某水電站河床壩基固結(jié)灌漿效果分析

蘇 星，陳 奎

(中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，四川 成都 610072)

1 前 言

在建的某水電站為雙曲拱壩，最大壩高285.5m，以發(fā)電為主，兼有攔沙、防洪、改善下游航運(yùn)等綜合效益。河床壩基固結(jié)灌漿規(guī)模較大，共涉及7個(gè)壩段，從左岸至右岸依次為13～19號(hào)壩段，高程324.5～328m，順河向長(zhǎng)約70m，橫河向?qū)捈s130m，面積約9 000m2。

壩區(qū)地層平緩，河床壩基開(kāi)挖揭示的為厚度約25～30m二疊系上統(tǒng)峨眉山玄武巖(P2β3)，下伏巖層自上而下依次為玄武巖(P2β2、P2β1)、泥頁(yè)巖沉積層(P2βn)及茅口組石灰?guī)r(P1m)。層間錯(cuò)動(dòng)帶C2發(fā)育于P2β3、P2β2之間，高程為292～300m，呈含屑角礫型。河床壩基P2β3層以Ⅲ1級(jí)巖體為主，少量Ⅱ級(jí)巖體，部分Ⅲ2級(jí)巖體；P2β3層以下巖層以Ⅱ級(jí)巖體為主。其中Ⅱ、Ⅲ1級(jí)巖體均滿(mǎn)足大壩建基要求，Ⅲ2級(jí)巖體約占15%，由錯(cuò)動(dòng)帶交匯或裂隙集中發(fā)育等構(gòu)造原因造成，一般不連續(xù)分布，隨機(jī)發(fā)育，需進(jìn)行處理。Ⅲ2級(jí)巖體、P2β3層內(nèi)隨機(jī)發(fā)育的錯(cuò)動(dòng)帶，以及因地應(yīng)力松弛和開(kāi)挖爆破造成的松弛巖體為壩基固結(jié)灌漿的主要對(duì)象。

2 固結(jié)灌漿設(shè)計(jì)與灌后質(zhì)量檢查

2.1 灌漿設(shè)計(jì)方案

河床壩基采用混凝土有蓋重固結(jié)灌漿，混凝土澆筑高度滿(mǎn)足灌漿壩段不小于6m、相鄰壩段不小于4m，當(dāng)混凝土達(dá)到50%設(shè)計(jì)強(qiáng)度后在混凝土倉(cāng)面進(jìn)行鉆孔灌漿。固結(jié)灌漿孔孔距1.5m×3.0m(順河向×橫河向)，呈梅花形布置，灌漿入巖孔深上游約1/3區(qū)為25m、下游約2/3區(qū)為30m，孔徑φ110mm，孔向垂直向下。根據(jù)灌后質(zhì)量檢查效果，對(duì)未能達(dá)到驗(yàn)收合格標(biāo)準(zhǔn)的壩段進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)處理，并重新檢查；對(duì)局部未能達(dá)到設(shè)計(jì)要求的部位，可在廊道內(nèi)和上下游貼角處對(duì)拱壩建基面上下游局部進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)灌漿。

2.2 灌漿后質(zhì)量檢查

灌后巖體質(zhì)量檢查采用聲波測(cè)試為主、鉆孔變模和鉆孔全景圖像為輔，并結(jié)合鉆孔壓水試驗(yàn)、灌漿前物探成果、有關(guān)灌漿施工資料以及鉆孔取芯資料等綜合評(píng)定。檢查孔總數(shù)大致為灌漿孔總數(shù)的5%。河床壩基各壩段灌后檢查孔布置見(jiàn)圖1。進(jìn)行的物探測(cè)試包括單孔聲波測(cè)試、對(duì)穿聲波測(cè)試、鉆孔全景圖像測(cè)試、壓水試驗(yàn)以及鉆孔孔內(nèi)變模測(cè)試。

3 固結(jié)灌漿效果分析、評(píng)價(jià)

可行性研究、招標(biāo)設(shè)計(jì)階段河床壩基C2層間錯(cuò)動(dòng)帶以上的P2β3層玄武巖主要為Ⅲ1級(jí)巖體，大壩設(shè)計(jì)采用的P2β3層玄武巖變形模量為10GPa，施工詳圖設(shè)計(jì)階段根據(jù)400m高程以下開(kāi)挖揭示的地質(zhì)條件，對(duì)大壩體型進(jìn)行了必要的調(diào)整，河床壩基Ⅲ1級(jí)巖體變形模量設(shè)計(jì)采用值為9GPa。

河床壩基固結(jié)灌漿的效果主要從灌漿后提高壩基巖體的整體剛度和均一性、減小不可恢復(fù)變形、抗

圖1 河床壩基固結(jié)灌漿灌后檢查孔布置

滲性的改善以及是否達(dá)到拱壩建基設(shè)計(jì)要求來(lái)分析、評(píng)價(jià)。

3.1 整體剛度

(1)鉆孔變模。壩基巖體的整體剛度在灌后檢測(cè)中主要通過(guò)鉆孔變模平均值、聲波速度平均值來(lái)反映。在河床壩基13～19號(hào)壩段共對(duì)47個(gè)孔進(jìn)行了變模測(cè)試，灌前23孔，灌后24孔。各壩段及河床壩基整體變形模量平均值統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1。

根據(jù)表1統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，13～19號(hào)壩段灌后各壩段變形模量平均值均大于設(shè)計(jì)要求的9GPa，最大值為14.5GPa，最小值為9.7GPa；河床壩基整體變形模量灌后平均值為12.3GPa，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。從鉆孔變形模量的統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，整個(gè)河床壩基、各壩段巖體的整體剛度得到明顯提高，灌漿效果顯著，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

(2)E0-Vp相關(guān)關(guān)系。根據(jù)不同設(shè)計(jì)階段獲得的E0、Vp數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得到聲波與變形模量的相關(guān)關(guān)系如下：

(1)

利用公式(1)，可將河床壩基大量的鉆孔聲波數(shù)據(jù)、并考慮層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶的影響可以得到壩基巖體的綜合變形模量，進(jìn)行河床壩基的整體剛度分析。河床壩基巖體聲波統(tǒng)計(jì)平均值及按公式(1)計(jì)算的變模值見(jiàn)表2。

表1 河床壩基鉆孔變模統(tǒng)計(jì)

表2 河床壩段灌后聲波波速平均值、計(jì)算變模統(tǒng)計(jì)

13～19號(hào)壩段參與統(tǒng)計(jì)聲波的單孔或?qū)Υ┛坠?1組，覆蓋了整個(gè)河床壩基。從壩段平均波速計(jì)算變模值來(lái)看，最小值為13.2GPa，最大值為22.1GPa。

(3)壩基巖體綜合變模分析。河床壩基巖層為層狀巖體，無(wú)斷層發(fā)育，主要地質(zhì)構(gòu)造為層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶Lc，傾角平緩，帶寬一般3～5cm，少數(shù)10～20cm，局部交匯。若同時(shí)考慮河床壩基巖體與錯(cuò)動(dòng)帶的受力、變形，可按公式(2)計(jì)算其綜合變形模量。

(2)

式中E——綜合變形模量；

a1、a2——分別為巖體和Lc所占的百分比；

E1、E2——分別為巖體和錯(cuò)動(dòng)帶Lc的變形模量計(jì)算采用值。

現(xiàn)根據(jù)公式(2)對(duì)整個(gè)河床壩基的綜合變形模量進(jìn)行敏感性計(jì)算、分析，成果見(jiàn)表3。

表3中整個(gè)河床壩基灌后檢查孔聲波平均值為5 402m/s，根據(jù)公式(1)得到河床壩基聲波計(jì)算變模值為20.2GPa，作為公式(2)中巖體變形模量E1

的計(jì)算采用值。根據(jù)壩基巖體聲波測(cè)試的經(jīng)驗(yàn)，層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶(Lc)固結(jié)灌漿前波速平均值多在2 500～3 300m/s，灌后平均波速多在3 500～4 200m/s，根據(jù)聲波變模轉(zhuǎn)換關(guān)系，變模值為5.0～9.0GPa，但實(shí)際上錯(cuò)動(dòng)帶(Lc)經(jīng)過(guò)灌漿處理后聲波值一般提高較大，變模值提高幅度較小，不能達(dá)到5.0～9.0GPa?？裳小⒄袠?biāo)階段對(duì)層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶(Lc)提出的變形模量建議值為2.0～3.0GPa，考慮到固結(jié)灌漿后錯(cuò)動(dòng)帶(Lc)的變模值有一定的提高，故計(jì)算采用值E2取上限3.0GPa。河床壩基以下30m范圍內(nèi)的P2β3層巖體中層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶(Lc)的厚度多在0.5～1.5m，所占百分比1.7%～5%。從表3的計(jì)算成果來(lái)看，當(dāng)河床壩基下部不發(fā)育錯(cuò)動(dòng)帶時(shí)，巖體的綜合變模為20.2GPa；當(dāng)錯(cuò)動(dòng)帶所占百分比為5%時(shí)，綜合變模為15.7GPa；即便考慮到錯(cuò)動(dòng)帶隨機(jī)發(fā)育、個(gè)別壩段下部可能發(fā)育數(shù)量較多厚度較大、平均厚度增加至3m、所占比例為10%時(shí)，綜合變模為12.8GPa ，仍能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

由河床壩基鉆孔變模的統(tǒng)計(jì)、巖體聲波計(jì)算變模值以及綜合變模的敏感性分析可知，河床壩基巖體的整體剛度經(jīng)固結(jié)灌漿后提高明顯，提高幅度達(dá)17.1%，在整體性方面能滿(mǎn)足拱壩建基要求。

表3 河床壩基灌漿后綜合變形模量敏感性分析計(jì)算

3.2 均一性

壩基巖體的均一性改善主要表現(xiàn)為緩傾角層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶物理力學(xué)性能的提高，減小不可恢復(fù)變形。在物探測(cè)試方面主要反映在固結(jié)灌漿前后鉆孔變模測(cè)試中小值的減小、波速小于4 000m/s測(cè)試段所占比例的的減小和錯(cuò)動(dòng)帶聲波值的提高等方面。

從鉆孔變模測(cè)試情況來(lái)看，河床壩基灌前小于5GPa的測(cè)試段所占百分比為12.8%，灌后減小到8.9%，減小幅度為30.5%。大于12GPa的百分比由32.9%增加到53.0%。各壩段鉆孔變模測(cè)試中的小值所占的比例均有一定幅度的減小，大值有所增加(參見(jiàn)圖2)。

河床壩基各壩段灌前檢測(cè)孔聲波波速統(tǒng)計(jì)資料表明，波速小于4 000m/s的孔段所占的百分比一般在10%～18%，灌漿后小于4 000m/s所占百分比減小至2%～10%。灌漿后層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶的聲波值有較大幅度的提高，其力學(xué)性能、充填程度均有一定的改善。河床壩基各壩段層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶固結(jié)灌漿后的平均波速較灌前提高幅度在6.2%～28.7%，提高效果明顯(見(jiàn)表4)。

鉆孔變模測(cè)試中的小值、聲波測(cè)試中小于4 000m/s所占比例的減少以及灌后層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶波速的提高均表明固結(jié)灌漿后河床壩基的均一性得到一定的改善，對(duì)壩基減小不可恢復(fù)變形以及不均勻沉降起到積極作用。

3.3 抗?jié)B性

固結(jié)灌漿后對(duì)河床壩基的透水性進(jìn)行了質(zhì)量檢查。壓水試驗(yàn)在各壩段灌漿結(jié)束7d后進(jìn)行，試驗(yàn)采用單點(diǎn)法，每5m為一個(gè)壓水試驗(yàn)段。經(jīng)過(guò)系統(tǒng)灌漿后，河床壩段壓水試驗(yàn)中未出現(xiàn)透水率大于4.5Lu的測(cè)試段，小于3Lu的試驗(yàn)段占總試驗(yàn)段的85%以上，整個(gè)河床壩基呈弱偏微透水層，有效提高了壩基的抗?jié)B性，一定程度上可對(duì)壩基帷幕灌漿起到輔助作用。

圖2 河床壩基灌漿前后鉆孔變模試驗(yàn)值分布

表4 河床壩段灌漿前后錯(cuò)動(dòng)帶聲波波速平均值統(tǒng)計(jì) m/s

4 河床固結(jié)灌漿三維地質(zhì)建模簡(jiǎn)介

該水電站是國(guó)家級(jí)的重點(diǎn)水電工程，積極研究、應(yīng)用新技術(shù)、新手段才能更好地為工程服務(wù)，三維地質(zhì)建模的應(yīng)用就是其中的一個(gè)應(yīng)用項(xiàng)目。河床壩基相關(guān)工程問(wèn)題較多，完整性差的巖體、錯(cuò)動(dòng)帶空間展布較復(fù)雜，因此有必要通過(guò)三維圖件進(jìn)行模擬、分析，為壩基固結(jié)灌漿中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)處理，提供直觀、有效的途徑?；贕ocad2.0.8軟件，建立了河床壩基灌漿檢測(cè)三維模型。三維模型中包括的信息有建基面開(kāi)挖地形、壩基以下各級(jí)巖體的空間范圍、地層巖性、主控結(jié)構(gòu)面以及灌后檢查孔的檢測(cè)成果。三維圖形的建立使灌漿的檢查分析更加直觀、立體；有助于灌漿后壩基以下不滿(mǎn)足要求部位空間范圍、結(jié)構(gòu)面的空間展布情況的判定；也可以直接應(yīng)用三維圖件進(jìn)行平、剖面的繪制，相關(guān)數(shù)據(jù)的讀取，提高了工作效率。河床壩基13號(hào)壩段固結(jié)灌漿的三維地質(zhì)模型見(jiàn)圖3。

圖3 河床壩基13號(hào)壩段固結(jié)灌漿三維模型

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)某水電站河床壩基灌漿檢查資料的分析、計(jì)算，表明灌漿達(dá)到了預(yù)期效果，使壩基在整體剛度、均一性、抗?jié)B性等方面得到改善，能夠滿(mǎn)足拱壩建基要求。通過(guò)建立河床壩基灌漿效果三維分析模型，提高了地質(zhì)資料綜合分析和科學(xué)決策能力。