清蓄電站中平洞不良地質(zhì)段復(fù)合灌漿施工應(yīng)用

史云吏

（清遠(yuǎn)蓄能發(fā)電有限公司，廣東 清遠(yuǎn) 511853）

1 工程概況

清遠(yuǎn)抽水蓄能電站裝機(jī)容量1280MW，位于廣東省清遠(yuǎn)市清新區(qū)太平鎮(zhèn)境內(nèi)，處于珠三角西北部，距離廣州直線距離75km，是廣東省電力負(fù)荷中心的大后方，清遠(yuǎn)蓄能電站的建設(shè)對(duì)于優(yōu)化廣東電網(wǎng)的負(fù)荷能力和穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。清蓄電站的樞紐工程由上水庫(kù)、下水庫(kù)、水道系統(tǒng)、地下廠房洞室群及開關(guān)站、永久道路等部分組成。

水道系統(tǒng)建筑物包括上庫(kù)進(jìn)出水口、下庫(kù)進(jìn)出水口、上庫(kù)閘門井、下庫(kù)閘門井、輸水隧洞、尾水調(diào)壓井以及尾調(diào)通氣洞等。采用首部式的開發(fā)方式，水道系統(tǒng)采用1管4機(jī)的供水方式，設(shè)置尾水調(diào)壓室系統(tǒng)。水道系統(tǒng)縱剖面采用一級(jí)豎井加一級(jí)斜井的方案。水道系統(tǒng)水道襯砌型式，除引水支管、尾水支管采用埋藏式壓力鋼管外，其余均采用鋼筋混凝土襯砌。引水水道剖面布置圖見(jiàn)圖1。

圖1 引水水道剖面布置圖

2 工程地質(zhì)

清遠(yuǎn)抽水蓄能電站水道系統(tǒng)沿線為中低山，山體較完整，植被發(fā)育。水道廠房系統(tǒng)主要分布在北西—南東向，山體渾圓，山頂較平坦。在北東和南東兩側(cè)各發(fā)育一條北西向沖溝，兩沖溝間距約900m，均發(fā)源于上水庫(kù)副壩2下游處，并在下水庫(kù)庫(kù)尾處交匯。整體上，除中平洞段和尾水洞段經(jīng)過(guò)沖溝外，水道線路其他部位沖溝并不太發(fā)育，地形較完整。

水道系統(tǒng)線路除上、下進(jìn)出水口及上平洞部分為寒武系石英砂巖外，其余大部分均為燕山三期中粗粒黑云母花崗巖。整體而言，引水隧洞除斷層破碎帶處為弱風(fēng)化巖體外，其余絕大部分深埋于微風(fēng)化—新鮮的巖體內(nèi)。除斷層破碎帶屬于Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類圍巖外，其余地段以Ⅰ～Ⅱ類圍巖為主。圍巖初步分類結(jié)果Ⅰ～Ⅱ類圍巖約占80%，其余圍巖約占20%。

引水隧洞中平洞主要有3條斷層通過(guò)，分別為f24、f80、f20。

f24斷層：走向N70°W/SW∠75°～80°，由三條平行的斷層組成，b1=1.5m，b2=2m，b3=1m，斷層帶為全風(fēng)化構(gòu)造角礫巖，圍巖見(jiàn)高嶺土化蝕變，沿?cái)鄬訋в械叵滤疂B滴～線流狀出露，有股狀水Q=5～6L/min，受斷層f20及其平行裂隙的相互切割，此斷層的圍巖極不穩(wěn)定，開挖時(shí)出現(xiàn)塌方現(xiàn)象；

f80斷層：走向 EW，傾 S，傾角 80°，b=2m，其與隧洞交角70～75°，對(duì)中平洞的圍巖穩(wěn)定有一定影響；

f20斷層：走向 N24°E/NW∠85°，b=1m，斷層帶為全風(fēng)化構(gòu)造角礫巖，圍巖見(jiàn)高嶺土蝕變，沿?cái)鄬訋в械叵滤疂B滴狀出露，與f80、f24斷層相互切割，造成圍巖不穩(wěn)定；

裂隙：零星分布，陡傾角，閉合～微張狀，充填鈣質(zhì)，裂隙走向基本與斷層f24、f80走向垂直。

3 .復(fù)合灌漿施工工藝

為使中平段不良地質(zhì)段的斷層和細(xì)微裂隙可以充分充填固結(jié)，該段的固結(jié)灌漿選用水泥—化學(xué)復(fù)合灌漿的方法。化學(xué)灌漿是以高分子有機(jī)化合物為主體材料的灌漿方法，其化學(xué)漿液的滲透系數(shù)（10-6～10-8cm/s）遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于水泥漿液，低于0.1mm以下的裂隙也可以有效灌入[1]。

3.1 化學(xué)漿液的選擇

目前化學(xué)漿液品種繁多，通常按其用途可分為防滲型、補(bǔ)強(qiáng)型、防滲補(bǔ)強(qiáng)型三類。

化學(xué)漿液可注性好，漿液粘度低，能注入到細(xì)微裂隙中，但是一般的化學(xué)漿液都具有毒性并價(jià)格昂貴，且結(jié)石體強(qiáng)度比水泥漿液的結(jié)石體強(qiáng)度低等缺點(diǎn)[2]?；瘜W(xué)漿液大體分類見(jiàn)表1。

表1 化學(xué)漿液分類

環(huán)氧樹脂類漿液常溫下具有固化強(qiáng)、聚合體強(qiáng)度高、粘結(jié)力大、化學(xué)穩(wěn)定性好的特點(diǎn),一般多用于巖體固結(jié)補(bǔ)強(qiáng)灌漿中。考慮到高效實(shí)用、經(jīng)濟(jì)環(huán)保，選用CW系材料作為化學(xué)灌漿材料。CW系化學(xué)灌漿材料主要是由新型環(huán)氧樹脂、稀釋劑、表面活性劑等組成的雙組份灌漿材料[3]。其選用的是CYD型環(huán)氧樹脂，它除了能保持E-44環(huán)氧樹脂的優(yōu)點(diǎn)外，還具有低溫條件下粘度相對(duì)較低、操作簡(jiǎn)單、價(jià)格適中的特點(diǎn)。其固化劑選用的是CD固化劑，CD固化劑是一種高分子固化劑，能在低溫和水中固化，能在一定程度上改善環(huán)氧樹脂的脆性，且氣味小、毒性低。

3.2 孔位布置

中平洞與豎井、斜井上/下彎段相連，與2號(hào)施工支洞相交于樁號(hào)Y0+946.811。中平洞襯砌后直徑為9.2m，襯砌厚度為60cm，坡比為0.04。中平洞V類圍巖固結(jié)灌漿處理段位于中平洞上游（Y0+606～Y0+654），處理長(zhǎng)度為48m，相應(yīng)增加的水泥—化學(xué)灌漿長(zhǎng)度1672.5m。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，灌漿段共布置17排灌漿孔，其中有2排，每排布置5個(gè)孔；有2排，每排布置9個(gè)孔；其余13排，每排布置15個(gè)孔。為防止灌漿過(guò)程漿液擴(kuò)散范圍過(guò)大，進(jìn)行復(fù)合灌漿前，在不良地質(zhì)段上、下游各布設(shè)1排加密水泥灌漿，完成后在進(jìn)行復(fù)合灌漿。

3.3 鉆孔及沖洗

鉆孔時(shí)先采用XY-2型75mm地質(zhì)鉆開孔，開孔深度為入巖0.5～1m，然后采用Φ48mm的手風(fēng)鉆鉆至入巖7.5m，孔排距為3m，孔深誤差10cm。鉆孔結(jié)束之后，用水或者風(fēng)對(duì)注漿孔內(nèi)的巖粉等雜質(zhì)進(jìn)行沖洗，直到回水清凈為止，孔底內(nèi)的沉積厚度不得超過(guò)200mm。

3.4 灌前壓水

為了解巖體裂隙發(fā)育情況和透水性，在灌漿之前需要對(duì)待灌孔做灌前壓水試驗(yàn)。壓水試驗(yàn)壓力為設(shè)計(jì)灌漿壓力的80%，且不超過(guò)1.0MPa，中平洞化學(xué)灌漿壓力為4MPa，因此壓水試驗(yàn)選取1MPa的壓力。采用外徑58mm，即65型的灌漿塞入巖1m左右，塞入時(shí)，應(yīng)使灌漿塞充分膨脹，以防止施壓時(shí)灌漿塞沖出。壓水試驗(yàn)過(guò)程中，應(yīng)每5min測(cè)讀一次壓入流量，當(dāng)連續(xù)4個(gè)讀數(shù)相對(duì)穩(wěn)定后即可結(jié)束，取最后的流量值計(jì)算其透水率。當(dāng)透水率≧2Lu時(shí)應(yīng)先采用水泥灌漿，若水泥灌漿達(dá)到正常結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)后待凝8～10h，采用地質(zhì)鉆掃孔后進(jìn)行壓水試驗(yàn)，若透水率≧2Lu，重復(fù)水泥灌漿流程。只有當(dāng)透水率＜2Lu時(shí)，進(jìn)行化學(xué)灌漿。

3.5 灌漿

中平洞不良地質(zhì)段化學(xué)灌漿分為3個(gè)單元，分別為第一單元Y0+606～Y0+621.5,第二單元Y0+621.5～Y0+635.5，第三單元 Y0+635.5～Y0+654?，F(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)，順序?yàn)榈谌龁卧?、第一單元、第二單元?/p>

當(dāng)透水率≧2Lu時(shí)，采用水泥灌漿。灌漿壓力達(dá)到4.5MPa，為防止混凝土襯砌劈裂，將三通灌漿塞入巖0.5m阻塞待灌孔，連接灌漿管路，通水檢查管路通暢。水泥灌漿采用孔內(nèi)循環(huán)式灌漿法，以5:1的水泥漿液灌注，流量小于2.5L/min，壓力達(dá)到4.5MPa結(jié)束灌漿。

當(dāng)透水率＜2Lu時(shí)，采用化學(xué)灌漿。待灌孔預(yù)埋進(jìn)漿管和回漿管，埋入深度為入巖1m，化灌前進(jìn)行密閉、耐壓、耐滲試驗(yàn)，以確保灌漿管路安全密封性能。化學(xué)灌漿采用純壓式全孔一次灌漿法施工，按照先施工Ⅰ序孔，再施工Ⅱ序孔（見(jiàn)圖2），從低處往高處灌注、環(huán)內(nèi)從底孔到頂孔的順序灌注?；噙^(guò)程應(yīng)以“逐級(jí)升壓、緩慢浸潤(rùn)”為原則，初始?jí)毫Σ坏么笥谠O(shè)計(jì)壓力的1/3。當(dāng)注入率小于0.05L/min，壓力達(dá)到設(shè)計(jì)壓力4MPa，再繼續(xù)灌注30mim或達(dá)到膠凝時(shí)間，即可進(jìn)行閉漿。

圖2 灌漿孔位布置圖

3.6 施工注意事項(xiàng)

（1）化學(xué)灌漿應(yīng)連續(xù)進(jìn)行，不得無(wú)故中段灌漿。如因不可避免因素中斷時(shí)，應(yīng)遵照盡可能縮短中斷時(shí)間、及早恢復(fù)化學(xué)灌漿、應(yīng)在漿液膠凝時(shí)間以前且不影響灌漿質(zhì)量時(shí)恢復(fù)灌漿，否則應(yīng)當(dāng)掃孔和沖洗，再重新灌漿的原則進(jìn)行處理。

（2）化學(xué)灌漿過(guò)程中如發(fā)現(xiàn)冒漿、漏漿時(shí)，應(yīng)及時(shí)處理。一般原則為采用低壓、低流量的方法進(jìn)行處理。如果效果不明顯，應(yīng)及時(shí)停止灌漿，待漿液達(dá)到初凝時(shí)間后進(jìn)行掃孔復(fù)灌。

（3）灌漿過(guò)程中，鄰近孔發(fā)生串漿時(shí)，如果串漿孔滿足化灌要求，可以同時(shí)化灌，但應(yīng)嚴(yán)格控制化灌壓力，防止混凝土或者巖體抬動(dòng)。若不滿足化灌要求，則應(yīng)及時(shí)用快干水泥外加膨脹劑、速凝劑阻塞串漿孔。

（4）化學(xué)灌漿時(shí)，化學(xué)漿液容易從混凝土襯砌施工冷縫及細(xì)小裂縫中滲出，化灌施工前及化灌過(guò)程中應(yīng)及時(shí)對(duì)裂縫進(jìn)行處理。具體措施為清潔混凝土表面，用手工鉆鑿槽，若裂縫較長(zhǎng)，則應(yīng)間隔1m距離在槽內(nèi)鉆孔，孔深10～20cm，埋管，以快干水泥封槽，按照化灌要求進(jìn)行灌注。

（5）為了使化學(xué)漿液得到充分有效地利用，避免漿液遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出有效固結(jié)灌漿圈，當(dāng)灌孔的化學(xué)漿液耗量超過(guò)250kg時(shí)，采取改變漿液配比的方法，即將化灌配比6:1改為5:1，且采取限流的控制。當(dāng)灌孔的耗量超過(guò)350kg且無(wú)結(jié)束跡象，應(yīng)采取待凝措施，間歇灌注，其間歇時(shí)間不應(yīng)少于6小時(shí)。

4 可灌性分析

可灌性分析是推斷研究巖層裂隙的重要指標(biāo)之一，主要通過(guò)對(duì)灌孔的注入量和單耗等數(shù)據(jù)指標(biāo)的分析，反映該化灌段的可灌性。

中平洞不良地質(zhì)段化學(xué)灌漿分為3個(gè)單元，分別為第一單元Y0+606～Y0+621.5,第二單元Y0+621.5～Y0+635.5，第三單元 Y0+635.5～Y0+654?，F(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)，順序?yàn)榈谌龁卧?、第一單元、第二單元?/p>

中平洞V類圍巖不良地質(zhì)段耗量分析如表2所示。

表2 不良地質(zhì)段分單元灌漿耗量分析表

通過(guò)分析可以看出，第一單元與第三單元位于化學(xué)灌漿區(qū)域的兩側(cè)，每排灌漿孔位的平均單耗略高于第二單元。而每排孔位的最高單耗則明顯第一、三單元遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于第二單元。從側(cè)面反映第一、三單元的灌漿效果良好，較好的阻斷了中間第二單元的裂隙通道。

第一單元中Y0+615.082的6號(hào)孔共計(jì)耗漿3592.75kg，單耗達(dá)到了479.03kg/min，純灌漿時(shí)間達(dá)到173h，無(wú)論時(shí)間還是耗量均為該段之最。6號(hào)孔的透水率為0.43Lu，采用6：1化學(xué)漿液灌注，耗量達(dá)到250kg時(shí)，采用5:1配比灌注；耗量達(dá)到350 kg時(shí)，采用間歇待凝、低壓慢灌、控制流量等方式，使?jié){液灌注范圍控制在有效范圍之內(nèi)。在6號(hào)孔化灌過(guò)程中，鄰近多孔發(fā)生不同程度的串漿現(xiàn)象，6號(hào)孔所處位置及地質(zhì)構(gòu)造如圖3所示。

圖3 Y0+615.082的6號(hào)孔地質(zhì)構(gòu)造示意圖

由圖3可知，Y0+615.082的6號(hào)孔穿過(guò)f80、N70、f24三條斷層，這三條斷層為全風(fēng)化角礫巖，并有蝕變現(xiàn)象，三條斷層之間相互切割、相互影響，裂隙發(fā)育。分析認(rèn)為，該孔周圍巖體裂隙發(fā)育，化學(xué)漿液粘度低，流動(dòng)性好，在化灌高壓作用下，漿液沿圍巖裂隙滲透擴(kuò)散，從而導(dǎo)致該孔巖脈化灌可灌性強(qiáng)。由于6號(hào)孔的化灌范圍擴(kuò)散較大，對(duì)周圍的裂隙、滲漏通道形成有效地灌注阻塞。以理論化學(xué)漿液擴(kuò)散半徑公式計(jì)算[4]：

R——有效擴(kuò)散半徑,m；

Q——單位時(shí)間內(nèi)的注漿量,kg/min；

t——注漿持續(xù)時(shí)間,min；

h——一次注入巖層深度,m；

n——巖層孔隙率。

顯然6號(hào)孔的理論化灌范圍已經(jīng)超過(guò)有效化灌范圍，因此采取合理有效的手段減少化灌量，加快漿液凝固是合理的。6號(hào)孔完成化學(xué)灌漿之后，鄰近的化灌孔吃漿量均有明顯大幅回落，單耗均在50 kg/min之內(nèi)，其中4號(hào)、8號(hào)孔單耗分別為8.32 kg/min和 5.03kg/min。

引水中平洞固結(jié)化學(xué)灌漿分序統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表3。盡管第二單元沒(méi)有高單耗（＞100kg/m）孔位，但是較高單耗孔位（50～100kg/m）占比仍然較高，說(shuō)明該段風(fēng)化破碎的花崗巖圍巖可灌性好，破碎帶裂隙發(fā)育，化學(xué)漿液沿細(xì)小裂隙及巖石礦物間擴(kuò)散充填。灌漿量處于正常水平，說(shuō)明孔位灌漿處于有效灌注范圍之內(nèi)。

表3 引水中平洞固結(jié)化學(xué)灌漿分序統(tǒng)計(jì)表

5 灌漿效果

5.1 壓水檢查

對(duì)比灌漿前后透水率，是評(píng)價(jià)灌漿效果的重要指標(biāo)之一。

中平洞不良地質(zhì)段復(fù)合灌漿之前，三個(gè)單元分別布置8個(gè)、7個(gè)、17個(gè)壓水檢查孔，最大透水率為6.51Lu，平均透水率為1.25Lu。

復(fù)合灌漿結(jié)束后，三個(gè)單元布置15個(gè)檢查孔，最大透水率為1.3Lu，平均透水率0.75Lu。化學(xué)灌漿檢查孔合格的標(biāo)準(zhǔn)為85%以上孔段的透水率小于1Lu，其余孔段的透水率小于1.5Lu，且分布不集中。根據(jù)灌前灌后壓水資料，中平洞不良地質(zhì)段灌漿質(zhì)量達(dá)到設(shè)計(jì)防滲要求。

5.2 取芯

灌漿后對(duì)中平洞不良地質(zhì)段取巖芯觀察，取出的巖芯有明顯的水泥漿液結(jié)石和化學(xué)漿液膠凝體，裂隙灌填密實(shí)，這表明化學(xué)漿液對(duì)圍巖起到了良好的浸滲作用，反映本次復(fù)合灌漿對(duì)圍巖的完整性、防滲性、強(qiáng)度有明顯改善，效果顯著。

5.3 聲波檢測(cè)

混凝土強(qiáng)度與波速參數(shù)之間具有直接的相關(guān)性。一般來(lái)講，混凝土強(qiáng)度越高，完整性越好，聲波波速越高；混凝土強(qiáng)度越低，完整性越差（如混凝土存在架空或不密實(shí)體等），聲波波速越低。因此，通過(guò)測(cè)試混凝土波速值可以反映水道襯砌體及圍巖質(zhì)量?jī)?yōu)劣[5]。

通過(guò)對(duì)比不良地質(zhì)段圍巖段灌漿前后聲波檢測(cè)結(jié)果不難發(fā)現(xiàn)，該段聲速由最低1510m/s提高到了最低3076m/s，按照隧道設(shè)計(jì)規(guī)范波速與圍巖性質(zhì)關(guān)系，該部位圍巖等級(jí)已由原V類提升至III類[6]。這表明襯砌體及圍巖的完整性在灌漿之后得到了有效提高。與所取巖芯反映結(jié)果一致。

表4 Ⅴ類圍巖不良地質(zhì)洞段固結(jié)灌漿前聲波檢測(cè)成果

表5 Ⅴ類圍巖不良地質(zhì)洞段固結(jié)灌漿后聲波檢測(cè)成果

6 結(jié)論

清蓄電站中平洞不良地質(zhì)段V類圍巖段復(fù)合灌漿結(jié)果證明該種方法對(duì)于不良地質(zhì)段圍巖完整性及強(qiáng)度提高的作用是顯著的。V類圍巖段在經(jīng)過(guò)系統(tǒng)水泥固結(jié)灌漿之后仍然可以灌注大量的化學(xué)漿液，這也表明了單一的水泥灌漿并不能充填滿圍巖裂隙、節(jié)理。清蓄電站引水水道充水試驗(yàn)一次成功，各項(xiàng)檢測(cè)指標(biāo)和數(shù)據(jù)均優(yōu)于設(shè)計(jì)和規(guī)范要求。

6.1 灌漿材料的選擇

在不良地質(zhì)段水泥灌漿可以采用超細(xì)水泥，盡可能以相對(duì)化學(xué)漿液低廉的材料充填大部分的裂隙、節(jié)理，其對(duì)破碎地帶的效果尤為明顯。硅酸鹽水泥在灌漿之前加入5%～10%的硅粉，對(duì)于抑制混凝土析鈣有所抑制[7]。灌漿結(jié)束之后，對(duì)水道環(huán)氧噴涂可有效防止淡水殼菜對(duì)水道的侵蝕，提高水道的使用壽命。

6.2 灌漿參數(shù)的選擇

對(duì)于可灌性好的洞段適當(dāng)加密灌漿孔距，提高封閉效果?？梢允苟炊蝺?nèi)裂隙節(jié)理得到充分的填充，對(duì)深層發(fā)育的裂隙效果更為顯著。

6.3 施工縫的處理

電站引水道混凝土襯砌由于自身收縮、澆筑質(zhì)量等因素必然是有施工縫的，往往施工縫會(huì)成為滲水通道，容易造成內(nèi)水外滲。處理施工縫如果僅僅采用沿縫刻槽處理實(shí)際上只是外觀的美化，在洞內(nèi)高水壓的作用下很容易被破壞，刻槽處理甚至?xí)蔀楦蟮娜毕?。?duì)于滲水明顯的施工縫，在其左右布置兩排灌漿孔，阻斷其滲水通道，既不會(huì)對(duì)混凝土的完整性造成損壞，又能從根本上解決施工縫滲水的問(wèn)題。

6.4 灌漿質(zhì)量的檢查

取芯檢查如果僅僅停留在肉眼觀察的層面，相對(duì)投入是不值得的?？蛇m當(dāng)選取重要部位的巖芯送入實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行切片、磨片或激光共聚焦技術(shù)制樣分析[8]，觀察其微觀結(jié)構(gòu)，分析其化學(xué)物質(zhì)，在不同物理環(huán)境下分析其狀態(tài)、強(qiáng)度等的變化，從而更加全面的評(píng)價(jià)灌漿質(zhì)量及后續(xù)可能變化。

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