論水泥-化學復合灌漿在砂板巖地區斷層帶處理中的應用

干 海 勇 , 甘 貽 強 , 王 宏 剛 , 孫 起 軍

(1.中國水利水電第五工程局有限公司，四川 成都 610066；2.中電建振沖建設工程股份有限公司，北京 100048)

1 概 述

某水電站位于四川省甘孜州境內，壩頂高程2 875 m，壩高295 m，為礫石土直心墻堆石壩。壩址控制流域面積為6.57萬km2，水庫正常蓄水位高程2 865 m，相對庫容101.5億m3，調節庫容65.6億m3，具有多年調節能力；電站總裝機容量為3 000 MW，多年平均年發電量110億kW·h，為雅礱江中、下游的“龍頭”水庫。該工程為Ⅰ等大(1)型工程，壩址區變質砂巖、砂質板巖相間分布，且右壩肩發育f4、f12順層擠壓斷層帶及破碎帶，兩條斷層的水平距離為5～20 m，產狀N60°～80°W/SW∠60°～80°，破碎帶一般寬5～30 cm，充填物以片狀巖、碎裂巖為主，帶內碳化、糜棱化嚴重。巖體類別自低向高從Ⅲ2類漸變為Ⅴ類。

某水電站具有土石壩高、泄洪流量大、地震烈度高、地質條件復雜等特點。壩址地處深山峽谷地區，壩址區斷層、層間擠壓錯動帶、節理裂隙等構造結構面發育，基礎處理難度大，大壩對基礎的防滲性能要求高，防滲系統質量的優劣直接影響到大壩的穩定和安全運行。

在防滲帷幕施工過程中，變質砂巖、砂質板巖水泥灌漿可灌性差，施工中發現局部受斷層及擠壓破碎帶影響，采用普通水泥、細水泥系統補灌后仍不能滿足設計要求的1 Lu的防滲標準。根據類似工程經驗，有必要采取水泥-化學復合灌漿處理措施[1]。

2 采取水泥-化學復合灌漿處理的目的

將兩者可灌性、防滲效果好的優點結合起來以達到安全、經濟的目的。近年來，西南高山峽谷地區的水能資源開發已漸入熱潮，雖然該地區水能資源豐富，但其地質條件復雜、原生次生結構面發育以及地應力水平高等巖石力學問題為工程建設帶來了新的挑戰。尤其是巖體中的各類軟弱結構面如軟弱夾層、層間層內錯動帶等成為控制壩基、地下硐室和邊坡等穩定的關鍵因素，而且，隨著高壩大庫的建設對地基巖體的要求越來越高，急需對原有斷層的處理措施如普通水泥灌漿、錨桿、開挖換填等技術進行改進，才能滿足工程建設的需要。

水泥-化學復合灌漿[2]是在普通水泥灌漿與化學灌漿的技術上發展起來的新技術。其先使用顆粒狀的水泥漿液充填軟弱地層巖體中的較大孔隙形成承載骨架，再利用溶液狀的化學漿液經過浸潤、滲透[3]以及改性固化進入巖體中的微裂隙，從而將普通水泥灌漿價格低、結石強度高和化學灌漿超強的滲透性能相結合以提高巖體的整體防滲性能。

為了研究砂板巖地區斷層破碎帶及影響區、受順坡向裂隙及擠壓破碎帶影響區水泥灌后采用改性環氧樹脂化學漿材的可灌性、形成防滲帷幕[4]的可行性；了解灌漿后透水性的變化情況，判斷其是否滿足大壩防滲標準；分析灌漿參數、施工工藝、漿液擴散范圍的合理性和有效性；總結并制定出砂板巖地區斷層破碎帶及影響區、受順坡裂隙及擠壓破碎帶影響區的化學灌漿處理工藝和方法，為后續類似地層條件下的斷層化學灌漿處理提供指導，項目部技術人員在YGJ6平洞端頭f4、f12斷層及影響區水泥灌漿完成并經檢查合格后開展了改性環氧樹脂化學灌漿試驗。

3 改性環氧樹脂化學灌漿試驗

3.1 水泥灌漿

改性環氧樹脂化學灌漿試驗均在設計主帷幕灌漿施工完成并經檢查合格后實施[5]。試驗區位于YGJ6灌漿平洞壩(縱)0+499～0+523段，設計孔深155 m，共完成主帷幕水泥灌漿4 716 m，平均單位注入量為9.74 kg/m，灌后檢查孔最大透水率為0.45 Lu，均滿足設計要求的1 Lu的防滲標準，但檢查孔均有不同程度的輕微滲水現象，全孔滲水量為0.5～1 L/min。

3.2 化灌選址

YGJ6平洞壩(縱)0+499～0+511段為試驗3區(孔距2 m)，壩(縱)0+511～523段為試驗4區(孔距1 m)。試驗區布置情況見圖1。

3.3 材料性能

圖1 右壩肩f4、f12斷層化學灌漿試驗區位置示意圖

本系列為高滲透性環氧灌漿材料，由甲、乙兩組份構成，其中乙組份的加入量可調，如所灌段的流量偏小時，應采用較低黏度的漿液，使漿材具有足夠的滲透時間，可灌入K≥10-6cm/s的泥化夾層中使泥土巖性化，對斷層及破碎帶進行處理優勢明顯，所用材料不含重金屬，漿材完全固化后的固結體無毒，產品質量符合環保要求。YDS-40系列和YDS-0系列環氧樹脂漿材[6]的物理力學性能參數見表1。

3.4 試驗參數

表1 環氧樹脂(甲∶乙=100∶6.4)物理力學性能參數表

結論：依據JC/T 1041-2007《混凝土裂縫用環氧樹脂灌漿材料》進行評定，所檢項目合格。

(1)鉆孔施工。① 布孔：各試驗區內上、下游排的化學灌漿孔布置在平洞主帷幕灌漿上游側20 cm，中間排孔布置在壩軸中心線上游側20 cm，其鉆孔布置方式見圖2。② 孔深：基巖孔深為30 m。③ 孔向：鉛垂方向。④ 孔徑：灌漿孔φ56，檢查孔φ76。

圖2 YGJ6平洞試驗區鉆孔布置圖

(2)灌漿施工。

① 參數與方法。化學灌漿孔采用全孔一次成孔和裂隙沖洗，自下而上分段、純壓式灌漿法。

2 m試驗組(試驗3區)灌漿段長按照2 m、3 m、5 m、5 m、……進行分段，孔距1 m試驗組(試驗4區)灌漿段長按照2 m、3 m、5 m、10 m、10 m進行分段。鉆孔過程中，遇巖層破碎帶、掉卡鉆等特殊情況時可縮短段長。孔距2 m試驗組灌漿壓力見表2，孔距1 m試驗組灌漿壓力見表3。

② 灌漿材料。采用YDS-40系列、YDS-0系列環氧灌漿材料，其中YDS-40系列環氧樹脂配合比為甲∶乙=100∶6.4(質量比)，YDS-0系列環氧樹脂配合比為甲∶乙=100∶8(質量比)。

③ 漿液變換[7]。化學灌漿遵循“長時間、慢速率、盡量達到一定的注入量，滿足質量要求”的原則控制灌漿注入率與壓力的關系。

一般情況下，注入率宜控制在0.05～0.1 L/(min·m)之間；當注入率≤0.05 L/(min·m)時，適當升高灌漿壓力(至設計最大灌漿壓力為止)；當注入率≥0.1 L/(min·m)時，適當降低灌漿壓力。

表2 孔距2 m試驗組化學灌漿壓力參數表

表3 孔距1 m試驗組化學灌漿壓力參數表

當某種配比化學漿液注入量達到30～50 L/m時，改用黏度增長更快的速凝漿材灌注。

④ 結束標準。灌漿段達到設計壓力后，當注入率不大于0.02 L/(min·m)時繼續灌注30 min結束，且單段灌注時間不少于18 h。

3.5 試驗取得的成果

(1)完成情況。本次試驗自2018年12月20日開始，至2019年4月29日完成，共完成基巖灌漿1 800 m，灌注環氧樹脂917.30 kg，平均單位注入量為0.51 kg/m。

(2)單位注入量。各試驗區化學灌漿單位注入量分區間統計情況見表4。

本次試驗Ⅰ序孔施工完成后，Ⅱ序孔單位注入量有明顯降低，符合灌漿的一般規律，說明整體灌漿效果良好。Ⅰ、Ⅱ序孔的單位注入量整體較低，僅少數孔段大于5 kg/m。

表4 YGJ6平洞f4、f12斷層化學灌漿試驗注入量頻率統計表

圖3 檢查孔裂隙內環氧樹脂漿材的充填效果(部分)

3.6 效果評價

化學灌漿后，檢查孔微細裂隙內可見明顯的化學漿結石充填且黏結較好，說明灌漿效果良好，達到了封堵微細滲水裂隙和固化斷層破碎帶的試驗目的，其充填效果見圖3。

4 結 語

本次在YGJ6灌漿平洞f4、f12斷層及影響區環氧樹脂化學灌漿的平均單位注入量為0.51 kg/m，說明通過前期的水泥灌漿其絕大部分裂隙已得到了填充，再用環氧樹脂對局部水泥顆粒無法灌入的微細裂隙和斷層破碎帶進行補充填充，雖然環氧樹脂的單位注入量較小，但仍能進一步提高灌漿帷幕的防滲效果和耐久性。本試驗為某水電站砂板巖地層斷層及影響區、軟弱破裂帶等不良地質區域的水泥-化學復合灌漿提供了較為成熟的處理方法，亦對同類水電工程和地質條件的水泥-化學復合灌漿具有指導意義。