固結(jié)灌漿技術(shù)在放空洞圍巖處理中的應(yīng)用

董小虎 李豐年 楊培洲

(1.四川二灘建設(shè)咨詢有限公司,四川 成都 610051;2.雅礱江流域水電開發(fā)有限公司,四川 成都 610051)

1 工程概況

兩河口水電站樞紐建筑物由礫石土心墻堆石壩、洞式溢洪道、深孔泄洪洞、放空洞、漩流豎井泄洪洞、地下發(fā)電廠房、引水及尾水建筑物等組成,采用“攔河礫石土心墻堆石壩+右岸引水發(fā)電系統(tǒng)+左岸泄洪、放空系統(tǒng)+左、右岸導(dǎo)流洞”的工程樞紐總體布置格局。礫石土心墻堆石壩最大壩高為295m,壩頂高程2875m。泄洪建筑物與中后期導(dǎo)流建筑物均布置在左岸,其中放空洞與4號導(dǎo)流洞完全結(jié)合,按永久建筑物設(shè)計,由岸塔式進口、無壓隧洞、出口挑流鼻坎組成。進口塔底高程2745m,進口塔后無壓隧洞長1343.98m,縱坡為i=0.08和i=0.0866592兩種,洞身斷面為10.0m×15.0m(寬×高)的圓拱直墻形,設(shè)置兩條補氣洞和7道摻氣坎(槽),設(shè)計最大泄量為2425.00m3/s,最大流速為39.33m/s。放空洞洞身段設(shè)計有回填灌漿及固結(jié)灌漿[1]。

2 地質(zhì)條件

洞身巖層由三疊系上統(tǒng)兩河口組下段(T3lh1)及中段(T3lh2)地層組成,巖性為變質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)板巖及絹云母板巖與粉砂質(zhì)板巖互層。放空洞洞身段洞向為S13°56′40″W,出露的地層為T3lh1(2)、T3lh1(4)、T3lh1(5)層及T3lh2(1)～T3lh2(5)層,其中,洞身樁號(放)0+000～0+340、(放)0+560～0+620、(放)0+680～1+290段,圍巖為微風(fēng)化—新鮮砂板巖,巖石較堅硬,中厚層狀-鑲嵌結(jié)構(gòu)為主,但嵌合較緊密,透水性弱,圍巖類別以Ⅲ2類為主,主要受結(jié)構(gòu)面不利組合影響構(gòu)成不利的楔形體,圍巖局部穩(wěn)定性較差。洞身樁號(放)0+340～0+560、(放)0+620～0+680段,巖性微風(fēng)化—新鮮,由變質(zhì)砂巖、變質(zhì)粉砂巖及砂板巖構(gòu)成,巖石堅硬,中厚層-互層狀結(jié)構(gòu)為主,巖體較完整,透水性微弱,以Ⅲ1類為主,圍巖基本穩(wěn)定;洞身樁號(放)1+290～1+343段巖性為粉砂質(zhì)板巖與絹云母板巖互層,巖體弱風(fēng)化、弱卸荷,巖石中等堅硬—軟弱,塊裂-鑲嵌結(jié)構(gòu)為主,巖體完整性差,卸荷松弛,透水性較強,圍巖類別為Ⅳ、Ⅴ類。隧洞沿線f1、f8、f9、f10、f11、f12、f4、f13、f14、f26、f27、f28、f29、f17等斷層與洞軸線大角度相交,尤其是f8系列、f4、f28等斷層由多條次級錯動帶組成,破碎帶寬度較大,巖體完整性差,為Ⅴ類圍巖[1]。

3 灌漿主要施工方法及技術(shù)要求

3.1 固結(jié)灌漿主要技術(shù)要求

固結(jié)灌漿按分序加密的原則進行,先施工Ⅰ序孔后施工Ⅱ序孔。灌漿孔排距為2.5m×3m,鉆孔孔徑50～76mm,鉆孔深入巖石6m、9m、12m、15m不等,同一單元鉆孔入巖深度一致;固結(jié)灌漿蓋重混凝土厚度1.5～2m,混凝土施工時應(yīng)按照設(shè)計要求埋設(shè)導(dǎo)向管,減少鉆孔對鋼筋及過流面的破壞,埋管口徑與鉆孔口徑相匹配,且在混凝土澆筑后強度達到50%～70%時方可施工。每個灌漿單元至少布置一個抬動觀測孔,灌漿應(yīng)在無抬動變形條件下進行,保證混凝土襯砌不產(chǎn)生裂縫。基巖抬動變形允許值不大于200μm,混凝土抬動變形允許值不大于100μm。鉆灌過程中嚴(yán)禁抬動值超過設(shè)計規(guī)定允許值。

灌漿采用P·O 42.5普通硅酸鹽水泥,質(zhì)量滿足《通用硅酸鹽水泥》(GB 175—2007)要求。灌漿用水泥漿分6級,水灰比為0.5∶1、0.8∶1、1∶1、2∶1、3∶1、5∶1。開灌水灰比為5∶1,灌前壓水無壓無回時采用3∶1水灰比開灌,漿液由稀到濃逐級變換。

灌漿前對所有灌漿孔(段)進行孔壁沖洗、裂隙沖洗,并結(jié)合裂隙沖洗進行簡易壓水試驗。壓水試驗壓力可為灌漿壓力的80%,并不超過1MPa;灌漿壓力與灌漿深度相適應(yīng),第一段段長2～3m,灌漿壓力0.8MPa,第二段段長5～6m,灌漿壓力1.2～1.8MPa,第三段段長5～6m,灌漿壓力1.8～2.4MPa,灌漿參數(shù)可根據(jù)施工情況調(diào)整[1]。

3.2 固結(jié)灌漿主要施工方法

3.2.1 施工作業(yè)平臺

放空洞為城門洞形,混凝土襯砌后斷面尺寸較大,洞室縱向坡比為8.0%～8.6%,并布置7道摻氣坎(槽),臺車方案安全風(fēng)險大,臺車轉(zhuǎn)場困難,設(shè)備利用效率低,成本高,且占直線工期;搭設(shè)排架作業(yè)平臺方案,作業(yè)效率高,多臺設(shè)備平行作業(yè),安全可靠,缺點是投入腳手架量大。考慮到洞室混凝土澆筑與灌漿平行作業(yè),同時要確保洞內(nèi)交通暢通,施工具有工期緊、施工強度高、相互干擾大等特點,因此,搭設(shè)排架作為灌漿作業(yè)平臺具有明顯優(yōu)勢,便于施工組織管理,有利于進度及質(zhì)量控制。

3.2.2 灌漿施工方法

回填灌漿完成且檢查合格后,方可進行固結(jié)灌漿施工,其主要作業(yè)程序為:清理孔位并標(biāo)識→埋設(shè)抬動觀測裝置→灌前物探孔施工并檢測→固結(jié)灌漿分段鉆孔→鉆孔沖洗及壓水試驗→灌漿作業(yè)→如此循環(huán)至單孔灌漿完成→封孔。一般情況下,灌前物探孔布置在Ⅰ序孔上,鉆孔一次成孔,灌前物探檢測完成后,再采用自下而上分段灌漿法灌漿并封孔。其他灌漿孔灌漿方法:Ⅰ序孔采用自上而下分段鉆孔,分段裂隙沖洗,分段卡塞灌漿的施工方法;Ⅱ序孔采用一次成孔,全孔裂隙沖洗,自下而上分段卡塞灌漿的施工方法。回填灌漿采用純壓式灌漿方式,固結(jié)灌漿采用孔內(nèi)循環(huán)灌漿法[3-4],灌漿記錄采用GJY-VllS型四參數(shù)灌漿自動記錄儀。

3.2.3 灌漿壓力控制與抬動觀測

灌漿盡可能采用較大的灌漿壓力,以期取得較好的灌漿效果,工程實踐證明,灌漿壓力對灌漿效果有重要影響。在條件允許的情況下,以采用較大的灌漿壓力為好,但較大的灌漿壓力往往易造成完整性較差巖石的破壞[2-3]。正常情況下應(yīng)盡快達到設(shè)計灌漿壓力,以提高灌漿效果。當(dāng)灌漿過程出現(xiàn)注入率較大情況時,施工過程中要避免過度使用壓力,防止出現(xiàn)巖體或混凝土抬動破壞,同時灌漿壓力控制要遵循壓力與注入率相適應(yīng)的原則。灌漿壓力與注入率的關(guān)系見表1。

表1 灌漿壓力與注入率關(guān)系

注p為孔段最大設(shè)計壓力。

抬動觀測是監(jiān)測抬動的重要手段,施工過程中由于風(fēng)動鉆孔設(shè)備產(chǎn)生的震動,造成自動監(jiān)測數(shù)據(jù)失真,因而采用人工觀測方式。放空洞斷面尺寸較大,臨空面較大,灌漿作業(yè)抬動風(fēng)險相應(yīng)增加,因此,在灌漿作業(yè)時,以無抬動作業(yè)為原則。灌漿作業(yè)工序復(fù)雜,設(shè)備故障、灌漿管路不暢及人為不當(dāng)操作等因素都可能造成壓力峰值超高,抬動會瞬間發(fā)生而造成混凝土開裂或嚴(yán)重破壞。因此,當(dāng)抬動發(fā)生時,按照基巖抬動變形允許值不大于200μm、混凝土抬動變形允許值不大于100μm進行控制,必要時及時降低壓力,確保無抬動作業(yè)[3]。

3.2.4 灌漿質(zhì)量控制關(guān)鍵要素

隧洞固結(jié)灌漿的主要目的是通過固結(jié)灌漿提高洞室圍巖松弛圈巖體的完整性,增強巖體抗變形能力和承載力,同時增強洞室首部巖體的抗?jié)B能力,防止?jié)B流破壞混凝土結(jié)構(gòu),確保洞室結(jié)構(gòu)安全。灌漿是隱蔽工程,主要關(guān)鍵工序控制要素如下:

a.鉆孔孔位偏差為±10cm,鉆孔角度一般垂直混凝土面,但底腳和拱腳鉆孔角度按設(shè)計要求控制,防止鉆孔角度偏差過大,出現(xiàn)巖體較大范圍漏灌而影響灌漿效果。

b.灌漿須按照分序加密的原則進行,一般固結(jié)灌漿分兩序施工,先Ⅰ序孔施工,后Ⅱ序孔施工。否則,施工亂序不但會導(dǎo)致灌漿成果背離灌漿一般規(guī)律,而且施工質(zhì)量也得不到保證。

c.灌漿過程中,漿液變換應(yīng)遵循由稀到濃逐級變漿的原則進行,常規(guī)灌漿一般采用雙層攪拌槽,配漿須在上槽進行,嚴(yán)禁在下槽配漿,否則會造成漿液配比誤差大而影響灌漿效果。

d.卡塞位置控制要準(zhǔn)確,第一段灌漿塞底部以位于混凝土內(nèi)20cm為宜,其他各段以位于灌漿段以上50cm為宜,防止卡塞不到位而出現(xiàn)漏灌;射漿管長度以距孔底不大于50cm為宜。不下射漿管或下設(shè)不到位,就會出現(xiàn)漿液在孔底沉淀,即使該段透水率較大,也很難灌入一定量的水泥,出現(xiàn)“吃水不吃漿”的假象,會嚴(yán)重影響灌漿效果。

e.灌漿壓力控制。正常情況下灌漿應(yīng)盡快達到設(shè)計灌漿壓力,以期取得較好灌漿效果,嚴(yán)禁“低壓慢灌”等不規(guī)范操作,出現(xiàn)大耗漿孔段,則要按照異常情況處理原則進行處理。

f.灌漿孔封孔是灌漿重要的工序之一,大型水工隧洞過流速度大,對過流面平整度要求高,如果封孔質(zhì)量不過關(guān),則會造成混凝土沖蝕破壞而影響洞室安全運行。灌漿孔采用“全孔灌漿封孔法”封孔,灌漿時間不少于60min[5-6]。

4 固結(jié)灌漿成果分析統(tǒng)計

4.1 固結(jié)灌漿灌前透水率統(tǒng)計分析

放空洞洞身段在灌漿施工中,各序孔按5%比例進行單點壓水試驗,其余各段進行簡易壓水試驗。灌前平均透水率為0.78Lu,其中Ⅰ序孔平均透水率為1.39Lu,Ⅱ序孔平均透水率為0.07Lu,Ⅱ序孔較Ⅰ序孔遞減95.0%,說明隨著灌漿次序的遞增,巖層的完整性逐漸提高,灌前平均透水率逐漸減小,較大透水率孔段的頻率隨著灌漿次序的遞增而逐漸降低,灌漿效果明顯,符合灌漿一般規(guī)律[7-8]。具體灌前透水率成果統(tǒng)計見表2,透水率頻率及頻率累計曲線見圖1。

表2 放空洞洞身段固結(jié)灌漿灌前透水率成果統(tǒng)計

圖1 放空洞洞身段固結(jié)灌漿灌前透水率頻率及頻率累計曲線

4.2 固結(jié)灌漿單位注灰量統(tǒng)計分析

放空洞洞身段布置固結(jié)灌漿70個單元,累計完成灌漿51692.90m,灌注水泥151.4t,平均單位注灰量2.93kg/m,其中Ⅰ序孔平均單位注灰量為5.06kg/m,Ⅱ序孔平均單位注灰量為0.56kg/m,Ⅱ序孔較Ⅰ序孔遞減88.9%,說明隨著灌漿次序的遞增,巖層的完整性逐漸提高,平均單位注灰量逐漸減小,較大單位注灰量孔段的頻率隨著灌漿次序的遞增逐漸降低,灌漿效果明顯,符合灌漿一般規(guī)律[7-8]。具體單位注灰量分布頻率統(tǒng)計見表3,單位注灰量頻率及頻率累計曲線見圖2。

表3 放空洞洞身段固結(jié)灌漿單位注灰量頻率統(tǒng)計

圖2 放空洞洞身段單位注灰量頻率及頻率累計曲線

4.3 放空洞洞身灌漿異常情況分析統(tǒng)計

在放空洞洞身段固結(jié)灌漿累計完成的11556段中有43段出現(xiàn)串漿、冒漿、漏漿等異常現(xiàn)象。對異常孔段采取限流、低壓、濃漿、間歇、表面封堵、嵌縫、待凝、掃孔復(fù)灌等措施進行施工。統(tǒng)計結(jié)果顯示:異常情況絕大多發(fā)生在Ⅰ序孔且以拱腳及底角居多,入巖孔深0～3m占73%,3～9m占20.1%,9～15m占6.9%。隧洞巖體總體以Ⅲ1、Ⅲ2類為主,巖石完整—較完整,卸荷松弛深度一般小于3m,少部分裂隙密集帶、由裂隙組合形成的不利鍥形體、斷層及其影響帶為Ⅳ、Ⅴ類巖體,完整性較差,卸荷松弛深度一般較大,異常情況統(tǒng)計資料說明灌漿成果比較契合巖石基本條件,灌漿效果明顯。

5 灌漿質(zhì)量檢查成果及評價

放空洞洞身固結(jié)灌漿質(zhì)量檢查采用鉆孔取芯、壓水試驗、單孔聲波、對穿聲波、孔內(nèi)電視以及鉆孔變模等方法檢測。單元質(zhì)量評價以單孔聲波為主、其他檢測為輔的方法進行[1-9]。

5.1 檢查孔壓水試驗成果

放空洞樁號(放)0+000.00～(放)0+550.00段灌后檢查孔壓水透水率不大于3Lu,其余洞段灌后檢查孔壓水透水率不大于5Lu。壓水試驗孔段合格率為85%以上,不合格孔段的透水率值不超過設(shè)計規(guī)定值的150%,且不得集中,則灌漿質(zhì)量可認(rèn)為合格[1]。放空洞洞身段完成固結(jié)灌漿70個單元5329個灌漿孔,灌后檢查了284個孔,檢查孔比例占總孔數(shù)的5.3%,滿足“檢查孔數(shù)量不少于灌漿孔總數(shù)5%”的設(shè)計要求,檢查合格率為100%。檢查孔壓水試驗成果統(tǒng)計見表4。

表4 放空洞洞身段固結(jié)灌漿檢查孔壓水試驗成果統(tǒng)計

5.2 鉆孔取芯檢查

放空洞洞身段固結(jié)灌漿先導(dǎo)孔共鉆孔取芯26個孔,檢查孔共鉆孔取芯26個孔。具體取芯情況見表5。資料顯示,灌前先導(dǎo)孔的巖芯平均采取率為88.8%,灌后檢查孔的巖芯平均采取率為93.5%,灌后較灌前提高4.7%,巖石質(zhì)量指標(biāo)(RQD)提高4.5%,兩項指標(biāo)相關(guān)性較好,說明巖體的完整性得到有效提高,灌漿效果明顯。

表5 放空洞洞身段固結(jié)灌漿鉆孔取芯情況統(tǒng)計

5.3 物探檢測

5.3.1 聲波檢測

灌后單孔聲波檢測合格標(biāo)準(zhǔn)為:Ⅲ1類圍巖Vp>5500m/s或灌后平均波速比灌前提高10%;Ⅲ2類圍巖Vp>5200m/s或灌后平均波速比灌前提高10%;Ⅳ類圍巖Vp>4800m/s或灌后平均波速比灌前提高10%;Ⅴ類圍巖Vp>4500m/s或灌后平均波速比灌前提高10%。灌后85%的測點波速達到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn),波速小于設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)85%的測點不超過總測點數(shù)的3%,且不集中[1]。

a.單孔聲波檢測。放空洞洞身段固結(jié)灌漿累計完成70個單元287孔的單孔聲波檢測,灌前波速平均值為5294.10m/s,灌后波速平均值為5379.38m/s,灌后波速較灌前平均提高1.6%;灌前測點波速值在5200m/s以上孔段占比為82.0%,灌后測點波速值在5200m/s以上孔段占比為95.14%,灌后較灌前提高13.14%。說明灌漿后巖體完整性得到提高,灌漿效果較好[10]。具體檢測結(jié)果統(tǒng)計見表6。

b.對穿聲波檢測。放空洞洞身段固結(jié)灌漿累計完成17個單元對穿聲波檢測,經(jīng)檢測灌前對穿波速平均值為4930～5595m/s,灌后對穿波速平均值為5155～5652m/s,灌后對穿波速值較灌前對穿波速值提高0.6%～4.6%,說明整體灌漿效果明顯。

表6 放空洞洞身段固結(jié)灌漿單孔聲波檢測結(jié)果統(tǒng)計

5.3.2 鉆孔變形模量檢測

放空洞洞身段固結(jié)灌漿累計完成變形模量檢測12個單元24孔,灌前巖體平均變形模量值多分布在6.08～8.73GPa之間,灌后巖體平均變形模量值多分布在6.55～9.40GPa之間。灌后相比灌前變形模量值提高率在2.7%～19.0%之間,平均提高5.8%,提高了巖體抗變形能力,說明灌漿效果明顯。具體檢測結(jié)果統(tǒng)計見表7。

表7 放空洞洞身段固結(jié)灌漿鉆孔變形模量檢測結(jié)果統(tǒng)計

圖3 放空洞洞身固結(jié)灌漿檢查孔典型全景圖像

5.3.3 鉆孔全景圖像檢測

放空洞洞身段固結(jié)灌漿累計完成70個單元234孔的灌前灌后全景圖像檢測,結(jié)果顯示:混凝土與基巖面結(jié)合緊密,裂隙內(nèi)可見明顯水泥漿結(jié)石充填,裂隙充填飽滿密實,灌漿效果整體較好。放空洞洞身檢查孔典型全景圖像檢測成果見圖3。

5.4 洞身固結(jié)灌漿質(zhì)量評價

灌漿成果及質(zhì)量檢測數(shù)據(jù)表明,洞室砂板巖總體可灌性較差,灌前透水率總體屬于極微透水及微透水,少部分孔段屬于弱透水及中等透水,與巖體地質(zhì)條件相關(guān)性較好,異常孔段透水率較大,灌注水泥較多,總體占比較少,一般位于洞室拱腳及底角部位,與洞室?guī)r體的卸荷規(guī)律相吻合。施工過程中,灌漿質(zhì)量控制到位,灌漿過程正常,異常孔段處理工藝合理技術(shù)可靠,灌漿成果符合灌漿一般規(guī)律,灌漿質(zhì)量檢查方法及結(jié)果滿足設(shè)計要求,灌漿效果良好。

6 結(jié)論及建議

6.1 結(jié)論

放空洞是水庫泄水建筑物的重要組成部分,洞室結(jié)構(gòu)安全對于滿足放空洞使用功能意義重大。放空洞進水塔位于庫區(qū)左岸近岸邊坡,巖層陡傾,巖體卸荷發(fā)育,正常工況下最大水頭120m,為防止庫水繞滲,對塔體與洞身之間結(jié)構(gòu)縫進行了加強化灌處理,同時沿塔體與洞身結(jié)合部兩側(cè)各布置兩排帷幕,帷幕深入進水塔底板以下20m,達到了截斷基礎(chǔ)滲流的目的;洞身段設(shè)計采用“深固結(jié),淺排水”處理技術(shù),提高了巖體承載力,減少了不均勻沉降及變形,同時帷幕與固結(jié)灌漿的聯(lián)合作用,起到了防止外水內(nèi)滲的效果,確保了洞室結(jié)構(gòu)安全,滿足洞室長期安全運行要求。經(jīng)過三期蓄水運行考驗,洞室結(jié)構(gòu)沒有明顯變形及滲水,說明灌漿處理效果良好,達到了預(yù)期處理目的。

6.2 建議

a.鑒于洞室較完整巖體卸荷深度較淺,巖體可灌性差,建議采用無蓋重固結(jié)灌漿,以降低施工難度,防止鉆孔對混凝土過流面的破壞。

b.隧洞回填灌漿質(zhì)量檢查,除采用規(guī)范要求的壓漿檢查方法外,建議增加鉆孔取芯及孔內(nèi)電視檢測。