斷層破碎帶高壓對穿沖洗技術研究

劉代賢

中國水利水電第七工程局成都水電建設工程有限公司，中國·四川 成都 611130

1 引言

論文依托錦屏一級水電站左岸基礎處理進行研究，主要針對左岸抗力體F5 斷層泥化區及砂層區加固處理進行研究，探索出對F5 斷層的處理方法，以提高巖體的抗變形能力，與左岸抗力體一同承載大壩的拱推力，保證305 m 高拱壩的安全運營，因此對采用“高壓對穿沖洗+回填混凝土”的加固施工方法的研究是非常必要，且研究成果能夠在同類型地質條件中推廣，如烏東德水電站、白鶴灘水電站。

2 工程概況

錦屏一級水電站在復雜地質條件下進行基礎處理，其中以斷層破碎帶最為典型。斷層破碎帶特征：①斷層破碎帶地質性狀較差，遇水易軟化泥化，屬Ⅴ1 級巖體；②斷層破碎帶位于拱壩主要受力區。

鑒于上述原因，對斷層破碎帶置換洞樁號K0+54～K0+69 采取高壓對穿沖洗回填混凝土加固處理施工。

3 工藝原理

從洞室內高程F5 斷層置換洞順斷層或軟弱夾層走向鉆孔至低高程F5斷層置換洞，形成連通通道，自上而下進行“高壓對穿沖洗”。采用風、水聯動沖洗斷層破碎帶內充填的各類斷層泥及松散物質，利用高壓風、水上下反復切割、破壞和擾動斷層組成結構，使斷層帶內松散物質液化，液化后利用其自重和水流沿對穿孔沖出低高程，在斷層帶中形成一條空腔，然后進行回填，最后進行高壓灌漿處理。

4 高壓對穿沖洗回填混凝土加固施工

4.1 布孔方式

共布置高壓對穿沖洗孔78 個，孔間距為1 m，從1730高程F5 斷層置換洞鉆穿至1670 高程F5 斷層置換洞頂拱（見圖1）。

4.2 施工工藝流程

施工工藝流程見圖2。

4.2.1 鉆孔

鉆孔孔徑采用320 mm，從高程向低高程鉆進，形成“對穿孔”，孔向順斷層走向。鑒于斷層較寬，“對穿孔”難以完全覆蓋時，布置輔助沖洗孔，輔助沖洗孔布置于斷層兩側，沖洗時利用“對穿孔”孔道出渣。

4.2.2 對穿沖洗

①沖洗參數：采用20～25 MPa 水壓力，采用0.8～1.5 MPa風壓，沖洗提升高度為10～20 cm，轉速8～12 r/min。

②沖洗方法：完成一次沖洗循環需采用雙管法先自上而下沖洗，再自下而上沖洗。

③關水浸泡：沖洗完成后孔內注滿水，關水浸泡，使斷層內松散物質軟化。

④反復循環沖洗：為達到沖洗效果，保證沖洗范圍，需進行反復沖洗，反復沖洗1～3 次。

4.2.3 混凝土回填

沖洗結束后，空腔采用“自密實高強度混凝土”進行回填，回填前確保孔內積水排干，并封堵對穿孔下孔口。為保證孔底與混凝土有效接觸，回填之前先采用0.5 ∶1 水泥漿液在孔底墊層，回填從低處向高處回填[1]。

4.2.4 灌漿

沖洗通道內回填混凝土強度達到70%后，對斷層兩側布置補充灌漿孔進行灌漿，加強沖洗后處理效果。灌漿孔間距為3～4 m，孔向傾斜，孔深穿過斷層。

4.2.5 效果評價

高壓對穿沖洗回填混凝土后效果評價采用巖芯取樣，灌后壓水、物探檢測進行力學性能檢測。

5 高壓對穿沖洗回填混凝土加固施工效果

5.1 大口徑鉆孔角度控制效果

鉆孔結束后各孔均鉆穿至低高程，鉆孔偏距控制效果較好，孔底偏距最大為3.73 m，最小為0.26 m，平均孔底偏距為1.45 m。

5.2 高壓對穿沖洗排渣效果

通過在高程進行高壓沖洗和掃孔沖洗及在低高程進行反向掃孔沖洗后，大量孔內較密實細沙、斷層泥、砂石流出至低高程，在斷層破碎帶中形成條空腔通道，沖洗排渣效果顯著。

5.3 采用孔內錄像進行空腔分析

高壓沖洗后采用孔內錄像進行空腔分析，沖洗后孔深7 m 以下形成一條貫通性大空腔，空腔內新鮮基巖出露明顯，巖面較光滑潔凈，原斷層泥等通過對穿孔排至低高程，沖洗效果較好。

5.4 自密實混凝土回填成果

通過回填自密實混凝土將高壓對穿沖洗后的空腔填筑密實，改善了該部位原始地質條件，提高了該部位抗變形能力，提高了安全系數（見表1）。

表1 混凝土強度檢測試驗

5.5 高壓對穿沖洗區域灌漿成果分析

為提高處理效果在斷層破碎帶上下盤進行固結灌漿，高壓對穿沖洗區域共完成22 個固結灌漿孔，灌漿796.5 m，注灰178 t。

5.6 高壓對穿沖洗模擬成果分析

采用地質建模，綜合運用有限單元法（FEM）和無網格法（Meshless Method）進行數值軟件分析計算。通過計算，檢測高壓對穿沖洗對斷層破碎帶沖洗效果。

①通過建模分析，得出各種時程曲線圖等諸多資料。

②根據數值分析結果，可以充分了解高壓對穿沖洗斷層破碎帶的每個過程，得出如下結論：高壓沖洗鉆孔，切割、擾動破壞巖體，沖洗效果較好，巖體破壞效果明顯。

高壓對穿沖洗模擬研究見圖3。

6 高壓對穿沖洗回填混凝土加固區域質量檢測

高壓對穿沖洗后回填混凝土灌漿區域進行了質量效果檢測，檢測采用灌漿前、后壓水試驗，對灌漿前后巖層透水率進行對比分析。灌漿前壓水17 段，灌漿后壓水檢測38 段。

6.1 透水率對比分析

混凝土回填后及灌漿后透水率頻率對比分析見表2。

表2 混凝土回填后及灌漿后透水率頻率對比分析

高壓對穿沖洗區域經過回填自密實混凝土及高壓固結灌漿處理后，平均透水率為1.0 Lu，透水率全部小于3 Lu，滿足基礎處理固結灌漿灌后檢查效果值。

6.2 物探檢測成果分析

斷層破碎帶高壓對穿沖洗回填混凝土加固處理后單孔聲波，平均鉆孔變模值均滿足設計要求，聲波提高了8%，巖體變模值提高了10%。

7 結論

①采用高風壓潛孔鉆進成孔，采用XL-50 型旋噴機對F5 斷層泥、砂層帶、斷層風化帶攪動、沖洗后對空腔進行混凝土回填并加固灌漿處理的方案可行、有效，能夠提高F5 斷層破碎帶弱承載巖體抗變形能力。

②有效解決工程施工中出現類似地質的技術難題，為后期復雜地質情況下的工程施工提供了參考依據。采用該方法施工，成本得到了有效控制，工程質量滿足設計要求。

③總結出一套適合于斷層帶、沙層、斷層泥或松散巖體高壓沖洗施工工藝及方法。