化學(xué)灌漿在宜興電站酸性水治理中的應(yīng)用

王林林

（浙江華東建設(shè)工程有限公司，浙江杭州 310030）

1 工程概況

江蘇宜興抽水蓄能電站由上水庫(kù)、下水庫(kù)、輸水系統(tǒng)、地下廠房和地面開關(guān)站等組成，裝機(jī)4×250 MW。上水庫(kù)位于銅官山主峰北側(cè)溝源，正常蓄水位471.5 m，全庫(kù)盆采用鋼筋混凝土面板防滲，主壩由鋼筋混凝土面板堆石壩和混凝土重力擋墻組成，壩頂長(zhǎng)494.90 m，最大壩高75.20 m。下水庫(kù)位于銅官山東北山麓，利用原會(huì)塢水庫(kù)改建而成，正常蓄水位78.90 m，大壩采用粘土心墻堆石壩壩型，壩頂長(zhǎng)483 m，最大壩高50.4 m。地下廠房洞室群位于輸水系統(tǒng)中部，埋深310～370 m，按兩洞四機(jī)布置，主副廠房開挖尺寸為155.3 m×22 m×52.4 m（長(zhǎng)×寬×高）。主體工程自2003年7月開始開挖，2005年7月底廠房開挖完成，2007年8月完成1號(hào)機(jī)組倒送電，目前4臺(tái)機(jī)均已投入商業(yè)運(yùn)行。

根據(jù)前期勘察成果，宜興工程地下廠房區(qū)地下水的pH值小于6.5，具弱～強(qiáng)的一般酸性腐蝕，地下廠房頂拱網(wǎng)架安裝完成后不到半年時(shí)間，屋面彩鋼板出現(xiàn)多處被頂拱滲水滴穿、腐蝕的現(xiàn)象。2008年6月上旬，又發(fā)現(xiàn)網(wǎng)架面板被滴穿、腐蝕，水滴到3～4號(hào)機(jī)組段發(fā)電機(jī)層，嚴(yán)重影響機(jī)組的安全運(yùn)行。酸性水的長(zhǎng)期存在對(duì)巖體內(nèi)的錨桿、吊頂網(wǎng)架等金屬構(gòu)件會(huì)產(chǎn)生局部影響，亟需進(jìn)行處理。

2 酸性水產(chǎn)生原因及設(shè)計(jì)處理方案

2.1 酸性水產(chǎn)生原因

地下水質(zhì)的形成和演變與地下水相接觸的巖體、斷層等介質(zhì)的性質(zhì)密切相關(guān)。從本工程區(qū)巖石、斷層樣化學(xué)分析看，巖屑砂巖以SiO2和Al2O3為主，地下水質(zhì)局部酸性化、強(qiáng)酸性化與巖體中黃鐵礦(FeS2)的氧化有關(guān)。經(jīng)對(duì)地下水全面調(diào)查、檢測(cè)，認(rèn)為：地下廠房洞室群的開挖、地下水位的降低和含水層的疏干，為氧氣的進(jìn)入和使還原環(huán)境轉(zhuǎn)變?yōu)檠趸h(huán)境創(chuàng)造了條件，從而促使巖石中的黃鐵礦溶解于水中，為黃鐵礦晶體發(fā)生各種化學(xué)反應(yīng)提供了前提條件，是形成酸性水的主要原因。

2.2 設(shè)計(jì)處理方案

根據(jù)酸性水的分布范圍、成因以及目前地下工程的運(yùn)行狀況，設(shè)計(jì)提出以“有針對(duì)性的局部處理、堵排措施結(jié)合、全面長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)”為主的處理原則。該處理原則得到了以潘家錚、譚靖夷等院士為首的世行特咨團(tuán)及中國(guó)水利水電建設(shè)工程咨詢公司的贊同。根據(jù)設(shè)計(jì)處理原則，針對(duì)不同區(qū)域的處理方案為：主廠房頂拱處理范圍為酸性水發(fā)育的廠右0+030～0+070（3號(hào)、4號(hào)機(jī)組段），酸性水主要集中在f15、f2、f600、f605等斷層部位，采用排干巖體中的水分或堵住主要滲水通道，堵住氧氣進(jìn)入巖體的通道，阻止黃鐵礦氧化反應(yīng)、水解反應(yīng)進(jìn)行的方案。主變洞頂拱酸性水處理方案同主廠房頂拱，由于主變洞頂拱僅有一處酸性水，針對(duì)該處的f11、f12斷層進(jìn)行固結(jié)灌漿，阻斷滲水通道，同時(shí)在相應(yīng)的上層排水廊道加密排水幕，減少外水滲入主變洞頂拱。排水廊道本身斷面較?。? m×3 m），自穩(wěn)能力強(qiáng)，因此對(duì)酸性水部位，僅做增設(shè)長(zhǎng)排水孔處理，截?cái)酀B水滲至廠房的路徑，另外也減小噴層的水壓力，減少錨桿與酸性水接觸程度。

3 施工工藝

3.1 固結(jié)灌漿布孔

廠房頂拱灌漿兼排水廊道處理部位共布設(shè)了362個(gè)固結(jié)灌漿孔，孔深2.5～7 m，鉆孔孔徑?60 mm。主變洞頂拱處理部位共布設(shè)55個(gè)固結(jié)灌漿孔，分兩序布置，孔深為Ⅰ序孔4 m、Ⅱ序孔6 m，鉆孔孔徑?60 mm。主廠房頂拱根據(jù)漏水情況布設(shè)35個(gè)淺層固結(jié)灌漿孔，分一序布置，孔深均為0.7 m，鉆孔孔徑?32 mm。

3.2 洗孔

灌漿前對(duì)灌漿孔進(jìn)行鉆孔沖洗，孔內(nèi)沉積厚度不超過(guò)20 cm。灌漿前采用壓力水進(jìn)行裂隙沖洗，直至回水清凈時(shí)止。沖洗壓力為0.6 MPa。

3.3 灌漿方法

孔深小于6 m的孔采用全孔一次灌漿法，水泥灌漿采用孔內(nèi)循環(huán)灌漿，化學(xué)灌漿采用純壓式灌漿。灌漿孔相互串漿時(shí)，可采用群孔并聯(lián)灌注，孔數(shù)不宜多于2個(gè)，并控制灌漿壓力，防止混凝土面或巖石面抬動(dòng)。灌漿試驗(yàn)壓力定為0.5～0.8 MPa。

3.4 灌漿材料

3.4.1 水泥灌漿材料

水泥灌漿試驗(yàn)材料選用高抗硫酸鹽超細(xì)水泥，性能要求如下：

（1）超細(xì)水泥勃氏比表面積要求大于6 000 cm2/g，或顆粒粒徑50%以上小于10～12 μm，最大粒徑不大于35 μm。

超細(xì)水泥中化學(xué)成分：氧化鎂（MgO）含量≤5.0%，三氧化硫（SO3）含量≤3.5%，燒失量不得大于5.0%，總堿量不大于0.6%。安定性必須合格。

漿液水灰比為0.6∶1，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)時(shí)，其物理力學(xué)性能指標(biāo)見表1。

（2）漿液水灰比為0.6∶1，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)時(shí)，凝結(jié)時(shí)間：初凝不早于2 h，終凝不遲于6 h。

（3）漿液是穩(wěn)定的，其標(biāo)準(zhǔn)是1000 mL漿液，2 h內(nèi)的析出清水量應(yīng)小于5%。

3.4.2 化學(xué)灌漿材料

化學(xué)灌漿環(huán)氧材料采用低粘度環(huán)氧材料，技術(shù)指標(biāo)符合混凝土裂縫用環(huán)氧樹脂灌漿材料規(guī)范（JC/T1041-2007）。材料技術(shù)性能要求見表2、表3。

表1 高抗硫酸鹽超細(xì)水泥性能指標(biāo)Table 1:Performance indexes of the high sulphate-resisting superfine cement

表2 灌漿材料漿液性能Table 2:Performance indexes of the grouting slurry

表3 灌漿材料固化物性能Table 3:Solid properties of the grouting material

3.5 灌漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)及封孔方法

（1）在規(guī)定壓力下，當(dāng)單孔注入率不大于0.4 L/min時(shí)，繼續(xù)灌注30 min，灌漿結(jié)束。

（2）灌漿孔灌漿結(jié)束后，排除鉆孔內(nèi)的積水和污物，采用0.5∶1的漿液進(jìn)行純壓式灌漿封孔，孔口壓抹齊平。

3.6 排水孔鉆孔

（1）頂拱廊道及上層排水廊道排水孔鉆孔采用潛孔鉆鉆孔，鉆孔平均孔徑?75 mm。鉆孔終孔時(shí)孔底偏差不大于1/40的設(shè)計(jì)鉆孔孔深。

（2）鉆孔過(guò)程中，及時(shí)進(jìn)行孔斜測(cè)量，控制孔斜，確?？仔狈弦?guī)范DL/T5148-2001及相關(guān)技術(shù)要求規(guī)定。

4 灌漿試驗(yàn)情況

4.1 灌漿試驗(yàn)單耗成果

依據(jù)設(shè)計(jì)要求，需先選定區(qū)域進(jìn)行灌漿試驗(yàn)，對(duì)灌漿成果進(jìn)行對(duì)比分析后確定最終灌漿材料及方案。超細(xì)水泥灌漿試驗(yàn)成果：平均單耗4.64 kg/m，可灌性普遍較差。根據(jù)設(shè)計(jì)技術(shù)要求，選用比水泥漿液可灌性更好的低粘度環(huán)氧灌漿材料進(jìn)行化學(xué)灌漿試驗(yàn)?；瘜W(xué)灌漿試驗(yàn)材料選用低粘度自流型環(huán)氧灌漿材料，化學(xué)灌漿試驗(yàn)成果：平均單耗34.54 kg/m，檢查孔典型芯樣見圖1，試驗(yàn)結(jié)果表明化學(xué)灌漿可灌性好。

4.2 灌漿試驗(yàn)聲波成果

化學(xué)灌漿試驗(yàn)區(qū)選取了兩個(gè)孔做灌前灌后聲波測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見表4。經(jīng)全面分析試驗(yàn)孔各測(cè)點(diǎn)灌前灌后值，其中V≤4 500 m/s的測(cè)點(diǎn)數(shù)由灌漿前的21%降為灌漿后的0%，而V≥5 000 m/s的測(cè)點(diǎn)數(shù)由灌漿前的8%提升為灌漿后的23%，表明灌漿試驗(yàn)區(qū)內(nèi)巖體完整性得到了明顯改善，達(dá)到了“堵”的目的。

表4 化學(xué)灌漿試驗(yàn)區(qū)灌前灌后聲波值統(tǒng)計(jì)表Table 4:Values of sound wave speed before and after chemi-cal grouting

5 化學(xué)灌漿施工

根據(jù)灌漿試驗(yàn)成果，全面展開廠房頂拱灌漿兼排水廊道固結(jié)灌漿、主變洞頂拱固結(jié)灌漿、廠房頂拱淺層固結(jié)灌漿。各部位灌漿成果見表5。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，全部固結(jié)灌漿工作完成后，在上層排水廊道、頂拱灌漿兼排水廊道相應(yīng)部位鉆設(shè)加密排水幕，并對(duì)固結(jié)灌漿過(guò)程中堵塞的原排水孔進(jìn)行補(bǔ)鉆排水孔。加密后全部排水孔間距為3 m，實(shí)際共鉆孔93個(gè)，合計(jì)1 894.2 m。

6 灌漿效果分析

6.1 固結(jié)灌漿單耗分析

經(jīng)查閱本工程斷層分布位置圖，地下廠房頂拱灌漿兼排水廊道灌漿單耗較大的區(qū)域與斷層分布基本吻合。主變洞處理范圍內(nèi)灌漿前未發(fā)現(xiàn)明顯滴水，故灌漿單耗也明顯較頂拱灌漿廊道少。廠房頂拱淺層固結(jié)灌漿作為頂拱廊道灌漿的補(bǔ)充措施，主要以填充廠房頂拱混凝土噴射層與基巖間空隙、封堵少量滴水點(diǎn)為目的，鉆孔深度為0.7 m，故單耗很低。以上成果表明，本次化學(xué)灌漿的單耗情況與地質(zhì)情況基本吻合。

表5 單元灌漿量及單耗匯總表Table 5:Statistics of unit grouting and unit consumption

6.2 上層排水廊道及廠房頂拱滴水變化情況

灌漿過(guò)程中發(fā)現(xiàn)廠房頂拱有很濃的環(huán)氧漿液氣味，且有3處明顯的噴層混凝土表面漿液出露，共有6處滴水有明顯的漿液氣味，表明環(huán)氧漿液能有效充填裂隙。上層排水廊道有8個(gè)排水孔在灌漿過(guò)程中先后出現(xiàn)滴漿現(xiàn)象，表明環(huán)氧漿液可灌性、滲透性較好。

廠房頂拱區(qū)在頂拱廊道灌漿前，根據(jù)頂拱集水盒的位置及編號(hào)確定流量監(jiān)測(cè)目標(biāo)點(diǎn)，共監(jiān)測(cè)4個(gè)滴水點(diǎn)、8個(gè)排水孔滴水點(diǎn)。固結(jié)灌漿后，前期監(jiān)測(cè)的8個(gè)排水孔點(diǎn)滴水流量明顯減小，其余4個(gè)滴水點(diǎn)已不再滴水。各次普查監(jiān)測(cè)點(diǎn)滴水流量情況詳見表6。

表6 固結(jié)灌漿前后廠房頂拱監(jiān)測(cè)點(diǎn)滴水量對(duì)比Table 6:Water drops at the grids before and after grouting

由以上成果可見，經(jīng)過(guò)廠房頂拱灌漿兼排水廊道固結(jié)灌漿及廠房頂拱淺層固結(jié)灌漿處理后，廠房頂拱各相應(yīng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)漏水量明顯減小，灌漿效果顯著，達(dá)到了預(yù)期目的。

6.3 地下廠房頂拱滴水點(diǎn)水樣的pH值變化情況

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，灌漿前后需對(duì)處理范圍內(nèi)滴水的酸堿度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。表7為固結(jié)灌漿前后廠房頂拱監(jiān)測(cè)點(diǎn)pH值現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的對(duì)比情況。

由表7可見，經(jīng)過(guò)灌漿處理后，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的pH值均有所提高，達(dá)到了預(yù)期目的。

6.4 固結(jié)灌漿檢查孔取芯情況

固結(jié)灌漿檢查孔數(shù)量按不低于灌漿孔的5%確定，共布置27個(gè)檢查孔。為保證取芯率，采用?91鉆進(jìn)。從芯樣情況分析，本次灌漿效果明顯，基本每個(gè)芯樣中均能發(fā)現(xiàn)有化學(xué)漿液固結(jié)體，特別是有些細(xì)小的裂隙充填有漿液（見圖2、圖3），表明化學(xué)漿液的可灌性好、灌漿效果好。

表7 固結(jié)灌漿前后廠房頂拱監(jiān)測(cè)點(diǎn)pH值現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)對(duì)比Table 7:pH values before and after grouting

6.5 固結(jié)灌漿前后聲波測(cè)試對(duì)比情況

化學(xué)灌漿施工前，對(duì)部分孔進(jìn)行了聲波測(cè)試，各單元已完成聲波測(cè)試孔共37個(gè)。化學(xué)灌漿施工后，完成聲波測(cè)試孔26個(gè)，其中廠房頂拱灌漿兼排水廊道24個(gè)，主變洞2個(gè)。各部位平均聲波測(cè)試對(duì)比成果見表8。

從表8可以看出，頂拱灌漿廊道及主變洞原波速V≤4 500 m/s的巖體經(jīng)過(guò)化學(xué)灌漿后，波速分別提高了13.05%和10.75%。原波速4 500 m/s＜V＜5 000 m/s的巖體較完整，灌漿使波速提高的空間有限，灌后分別提高了3.52%和0.87%。原波速V≥5 000 m/s的巖體整體性好，灌漿使波速再提高幾無(wú)可能，灌后分別提高了0.88%和0%。

從灌前、灌后聲波波速對(duì)比情況分析，原波速低的部位灌漿后波速提高幅度大，主變洞灌漿的波速較頂拱灌漿廊道高，因此灌漿提高值較少，符合地質(zhì)特性。灌漿后，廠房頂拱灌漿兼排水廊道及主變洞波速均已超過(guò)4 500 m/s，巖體完整性有了明顯的改善，灌漿效果明顯。

7 結(jié) 語(yǔ)

（1）從化學(xué)灌漿成果及取芯檢查、聲波檢測(cè)結(jié)果來(lái)看，巖芯裂隙面有化學(xué)漿液固化物，化學(xué)灌漿對(duì)提高巖體完整性效果較為明顯。工程處理后，地下廠房頂拱的滲滴水點(diǎn)消失、滲水量明顯減小。從酸性水形成機(jī)理分析，化學(xué)灌漿能較好填充巖體裂隙（包括細(xì)小的裂隙），堵住主要滲水通道，大大減少了水這一主體，同時(shí)又減少了巖體中氧氣含量，從而大幅減少了酸性水的形成。

表8 固結(jié)灌漿前后聲波檢測(cè)成果統(tǒng)計(jì)表Table 8:Results of sound wave detections before and after grouting

（2）從化學(xué)灌漿情況分析，化學(xué)灌漿的結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)可在水泥灌漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上大幅降低，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)可取后者的1/10，但同時(shí)也要考慮經(jīng)濟(jì)性及灌漿所希望達(dá)到的處理目的。

（3）工程處理后，地下廠房滲滴水點(diǎn)的SO42-、Ca2+、Mg2+、Fe3+離子含量及礦化度普遍增大，分析認(rèn)為離子濃度增大主要由滲滴水點(diǎn)水量減少、成分濃縮導(dǎo)致，說(shuō)明“堵排結(jié)合”的處理措施是可行、有效的。頂拱灌漿廊道內(nèi)排水孔的加密施工將減少地下水向廠房頂拱區(qū)域的滲透，而化學(xué)固結(jié)灌漿在漿液填充裂隙、提高巖體完整性及抗?jié)B性的同時(shí)，將阻止地下水向廠房頂拱區(qū)域的滲透，減少或阻緩巖體與空氣接觸的程度，在一定程度上阻斷地下水與黃鐵礦化學(xué)反應(yīng)的途徑，因此，“堵排結(jié)合”的處理措施可以基本消除酸性水的不利影響。

[1]黃國(guó)興，陳改新.水工混凝土建筑物修補(bǔ)技術(shù)及應(yīng)用[M].中國(guó)水利水電出版社.

[2]蔣碩忠.綠色化學(xué)灌漿技術(shù)[M].武漢長(zhǎng)江出版社.