形成整體受力結構和防滲體系，設計針對隧洞圍巖固結灌漿提出了嚴格的技術要求。

普通固結灌漿試驗在電站1號引水隧洞K1+566～606 m段實施。灌漿孔入巖深度9 m，灌漿壓力3～6 MPa，間排距2 m，梅花型布置。隧洞邊頂拱范圍灌漿分兩段實施，系統先完成整個試驗洞段淺層4 m范圍灌漿(灌漿壓力控制為3 MPa)，7～14 d后再進行深部4～9 m范圍灌漿施工(灌漿壓力控制為6 MPa)。隧洞底拱范圍內固結灌漿采用單孔由淺入深分兩段一次性灌漿方法。

普通固結灌漿后圍巖聲波測試，波速平均提高了6%，但普遍存在孔口0～3 m范圍內波速值低且集中的現象，無法滿足灌漿設計要求。為了盡可能減小灌漿施工用水對綠片巖的軟化影響，采用水泥漿(水灰比2∶1)進行灌漿質量壓漿檢查(壓力控制為1 MPa)。檢查過程中最大耗漿率為40.7 L/m，經過分析，普通固結灌漿質量壓水檢查不滿足設計要求[1]。灌漿前后各進行了6個鉆孔變形模量測試，灌前變模平均值0.44～3.54 GPa，測值全距(即最大值和最小值之差)0.53～3.89 GPa，灌后變模平均值2.65～4.57 GPa，測值全距3.1～5.38 GPa，灌后變模平均值較灌前有所提高，但孔內測值全距較大，尤其淺表孔段變模值較低，經過分析無法滿足設計要求。

4 加強固結灌漿試驗

普通固結灌漿灌后巖體質量無法完全達到設計要求，灌后變模平均值和測值全距，與設計要求存在差距，且全孔段變模差異明顯，尤其淺表段灌漿效果很難滿足設計要求。為了選擇合適的加強固結灌漿材料、灌漿工藝和參數，使灌漿設計和施工更符合實際情況，以確保灌漿質量，現場及時開展了化學灌漿和細水泥灌漿對比試驗。

4.1 化學灌漿

化學灌漿試驗采用HK-G和PSI兩種系列環氧樹脂類灌漿材料。主要灌漿配合比為HK-G-2系列8.5∶1和PSI-502-1系列6∶1，同時備用HK-G-2系列5∶1和PSI-530系列6∶1兩種速凝漿材以供特殊情況使用。

化學灌漿試驗在1號引水隧洞K1+586～606 m洞段邊頂拱范圍實施。灌漿孔排距2 m(共10排)，每環15/16孔，前5排鉆孔在普通固結灌漿原孔施工，后5排鉆孔在普通固結灌漿孔中間梅花形布置；灌漿孔孔徑φ56 mm，入巖深度6 m，成孔后使用壓力風進行孔段沖洗，直至孔口返風無巖屑或沖洗20 min。灌漿壓力為2～3 MPa，灌漿采用環間分兩序、環內加密，孔口封閉、全孔一段純壓式灌漿方法，遵照“長時間、小速率、盡量達到一定注入量”原則。在設計灌漿壓力下，當吸漿量不大于0.02 L/(min·m)，繼續灌注30 min或達到膠凝時間即結束灌漿；且每孔段灌漿持續最短時間控制在16～28 h內，最長時間不超過40 h。試驗表明，主要灌漿配合比和速凝漿材配合比的漿液初凝時間均較長(大于3 d)，變漿效果不顯著，故化學灌漿不變漿。

化學灌漿灌后7～14 d質量檢查，壓水檢查透水率均值0.23 Lu，最大值0.32 Lu，所有試段透水率均小于0.5 Lu；聲波測試85%檢測值大于基準值(4 500 m/s)，無小于設計標準(3 850 m/s)的測試值；變模測試最小值1.02 GPa，平均值4.45 GPa。由此可見，化學灌漿后壓水檢查和聲波測試滿足設計要求，但變模測試未完全滿足設計要求，初步分析原因為巖體的不均勻性及化學漿液齡期較短等所致。灌后3個月，重新對該試驗段進行了物探檢查，灌后變模平均值6 GPa，最小值4.08 GPa，滿足設計要求。

4.2 細水泥灌漿

細水泥灌漿試驗在1號引水隧洞K1+606～626 m段邊頂拱范圍實施。灌漿孔排距2 m，每環15/16孔，在普通固結灌漿孔中間梅花形布置；灌漿孔孔徑φ50 mm，入巖深度4 m，成孔后使用壓力風進行沖洗，直至孔口返風無巖屑或沖洗20 min，然后利用模袋技術埋設兩根φ20 mm孔口管(即進、回漿管)。灌漿壓力為3～5 MPa，水灰比采用1∶1、0.6∶1兩種，采用環間分兩序、環內加密，孔口封閉、孔內循環、全孔一段式灌漿方法。細水泥漿液制漿采用高速攪拌機攪拌時間不少于180 s。在設計灌漿壓力下，當灌漿孔吸漿量每分鐘不大于1 L，繼續灌注30 min后結束灌漿。由于普通固結灌漿后圍巖已充填較為密實，細水泥灌漿過程中達不到規范規定漿液變換標準，故細水泥灌漿不變漿。

試驗成果顯示，灌前波速平均值4 766 m/s，灌后波速平均值4 968 m/s；灌前透水率平均值0.82 Lu，灌后透水率平均值0.5 Lu；灌前變模平均值3.57 GPa，最小值1.25 GPa，灌后變模平均值6.02 GPa，最小值4.07 GPa，均滿足設計要求。

4.3 技術經濟分析

由上述試驗成果分析，化學灌漿具有強度高、滲透性好、對巖層微裂隙充填膠結較好等特點，3個月后各項質量檢查指標滿足設計要求；細水泥利用其超微粒特點，比普通水泥具有更好的滲透性，在一定壓力下具備良好可灌性，灌漿質量檢查指標滿足設計要求，故兩種加強固結灌漿方案在技術上均能滿足工程需要。

從灌漿試驗具體實施過程分析，細水泥灌漿工藝與普通固結灌漿基本一致，除了灌漿基材外，其他臨建設施、設備和人力資源等與正在大規模進行的普通固結灌漿施工可以通用；而化學灌漿相對水泥固結灌漿專業性要求更高，為了確保環保及作業人員職業健康要求，在設備和人力資源引進、灌漿基材調制使用及回收處理等全過程均須嚴加管控，否則，與現場實際施工條件的適宜性不足。從施工工效分析，細水泥灌漿與普通水泥灌漿施工基本一致；而化學灌漿每孔段灌注時間較長，漿材強度上升慢、待凝時間長，工效不高。另外，根據現場實際消耗統計數據分析，單位長度孔段灌漿處理所需的化學漿材費用明顯高于細水泥材料費用。故在工程實施階段補充加強固結灌漿施工，細水泥灌漿比化學灌漿更具經濟合理性、可操作性和環保優勢。

通過細水泥灌漿和化學灌漿試驗對比，兩種加強固結灌漿方案技術均可行，在施工工效、便利、投入等經濟性以及環保性方面，細水泥灌漿更具優勢，經過統籌分析論證，錦屏二級水電站1號引水隧洞綠片巖洞段加強固結灌漿最終選定細水泥固結灌漿方案。

5 實際應用及監測成果分析

錦屏二級水電站1號引水洞綠片巖洞段在普通固結灌漿的基礎上采用細水泥實施加強固結灌漿，波速大于4 500 m/s的圍巖測試范圍占比96.6%，沒有小于3 850 m/s測試值；壓漿檢查共71段，透水率小于0.5 Lu試驗段占比為89%，處于0.5～0.75 Lu間的試驗段占比為8%，剩余兩個試驗段透水率為0.77、0.79 Lu，略大于0.75 Lu；鉆孔變摸測試最小值4.07 GPa，平均值6.02 GPa，可見聲波和變模測試滿足設計要求，壓水檢查經綜合分析，總體滿足工程處理要求[5-7]。

錦屏二級水電站1號引水隧洞綠片巖洞段埋設多點位移計、錨桿應力計、錨筋樁應力計、錨索應力計、鋼筋應力計、無應力計、測縫計等多種監測儀器，歷史監測數據變幅較大情況主要發生在工程施工和隧洞充放水試驗期間，多點位移計實測位移典型過程線，見圖1。截至2020年2月，電站1號引水隧洞已充水投運7年有余，圍巖變形、圍巖支護應力、襯砌混凝土應力應變、襯砌與圍巖接觸應力等各項監測數據已長時間保持基本穩定，表明隧洞綠片巖洞段圍巖處于穩定狀態，細水泥加強固結灌漿處理方法選擇合理。

6 結 語

綠泥石片巖巖體質地軟弱、自穩性差、徐變突出、遇水軟化明顯、相對隔水且灌漿可灌性差，是工程建設尤其水利隧洞工程建設的一大難題。為了在普通水泥固結灌漿的基礎上補充加強灌漿以有效解決綠泥石片巖質引水隧洞長期安全穩定和防滲問題，經過經濟技術比較，細水泥加強固結灌漿比化學灌漿方法更為優秀，且實際應用效果較好，為類似項目提供成功經驗。