綜合檢測在建基巖體軟弱巖帶化學(xué)灌漿試驗(yàn)研究中的應(yīng)用

鄧希貴 廖 偉 何 剛 范泯進(jìn)

綜合檢測在建基巖體軟弱巖帶化學(xué)灌漿試驗(yàn)研究中的應(yīng)用

鄧希貴 廖 偉 何 剛 范泯進(jìn)

（四川中水成勘院工程勘察有限責(zé)任公司 四川成都 610072）

錦屏一級水電站拱壩為目前世界最高混凝土拱壩。大壩對壩基及兩岸巖體質(zhì)量要求高，壩基巖體的整體性、變形模量、抗剪特性和抗?jié)B性直接關(guān)系到大壩的安全。與壩基密切相關(guān)的規(guī)模較大斷層及煌斑巖脈等，對建筑物的穩(wěn)定性、基礎(chǔ)應(yīng)力傳遞等極為不利，必須進(jìn)行穩(wěn)妥可靠的處理，以提高基巖質(zhì)量，確保拱壩安全。本次試驗(yàn)有針對性地采用化學(xué)灌漿方法對f5斷層和煌斑巖脈進(jìn)行加固處理，經(jīng)處理后的f5斷層和煌斑巖脈基本能滿足設(shè)計(jì)的力學(xué)指標(biāo)要求。在本次現(xiàn)場化學(xué)灌漿試驗(yàn)研究過程中，分別對灌前、水泥灌后和化學(xué)灌漿灌后均采取系統(tǒng)的綜合檢測手段進(jìn)行檢測，取得了豐富的試驗(yàn)檢測成果資料，為灌漿效果評價(jià)發(fā)揮了重要作用。

建基巖體 f5斷層 煌斑巖脈 軟弱巖帶 化學(xué)灌漿 試驗(yàn)研究 綜合檢測 成果應(yīng)用

1 前言

錦屏一級水電站大壩為混凝土雙曲拱壩，最大壩高305m，裝機(jī)容量3600MW，是目前壩高居世界第一的特大型工程。該電站大壩正常蓄水位時(shí)，壩體承受總水推力近1200萬t。因此，要求壩基及兩岸抗力體一定要具有足夠的強(qiáng)度和剛度，滿足拱座抗滑穩(wěn)定和拱壩整體穩(wěn)定。同時(shí)，要具有抗?jié)B性和滲透穩(wěn)定性，以及在水長期作用下的耐久性。經(jīng)對左岸抗力體f5斷層及煌斑巖脈采用一般水泥高壓固結(jié)灌漿試驗(yàn)證明，其巖體物理力學(xué)指標(biāo)難以達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。若對抗力體范圍內(nèi)的f5斷層及煌斑巖脈采用混凝土網(wǎng)格進(jìn)行局部置換，其置換開挖施工安全風(fēng)險(xiǎn)極大，對本工程的總工期目標(biāo)實(shí)現(xiàn)有較大的制約。因此，設(shè)計(jì)提出選擇規(guī)模大、性狀差的f5斷層及煌斑巖脈進(jìn)行高壓水泥-化學(xué)復(fù)合灌漿試驗(yàn)研究的方案。擬通過現(xiàn)場灌漿試驗(yàn)，研究水泥-化學(xué)灌漿在技術(shù)上的可行性、效果上的可靠性、經(jīng)濟(jì)上的合理性。本次試驗(yàn)于2007年9月底開始，于2008年3月中旬結(jié)束，歷時(shí)160多天。在整個(gè)化學(xué)復(fù)合灌漿試驗(yàn)過程中，分別對各試驗(yàn)區(qū)灌前、水泥灌漿后和化學(xué)灌漿后開展了壓水試驗(yàn)、聲波測試、鉆孔變形模量和鉆孔全景圖像等綜合檢測手段進(jìn)行了系統(tǒng)檢測，為灌漿效果評價(jià)發(fā)揮了重要作用。為進(jìn)一步開展壩址區(qū)f2、f5、f13、f14、f18斷層、煌斑巖脈、層間擠壓錯(cuò)動(dòng)帶等軟弱巖帶處理方案的制定及優(yōu)化提供了基礎(chǔ)資料。

2 試驗(yàn)研究目的及要求

2.1試驗(yàn)?zāi)康?/p>

本次現(xiàn)場化學(xué)固結(jié)灌漿試驗(yàn)研究的主要對象為f5斷層及煌斑巖脈軟弱巖帶。以提高f5斷層及煌斑巖脈的抗壓、變形模量、抗拉、抗剪強(qiáng)度、抗?jié)B性和泊松比等物理力學(xué)指標(biāo)。擬通過現(xiàn)場灌漿試驗(yàn)研究，了解經(jīng)化學(xué)灌漿處理后，其整體性、剛度、防滲性、抗剪強(qiáng)度和泊松比等物理力學(xué)指標(biāo)的提高幅度，論證經(jīng)過灌漿處理后的巖體做為拱壩基礎(chǔ)的合理性、耐久性和可靠性，提出相應(yīng)的巖體力學(xué)參數(shù)值，在經(jīng)濟(jì)合理的前提下滿足大壩建基面的要求，改善拱壩基礎(chǔ)的適應(yīng)性和安全性。

表1 f5斷層及煌斑巖脈灌后物理力學(xué)指標(biāo)

2.2灌后巖體技術(shù)指標(biāo)要求

經(jīng)過水泥-化學(xué)復(fù)合灌漿處理后的f5斷層及煌斑巖脈物理力學(xué)指標(biāo)擬達(dá)到表1要求。

3 試驗(yàn)區(qū)工程地質(zhì)特征

3.1f5斷層工程地質(zhì)特征

f5斷層試驗(yàn)區(qū)選擇在左岸基礎(chǔ)處理工程1730m高程1730m-2＃排水洞0+081～0+087洞段上游側(cè)施工供風(fēng)洞內(nèi)。試驗(yàn)區(qū)巖性為2（6）層薄層大理巖，層面裂隙發(fā)育，該部位f5斷層帶寬1.0～1.5m，主要由碎裂碎塊巖夾少量糜棱角礫巖條帶組成.上盤影響帶寬1.0～1.5m，下盤影響帶寬1.5～2.0m，影響帶巖體破碎，影響帶及附近巖體裂隙密集發(fā)育且松弛，以碎裂結(jié)構(gòu)為主。該試驗(yàn)區(qū)內(nèi)破碎帶為V級巖體，影響帶及附近巖體為IV2級巖體。

3.2煌斑巖脈工程地質(zhì)特征

煌斑巖脈試驗(yàn)區(qū)選擇在左岸基礎(chǔ)處理工程1885m高程1885-2＃固結(jié)灌漿平洞0+045～0+50洞段向上游開挖的支洞內(nèi)。巖脈位于砂板巖中。一般厚約2.0～2.5m，弱-強(qiáng)風(fēng)化，脈體走向裂隙發(fā)育。試區(qū)底板部位兩側(cè)為斷層接觸，上盤斷層帶寬20～50cm，局部70～90cm，由碎裂巖組成且松弛。下盤斷層帶寬2.0～2.5m，主要由碎裂巖、角礫巖組成，風(fēng)化較強(qiáng)，平行煌斑巖脈的裂隙密集發(fā)育?；桶邘r脈兩側(cè)的砂板巖較破碎，裂隙發(fā)育，松弛，呈碎裂-鑲嵌結(jié)構(gòu)。與煌斑巖脈接觸處1.0～2.0m范圍內(nèi)巖體多破碎，呈碎裂結(jié)構(gòu)。該試驗(yàn)區(qū)內(nèi)砂板巖和煌斑巖脈主要為IV2級巖體，少量砂板巖為Ⅲ2級巖體。

4 檢測孔布置及檢測方法

4.1檢測孔布置

為檢測f5斷層及煌斑巖脈化學(xué)灌漿試驗(yàn)效果，分別在f5斷層試驗(yàn)區(qū)灌前布置了4個(gè)檢測孔，水泥灌漿后布置2個(gè)檢測孔，化學(xué)灌漿后布置5個(gè)檢測孔。在煌斑巖脈試驗(yàn)區(qū)灌前布置了4個(gè)檢測孔，水泥灌漿后布置3個(gè)檢測孔，化學(xué)灌漿后布置5個(gè)檢測孔，孔深為30～35m不等。

4.2檢測方法

為了檢測f5斷層及煌斑巖脈水泥灌漿和化學(xué)灌漿后巖體的滲透性能及巖體物理力學(xué)性質(zhì)的改善程度，在試區(qū)開展灌前、水泥灌漿和化學(xué)灌漿后除對檢查孔進(jìn)行鉆孔取芯外，且均采用壓水試驗(yàn)、單孔聲波、鉆孔變模、鉆孔全景圖象測試等綜合檢測手段進(jìn)行檢查，對水泥灌漿和化學(xué)灌漿后巖體灌漿效果進(jìn)行綜合評價(jià)，以評價(jià)灌漿效果。

5 檢測成果分析

5.1壓水試驗(yàn)成果

f5斷層及煌斑巖脈試驗(yàn)區(qū)在灌前、水泥灌漿和化學(xué)灌漿后按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行了壓水試驗(yàn)。

f5斷層試驗(yàn)區(qū)，V級巖體灌前透水率多為30～100Lu，少量大于100Lu，屬中等透水為主。水泥灌漿及化學(xué)灌漿后，巖體透水率均小于1Lu。

煌斑巖脈試驗(yàn)區(qū)Ⅳ2級巖體灌前透水率q=30～100Lu，部分大于100Lu，屬中等～強(qiáng)透水，水泥灌漿后透水率多小于1Lu，少量1～3Lu，屬微透水，化學(xué)灌漿后透水率q=0Lu，巖體透水率均小于1Lu。

壓水試驗(yàn)成果表明，f5斷層試驗(yàn)區(qū)隨灌序增進(jìn)及加密補(bǔ)強(qiáng)灌漿、化學(xué)灌漿后，透水率均小于1Lu。通過水泥-化學(xué)的復(fù)合灌漿能改善f5斷層V級巖體滲透性能?；桶邘r脈試驗(yàn)區(qū)經(jīng)過水泥-化學(xué)復(fù)合灌漿處理，煌斑巖脈達(dá)到不透水，對改善該試驗(yàn)區(qū)Ⅳ2級巖體滲透性能效果顯著。

5.2物探檢測成果

f5斷層及煌斑巖脈水泥-化學(xué)復(fù)合灌漿試驗(yàn)過程中，分別在灌漿各階段均進(jìn)行了鉆孔聲波、鉆孔變模和鉆孔全景圖像檢測。

5.2.1 f5斷層試驗(yàn)區(qū)物探檢測成果

（1）分析f5斷層水泥灌漿后及化學(xué)灌漿后30天單孔聲波波速統(tǒng)計(jì)分析表明，f5斷層破碎帶水泥灌漿后較灌前巖體聲波波速平均值變化較大，由灌前的2664m/s提高到灌后的4789m/s，提高幅度接近80%。但破碎帶化灌后比水泥灌后聲波波速提高幅度較小，即由水泥灌后平均聲波波速4789m/s提高到化灌后的4858m/s，僅提高1.44%。由此表明，水泥灌漿使得碎裂巖、角礫巖、碎塊巖空隙間得到水泥的有效充填，對f5斷層破碎帶聲波波速提高較大；而化學(xué)灌漿對f5斷層（碎裂角礫巖夾碎塊巖）物理力學(xué)性能改變較小。即水泥灌漿能有效地充填于碎塊間，提高破碎帶的密實(shí)度，而化學(xué)漿液僅充填、膠結(jié)于巖塊角礫間，未能滲透于巖石中，對改善f5斷層破碎帶的性狀作用不大。

（2）f5斷層試驗(yàn)區(qū)灌前斷層破碎帶未獲得變模數(shù)據(jù)，水泥灌漿后在破碎帶部位僅測得1個(gè)數(shù)據(jù)，其鉆孔變模值為2.67GPa，且對比性不強(qiáng)，不具備統(tǒng)計(jì)規(guī)律。主要原因在于水泥灌漿前、后檢測孔孔壁巖體破碎、較軟等，導(dǎo)致無法獲得巖體變模值。說明f5斷層破碎帶灌漿前及水泥灌漿后變形模量均較小?；嗪笤趂5斷層破碎帶部位僅測得到3個(gè)有效鉆孔變模數(shù)據(jù)，其變化范圍為1.6～3.1GPa，平均鉆孔變模值為2.6GPa，與水泥灌后相比無提高。

（3）f5斷層試驗(yàn)區(qū)鉆孔全景圖像測試成果表明，f5斷層破碎帶孔段灌前孔壁粗糙，凹凸不平，巖體破碎，呈碎塊狀，結(jié)構(gòu)松弛，局部呈空腔。水泥灌后破碎帶孔段碎塊間明顯充填水泥結(jié)石，松散、破碎帶巖體得以固結(jié)，但水泥灌后破碎帶孔段孔壁仍粗糙。化灌后破碎帶孔段孔壁較粗糙，碎塊間見明顯充填水泥結(jié)石及化學(xué)膠結(jié)物，但化學(xué)膠結(jié)物未滲透入巖塊中。

5.2.2 煌斑巖脈試驗(yàn)區(qū)物探檢測成果

（1）煌斑巖脈灌前、水泥灌后單孔聲波波速平均值變化較小，由灌前的3262m/s提高到灌后的3388m/s，提高幅度僅4%，表明水泥灌漿對提高煌斑巖脈的聲波作用不大?；嗪笈c灌前原巖體相比，聲波波速平均值變化較大，由灌前的3262m/s提高到化灌后的4322m/s，提高幅度達(dá)32%，且聲波波速主要集中在3000～5000m/s，消除了小于3000m/s的低波速帶，局部高達(dá)5000m/s以上。

（2）煌斑巖脈水泥灌漿前、后鉆孔變模提高幅度較大，由灌前的0.72GPa提高到灌后的1.44Gpa，提高幅度達(dá)100%，表明經(jīng)水泥灌漿后，煌斑巖脈及周邊巖體裂隙得到了水泥的有效充填?；桶邘r脈的抗變形能力增加較多，但仍然不滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求?；嗪笈c灌前相比，鉆孔變模平均值變化更大，由灌前的0.72GPa提高到灌后的3.52GPa，提高幅度達(dá)390%，表明化學(xué)灌漿對煌斑巖脈的物理力學(xué)性能改變較大。

（3）煌斑巖脈試驗(yàn)區(qū)鉆孔全景圖象測試成果表明，灌前孔壁粗糙，局部呈空穴狀，裂隙張開明顯。水泥灌漿后裂隙明顯充填水泥結(jié)石，但孔壁仍較為粗糙，化灌后檢測孔孔壁光滑，煌斑巖脈巖體張開裂隙充填較密實(shí)，部分被充填的裂隙明顯呈黃色。表明煌斑巖脈經(jīng)化灌后其完整性得到了較大的改善。

6 結(jié)論

通過對錦屏一級水電站左岸抗力體f5斷層及煌斑巖脈開展的水泥-化學(xué)復(fù)合灌漿試驗(yàn)研究取得的豐富研究成果及大量綜合檢測成果資料表明：f5斷層和煌斑巖脈經(jīng)水泥-化學(xué)復(fù)合灌漿處理后，巖體透水性得到了大大改善，灌后透水率均能達(dá)到試驗(yàn)預(yù)期要求。化學(xué)灌漿對f5斷層破碎帶物理性能改善效果較差，對風(fēng)化煌斑巖脈軟弱巖帶物理性能改善效果較好。該試驗(yàn)研究成果，為優(yōu)化建基巖體中的斷層、煌斑巖脈、層間擠壓錯(cuò)動(dòng)帶等軟弱巖帶的處理設(shè)計(jì)，提供了基礎(chǔ)資料。

（1）f5斷層破碎帶灌前透水率多為30～90Lu，隨水泥灌序增進(jìn)及水泥加密補(bǔ)強(qiáng)灌漿、化學(xué)灌漿后，透水率均小于1Lu，灌后透水率達(dá)到試驗(yàn)預(yù)期要求。經(jīng)水泥灌后破碎帶平均聲波波速已達(dá)到4789m/s，其聲波波速達(dá)到設(shè)計(jì)要求，水泥灌漿后碎塊間明顯充填水泥結(jié)石，松散、破碎帶巖體得以固結(jié)，對f5斷層破碎帶聲波波速提高較大。但再經(jīng)化學(xué)灌漿處理后破碎帶平均聲波波速僅為4858m/s，與水泥灌漿后相比其聲波波速提高不明顯，表明化學(xué)漿液僅充填、膠結(jié)于巖塊角礫間，未能滲透于巖石中，雖然使得破碎帶巖體得到進(jìn)一步充填膠結(jié)強(qiáng)化，但對改善f5斷層破碎帶的性狀作用不大。

無論是水泥灌后還是再經(jīng)化灌處理后f5斷層破碎帶平均鉆孔變模值均不滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。

（2）煌斑巖脈灌前透水率q=30～100Lu，部分大于100Lu。水泥灌后透水率多小于1Lu，少量1～3Lu，再經(jīng)化學(xué)灌漿處理后巖體透水率均小于1Lu，透水率滿足試驗(yàn)預(yù)期指標(biāo)要求，顯著降低了煌斑巖脈巖體的滲透性能。水泥灌漿使得煌斑巖脈中的張開裂隙得到了較為有效的填充，水泥灌漿后煌斑巖脈平均聲波波速僅為3390m/s，平均鉆孔變模為1.44GPa，水泥灌漿后煌斑巖脈物理力學(xué)性未達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，再經(jīng)化學(xué)灌漿處理后，煌斑巖脈完整性得到了較大的改善，物理力學(xué)指標(biāo)得到了大幅度的提高，煌斑巖脈平均聲波波速達(dá)到4322m/s，平均鉆孔變模值為3.52GPa?？梢?，化灌后聲波波速達(dá)到設(shè)計(jì)要求，但其鉆孔變模值仍未能達(dá)到試驗(yàn)預(yù)期要求。

為此，設(shè)計(jì)根據(jù)上述試驗(yàn)研究成果，并結(jié)合工程地質(zhì)條件及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，擬對錦屏一級水電站大壩右岸1730～1670m高程間f14斷層、左岸1885～1829m高程間防滲帷幕煌斑巖脈原防滲設(shè)計(jì)混凝土置換斜井方案，改為水泥-化學(xué)復(fù)合灌漿方案；對1670m高程以下防滲帷幕f5斷層采用水泥加密灌漿處理，若仍達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，可進(jìn)一步采用化學(xué)灌漿進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng).大壩左岸防滲帷幕線上f2斷層及層間擠壓錯(cuò)動(dòng)帶、大壩右岸防滲帷幕線上f13、f18斷層等，在常規(guī)水泥灌漿后仍難以達(dá)到設(shè)計(jì)要求時(shí)，再次進(jìn)行化學(xué)復(fù)合灌漿補(bǔ)強(qiáng)處理設(shè)計(jì)，對加快工程進(jìn)展，提高整體工程質(zhì)量和安全是十分重要的。

圖4 ZK608-ZK609孔異常交匯法成果圖

（3）對同孔深鉆孔野外工作，CT成像法的工作量是交匯法工作量的4倍，室內(nèi)解釋工作量相差不大。這充分顯示交匯法野外工作高效的特性。

5 結(jié)束語

在完成工程實(shí)例1、實(shí)例2的解釋之后，對兩孔之間的物探工作及解釋方法更加清晰明了。電磁波穿透異常交匯法是物探工作中最基本的工作思維方法，與電磁波CT成像法相比可稱為新技術(shù)。盡管其工作方法還有待進(jìn)一步的驗(yàn)證、完善，但其對異常體屬性以及中心位置可確定的特征，對于設(shè)計(jì)和施工來說具有決定性的意義。所以該方法對工程勘察，尤其是巖溶勘察的詳查、細(xì)查階段以及大壩建基面滲漏的勘測工作，具有高效、快速、直觀、明了的特點(diǎn)。

10.3969/j.issn.1672-2469.2014.02.011

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1672-2469（2014）02-0040-04

鄧希貴（1960年— ），男，教授級高級工程師。