錦屏二級水電站引水隧洞巖溶洞段裸巖固結(jié)灌漿試驗(yàn)分析

劉健華 來記桃

（二灘水電開發(fā)有限責(zé)任公司 成都市 610051）

周立忠

（湖南省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究總院 長沙市 410007）

1 工程概況

錦屏二級水電站位于四川省涼山彝族自治州木里、鹽源、冕寧3縣交界處的雅礱江干流錦屏大河彎上，是雅礱江干流上的重要梯級電站。該工程利用雅礱江下游河段150 km長大河彎的天然落差，通過長約16.7 km的引水隧洞，截彎取直，獲得水頭約310m，電站總裝機(jī) 4 800MW（8×600MW），多年平均年發(fā)電量242.3億kW·h。該工程樞紐主要由首部低閘、引水系統(tǒng)、尾部地下廠房等永久性建筑物組成，為一低閘、長隧洞、大容量引水式電站。

在工程實(shí)際開挖施工過程中，引水隧洞及廠區(qū)樞紐等施工部位陸續(xù)揭露出眾多巖溶形態(tài)。其中引水隧洞末端及高壓管道區(qū)域，巖溶相對較發(fā)育，并以豎直裂隙通道為主，局部小規(guī)模溶洞發(fā)育。引水隧洞洞內(nèi)長期靜水壓力最大約0.9MPa，最大動(dòng)水壓力約1.2MPa。引水隧洞巖溶洞段在長期的高內(nèi)水作用下，將可能引起嚴(yán)重的內(nèi)水外滲，從而直接威脅高壓管道鋼襯的抗外壓穩(wěn)定、惡化地下廠房運(yùn)行環(huán)境、影響廠區(qū)邊坡的安全。因此，引水隧洞巖溶洞段必須對溶蝕空洞進(jìn)行回填混凝土和充填式固結(jié)灌漿處理（即裸巖固結(jié)灌漿），在隧洞周圍形成一定厚度的防滲固結(jié)灌漿圈，確保工程安全。

2 試驗(yàn)?zāi)康?/h2>

通過引水隧洞巖溶洞段裸巖固結(jié)灌漿試驗(yàn)，主要有以下幾個(gè)目的：

（1）了解工程區(qū)圍巖灌漿特性，檢驗(yàn)固結(jié)灌漿措施的有效性。

（2）獲得合適的灌漿程序、高效的灌漿工藝以及合理的灌漿參數(shù)。

（3）通過此試驗(yàn)成果，作為此類洞段灌漿設(shè)計(jì)和施工的主要依據(jù)。

3 試驗(yàn)區(qū)選擇

試驗(yàn)選取1#引水隧洞末端的巖溶空腔發(fā)育洞段，樁號為引（1）16+510～16+540 段，長 30m，該段主要為鹽塘大理巖。

4 試驗(yàn)區(qū)布孔形式

按照設(shè)計(jì)圖紙要求，采取環(huán)距2m，每環(huán)20布個(gè)孔，孔深20m，孔向垂直于巖石表面，沿洞周呈發(fā)射狀布置，奇偶環(huán)呈梅花形布孔。

5 施工技術(shù)措施

5.1 鉆孔施工

試驗(yàn)區(qū)布置了8個(gè)抬動(dòng)觀測孔，孔位分布在底板、邊墻和頂拱，孔徑為Φ91mm，孔深為15m，鉆完后安設(shè)抬動(dòng)觀測裝置。

在試驗(yàn)區(qū)引（1）16+524斷面布置4個(gè)聲波測試孔，孔徑Φ56mm。鉆孔完畢后進(jìn)行全孔沖洗和灌前聲波測試。

灌漿孔環(huán)距2m，每環(huán)20個(gè)灌漿孔，孔徑Φ56 mm，孔向垂直于巖石表面，沿洞周呈發(fā)射狀布置，奇偶環(huán)呈梅花形布置，孔深20m。

5.2 鉆孔沖洗及壓水試驗(yàn)施工

灌漿孔鉆孔結(jié)束后在灌漿前應(yīng)用壓力水進(jìn)行全孔一次沖洗,直至回水清凈為止或不大于20min,沖洗壓力為灌漿壓力的80%，且不大于1MPa。

灌漿孔在沖洗后應(yīng)進(jìn)行壓水試驗(yàn),試驗(yàn)孔數(shù)為I序孔總孔數(shù)的5%,采用單點(diǎn)法綜合壓水，壓水試驗(yàn)壓力為灌漿壓力的80%，且不大于1MPa。

5.3 灌漿施工方法

（1）灌漿壓力。

此次灌漿試驗(yàn)采用的最大壓力是2.5MPa，根據(jù)不同孔段采取不同的壓力，試驗(yàn)段灌漿孔分段長度及壓力對應(yīng)值詳見表1。灌漿壓力的升幅和升速，根據(jù)孔內(nèi)吸漿量的情況而定，對于注入率較大的孔段，采取限流限量的方式灌漿。

表1 試驗(yàn)區(qū)灌漿孔分段長度和壓力列表

（2）灌漿方法及灌漿塞阻塞位置。

灌漿主要采用自下而上分段純壓式卡塞灌漿法施工，一次造孔至設(shè)計(jì)孔深，灌漿塞阻塞在該灌漿段段頂以上0.5m處。灌漿記錄采用自動(dòng)記錄儀。

（3）灌漿次序。

試驗(yàn)區(qū)灌漿試驗(yàn)施工總體按環(huán)間分序、環(huán)內(nèi)加密的原則進(jìn)行。灌漿次序?yàn)椋合葘?dǎo)孔灌漿—→Ⅰ序環(huán)Ⅰ序孔灌漿—→部分Ⅱ序環(huán)Ⅰ序孔鉆孔灌漿—→Ⅰ序環(huán)環(huán)間加密孔與Ⅱ序環(huán)Ⅰ序孔灌漿同步進(jìn)行—→Ⅱ序環(huán)環(huán)間加密孔灌漿。

（4）漿液水灰比。

灌漿水灰比采用 2∶1、1∶1、0.8∶1、0.5∶1 四個(gè)比級。

（5）漿液變換標(biāo)準(zhǔn)。

當(dāng)灌漿壓力保持不變，注入率持續(xù)減少時(shí)，或當(dāng)注入率保持不變而灌漿壓力持續(xù)升高時(shí)，不改變水灰比；當(dāng)某一比級漿液注入量已達(dá)300 L以上，或灌注時(shí)間已達(dá)30min，當(dāng)注入率大于30 L/min時(shí)，而灌漿壓力和注入率均無顯著改變時(shí)，灌漿漿液直接采用0.5∶1純水泥漿。

（6）屏漿及灌漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。

第二段（第三段）在設(shè)計(jì)壓力下，灌漿孔吸漿量不大于1L/min，繼續(xù)灌注10min結(jié)束，然后進(jìn)行孔口第一段（第二段）灌漿，孔口第一段（第二段）灌漿在設(shè)計(jì)壓力下，吸漿量不大于1L/min，繼續(xù)灌注30 min結(jié)束。

（7）封孔。

腰線以下的孔，4m以后采用0.5∶1的純水泥漿帶壓封孔，（0～4）m采用 GS50EB砂漿泵灌注 1∶0.8∶0.33（灰∶砂∶水）水泥砂漿封孔；腰線以上的上仰孔采用 GS50EB 砂漿泵灌注 1∶0.8∶0.33（灰∶砂∶水）水泥砂漿封孔。

6 灌漿資料統(tǒng)計(jì)分析

6.1 灌漿資料統(tǒng)計(jì)分析

（1）試驗(yàn)區(qū)各次序孔的透水率頻率分析。

試驗(yàn)期內(nèi)完成灌漿5120延米，灌漿水泥2420.9 t，水泥砂漿9.47m3，I序孔平均透水率22.97 Lu，II序孔平均透水率7.60Lu。總體平均單位注入量472.8 kg/m，總體平均透水率15.29 Lu?；厩闆r見表2及圖1。

由表2及圖1可知：Ⅰ序孔透水率大于20 Lu的孔段占Ⅰ序孔總孔數(shù)的28%，Ⅱ序孔透水率大于20 Lu的孔段為0%。隨著Ⅰ序孔的灌注，大的裂隙滲漏通道和巖溶發(fā)育區(qū)均被漿液充填密實(shí)，地層逐漸被改善，故Ⅱ序孔的透水率比Ⅰ序孔大幅降低，主要集中在20 Lu以下，說明Ⅰ序孔的漿液擴(kuò)散半徑，在大的裂隙通道能夠覆蓋伸入Ⅱ序孔漿液擴(kuò)散區(qū)，但仍有大量的中小裂隙或巖溶影響區(qū)，須Ⅱ序孔灌注后得以改善，加密地層，減小透水率。

（2）單位注入量與灌漿次序關(guān)系分析。

表2 試驗(yàn)區(qū)各次序孔灌前透水率（含簡易壓水）頻率累計(jì)表

圖1 試驗(yàn)區(qū)各次序孔的透水率頻率累計(jì)曲線圖

根據(jù)統(tǒng)計(jì)，各次序單位注入量區(qū)間段和頻率累計(jì)情況詳見表3及圖2。從單位注入量統(tǒng)計(jì)情況看，隨著灌漿次序的增加，各次序的單位注入量值分布上遵循遞減的規(guī)律。灌漿孔中單位注入量≥300 kg/m的頻率，I序孔為65%，II序孔為38%，說明隨著灌漿次序的增進(jìn)，地層逐漸被灌注密實(shí)，地層的滲透性得到明顯的改善。

表3 各次序單位注入量區(qū)間段和頻率累計(jì)表

6.2 圍巖抬動(dòng)測試成果

通過對抬動(dòng)觀測孔觀測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，均未發(fā)現(xiàn)有抬動(dòng)現(xiàn)象。

6.3 漿液擴(kuò)散半徑成果分析

通過漿液擴(kuò)散半徑成果來看，大部分?jǐn)U散半徑孔均發(fā)現(xiàn)有水泥結(jié)石，說明設(shè)計(jì)初步確定的2m間排距和灌漿壓力是基本合理的。

圖2 試驗(yàn)區(qū)單位注灰量頻率累計(jì)曲線

6.4 灌后檢查孔成果

試驗(yàn)區(qū)灌后壓水質(zhì)量檢查孔共35孔，105段，其中透水率（0～1）Lu 有 99 段，占 94.3%；透水率（1～1.5）Lu有6段，占5.7%。檢查孔壓水試驗(yàn)結(jié)果表明，采用試驗(yàn)區(qū)的布孔形式和灌漿工藝，透水率不大于2 Lu可達(dá)到85%以上。Ⅰ序、Ⅱ序和檢查孔的透水率有很明顯的遞減趨勢，I序孔平均透水率22.97 Lu，II序孔平均透水率7.60 Lu，檢查孔平均透水率小于1 Lu。

6.5 灌后聲波測試成果

通過對試驗(yàn)區(qū)灌前灌后聲波測試對比發(fā)現(xiàn)，從波速分布情況看，灌漿后巖體波速相對灌漿前有較大提高，各波速測試值均滿足設(shè)計(jì)要求 （最小值不低于4 420m/s），表明灌漿質(zhì)量和灌漿效果良好，聲波檢測合格。

7 結(jié) 論

7.1 推薦的灌漿參數(shù)

（1）灌漿孔深、孔距。

從試驗(yàn)結(jié)果看，灌漿設(shè)計(jì)孔深20m，孔排（環(huán)）距2m，基本上是合理的。

（2）灌漿水灰比。

采用 2∶1、1∶1、0.8∶1、0.5∶1 四個(gè)比級水灰比，開灌水灰比視簡易壓水情況而定。

（3）灌漿分段及灌漿壓力。

采用本試驗(yàn)所確定的灌漿分段和灌漿壓力，最大灌漿壓力為2.5MPa，既能滿足擴(kuò)散半徑要求，又對巖層不產(chǎn)生抬動(dòng)。

（4）屏漿時(shí)間和結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。

采用自下而上的方式灌漿，在孔底最后兩段，吸漿量不大于1 L/min，繼續(xù)灌注10min即可結(jié)束；其余各段，如不是以0.5∶1的水灰比灌注結(jié)束，則吸漿量不大于1 L/min，繼續(xù)灌注30min即可結(jié)束；如以0.5：1的水灰比灌注結(jié)束，吸漿量不大于1 L/min，繼續(xù)灌注10min即可結(jié)束。

（5）封孔。

對于水平孔或俯孔，推薦灌漿段（4m以后）采用0.5∶1的水泥漿封孔，封孔壓力為1.5MPa，帶壓封孔時(shí)間為10min；未灌漿段（0～4m段）采用M25砂漿進(jìn)行無壓封孔。 對于仰孔，推薦灌注 1∶0.8∶0.33（抗壓強(qiáng)度40MPa以上）干縮塑性砂漿。

7.2 推薦的灌漿工藝

采用自下而上分段純壓式卡塞灌漿工藝，小循環(huán)灌漿系統(tǒng)，遇成孔困難的灌漿孔，可采用自上而下和自下而上綜合灌漿工藝。

7.3 推薦的灌漿方法

對于脫空深度不大于0.5m的溶洞，采用小口徑固結(jié)灌漿孔（一般為￠56mm），純水泥漿灌注。

7.4 推薦的灌漿程序

總體原則按環(huán)間分兩序（即單數(shù)環(huán)為Ⅰ序，雙數(shù)環(huán)為Ⅱ序）、環(huán)內(nèi)加密的次序進(jìn)行施工，先施工Ⅰ序孔、再施工Ⅱ序孔，同環(huán)內(nèi)如相鄰兩孔灌漿結(jié)束，可施工兩孔之間的環(huán)內(nèi)加密孔。

綜合本次試驗(yàn)成果可知，各項(xiàng)參數(shù)基本合理，工程質(zhì)量滿足規(guī)范及設(shè)計(jì)要求，可作為此類洞段裸巖固結(jié)灌漿設(shè)計(jì)和施工的主要依據(jù)。

1 DL/T 5148-2001.水工建筑物水泥灌漿施工技術(shù)要求[S].

2 DL/T 5331-2005.水電水利工程鉆孔壓水試驗(yàn)規(guī)程[S].

3 SL 264-2001.水利水電工程巖石試驗(yàn)規(guī)程[S].

4 DL/T 5125-2001.水電水利巖土工程施工及巖體測試造孔規(guī)程[S].

5 DL/T 5013-92.水利水電工程鉆探規(guī)程[S].