丙烯酸鹽灌漿材料在高水頭帷幕補強中的應用研究

楊培洲

(雅礱江流域水電開發有限公司,成都 610051)

0 前 言

大壩基礎帷幕灌漿是改善壩基地質條件的重要措施。通過帷幕灌漿的實施。可在巖石或砂礫石壩基中形成阻水帷幕，截斷基礎滲流，減少壩基滲漏量，降低壩基揚壓力，防止產生機械或化學管涌，增強壩基滲透穩定性。灌漿材料一般采用普通水泥，有時也用磨細水泥或化學材料。工程實踐證明，對水泥漿而言，最小可灌裂縫寬度在0.1～0.5 mm，小于0.1 mm的細微裂隙則無法保證灌漿效果[1]。丙烯酸鹽灌漿材料黏度低可灌性好，處理細微裂隙及裂隙密集帶具有良好的效果。本文針對兩河口水電站大壩右岸高程2 640.00 m灌漿平洞局部帷幕灌漿在最高150 m水頭條件下，采取排間復合高壓化學灌漿技術，解決檢查孔壓水不合格，且鉆孔滲水壓力較大難題，為其它類似工程施工提供參考。

1 工程概況

兩河口水電站位于四川省甘孜州雅江縣境內的雅礱江干流上，平均海拔近3 000 m，是中國在建最高礫石土心墻壩。兩河口水電站樞紐建筑物由礫石土心墻堆石壩、泄洪建筑物、發電廠房等組成，壩頂高程2 875.00 m，河床部位心墻底高程2 582.00 m，最大壩高295 m，樞紐防滲帷幕由河床基礎防滲帷幕、左右岸壩肩基礎防滲帷幕及右岸地下廠區防滲帷幕組成[2]。右岸布置2條初期導流洞，穿過大壩右岸高程2 640.00 m灌漿平洞帷幕。目前，第二階段蓄水最高水位2 790.10 m，河床基礎廊道水頭215.1m，實測基礎廊道滲水量1 L/s左右，大壩防滲體系可靠有效。大壩右壩肩邊坡巖性為變質粉砂巖、粉砂質板巖及絹云母板巖與粉砂質板巖互層。巖層與河流近垂直相交，產狀為N60°～75°W/SW∠60°～75°。規模較大的斷層主要有f4、f8、f9、f10、f11、f12等[2]。

大壩右岸高程2 640.00 m灌漿平洞主帷幕14～17單元(縱0+510.50 m～0+638.50 m)灌漿施工過程中，水庫水位高程2 682.00～2 791.00 m，鉆孔裂隙承壓水最大涌水壓力1.25 MPa，單段最大涌水量為3 600 mL/min。高外水頭條件下，Ⅰ序孔平均單位注入量16.3 kg/m，比蓄水前完成的帷幕Ⅰ序孔平均單位注入量52.32 kg/m減少68.8%，各序孔隨著灌漿次序遞增，單位注入量沒有明顯遞減，灌漿成果不符合灌漿一般規律；檢查孔也出現不同程度涌水現象,最大涌水壓力0.92 MPa,單段最大滲水量為790 mL/min，檢查孔在沒有考慮揚壓力的條件下，仍有3段不合格，最大透水率為2.90 Lu，不滿足設計要求，說明高外水頭對帷幕施工質量有較大影響。

在設計施工參數基本不變情況下，高外水頭條件下帷幕平均單位注入量比蓄水前減少55.21%，帷幕灌漿成果差異較大，說明高外水頭對帷幕灌漿施工質量有較大影響，需進一步研究處理措施，提高帷幕的防滲性能。具體成果差異見表1。

表1 右岸高程2 640.00 m灌漿平洞主帷幕灌漿成果

2 丙烯酸鹽化學灌漿試驗

大壩河床基礎廊道及ZGJ6、YGJ6灌漿平洞高程為2 575.00 m，水庫水位高程2 609.28 m,主帷幕鉆孔多次揭示地下涌水，涌水壓力0.2 MPa左右，最大涌水量110 L/min，為裂隙承壓水。主帷幕灌漿完成后檢查結果滿足設計1 Lu防滲標準，但檢查孔仍有微滲水現象，單孔最大滲水量1～2 L/min。檢查孔內電視成像成果顯示，微細裂隙充填效果較差，說明普通水泥無法保證微細裂隙灌漿效果。基于河床廊道在正常蓄水位時水頭為290 m，帷幕在高水頭長期作用下，滲流會對帷幕產生破壞作用，為此，選定在ZGJ6灌漿平洞(壩(縱)0+102.00 m～0+124.00 m洞段)開展丙烯酸鹽復合化學灌漿試驗。

試驗成果表明，在34 m水頭條件下，化灌前有39.1%的灌漿段有微滲水現象，單段最小滲水量為2 mL/min，最大滲水量為180 mL/min；單孔最小滲水量為24 mL/min，最大滲水量為309 mL/min。化灌后檢查孔有24.6%的孔段有微滲水，單段最小滲水量為1 mL/min，最大滲水量為25 mL/min；單孔最小滲水量為3 mL/min，最大滲水量為71 mL/min，試驗平均單位注入量0.68 kg/m，單段最大單位注入量11.9 kg/m，檢查孔透水率小于1 Lu，資料顯示丙烯酸鹽灌漿材料處理砂板巖細微裂隙有明顯效果。丙烯酸鹽灌漿試驗灌前灌后滲水對比成果見表2。

表2 丙烯酸鹽灌漿試驗灌前灌后滲水對比成果

3 初期導流洞影響范圍丙烯酸鹽補強帷幕設計

3.1 丙烯酸鹽帷幕補強灌漿施工難點及特點

(1)受灌地層為砂巖及板巖互層，細微裂隙發育，顆粒材料可灌性差。

(2)補強灌漿部位水頭150 m，鉆孔揚壓力較大，對灌漿壓力具有對沖作用，影響地層可灌性。

(3)地層中存在一定滲流，要求灌漿材料具備快速凝結性能，防止材料被稀釋或流失。

(4)丙烯酸鹽灌漿材料是由一定濃度的單體、交聯劑、引發劑、緩凝劑等組成的水溶液，具有黏度低、流動性好、可灌入細微裂隙、凝膠時間可控、滲透系數低、固砂體抗壓強度高等特點[3]，但溫度的變化對膠凝時間影響敏感。

基于以上難點特點，要求在帷幕補強灌漿工藝設計上要充分考慮。

3.2 細微裂隙灌漿材料選擇

水工建筑物基礎灌漿一般采用普通水泥作為灌漿材料，當基巖中細微裂隙發育，也可以采用細水泥灌漿。灌漿效果是否明顯，除了與水泥顆粒的細度有關外，還與裂隙寬度、灌漿方法、灌漿壓力、地下水的狀態以及操作人員的熟練程度等因素相關。兩河口大壩高程2 580.00～2 673.00 m三角區帷幕采用干磨細水泥灌漿，孔距加密到1 m，質量仍達不到預期，綜合效益較低，采用改性環氧樹脂進行復合灌漿處理，細微裂隙及裂隙密集帶處理效果明顯。

高外水頭條件下，地下水存在滲流且有較大揚壓力，對灌漿壓力有消減作用，本工程的實踐證明，水泥灌漿無法達到效果。同時也進行了水泥-丙烯酸鹽灌漿材料復合灌漿處理細微裂隙的試驗研究，通過水泥灌漿對寬大裂隙的有效充填，再用丙烯酸鹽材料對細微裂隙復合灌漿，是一種行之有效的處理方法。

丙烯酸鹽灌漿材料在我國長江三峽水利樞紐[1]、丹江口水利樞紐[4]、萬安水電站[5]、斜卡水電站[6]、兩河口水電站[7]等工程得到廣泛應用，尤其在處理細微裂隙效果良好。

3.3 帷幕補強化學灌漿設計

大壩右岸2 640.00 m灌漿平洞初期導流洞影響區域帷幕補強灌漿，在水庫蓄水最大水頭150 m條件下進行。結合本工程丙烯酸鹽灌漿試驗成果，帷幕補強灌漿采用單排設計，鉆孔布置于兩排主帷幕中間部位，孔距3 m，孔徑?56 mm，孔深80 m，分為兩序施工，先施工Ⅰ序孔，后施工Ⅱ序孔。孔深30 m以上按照2～5 m分段，孔深30 m以下按照10 m分段，最大灌漿壓力為5.0 MPa，灌漿選用丙烯酸鹽灌漿材料。具體各段次灌漿壓力參數見表3，丙烯酸鹽灌漿鉆孔布置見圖1、2。

表3 右岸高程2 640.00 m灌漿平洞化學灌漿段長劃分及壓力參數

圖1 右岸2640.00 m灌漿平洞初期導流洞影響區灌漿布置

圖2 右岸2640.00 m灌漿平洞灌漿孔平面布置 單位：cm

4 丙烯酸鹽灌漿性能檢測及現場配比試驗

4.1 丙烯酸鹽材灌漿料性能檢測

大壩右岸高程2 640.00 m帷幕補強灌漿采用江蘇某化工廠生產的丙烯酸鹽灌漿材料，其漿液性能符合JC/T 2037-2010《丙烯酸鹽灌漿材料》相關指標要求。第三方檢測成果見表4。依據JC/T 2037-2010《丙烯酸鹽灌漿材料》各項檢測結果均滿足規范要求。

表4 丙烯酸鹽化學灌漿材料第三方檢測結果

4.2 丙烯酸鹽材料現場配比試驗

丙烯酸鹽化學漿液膠凝時間調控的主要手段為添加緩凝劑。考慮到施工現場溫度、水質與生產地存在差異，需要在化學灌漿開始前，在現場進行不同配比漿液的膠凝時間試驗，根據灌漿孔滲水情況，選用膠凝時間60 min及30 min配比進行灌漿施工。丙烯酸鹽灌漿材料配比試驗見圖3，丙烯酸鹽灌漿材料膠凝狀態見圖4。丙烯酸鹽化學灌漿材料現場溫度條件下凝結時間見圖5。

圖3 丙烯酸鹽灌漿材料配比試驗

圖4 丙烯酸鹽灌漿材料膠凝狀態

表5 丙烯酸鹽化學灌漿材料現場溫度條件下凝結時間

5 化學灌漿施工方法

5.1 施工方法

丙烯酸鹽化學灌漿施工采用采用XY-2地質鉆機鉆孔，金剛石鉆頭鉆進，自上而下分段鉆孔，分段灌漿的純壓式單液灌漿方法，鉆孔分二序施工，先施工Ⅰ序孔，再施工Ⅱ序孔。孔口管段鉆孔孔徑為?76 mm，鑲鑄?73 mm的孔口管，其它段的鉆孔孔徑為?56 mm。

5.2 鉆孔滲水量檢測

灌漿段鉆孔結束，目測滲水情況并對有明顯滲水的孔段進行滲水量觀測，并根據滲水情況測試揚壓力，以便對比分析和評價化灌效果。

5.3 化學灌漿

5.3.1灌漿一般要求及涌水處理措施

(1) 漿液置換時，灌漿泵排量宜大于5 L/min,以縮短置換用時，灌漿無異常情況時應盡快升至設計灌漿壓力。

(2) 灌漿過程中每次配漿都進行留樣和記錄，觀察膠凝時間，指導后續配漿和確定起塞時間。

(3) 丙烯酸鹽材料對溫度較為敏感，孔內巖體溫度和施工環境溫度有所差異，須待孔內漿液膠凝后再行起塞。

(4) 鉆孔遇滲涌水孔段處理措施：① 各滲水孔均需測量滲水壓力，并確保灌漿壓力大于滲水壓力0.5 MPa以上；② 當滲水量Q>10 L/min時，先采用水泥漿液灌注，再采用丙烯酸鹽材料復灌；③ 當滲水量Q=5～10 L/min時，采用凝結時間為60 min左右的常規漿液開灌，填充管孔容后，改用凝結時間為30 min左右的速凝漿液，該配比漿液的單耗達到5 kg/m后,再改用凝結時間為15 min左右的速凝漿液進行灌注，總單耗達到15 kg/m左右結束灌漿(限量法)；采用限量法灌漿結束的孔段，須采取掃孔復灌措施;④ 當滲水量Q>2 L/min時，不再進行涌水置換，直接進行丙烯酸鹽化學灌漿;⑤ 淺部滲水孔段的灌漿壓力按“設計壓力+50%～80%滲水壓力”執行。

5.3.2壓力與注入率關系

(1) 一般情況下注入率宜控制在0.15～0.25 L/(min·m)；當注入率≤0.15 L/(min·m)時適當升高灌漿壓力；當注入率≥0.25 L/(min·m)時，適當降低灌漿壓力。

(2) 灌漿過程采用最大壓力時,應分級升壓。

5.3.3灌漿結束標準

灌漿段達到設計壓力后，連續3次記錄的注入率不大于0.02 L/(min·m)且灌注至孔內最后一組漿液膠凝時方可結束灌漿，純灌漿時間不少于60 min。

5.3.4封 孔

單孔化灌結束后，鉆孔清理干凈并采用灌漿法封孔，封孔時間不少于60 min，滲水孔封孔時間延長至90 min。

6 丙烯酸鹽材料施工成果分析

大壩右岸高程2 640.00 m灌漿平洞初期導流洞影響區域，共布置化灌孔46個，巖石灌漿3 683.52 m，總灌注漿材10 635.95 kg，平均單位注入量2.89 kg/m。其中Ⅰ序孔23個合計1 841.26 m，灌注漿材5 690.15 kg，平均單位注入量3.09 kg/m；Ⅱ序孔23個合計1 842.26 m，灌注漿材4 945.80 kg，平均單位注入量2.68 kg/m；平均單位注入量Ⅰ序孔大于Ⅱ序孔。

化學灌漿施工過程中共出現大吸漿孔段(單耗>10 kg/m)31段，占總灌漿段數的2.38%，滲水量及揚壓力較大孔段位于f4、f12斷層部位，相應部位大耗漿量孔段集中，灌漿成果符合地質條件變化規律。具體大吸漿異常孔段統計占比見表6，化學灌漿滲涌水情況統計見表7。

表6 右岸高程2640.00 m灌漿平洞化學灌漿大吸漿異常孔段統計

表7 右岸高程2640.00 m灌漿平洞化學灌漿滲涌水情況統計

7 質量檢查方法及成果

質量檢查在相應部位化學灌漿完成14 d后進行，以分析檢查孔壓水成果為主，結合鉆孔全景圖像、鉆孔取芯、灌漿前、后滲水量對比進行綜合評定。

7.1 灌后壓水檢查

灌后完成壓水檢查孔4個112段，最大透水率0.17 Lu，0透水率占65.2%,壓水成果滿足設計要求。

7.2 孔內電視成像檢查

灌后完成4個孔內全景圖像檢測，全景圖像檢測結果顯示巖體內細微裂隙整體較發育，大部分裂隙內可見丙烯酸鹽化學灌漿材料充填，灌漿效果良好，檢查孔細微裂隙充填效果見圖5。

圖5 檢查孔細微裂隙充填效果

7.3 灌漿前后滲水量對比檢查

為了直觀了解丙烯酸鹽化學灌漿前后微滲水情況，在丙烯酸鹽化學灌漿各段次灌漿前后，以及檢查孔各段次施工后均進行了滲水觀測。觀測成果顯示，灌后滲水孔段減少92.18%，單段最大滲水量從3 600 mL/min大幅降到28.5 mL/min，檢查孔壓水112段，單段最大滲水量22.5 mL/min，比灌前大幅度減小，灌漿效果良好。滲水觀察成果見表8。

表8 化學灌漿前/后原位滲水觀測結果

總而言之，在高外水頭條件下，水泥灌漿難以達到要求，經丙烯酸鹽復合灌漿后，灌漿孔段灌后原位滲水孔段大幅度減少，最大滲水量也同步大幅度減少，說明水泥-化學復合灌漿效果顯著，檢查孔壓水成果滿足設計要求。

8 結 語

兩河口水電站大壩右岸初期導流洞影響區域帷幕灌漿，在第一階段初期導流洞下閘封堵后實施，具有水頭高、涌水壓力大、砂板巖細微裂隙可灌性差、斷層及其影響帶寬度大以及水泥灌漿帷幕形成難度大等不利因素，采用排間丙烯酸鹽補強灌漿，可獲得良好的處理效果。丙烯酸鹽水溶液黏度低，可灌性好，膠凝時間可根據需要調節，對于地下存在滲流，揚壓力較高，細微裂隙發育的地質環境，操作簡單可靠。