白鶴灘水電站右岸導流洞出口錯動帶及斷層影響帶帷幕灌漿研究與分析

徐進鵬，蘭曉（中國長江三峽集團公司，四川成都610000）

白鶴灘水電站右岸導流洞出口錯動帶及斷層影響帶帷幕灌漿研究與分析

徐進鵬，蘭曉
（中國長江三峽集團公司，四川成都610000）

為了解決白鶴灘水電站導流洞區(qū)域內的層間層內錯動帶、弱風化及卸荷巖體、斷層影響帶等經(jīng)灌漿處理后的防滲效果，導流洞帷幕灌漿施工提供依據(jù)，并指導后期大范圍帷幕灌漿施工。通過對右岸導流洞進出口采用“小口徑鉆孔、孔口封閉、孔內循環(huán)、自上而下分段灌漿”的整體方案。對于地質條件復雜裂隙部位采用限量、待凝復灌、不限量正常灌注、不限量間歇灌漿等灌漿方式進行灌漿。經(jīng)灌漿后，該區(qū)域灌后透水率滿足不大于3 Lu的設計要求。灌漿施工工藝及參數(shù)在技術上可行，成本經(jīng)濟合理，施工質量得到保證，對后續(xù)白鶴灘工程壩基及引水發(fā)電系統(tǒng)高標準的防滲帷幕灌漿具有指導性意義。

導流洞；錯動帶；斷層；帷幕灌漿

白鶴灘水電站作為西電東送的骨干電源點之一，樞紐工程由混凝土雙曲拱壩、引水發(fā)電系統(tǒng)和泄洪建筑物組成。工程施工時共布置5條導流隧洞進行導流，平面上呈雙彎、平行布置，軸線間距60 m，下游段與引水發(fā)電系統(tǒng)的尾水隧洞相結合。導流洞穿過地層主要為杏仁狀玄武巖、隱晶～微晶玄武巖夾角礫熔巖、玄武質凝灰?guī)r，沿線地質條件復雜，節(jié)理裂隙發(fā)達。同時，導流洞出口段高程較外側河流水位低20～30 m，導流洞施工期江水內滲，特別是汛期水位升高后江水沿層內（間）錯動帶、卸荷裂隙及斷層影響帶等不良地質段向導流洞內滲水，對導流洞施工造成直接影響，因此，必須對上述不良地質部位進行防滲帷幕灌漿，以增強其抗?jié)B性和整體性[1]，彌補因裂縫、斷層破碎帶對工程造成的損害，從而保證施工人員及設備安全。

1　灌漿方案及處理措施

1.1總體方案設計

右岸導流洞出口沿江側帷幕灌漿試驗布置在右岸導流2號施工支洞進洞口110.00 m范圍內，沿線主要為角礫熔巖、斜斑玄武巖、隱晶玄武巖、杏仁玄武巖等，局部發(fā)育柱狀節(jié)理。

帷幕灌漿區(qū)內發(fā)育的斷層有f418、f419、f420等陡傾角小斷層，斷層走向在N50°～60°W范圍內；層間層內錯動帶有C2、RS314、RS316、RS317等；裂隙發(fā)育，①N35°～60°W，SW∠70°～85°；②N30°～45°E，NE∠15°～30°；③N5°～15°W，NE∠80°～85°；④N45°～75°E，NW∠75°～80°。裂隙在同一部位一般只發(fā)育1～2組，延伸長2～3 m，少數(shù)可達5～6 m或更長，裂隙間距一般大于30 cm，裂面多新鮮閉合，多起伏粗糙，結合緊密，少數(shù)充填鈣質薄膜。

基巖水泥灌漿施工過程主要包括鉆孔、沖孔、壓水試驗、灌漿及質量檢查等。本次施工程序：抬動觀測孔鉆孔、安裝→先導孔→Ⅰ序孔→Ⅱ序孔→Ⅲ序孔→檢查孔。灌漿前將該區(qū)域由臨江測依此劃分為3個單元，每個單元布設1個抬動觀測孔。帷幕灌漿孔均采用單排帷幕，按分序加密原則，共分3序。在Ⅰ序孔之前，先實施先導孔并進行灌前壓水檢查，以獲取灌漿區(qū)域范圍內的地質情況。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ序孔施工擬采用灌漿段長及各段壓力選取見表1。之后根據(jù)地質情況及相關工程初步選擇孔距為2.0 m。同時在Ⅰ序孔中，選擇5個孔作為先導孔，間距16 m、孔深61～62 m。II序孔間距8 m、III序孔間距為4 m，I、II、III序孔孔深均為56～57 m。對于孔深，由于第一段處于爆破后的虛渣層內，需要鑲筑孔口管，段長設定為2 m；同時考慮到第二段設定的灌漿壓力不大，段長設定為3 m；第三段、第四段及以下段長設定為5 m。灌后在灌漿區(qū)域內共布置5個檢查孔，孔深比灌漿孔深5 m，對灌漿效果進行鉆孔取樣，以檢查灌漿質量（見表1）。灌漿區(qū)地質剖面圖及鉆孔布置如圖1、圖2所示。

表1　帷幕灌漿壓力及分段表Tab.1Curtain grouting pressure and the fragment table

圖1　右岸導流洞出口帷幕灌漿區(qū)地質剖面圖Fig.1　The right bank diversion tunnel outlet curtain grouting area geological profile

圖2　帷幕灌漿孔孔位布置圖Fig.2　Curtain grouting distributed arrangement

1.2施工方法選取

依據(jù)《水工建筑物水泥灌漿施工技術規(guī)范》，鑒于該區(qū)域地質條件較差，斷層及裂隙較為發(fā)育，考慮到灌漿過程中，漿液自裂隙及斷層漏失，發(fā)生“灌不住”和“順縫跑”現(xiàn)象[2]，故對該區(qū)域采取“小口徑鉆孔、孔口封閉[3]、孔內循環(huán)、自上而下分段灌漿”方式施工，可以有效解決坍孔、掉塊、垂直裂隙發(fā)育等問題孔段的順利灌注[4]。1～3段壓水采用“簡易壓水”，壓水壓力為水泥灌漿壓力的80%，且最大壓力不超過1.0 MPa。灌漿孔第4段及以下各段壓水采用“五點法”，壓力為：0.3 MPa、0.6 MPa、1.0 MPa、0.6 MPa、0.3 MPa。

1.3覆蓋層鉆孔措施

因本次帷幕灌漿區(qū)施工面以下存在0.5～0.8 m的松渣層及一定厚度的爆破卸荷松弛層，鉆孔時存在無回水、卡鉆、塌孔、掉塊等，施工過程中無法成孔。對所有孔采用XY-2型地質回轉式鉆機和金剛石鉆頭。虛渣層采用Φ110 mm的鉆頭鉆進，用Φ110 mm的護壁管跟進，所有孔鉆至入巖2.0 m后，直接埋設孔口管，孔口管深入到砼與基巖結合面以下2.0 m，露出孔口0.2 m。先導孔、檢查孔孔徑為孔口段Φ91 mm，以下各段孔徑均為Φ76 mm；一般灌漿孔孔口段Φ91 mm，以下各段孔徑均為Φ56 mm。

1.4孔斜處理措施

為保證鉆孔孔斜滿足要求，開鉆前先對帷幕孔軸線左、右2 m范圍內支洞底板澆筑一定厚度的混凝土，并采用枕木平穩(wěn)機身。鉆機前、后采用Φ60 mm地錨固定。其次，用水平尺測量機架X、Y方向的水平度，采用吊線錘或羅盤測量立軸垂直度。鉆機固定后采用長度為0.5 m、1.0 m、1.5～3.0 m三套鉆具施工第一段，第二段及以下各段均采用長度≥2 m的鉆具造孔。在鉆機鉆孔時中采用輕壓慢轉方式，主要以機具自重為主并適當加設鉆壓，避免鉆壓過大導致孔內鉆桿彎曲而產(chǎn)生偏斜。鉆孔過程中主要對前20 m進行孔斜測量，平均每5.0 m測量一次孔斜，20.0 m后每10.0 m測量一次。

1.5水灰比選取

鑒于導流洞出口沿江帷幕灌漿段部分巖石破碎、節(jié)理裂隙發(fā)育，且存在斷層及錯動帶，預計灌漿時耗漿量大，且灌漿帷幕的設計要求[5]為小于3 Lu，依據(jù)《水工建筑物水泥灌漿施工技術規(guī)范》，并參照小灣工程經(jīng)驗[4，6]，本次帷幕灌漿施工采用強度等級PO.42.5級普通硅酸鹽水泥漿液。灌漿施工水泥漿液水灰比采用2∶1、1∶1、0.8∶1.0、0.5∶1.0等4個比級。水泥灌漿開灌水灰比根據(jù)基巖的透水率與灌前壓水試驗結果確定。灌漿前壓水透水率特別大的灌漿段，用較低水灰比的濃漿開灌[7-8]，開灌水灰比為2∶1。

1.6鉆孔沖洗

由于灌漿區(qū)淺表部位受爆破影響，產(chǎn)生卸荷松弛，同時，在施工支洞施工過程中，有大量泥漿帶入卸荷松弛層內。再者C2及斷層破碎帶內物質組成為巖屑夾泥型，較疏松、風化弱、膠結差，在沖洗過程中，先用高壓水連續(xù)沖洗5～10 min，再將孔口壓力驟降至零，形成反向脈沖流，當回水由混變清后再升至原沖洗壓力，持續(xù)5～10 min，如此升降、壓放反復，直至回水澄清。對有壓單孔脈沖沖洗壓力應控制在灌漿壓力的80%且不超過1 MPa，以保證混找平凝土不抬動。

1.7特殊孔段處理措施

本次帷幕灌漿區(qū)因裂隙、斷層破碎帶和層內（間）錯動帶發(fā)育，在灌漿過程中可能出現(xiàn)吸漿量大、冒漿、漏漿等特殊情況。根據(jù)國內同類工程處理措施，對其擬采用限量、待凝復灌、不限量正常灌注、不限量間歇灌漿[9]等灌漿方式。對于淺表巖體受爆破荷松弛，較為破碎難以起壓（或起壓后漿液擴散較遠），需要加長孔口管的鑲鑄長度，并采用低壓（或無壓）限量漫灌的措施[10]。

2　灌漿成果分析

2.1壓水成果分析

本灌漿區(qū)共計壓水685段，從灌前壓水情況看，整體I、Ⅱ、Ⅲ序孔平均透水率分別為qI=55.33 Lu、qII=19.11 Lu、qIII=4.79 Lu，qI>qII>qIII呈遞減趨勢，遞減率分別為65.5%、74.9%，符合灌漿規(guī)律。灌后對I、Ⅱ、Ⅲ區(qū)6個檢查孔共計壓水84段，灌漿區(qū)整體灌后平均透水率q=1.91 Lu，滿足設計要求的不大于3 Lu。各單元壓水情況統(tǒng)計如表2所示。

表2　灌漿區(qū)壓水情況統(tǒng)計表Tab.2Statistics of the grouting pressure water situation

2.2單位注入量分析

本次灌漿區(qū)域共計鉆孔3 438.22 m，灌漿長度3 168.35 m，灌漿水泥總用量為360 372.32 kg，實際注入水泥321 999.41 kg，整體平均單耗為101.63 kg/m。其中I、Ⅱ、Ⅲ序孔平均單位注入量分別為CI= 258.77 kg/m、CII=73.83 kg/m、CIII=29.77 kg/m，CI>CII> CIII呈遞減趨勢，遞減率分別為71.5%、59.7%，符合灌漿規(guī)律。各單元灌漿情況見圖3。

圖3　灌漿區(qū)各單元分序單位注入量直方圖Fig.3　Grouting area each unit points injection histogram sequence units

綜合分析表2及圖3可得，本次灌漿區(qū)域內的各單元和整體平均透水率及單位注入量關系為：Ⅰ序孔＞Ⅱ序孔＞Ⅲ序孔，呈遞減趨勢，符合灌漿規(guī)律。說明經(jīng)過先序孔的灌漿，后序孔的灌前透水率及單位注入量逐漸減小，說明該部位巖體具有較好的可灌性，排內分序逐漸加密的施工方式是可行的。

2.3特殊孔段灌漿處理分析

表3給出了灌漿區(qū)部分孔段，在施工過程中出現(xiàn)的鉆孔不反水等典型灌漿方法處理的孔號及段次統(tǒng)計。據(jù)統(tǒng)計，最大吸漿量達到4 834.79 kg/m，注入量偏大的孔段吸漿量一般超過500 kg/m。經(jīng)施工發(fā)現(xiàn)采取間歇、待凝灌漿在復灌時仍無壓無回，有一定效果，但停灌待凝耗時較長，制約施工進度；不限量灌注單從工程造價看，不滿足經(jīng)濟性要求；間歇灌漿在造價方面雖較不限量灌漿經(jīng)濟，但灌漿質量不能得到有效保證；采取不限量、限流、限壓間歇灌漿的灌漿方法從灌漿連續(xù)性和灌灰量及施工進度方面是有利的，尤其可使工程質量得到保證。

表3　特殊孔段典型灌漿方法處理情況Tab.3　Special hole section of a typical grouting method to deal with

表4　灌前壓水和灌漿單位注入量關系表Tab.4　Irrigation water pressure and grouting unit before injection relational tables

2.4灌前壓水和灌漿單位注入量關系分析

在灌漿成果分析的基礎上，對灌前壓水和灌漿單位注入量關系表4進行統(tǒng)計分析，可得：

1）q<1 Lu，C<10 kg/m的孔段巖石裂隙不發(fā)育，或由于后序孔經(jīng)先序孔灌漿處理后裂隙滲透性減小所致，說明灌漿起到了顯著的效果。

2）q<5 Lu，C>100 kg/m的孔段裂隙內為泥質充填物，具有一定的天然抗?jié)B能力，在壓力為1 MPa時，滲透性較小，而在壓力達到2 MPa時卻有較好的可灌性，由此表明充填型裂隙雖具有一定抗?jié)B透能力，但其抗?jié)B穩(wěn)定性較差，在較大壓力作用下，極易破壞形成漏水通道，因此必須經(jīng)過灌漿處理，才能提高整體帷幕的抗?jié)B穩(wěn)定性。

3）q>10 Lu，C<50 kg/m的孔段主要分布在完整巖石和已灌漿范圍內，由于巖石裂隙細微，呈閉合狀，壓水透水性大，可灌性差，灌漿效果不夠顯著，灌漿過程中極易出現(xiàn)水泥漿失水回濃現(xiàn)象。

4）q>50 Lu，C>500 kg/m的孔段主要原因為：①鉆孔遭遇斷層、層間錯動帶，裂隙較為寬大、延伸性好；②裂隙內無充填物或雖有充填但較為疏松，透水性強，可灌性好。統(tǒng)計結果表明，這類孔段所占比例雖不大，但灌入的灰量卻很大，在灌漿開始時，一般不能盡快達到設計壓力，需分階段逐級升壓或限流、間歇甚至待凝才能滿足灌漿要求，灌漿歷時長，亦極易誘發(fā)孔內事故，是整個帷幕的薄弱部位，也是滲水的主要通道，必須進行充分灌注，否則會影響整個帷幕的防滲性能。

2.5整體評價

灌漿結束后，對灌漿成果進行綜合統(tǒng)計分析可得：

1）從I序孔灌前壓水透水率看，灌漿區(qū)裂隙較為發(fā)育，透水性較大。存在的裂隙或軟弱夾層、斷層及層間錯動帶等透水性強，與前期地質勘探成果相吻合。

2）各孔段灌漿壓水試驗的透水率隨著灌漿孔序的增加遞減較明顯。分析認為大的裂隙或層間錯動帶發(fā)育范圍較大，隨著帷幕灌漿的進行，漿液能夠很好地對其進行充填，致使不同孔序透水率明顯減小。

3）各孔段單位注入量隨著灌漿孔孔序的增加遞減較為明顯，表明灌漿取得的效果較好。

4）各孔段的單位注入量與灌前壓水試驗的透水率基本相匹配，單位注入量符合壓水試驗成果及灌漿區(qū)地質條件。

5）本次檢查孔共計取芯75塊，整體較為完整，部分呈碎塊狀。6個檢查孔巖芯采取率平均達到95.77%以上，達到合格標準。取出比較明顯的水泥結石厚度約1～3 mm，最大的達7 mm，水泥與基巖面膠結緊密，結石膠結情況良好。

3　結論

由于巖體內存在破碎帶、斷層及層間錯動帶，導致孔內掉塊，阻塞器無法按要求阻塞到位，故“小口徑鉆孔、孔口封閉、孔內循環(huán)、自上而下分段灌漿”灌漿施工工藝及參數(shù)在技術上是可行的，成本上是合理的，施工質量上是得到保證的。

在爆破卸荷松弛層采用預埋孔口管及錯動帶、斷層影響帶采用有壓單孔脈沖沖洗法能夠有效解決上述不良地質條件下的灌漿施工，對其他工程防滲帷幕灌漿施工具有指導意義。

通過本次對導流洞出口錯動帶及斷層影響帶帷幕灌漿施工研究，對后續(xù)白鶴灘工程壩基及引水發(fā)電系統(tǒng)高標準的防滲帷幕灌漿具有指導性意義。

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（編輯李沈）

Research and Analysis on Curtain Grouting in Disturbed Belt and Fault Zone at the Right Bank Diversion Tunnel Outlet of Baihetan Hydropower Station

XU Jinpeng，LAN Xiao
（China Three Gorges Corporation，Chengdu 610000，Sichuan，China）

To address the anti-seepage issue of the grouting treatment in the disturbed belt between layers and within the layer，weakly weathered and unloading rock mass and fault zone in the diversion tunnel area of Baihetan Hydropower Station，and to provide the basis for curtain grouting construction of the diversion tunnel and guide for the large size curtain grouting in the further stage，an overall scheme of“small-diameter boring，porthole closed，circulating inside the hole and top-down grouting”is adopted in this paper.For fractured parts of complicated geological conditions，we adopt methods such as the limited，waiting for cement setting and re-grouting，unlimited normal grouting and unlimited intermittent grouting.After grouting，the water permeability rate of the area is not greater than the design requirements of 3 Lu.The Grouting construction technology and parameters as proposed in the paper are technically feasible，the cost is economical and reasonable，and the quality is guaranteed.The paper provides meaningful guidance for high-standard anti-seepage curtain grouting for the dam construction of Baihetan Hydropower Station in the further stage.

diversion tunnel；disturbed belt；chasms；curtain grouting

1674-3814（2015）07-0114-05中圖分類號：TV543+.5

A

2015-02-10。

徐進鵬（1984—），男，碩士，工程師，主要從事大型水電工程建設管理工作；

蘭曉（1986—），男，碩士，工程師，主要從事大型水利工程移民及項目管理工作。