勝利水電站庫(kù)區(qū)消落帶泥質(zhì)砂巖區(qū)環(huán)氧樹脂干預(yù)材料研究

張 偉

（遼寧潤(rùn)中供水有限責(zé)任公司,遼寧 沈陽(yáng) 110166）

1 工程背景

勝利水電站屬于渾河的重要支流蘇子河梯級(jí)開發(fā)的最末一級(jí)，是一座以發(fā)電為主，兼具防洪和養(yǎng)殖等諸多綜合性功能的大型水利樞紐工程[1]，壩址位于遼寧省新賓縣勝利村境內(nèi)，工程等別為Ⅳ等[2]。勝利水電站工程選定方案的水庫(kù)正常蓄水位為146 m時(shí)，相應(yīng)庫(kù)容為356.8 萬(wàn)m3。水庫(kù)按20年一遇洪水設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)洪水位為146.78 m；100 年一遇洪水校核，校核洪水位為148.07 m，水庫(kù)總庫(kù)容為586.7 萬(wàn)m3。該工程由擋水壩、翻板閘、沖沙閘、電站廠房及變電站等組成。最大壩高21.79 m，翻板閘總凈寬140.0 m，翻板閘堰頂高程141 m，閘門高為5.0 m。沖沙閘閘門尺寸為7 m×6.5 m，底板高程為140.0 m，電站總裝機(jī)容量14100 kW，多年平均發(fā)電量3232萬(wàn) kW·h。年利用小時(shí)數(shù)2450 h，電站保證出力11250 kW[3]。在電站建成運(yùn)行過(guò)程中，上游庫(kù)區(qū)會(huì)因?yàn)閹?kù)水位的升降變化形成落差較大的消落帶。水庫(kù)庫(kù)區(qū)消落帶內(nèi)的巖體由于受到濕干交替作用的影響，有可能引起巖體本身宏觀力學(xué)性質(zhì)的變化，特別是力學(xué)強(qiáng)度的劣化，進(jìn)而對(duì)邊坡的穩(wěn)定性和工程的安全運(yùn)行造成不利影響或潛在威脅[4]。當(dāng)然，不同類型的巖體受上述濕干作用的影響程度是不同的。勝利水電站壩址位于蘇子河上游的峽谷段內(nèi)，河道呈彎曲的“S”型，總體為右凸岸，坡度為40°～ 45°，有殘存的Ⅲ級(jí)基座階地，高程為320.00 m～341.20 m，河床覆蓋層厚5 m～16 m。壩址上下游為主要為侏羅紀(jì)和三疊紀(jì)地層，出露巖層以結(jié)晶片巖為主，具有相對(duì)完整的下盤，巖層產(chǎn)狀比較穩(wěn)定。鉆孔和探洞顯示，壩址區(qū)巖體風(fēng)化深度不大。壩址區(qū)的地下水根據(jù)埋藏條件，有裂隙潛水和局部裂隙承壓水兩種類型。均由大氣降水補(bǔ)給，向河床排泄。

勝利水電站上游左岸消落帶分布有面積較大的侏羅紀(jì)和三疊紀(jì)泥質(zhì)砂巖，這種性質(zhì)的巖體在遇水后會(huì)發(fā)生幅度較大的力學(xué)強(qiáng)度劣化，對(duì)其進(jìn)行一定的劣化進(jìn)程干預(yù)是十分必要的[5]。目前，針對(duì)軟巖力學(xué)強(qiáng)度劣化的干預(yù)方式主要有三種，分別是錨固、電化學(xué)加固以及化學(xué)材料加固[6]。對(duì)于水庫(kù)運(yùn)行期間消落帶長(zhǎng)期處于“濕干”交替作用的復(fù)雜物理化學(xué)環(huán)境條件中，采用錨固方法時(shí)，由于錨桿或錨索長(zhǎng)期置于水環(huán)境中容易發(fā)生銹蝕，致使錨固方法的耐久性無(wú)法保證，不宜使用；采用電化學(xué)加固時(shí)，由于消落帶附近存在大量的可導(dǎo)電的庫(kù)水，電化學(xué)方法的效果將明顯減弱，也不宜使用。因此，采用化學(xué)材料加固就成為當(dāng)前唯一可行的方法。

2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

2.1 干預(yù)材料的選取

泥質(zhì)砂巖的遇水后力學(xué)強(qiáng)度劣化的主要原因有兩個(gè)方面：①粘土礦物隨著庫(kù)水位的升降而產(chǎn)生的吸水膨脹與失水干燥；②砂巖巖體中存在的方解石、石英以及長(zhǎng)石等各種硅氧化合物的遇水融蝕以及水壓作用下的微裂隙擴(kuò)展。上述兩種作用的共同影響，最終導(dǎo)致巖體顆粒之間的膠結(jié)作用變?nèi)酢?/p>

基于上述劣化原因，勝利水電站庫(kù)區(qū)上游消落帶泥質(zhì)砂巖的力學(xué)強(qiáng)度劣化的化學(xué)干預(yù)材料需要滿足以下五個(gè)要求：①要有良好的隔水性，能夠阻斷水分進(jìn)入巖體內(nèi)部；②材料本身要具有良好的環(huán)保屬性，不會(huì)對(duì)庫(kù)區(qū)的水環(huán)境造成明顯的污染；③材料本身要有較強(qiáng)的耐腐蝕性，能夠經(jīng)受住庫(kù)水的長(zhǎng)期侵蝕；④材料本身要與泥質(zhì)砂巖有良好的親和力，具有良好的粘結(jié)性；⑤材料要具有良好的抗老化性能。

結(jié)合上述要求，環(huán)氧樹脂無(wú)疑是最適合的化學(xué)材料。但是，該類材料目前主要應(yīng)用于建筑物的補(bǔ)強(qiáng)加固，尚未有消落帶巖體劣化干預(yù)的研究成果。基于水庫(kù)消落帶特殊環(huán)境特點(diǎn)，結(jié)合建筑補(bǔ)強(qiáng)加固領(lǐng)域環(huán)氧樹脂材料，特別是中國(guó)專利ZL201510081359.0 和ZL201110237103.6 中的相關(guān)成果和不足[7～8]，提出由E51 環(huán)氧樹脂為主，添加不同數(shù)量的正丁基縮水甘油醚以及651 低分子聚酰胺的材料。其中，正丁基縮水甘油醚為稀釋劑，以降低材料的粘度，651 低分子聚酰胺為固化劑，提高材料在巖體表面的附著力。

2.2 材料的配比方案

材料的配比對(duì)劣化干預(yù)效果存在顯著影響。勝利水電站上游的消落帶的泥質(zhì)砂巖主要表現(xiàn)為中風(fēng)化到強(qiáng)風(fēng)化狀態(tài)，因此，針對(duì)兩種不同風(fēng)化程度的巖體，提出不同的材料配比方案。以往的研究表明[9]，當(dāng)E51 環(huán)氧樹脂和651 低分子聚酰胺的比例為100∶（30 ～50） 時(shí)，兩者反應(yīng)形成的固化產(chǎn)物力學(xué)性能及防腐性能較好，當(dāng)E51 環(huán)氧樹脂和丁基縮水甘油醚混合的比例達(dá)到100∶40 時(shí)，環(huán)氧樹脂幾乎可以完全稀釋于丁基縮水甘油醚中，流動(dòng)性極好。最終，結(jié)合不同風(fēng)化程度巖石的特征以及材料涂刷的易操作性和經(jīng)濟(jì)性，提出材料配比方案，見表1。

表1 材料配比試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

2.3 試驗(yàn)方案

在庫(kù)區(qū)進(jìn)行中風(fēng)化和強(qiáng)風(fēng)化的泥質(zhì)砂巖采樣，每種配比取3 組45 個(gè)使用該配比的環(huán)氧樹脂材料涂抹后的中風(fēng)化紅砂巖和強(qiáng)風(fēng)化紅砂巖試樣進(jìn)行如下試驗(yàn)：每組的15 個(gè)樣本每3 個(gè)樣本分別進(jìn)行0 次、1 次、4 次、8 次和16 次濕干交替作用，然后進(jìn)行壓縮試驗(yàn)。其中，對(duì)第一組按照圍壓0 MPa進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，第二組、第三組分別按照圍壓1 MPa、2 MPa進(jìn)行三軸壓縮試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用公式（1）計(jì)算獲取試樣的峰值抗壓強(qiáng)度值，以獲得不同配比的環(huán)氧樹脂材料在岸坡應(yīng)力以及庫(kù)水漲落條件下對(duì)泥質(zhì)砂巖的力學(xué)強(qiáng)度的干預(yù)性能。

式中：σ為峰值抗壓強(qiáng)度，MPa；P為破壞荷載，N；A為截面面積，m2。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 中風(fēng)化樣本試驗(yàn)結(jié)果與分析

按照上述試驗(yàn)方案，對(duì)不同配比的環(huán)氧樹脂材料干預(yù)下的泥質(zhì)砂巖試樣在不同圍壓和濕干交替次數(shù)下進(jìn)行單軸或三軸壓縮試驗(yàn)，并根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算出相應(yīng)的峰值抗壓強(qiáng)度，結(jié)果見圖1～圖3。由試驗(yàn)結(jié)果可知，試驗(yàn)結(jié)果的數(shù)據(jù)點(diǎn)存在一定的離散性，究其原因，主要是天然巖石試樣具有明顯的非均質(zhì)性特點(diǎn)。但是，通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果仍可以看出泥質(zhì)砂巖在水庫(kù)消落帶周期性濕干交替作用下峰值抗壓強(qiáng)度的變化特征。

采用Z1 配比的試樣，在第1 次濕干交替作用之后，就出現(xiàn)了十分明顯的峰值抗壓強(qiáng)度劣化，與沒(méi)有經(jīng)過(guò)濕干交替作用的試樣相比，在0 MPa、1 MPa、2 MPa三種不同圍壓條件下，其峰值抗壓強(qiáng)度分別下降了2.45%、1.68%和2.23%；同時(shí)，隨著濕干交替作用次數(shù)的不斷增加，試樣的峰值抗壓強(qiáng)度不斷降低，但是劣化幅度不斷減小，劣化速率呈現(xiàn)不斷減慢的趨勢(shì)。在試樣經(jīng)歷4 次濕干交替作用之后，三種不同圍壓條件下的峰值抗壓強(qiáng)度分別下降了7.13%、10.27%和11.87%；在試樣經(jīng)歷8 次濕干交替作用之后，三種不同圍壓條件下的峰值抗壓強(qiáng)度分別下降了5.87%、8.98%和10.49%；在試樣經(jīng)歷16 次濕干交替作用之后，三種不同圍壓條件下的峰值抗壓強(qiáng)度分別下降了6.21%、9.13%和10.50%。

采用Z2 配比的試樣，在第1次濕干交替作用之后，出現(xiàn)了較為明顯的峰值抗壓強(qiáng)度劣化，但是與采用Z1 配比的試樣相比，劣化幅度較小，與沒(méi)有經(jīng)過(guò)濕干交替作用的試樣相比，在0 MPa、1 MPa、2 MPa三種不同圍壓條件下，其峰值抗壓強(qiáng)度分別下降了1.72%、1.37%和1.30%；同時(shí)，隨著濕干交替作用次數(shù)的不斷增加，試樣的峰值抗壓強(qiáng)度不斷降低，劣化幅度不斷減小，劣化速率不斷減慢。在同樣次數(shù)的濕干交替作用以及同樣圍壓條件下，采用Z2 配比的試樣較采取Z1配比的試樣其峰值抗壓強(qiáng)度的下降幅度明顯偏小。這說(shuō)明，采用Z2 配比可以獲得更好地干預(yù)效果。

采用Z3 配比的試樣，在第1 次濕干交替作用之后，出現(xiàn)了較為明顯的峰值抗壓強(qiáng)度劣化，與采用Z2 配比的試樣相比，劣化幅度有所加大。隨著濕干交替作用次數(shù)的不斷增加，試樣的峰值抗壓強(qiáng)度不斷降低，但是劣化幅度不斷減小，劣化速率不斷減慢。三種不同配比的試驗(yàn)結(jié)果顯示，采用Z2配比可以獲得更好地干預(yù)效果。

圖1 中風(fēng)化試樣0 MPa圍壓試驗(yàn)結(jié)果

圖2 中風(fēng)化試樣1 MPa圍壓試驗(yàn)結(jié)果

3.2 強(qiáng)風(fēng)化樣本試驗(yàn)結(jié)果與分析

按照上述試驗(yàn)方案，對(duì)不同配比的環(huán)氧樹脂材料干預(yù)下的強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖試樣在不同圍壓和濕干交替次數(shù)下進(jìn)行單軸或三軸壓縮試驗(yàn)，并根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算出相應(yīng)的峰值抗壓強(qiáng)度，結(jié)果見圖4～圖6。通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果仍可以看出泥質(zhì)砂巖在水庫(kù)消落帶周期性濕干交替作用下峰值抗壓強(qiáng)度的變化特征。

圖3 中風(fēng)化試樣2 MPa圍壓試驗(yàn)結(jié)果

圖4 強(qiáng)風(fēng)化試樣0 MPa圍壓試驗(yàn)結(jié)果

圖5 強(qiáng)風(fēng)化試樣1 MPa圍壓試驗(yàn)結(jié)果

圖6 強(qiáng)風(fēng)化試樣2 MPa圍壓試驗(yàn)結(jié)果

采用Q1 配比的試樣，在第1 次濕干交替作用之后，出現(xiàn)明顯的峰值抗壓強(qiáng)度劣化，與沒(méi)有經(jīng)過(guò)濕干交替作用的試樣相比，在0 MPa、1 MPa、2 MPa三種不同圍壓條件下，其峰值抗壓強(qiáng)度分別下降了9.72%、2.13%和7.08%；同時(shí)，隨著濕干交替作用次數(shù)的不斷增加，試樣的峰值抗壓強(qiáng)度不斷降低，劣化幅度不斷減小，劣化速率呈現(xiàn)不斷減慢的趨勢(shì)。在試樣經(jīng)歷4 次濕干交替作用之后，三種不同圍壓條件下的峰值抗壓強(qiáng)度分別下降了17.01%、7.01%和12.55%；在試樣經(jīng)歷8 次濕干交替作用之后，三種不同圍壓條件下的峰值抗壓強(qiáng)度分別下降了21.03%、10.82 %和15.77%；在試樣經(jīng)歷16 次濕干交替作用之后，三種不同圍壓條件下的峰值抗壓強(qiáng)度分別下降了23.72%、13.29%和17.84%。

采用Q2 配比的試樣，在第1 次濕干交替作用之后，出現(xiàn)較明顯的峰值抗壓強(qiáng)度劣化，與采用Z1 配比的試樣相比，劣化幅度明顯較小，與沒(méi)有經(jīng)過(guò)濕干交替作用的試樣相比，在0 MPa、1 MPa、2 MPa三種不同圍壓條件下，其峰值抗壓強(qiáng)度分別下降了2.76%、2.22%和2.09%；同時(shí)，隨著濕干交替作用次數(shù)的不斷增加，試樣的峰值抗壓強(qiáng)度不斷降低，劣化幅度不斷減小，劣化速率不斷減慢，同時(shí)相同條件下Q2 配比的干預(yù)效果均優(yōu)于Q1 配比。

采用Q3 配比的試樣，在第1 次濕干交替作用之后，出現(xiàn)了較為明顯的峰值抗壓強(qiáng)度劣化，但是與采用Q1 和Q2 配比的試樣相比，劣化幅度最小。同時(shí)，隨著濕干交替作用次數(shù)的不斷增加，也呈現(xiàn)出試樣的峰值抗壓強(qiáng)度不斷降低，但是劣化幅度不斷減小，劣化速率不斷減慢的趨勢(shì)。同時(shí)，在同樣次數(shù)的濕干交替作用以及同樣圍壓條件下，采用Q3 配比的試樣的峰值抗壓強(qiáng)度的下降幅度最小。因此，試驗(yàn)結(jié)果顯示采用Q3 配比可以獲得更好地干預(yù)效果。

4 結(jié)論

本次研究以遼寧省勝利水電站庫(kù)區(qū)消落帶泥質(zhì)砂巖為例，基于水庫(kù)運(yùn)行期間消落帶泥質(zhì)砂巖力學(xué)強(qiáng)度劣化的物理和化學(xué)機(jī)制，提出了消落帶泥質(zhì)砂巖力學(xué)強(qiáng)度劣化環(huán)氧樹脂化學(xué)干預(yù)材料，并進(jìn)行了相應(yīng)的配比研究，獲得的主要結(jié)論如下：

（1）對(duì)于中風(fēng)化巖體，采用Z2 配比，即E51 環(huán)氧樹脂∶丁基縮水甘油醚∶651低分子聚酰胺=100∶20∶40的環(huán)氧樹脂材料可以獲得更好地干預(yù)效果。

（2）對(duì)于強(qiáng)風(fēng)化巖體，采用Q3配比，即E51環(huán)氧樹脂：丁基縮水甘油醚∶651低分子聚酰胺=100∶40∶40環(huán)氧樹脂材料可以獲得更好地干預(yù)效果。

（3）建議針對(duì)勝利水電站庫(kù)區(qū)消落帶泥質(zhì)砂巖的不同風(fēng)化程度，采取不同配比的環(huán)氧樹脂材料進(jìn)行力學(xué)強(qiáng)度劣化的化學(xué)干預(yù)。