丙烯酸鹽在細微裂隙防滲帷幕灌漿中的應用

陳伏牛,韓建東,楊曉鵬

(1.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，西安 710065;2.中國水利水電建設工程咨詢西北有限公司,西安 710061)

1 工程概況

兩河口水電站壩址位于雅礱江干流與支流鮮水河的匯合口下游約2 km河段，壩址控制流域面積6.57萬km2，多年平均流量666 m3/s。為雅礱江中、下游的“龍頭”水庫，正常蓄水位高程2 865.00 m，總庫容107.67億m3。電站裝機容量3 000 MW，多年平均年發電量110億kWh。礫石土直心墻堆石壩最大壩高295 m，壩頂高程2 875.00 m，河床部位心墻底開挖高程2 580.00 m[1]。大壩帷幕通過沿心墻基礎面布設的河床基礎灌漿廊道，左、右兩岸分層設置的灌漿平洞及兩岸蓋板基礎進行。左、右兩岸分別在高程2 575.50 m、2 640.00 m、2 700.00 m、2 760.00 m、2 820.00 m、2 875.00 m處設置6層帷幕灌漿平洞，各層平洞軸位于同一豎直斷面內。河床灌漿廊道和左、右岸灌漿平洞基礎布置兩排帷幕，相鄰兩層灌漿平洞基礎帷幕通過下層平洞上游的搭接帷幕連接。

地層巖性：左岸邊坡出露地層巖性為三疊系上統兩河口組中、下段(T3lh1、T3lh2)砂板巖，堆石壩心墻部位主要為T3lh2(2)-①層變質粉砂巖；右壩肩邊坡主要由三疊系上統兩河口組下段(T3lh1)及中段(T3lh2)地層組成，巖性以砂板巖為主。巖層產狀為N60°～75°W/SW∠60～75°，與河流近垂直相交。

物理地質作用：壩址工程樞紐區巖體主要為砂板巖，巖石抗風化能力較強，風化作用主要沿斷層、錯動帶和裂隙等弱面進行，以裂隙式風化和夾層狀風化為主要特點。壩址區巖體卸荷主要沿已有構造結構面進行。

2 大壩底層左岸灌漿平洞帷幕水泥灌漿施工

2.1 水泥灌漿原材料試驗檢測

施工共完成3批次水泥檢測，均滿足GB 175-2007《通用硅酸鹽水泥》規范要求[2]。水泥試驗檢測結果見表1。

表1 水泥試驗檢測成果統計表

2.2 水泥灌漿施工技術要求

大壩底層灌漿平洞高程2 575.50 m，布置兩排水泥灌漿孔，水平孔距2.0 m，排距1.5 m，梅花形布孔，鉛直帷幕[3]，排內分三序施工，帷幕灌漿深度72.35 m，采用自上而下分段、孔口封閉灌漿法[4]，按第1段段長2 m、第2段段長3 m、第3段及其他段段長5 m進行分段，分別采用P.O42.5普通硅酸鹽水泥5∶1、3∶1、2∶1、1∶1、0.8∶1、0.5∶1 6個水灰比進行水泥漿液灌漿[5]，開灌水灰比5∶1，要求無抬動灌漿施工。水泥灌漿分段及壓力見表2。

表2 水泥灌漿分段及壓力表

2.3 水泥灌漿施工完成情況

水泥灌漿完成32個孔，完成基巖灌漿2 224.62 m，總注灰量44 362.44 kg，平均單位注入量19.94 kg/m(Ⅰ序孔49.11 kg/m，Ⅱ序孔10.73 kg/m，Ⅲ序孔6.50 kg/m)，灌前平均透水率0.57 Lu(Ⅰ序孔1.50 Lu，Ⅱ序孔0.23 Lu，Ⅲ序孔0.16 Lu)。灌漿施工過程中共有31段鉆遇地下涌水[6]，占總灌漿段數463段的6.7%，最大涌水量42 L/min。灌后3個檢查孔共完成單點法壓水試驗45段，最大透水率0.04 Lu。32個灌漿孔中有15個孔有滲水現象，灌后質量檢查滿足透水率q≤1 Lu合格標準[7]，但檢查孔仍有滲水，全孔最大滲水量1～2 L/min，滲水壓力0.1～0.2 MPa，滲水溫度15℃～18℃。分析地質條件，平均單耗較低，表明砂板巖地層的可灌性較差[8],地層中局部存在細微裂隙，導致水泥漿液顆粒難以灌入。

3 大壩底層左岸灌漿平洞帷幕丙烯酸鹽灌漿

3.1 丙烯酸鹽灌漿應用情況

大壩底層灌漿平洞帷幕水泥灌漿前涌水現象較普遍，灌后雖檢查合格,但全孔仍有1～2 L/min微滲水，當前相鄰壩基滲壓計(高程2 580.10 m)監測水位高程2 616.09 m,水頭35.99 m，結合地質條件、水質檢測等資料分析為裂隙承壓水。考慮兩河口水電站地質條件復雜、大壩底層灌漿帷幕長期承受 300 m 以上超高水頭運行(國內外尚無可供借鑒參考的成功經驗)及大壩基礎滲水量和基礎廊道抽排能力(35 L/s)的設計要求，且蓄水后滲水處理難度大、成本高等特點，為防止集中滲流，避免在大壩基礎中發生沖刷、管涌，保證壩基滲透穩定和大壩安全，選用化學灌漿材料進行帷幕灌漿處理。化學灌漿材料漿液為真溶液，可灌性好。經對比目前市場上的其它化學灌漿材料(如：水玻璃、聚氨酯、環氧樹脂、硅溶膠等)，丙烯酸鹽具有粘度低、流動性好、能順利地灌入細微裂隙、凝膠時間可控、抗滲性能好、無毒環保等優點，且已建水電工程有成熟的應用經驗，分析后采用丙烯酸鹽材料對細微裂隙帷幕進行化學灌漿[9]。

3.2 丙烯酸鹽灌漿原材料試驗檢測

采用無錫賓王化工廠生產的丙烯酸鹽(批號：20190618)灌漿材料，其為雙組份材料，委托國內具有檢測資質的機構進行檢測，檢測配比為A組份∶B組份=1∶1(質量比)，A液為主劑、拮抗劑、促進劑，B液為引發劑、調節劑，再加入1‰緩凝劑(根據現場溫度及漿液膠凝時間確定緩凝劑摻量)。漿液性能符合丙烯酸鹽灌漿材料標準要求[10]，檢測成果見表3。

表3 丙烯酸鹽漿液性能檢測成果表

3.3 丙烯酸鹽灌漿施工技術要求

丙烯酸鹽灌漿分3個試驗區，試驗一區孔距2 m、試驗二區孔距3 m、試驗三區孔距4 m，一區、二區為單排孔，三區為兩排孔，共布置10個孔，灌漿孔位布置見圖1。

圖1 丙烯酸鹽灌漿孔位布置圖 單位：樁號，m；其它，cm

先下游排后上游排施工，排內分兩序，先Ⅰ序后Ⅱ序，Ⅱ序孔與Ⅰ序孔在巖石中鉆灌高差不小于15 m；地質鉆機配金剛石鉆頭清水回轉鉆進，孔口高程2 575.00 m，入巖孔深71.85 m，混凝土0.50 m；孔向鉛直；孔徑?56 mm；孔底偏距同帷幕水泥灌漿孔。第1段鉆灌完成后鑲鑄孔口管，便于灌后用水泥漿液進行全孔灌漿封孔。灌漿孔段鉆孔沖洗后孔內殘存物厚度不超過20 cm，裂隙沖洗可結合簡易壓水進行，壓水壓力第1段為0.6 MPa，第2段及以下段均為1.0 MPa。簡易壓水后宜采用壓縮風(深孔段也可采用漿液置換方法)將孔內積水沖洗干凈，然后進行灌漿，射漿管距孔底不大于0.3 m，各孔段灌漿前后均做滲水量、溫度、壓力測記。丙烯酸鹽灌漿分段及壓力見表4。

表4 丙烯酸鹽灌漿分段及壓力參數表

計量器具精度經校驗合格后使用，使用精度0.01 g的電子秤稱量緩凝劑，用200 mL量筒進行量取緩凝劑溶液。采用單液泵，A液和B液混合后再開始灌漿。接觸段阻塞在接合面以上20 cm處，其它均阻塞在灌漿段以上50 cm處，開泵用漿液置換孔內積水(壓入漿量應小于理論孔占量，避免漿液返出后膠凝堵塞管路)后進行灌漿。

灌漿漿液配置遵循“少量、多次”原則，每次配漿均取樣并觀察膠凝時間，每5 min對吸漿量及漿液溫度進行實測記錄，每次配漿在膠凝前用完，指導后續配漿和起塞時間。化學灌漿應遵循“長時間、慢速率” 滿足質量要求的原則，控制好灌漿注入率與壓力的關系。灌漿壓力達到設計壓力，注入率小于0.02 L/(min·m)持續灌至最后一次配漿膠凝前結束，并以不堵管為原則。灌漿施工應連續進行，直至灌漿結束。丙烯酸鹽灌漿完成后，掃孔沖洗干凈后采用0.5∶1的水泥漿液法封孔，封孔壓力4.5 MPa。

灌漿過程中發生串孔、冒漿和漏漿，根據情況采用嵌縫、表面封堵或用速凝漿進行灌注，若效果不明顯，應停止灌漿，待漿液膠凝后掃孔復灌[11]。灌漿若因故中斷，應進行沖孔或掃孔后，在漿液膠凝前恢復灌漿。孔口有涌水的灌漿孔段，灌前應測記涌水量、壓力和水溫，根據涌水情況，可采用水泥和化學復合灌漿方法[12]，提高灌漿壓力，縮短漿液膠凝時間，縮短灌漿段長，增加屏閉漿時間。

丙烯酸鹽灌漿施工完成7 d后進行質量檢查，檢查采用單點法壓水試驗、灌漿前后滲水量對比等方法，并結合灌漿資料綜合進行評定。檢查孔?76 mm，自上而下分段，按第1段段長2 m、第2段段長3 m、第3段及以下段段長5 m進行分段；壓水壓力第1段0.8 MPa，第2段1.6 MPa，第3段及以下均為2.0 MPa；壓水檢查質量合格標準：各段透水率q<1 Lu。對檢查孔滲水量進行測量和統計，通過灌漿前后滲水量對比，分析丙烯酸鹽灌漿效果。檢查孔完成檢查后按灌漿孔要求灌漿封孔。

4 灌漿成果統計及分析

4.1 灌漿完成情況統計

丙烯酸鹽灌漿檢測最大孔底偏距為1.27 m，均滿足DL/T 5406-2010《水工建筑物化學灌漿施工規范》要求[13]，施工過程中未觀測到抬動變形，灌漿718.60 m，灌注丙烯酸鹽漿材485.37 kg，管孔占漿2 039.79 kg，棄漿212.98 kg，平均單位注入量0.68 kg/m。灌漿完成情況見表5。

表5 丙烯酸鹽灌漿完成情況統計表

4.2 單位注入量統計及分析

丙烯酸鹽灌漿單位注入量頻率統計見表6。

表6 丙烯酸鹽灌漿單位注入量頻率統計表

丙烯酸鹽灌漿在水泥灌漿檢查合格后進行，注入量較小，90.9%孔段單位注入量小于1 kg/m，單段最大注入量11.90 kg/m，分析細微裂隙丙烯酸鹽有可灌性。

4.3 灌后檢查結果統計及分析

丙烯酸鹽灌前壓水110段，壓水最大透水率0.73 Lu，其中85.5%的孔段壓水透水率0 Lu。灌后4個檢查孔完成單點法壓水試驗59段，98.3%孔段透水率0 Lu，最大透水率0.01 Lu，壓水檢查質量滿足各段透水率q<1 Lu合格標準。灌后壓水檢查結果統計見表7。

灌漿前后滲水量對比：灌前滲水段占總段數39.1%，單段最大滲水量180 mL/min，單孔最大滲水量309 mL/min，單孔平均滲水量123 mL/min；灌后滲水段占總段數23.7%，減少39.4%，單段最大滲水量25 mL/min，減少86.1%，單孔最大滲水量71 mL/min，減少77.0%，單孔平均滲水量26 mL/min，減少78.9%；經對比分析丙烯酸鹽對細微滲水裂隙灌漿效果明顯。灌漿前后滲水量對比見表8。

表7 灌后壓水檢查結果統計表

表8 丙烯酸鹽灌漿前后滲水量對比表

5 結 語

丙烯酸鹽灌漿7 d后，通過壓水試驗檢查，其質量滿足各段透水率q<1 Lu，灌后微滲水段數及滲水量明顯減少，灌漿防滲效果明顯，丙烯酸鹽在細微滲水裂隙帷幕灌漿中應用效果良好。建議對后續兩河口砂板巖地層水泥灌漿后出現的微滲水現象，采用丙烯酸鹽材料對細微滲水裂隙區域防滲帷幕進行灌漿處理，宜單排、孔距3 m布孔施工。