安徽某抽水蓄能電站下庫面板壩趾板強風化基巖固結灌漿試驗研究與探討

周鵬濤,胡富航，沈維耘

(1.中國水利水電建設工程咨詢西北有限公司，西安　710065；2.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，杭州　310000)

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安徽某抽水蓄能電站下庫面板壩趾板強風化基巖固結灌漿試驗研究與探討

周鵬濤1,胡富航2，沈維耘1

(1.中國水利水電建設工程咨詢西北有限公司，西安710065；2.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，杭州310000)

摘要：某抽水蓄能電站下水庫混凝土面板壩趾板地基以強風化為主，巖體破碎至較破碎，中陡傾角結構面較發(fā)育，且風化程度較深，為滿足功能要求，需進行特殊固結灌漿和后續(xù)的帷幕施工。筆者通過試驗論證強風化粗顆?；◢弾r地層固結灌漿的可灌性和可行性，探求適宜的灌漿參數(shù)和施工工藝，取得了初步的研究成果，可供類似工程參考和借鑒。

關鍵詞：趾板；風化巖；大壩；固結灌漿；試驗

1工程概況

某抽水蓄能電站樞紐建筑物主要由上水庫、下水庫、輸水系統(tǒng)及地下廠房洞室群和地面開關站組成，總裝機容量1 800 MW(6×300 MW)。本工程屬Ⅰ等大(1)型工程。本工程地震基本烈度小于6度。

其中，下水庫大壩壩型為鋼筋混凝土面板堆石壩，壩頂高程345.10 m，最大壩高59.10 m(趾板處)，壩頂長443.69 m、寬8.00 m。下水庫正常蓄水位為340.00 m，相應庫容1 080.00萬m3；死水位為318.00 m，死庫容177.00萬m3；有效庫容903.00萬m3。豎井式溢洪道布置于大壩右岸，導流泄放洞布置于溢洪道與右壩肩庫岸山體內。

2工程地質條件

下水庫壩址區(qū)出露的基巖為燕山晚期第二階段侵入的粗?；◢弾r與同期侵入的花崗細晶巖，巖脈走向為NW向，近直立，呈脈狀分布于壩址右岸。第四系覆蓋層為殘坡積粉質黏土夾碎(塊)石和沖洪積漂卵礫石夾中粗砂，前者主要分布于山坡處，厚度一般為0.5～1.0 m，局部大于2.0 m，稍密。后者主要分布于登源河北支流及左岸臺地，稍密～松散，厚度一般為0～5.0 m，局部大于5.0 m。壩趾區(qū)粗粒花崗巖，受北東向區(qū)域斷裂的影響，巖體抗風化能力弱，風化程度深。全風化層一般厚1～6 m，強風化下限埋深：左岸為4.00～33.10 m，臺地為10.80～40.30 m，右岸為3.20～48.50 m；弱風化上段下限埋深：左岸為16.10～39.90 m，臺地為15.95～45.00 m，右岸為12.50～60.00 m。根據(jù)室內外巖石試驗成果，強風化巖石飽和單軸抗壓強度平均值僅為5.07 MPa，弱風化上段巖石為11.94 MPa，弱風化下段巖石為35.60 MPa，微風化巖石為66.71 MPa。

圖1　下水庫主要建筑物布置圖　　單位：m

壩址區(qū)無大的斷層破碎帶穿過，主要結構面均以陡傾角為主，緩傾貫穿上、下游的不利結構面亦不發(fā)育。壩址區(qū)強風化粗?；◢弾r厚度大、分布廣、性狀相對均一，壩基穩(wěn)定性好，斷層破碎帶、建基面高差較大及巖體風化差異懸殊的部位，存在差異變形問題，需采取必要的處理措施[1]，詳見圖2。

3趾板固結灌漿處理方案的擬定

壩址區(qū)強風化層厚度大，趾板建基面如置于弱風化巖體上，開挖深度局部將達40.0 m，開挖及壩體填筑工程量大，投資增加。招標階段，將大壩趾板置于強風化層中下部巖體上。鋼筋混凝土趾板寬6 m，厚0.5 m，根據(jù)趾板水力梯度計算結果，在趾板后增設有連接板(防滲板)。趾板基礎布置2排固結灌漿孔，孔深入巖6.0 m，孔距3 m，梅花形布置；防滲板寬1～6 m，厚0.3 m，滿布固結灌漿孔，孔深入巖6.0 m，間排距2 m×2 m梅花形布置。設計要求趾板、防滲板固結灌漿，質量檢驗合格標準為：聲波測試單孔或跨孔灌前、灌后平均波速提高在5%以上，灌后巖體透水率不大于3 Lu為合格(固結灌漿質量標準以灌后巖體透水率為主)。

在技施初期，經研究對大壩趾板建基面做了優(yōu)化，河床段趾板建基面抬高6 m，置于強風化層中上部巖體，趾板按等寬6 m，厚0.5 m設計；同時對趾板基礎下游區(qū)設防滲連接板，連接板寬2.6～20.0 m，厚0.3 m。趾板固結灌漿設計思路同招標階段，連接板布置3排固結灌漿孔，孔排距2 m×2 m梅花形布置。

圖2　下水庫大壩地質剖面圖　　　單位：mm；高程，m

4固結灌漿生產性試驗研究

2015年，下水庫大壩趾板開挖，為論證和優(yōu)化灌漿設計，探求固結灌漿施工控制工藝、措施及參數(shù)，在大面積施工前先選擇具有代表性地層進行固結灌漿、帷幕灌漿生產性試驗[2]。本工程灌漿試驗區(qū)選擇在河床段偏左趾板下游防滲板上，試驗區(qū)連接板長40.0 m，寬9.0 m，厚0.3 m，為鋼筋混凝土結構。根據(jù)灌漿工程現(xiàn)場生產性試驗工作大綱，試驗區(qū)擬定了幾組灌漿試驗。趾板、防滲板固結灌漿分別為2排孔和3排孔，本文以第①組固結灌漿試驗為例進行分析介紹。

4.1試驗目的

(1) 第①組固結灌漿試驗為3排孔，代表下水庫大壩趾板、防滲板固結灌漿區(qū)的地層和工況，通過試驗探求合適的灌漿參數(shù)和適宜的灌漿工藝、工法[3]。

(2) 因設計方案的調整，趾板置于強風化層中上部巖體，第①組灌漿試驗布置15個灌漿孔，入巖6.0 m，間排距2 m×2 m梅花形布置，以論證強風化中上部地層(粗?；◢弾r)的可灌性[4]。

(3) 通過灌漿試驗了解耗灰大小，以及對工程造價做出全面的分析[2]。

4.2試驗施工方法

固結灌漿試驗分2序施工，從孔口起按2.0、4.0 m自上而下分2段卡塞，孔內循環(huán)式灌漿。灌漿孔布置方式為直線3排式，試驗區(qū)孔位布置如圖3所示。

(1) 灌漿試驗工藝流程為：基面清理→底板混凝土澆筑→聲波測試孔、抬動觀測孔施工及檢測→一般試驗孔分序灌漿→待凝3～7 d檢查孔壓水試驗→待凝14 d灌后聲波檢測→封孔。

(2) 主要工序介紹[4-6]

1) 鉆孔：試驗區(qū)鉆孔采用XY-2型回轉式鉆機，鉆孔直徑為75 mm，金剛石鉆頭鉆進。鉆孔過程中嚴格控制孔位、孔向及孔深偏差。

2) 抬動觀測孔：試驗區(qū)布置1個抬動觀測孔，深入基巖6.0 m，壓水試驗及灌漿過程中嚴密監(jiān)測，實測灌漿最大抬動變形值167 μm，滿足小于200 μm的設計要求。

圖3　第①組固結灌漿試驗孔位布置圖　　單位：m

3) 灌漿：采用自上而下分段孔內循環(huán)式(混凝土蓋重厚0.3 m)，灌漿以自動記錄儀記錄為主，同時進行手工記錄，對記錄儀進行校驗，保證灌漿過程真實可信。因系生產性試驗，使用水泥強度等級42.5 MPa。

灌漿試驗第1段(0～2 m)壓力Ⅰ序孔0.2 MPa、Ⅱ序孔0.25 MPa；第2段(2～6 m)壓力Ⅰ序孔0.3 MPa、Ⅱ序孔0.4 MPa。在實際灌漿過程中根據(jù)注入率大小調整灌漿壓力，灌漿漿液遵循由稀到濃、逐級變換的原則，漿液水灰比采用2∶1、1∶1、0.8∶1、0.5∶1四個比級，開灌水灰比2∶1，漿液變換原則按施工技術規(guī)范執(zhí)行。灌漿結束標準為：在設計壓力下吸漿量小于1 L/min時延續(xù)灌注30 min結束[3，7]。

4) 灌漿特殊情況處理：施工過程中發(fā)現(xiàn)周邊裸巖冒漏漿液的情況，采取常規(guī)的封堵、降壓、濃漿、限流、間歇(不超過30 min)、待凝等措施后達到灌漿結束標準。其中部分孔段在灌注時發(fā)現(xiàn)回漿變濃現(xiàn)象，采取相同水灰比的新漿進行灌注，效果不佳。另外在灌漿過程中發(fā)現(xiàn)混凝土表面出現(xiàn)細微裂縫且未貫穿，經分析認為裂縫主要是灌漿抬動造成，與溫度變化關系不大，對此采取了加強抬動觀測頻率，嚴格控制壓力與注入率關系，采用分級升壓、限流灌注等措施，使注入率控制在10 L/min左右，若注入率大于10 L/min就降壓，小于10 L/min再試探性升壓至設計壓力，同時觀測抬動變形，效果較好[1,3]。

4.3試驗效果分析

4.3.1灌前壓水試驗

灌前壓水共計29段，其中Ⅰ序孔平均透水率247.78 Lu；Ⅱ序孔平均透水率157.14 Lu，可以看出隨著孔序的遞增，透水率呈遞減變化。結合試驗區(qū)地層特性及灌漿冒漏漿情況，推斷灌前地層透水率存在一定程度的失真，因而會引起地層透水率實際普遍偏大的問題，見表1。

表1　第①組試驗灌前壓水試驗成果統(tǒng)計表

4.3.2單位注入率分析

本組試驗各次序孔平均單位耗灰量233.96 kg/m，Ⅱ序孔單位耗灰量較Ⅰ序孔有大幅遞減，符合一般規(guī)律,詳見圖4。

圖4　第①組固結灌漿試驗水泥單耗分序柱狀圖

經分段統(tǒng)計灌漿成果發(fā)現(xiàn)孔口段(0～2 m)吃漿量普遍較大，由于孔口段受地層開挖影響，表層巖體破碎，灌漿過程中冒漏漿液情況明顯，混凝土與基巖的結合面亦比較薄弱，灌漿過程中沿結合面外漏嚴重，通過鑿除檢查發(fā)現(xiàn)試驗區(qū)混凝土板與基巖結合部位周邊外漏水泥漿結石明顯且厚度約2～5 cm。綜上分析灌漿淺表層裂隙冒漏、結合面外漏是影響灌漿試驗水泥單耗較大的主要因素，因沿結合面外漏漿液量無法有效統(tǒng)計，這里實際灌入巖體的水泥量也很難準確量化。

4.3.3灌后檢查孔取芯檢查

根據(jù)灌漿成果資料，第①組試驗布設1個質量檢查孔，自上而下分段施工，SY001-JC01檢查孔鉆孔取芯6.0 m，巖芯采取率為0，RQD值為0，經分析認為強風化粗顆?；◢弾r巖層破碎、完整性差且強度較低，本身因素造成的,加之巖體抗鉆孔擾動及水流作用的影響。水泥漿液以沿層理或裂隙脈狀充填為主，鉆孔取芯除結合面處能看到較完整的水泥結石外，對于強風化粗粒花崗巖一般觀察不到水泥漿的痕跡。對此，在距原灌漿孔0.5 m處鉆孔取芯，檢查效果和前一個取芯孔相同，說明沿垂直層理面方向漿液擴散范圍小，灌漿效果不佳與實地相符[2,8]。

4.3.4檢查孔壓水試驗效果分析

對本組1個檢查孔做灌后第3方壓水試驗，壓水壓力按相應孔段灌漿壓力的80%控制，共壓水2段，其中第1段透水率142.25 Lu，第2段透水率39.75 Lu，均大于設計要求的3 Lu標準，合格率為0，經分析認為該處巖層為陡傾角裂隙發(fā)育，加之強風化粗顆粒花崗巖巖性致密，細微裂隙發(fā)育，漿液沿垂直走向擴散半徑較差。對此，又加大一個檢查孔進行灌后第3方壓水試驗，其中第1段透水率64.29 Lu，第2段透水率32.25 Lu，從圖5灌前、灌后透水率頻率分布曲線可以看出，目前采用的灌漿孔排距偏大，對改善巖體防滲性能不顯著，需改進設計。

圖5　第①組固結灌漿試驗灌前灌后透水率頻率曲線圖

4.3.5聲波測試成果分析

第①組試驗布設1個聲波測試孔，其中灌前平均波速在1 955～2 392 m/s之間；灌后平均波速在2 000～2 809 m/s之間，各測點提高率在0.1%～19.5%之間，由于灌前波速較低，該提高率亦屬正常[9]。詳見表2和圖6。

表2　第①組試驗平均波速統(tǒng)計表

圖6　第①組試驗灌前灌后波速分布圖

綜合分析以上試驗成果，認為在強風化粗顆?；◢弾r中層裂隙灌注，可灌性較好，但孔距偏大，透水性難以滿足設計要求，需要改進調整。

5存在問題

根據(jù)灌漿過程中Ⅰ、Ⅱ序孔灌前灌后壓水試驗及吃漿情況的試驗結果,可以總結如下現(xiàn)象：

(1) 灌漿試驗水泥單耗較大。通過取芯發(fā)現(xiàn)結合面比較薄弱，與基巖沒有形成良好的粘結，灌漿試驗區(qū)周邊強風化巖層受開挖影響表層破碎，抗風化能力弱，且沒有形成良好的封閉狀態(tài)，實際上大部分水泥漿沿混凝土與基巖的結合面及周邊裂隙冒漏，這是水泥單耗較大的主要原因。另一方面，灌前壓水試驗得到地層透水率非常大，這其中也有周邊裂隙冒漏影響的因素，從側面驗證了這一結論。

(2) 灌漿表現(xiàn)為吃水不吃漿，回漿變濃。強風化粗?；◢弾r巖性致密，細微裂隙發(fā)育，在設計壓力下水泥漿難以被壓入巖石裂隙中；加之巖層為陡傾角裂隙發(fā)育，垂直裂隙走向漿液達不到有效擴散半徑，這是影響灌漿質量的根本因素[6]。

(3) 分段灌漿卡塞困難。強風化粗?；◢弾r巖體本身強度較低，受鉆孔擾動及水流作用能力弱，導致鉆孔孔壁不規(guī)則、塌孔等，出現(xiàn)卡塞困難問題，達不到分段卡塞法灌漿的目的，也是影響灌前壓水試驗及灌漿效果的因素[3]。

綜上所述，針對灌漿試驗揭露出的地質問題及灌漿卡塞困難問題，必須及時分析和總結，使所采用的技術及手段與地層相適應，否則應研究適宜于該地層工況的方案，以達到工程防滲目的[2]。

6改進措施

(1) 在強風化粗顆粒花崗巖中上部巖層通過灌漿改善巖體抗變形能力及防滲要求，需進一步研究、論證適合的孔排距和工藝控制措施。

(2) 通過試驗可知，巖體沿垂直裂隙走向可灌性差，漿液水平擴散較弱，若采取灌漿處理措施，應從本質上解決漿液擴散問題。建議：① 加厚趾板、防滲板混凝土蓋重，適當加大灌漿壓力；② 采取縮小垂直層理裂隙方向灌漿孔距，或采用細水泥灌注；③ 改變漿液性能，如水泥漿摻適量減水劑，增強其流動性；④ 改善灌漿周邊巖層的漏冒漿現(xiàn)象，使灌漿盡可能在相對封閉的地層中進行；⑤ 選用“分段卡塞法灌注”，孔口混凝土與基巖接觸段灌注完成待凝時間不宜小于24 h，再進行下一段鉆灌；⑥ 采取“孔口封閉灌漿法”，解決卡塞困難問題[3，10]。

7結語

應根據(jù)粗?；◢弾r工程地質條件、巖層特性，研究適宜的工藝參數(shù)和保證措施，制定技術上可行、經濟合理的基礎處理方案。

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Study on Tests of Consolidation Grouting for Plinth on Strongly Weathered Rockmass

ZHOU Pengtao1, HU Fuhang2, SHEN Weiyun1

(1.China Hydro Consulting Engineering Corporation, Northwest Branch, Xi'an710065,China; 2. East China Engineering Corporation Limited, Hangzhou310000,China)

Abstract:The plinth foundation of the concrete face dam of the lower reservoir of on pumped storage power plant is the strongly weathered rock mostly. The rock mass is fractured to more fractured. The structural planes with moderate and steep dip angle are much developed and strongly weathered. To satisfy the function requirement, consolidation grouting and later curtain grouting shall be performed. Through tests, the grouting possibility and feasibility of the consolidation in the strongly-weathered coarse-grain-sized granite terrane are demonstrated, exploring the proper grouting parameters and technology. Accordingly, primary study achievement is available and can be referred to other similar projects.

Key words:plinth; weathered rock; dam; consolidation grouting; test

中圖分類號：TV543

文獻標識碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1006-2610.2016.01.022

作者簡介：周鵬濤(1986- )，男，陜西省乾縣人，助理工程師，從事水利水電監(jiān)理工作.

收稿日期：2015-10-26

文章編號：1006—2610(2016)01—0083—05