淺成基性侵入輝綠巖固結(jié)灌漿分析

唐 建 立

(河南省水利勘測(cè)有限公司，鄭州 450008)

0 前 言

隨我國(guó)水利工程的興建，尤其是大型工程建設(shè)中面臨的工程地質(zhì)條件越來(lái)越復(fù)雜，許多大型水利樞紐工程往往在布置在河流出山口附近，這些部位往往是地質(zhì)條件相對(duì)薄弱的部位，經(jīng)常會(huì)有區(qū)域性斷層分布，抑或有軟弱夾層、巖層風(fēng)化嚴(yán)重等地質(zhì)缺陷存在[1-4]。另外，基巖開(kāi)挖一般采用爆破技術(shù)施工，爆破施工由于其累積破壞作用逐步降低巖體完整性及力學(xué)參數(shù)，這就造成建基面巖體不可避免的損傷[5,6]。為處理這些原生地質(zhì)缺陷及后期施工原因造成的地質(zhì)條件惡化，工程中常常采用巖體固結(jié)灌漿手段處理[7,8]。

固結(jié)灌漿施工手段是目前工程中常用的地基淺層改善加固措施，可以很好地起到改良地質(zhì)缺陷、減少工程開(kāi)挖量、提高地基抗變形及承載力等作用[9,10]。由于灌漿工程的隱蔽性使其施工質(zhì)量無(wú)法直觀的表現(xiàn)[11]。對(duì)此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在固結(jié)灌漿施工及其處理效果方面做了大量的工作，國(guó)內(nèi)大型水利樞紐工程也不乏應(yīng)用案例，國(guó)內(nèi)如二灘水電站、溪洛渡水電站、錦屏水電站等大型水利工程建設(shè)期均進(jìn)行了建基面固結(jié)灌漿施工，并取得了較好的施工效果。本文結(jié)合河南省某大型水庫(kù)溢洪道泄槽段弱風(fēng)化上帶淺成侵入輝綠巖開(kāi)挖前、后垂直方向波速變化情況，及其固結(jié)灌漿前、后波速變化情況，通過(guò)分析多組現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)波速測(cè)試成果，最后提出弱風(fēng)化輝綠巖無(wú)蓋重固結(jié)灌漿波速總體提高率可以達(dá)到15%的處理效果，但基面處理效果不佳。為后期工程提供一定幫助。

1 工作區(qū)地質(zhì)情況

河南省某大型水庫(kù)為國(guó)務(wù)院確定的172項(xiàng)重大水利工程之一，溢洪道位于主壩左岸，包括進(jìn)水渠段、進(jìn)口翼墻段、控制段、泄槽段及消能防沖段等五部分，其中泄槽段長(zhǎng)99 m。該建筑物地層巖性主要為元古界熊耳群馬家河組安山玢巖及輝綠巖，泄槽段巖性為輝綠巖，弱風(fēng)化狀巖體一般呈青灰色，風(fēng)化后呈黃色，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。建基面以上輝綠巖主要為強(qiáng)風(fēng)化狀，裂隙寬0.5～1.0 mm，裂面較平整，多附黑色鐵錳質(zhì)薄膜，風(fēng)化后呈砂土狀。建基面下部巖體風(fēng)化狀態(tài)多為弱風(fēng)化上帶，巖體風(fēng)化程度相對(duì)較高， 裂隙較發(fā)育，短小裂隙特別發(fā)育且呈閉合狀，少量充填鈣質(zhì)，膠結(jié)較好，鉆探巖芯呈長(zhǎng)柱狀。但是輝綠巖抗風(fēng)化能力很差，建基面巖體淋雨后表層迅速泥化，整體強(qiáng)度降低。

圖1 溢洪道泄槽段典型剖面圖Fig.1 Typical section view of spillway section

2 實(shí)驗(yàn)性施工

溢洪道泄槽段(0+035～0+134)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)采用無(wú)蓋重固結(jié)灌漿處理以提高基礎(chǔ)巖體整體性，設(shè)計(jì)加固基面下5.0 m內(nèi)的巖體，灌漿孔間距3.0 m，正方形布置，要求灌漿后巖體波速提高率不小于15%。根據(jù)地質(zhì)資料結(jié)合校核工況計(jì)算，單根錨桿需提供110 kPa抗拔力，設(shè)計(jì)采用φ25 mm鋼筋作為錨桿筋體，Φ80 mm錨桿需錨入基巖4.2 m，考慮現(xiàn)場(chǎng)輝綠巖抗風(fēng)化能力弱及遇水后力學(xué)參數(shù)可能降低的風(fēng)險(xiǎn)，確定采用5.0 m長(zhǎng)系統(tǒng)錨桿確?；炷恋装宀槐桓咚偎飨破?。

2.1 固結(jié)灌漿的必要性

泄槽段建基面下輝綠巖巖體裂隙發(fā)育，裂隙以北西走向最為發(fā)育，受區(qū)內(nèi)構(gòu)造影響，巖體完整性較差，多呈碎裂結(jié)構(gòu)，整體抗沖刷能力差。在開(kāi)挖卸荷次生張應(yīng)力[12]及爆破開(kāi)挖振動(dòng)作用下，巖體中的閉合裂隙會(huì)張開(kāi)，加速巖體工程地質(zhì)條件惡化。工程運(yùn)行后，基面下輝綠巖在地下水等作用下也會(huì)進(jìn)一步惡化。

根據(jù)水工模型試驗(yàn)，溢洪道在防洪高水位(50年一遇)時(shí)泄量約為8 298 m3/s；在設(shè)計(jì)洪水位(500年一遇)時(shí)泄量約為9 386 m3/s；在校核洪水(5 000 年一遇)時(shí)泄量約為13 544 m3/s。敞泄情況下，溢洪道最大流速達(dá)到35 m/s，高流速下極易產(chǎn)生負(fù)壓及空蝕[13]。當(dāng)建基面下存在地質(zhì)條件較差、巖石破碎等不利情況時(shí)，若混凝土底板存在裂縫或止水失效，混凝土下部分巖塊即被該處竄入的高速水流帶走，引起底板局部懸空，導(dǎo)致該處底板受力情況惡化，在流速水頭轉(zhuǎn)化的壓力水頭共同作用下，底板混凝土進(jìn)一步破壞[14]。建基面下破碎巖體失去底板的保護(hù)，更容易被水流掏空[15,16]。如此惡性循環(huán)，更大范圍的底板破壞極易發(fā)生[16]。同時(shí)，在高速水流負(fù)壓作用下，若基面下巖體破碎，不能提供足夠的抗拔力，混凝土底板也會(huì)產(chǎn)生掀起的風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 第一次試驗(yàn)

(1)試驗(yàn)?zāi)康模和ㄟ^(guò)本次試驗(yàn)確定無(wú)蓋重灌漿的灌漿壓力、灌漿材料等，論證在無(wú)蓋重情況下巖體的可灌性，以及滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求所需要的孔距、灌漿壓力。

(2)具體實(shí)施：本次試驗(yàn)在樁號(hào)0+061～0+072(偏中-36～0)范圍內(nèi)布置三個(gè)試驗(yàn)區(qū)，孔距分別為2.0 m×2.0 m、2.5 m×2.5 m、3.0 m×3.0 m，分兩序施工，Ⅰ序孔采用0.3 MPa灌漿壓力，Ⅱ序孔采用0.4 MPa灌漿壓力，固結(jié)灌漿入巖深度為5 m，全孔采用一次灌漿法施工。

灌漿采用P.O 42.5水泥，水灰比采用3∶1、2∶1、1∶1、0.5∶1四個(gè)比級(jí)，以3∶1水灰比開(kāi)灌。當(dāng)灌漿壓力保持不變，注入率持續(xù)減少時(shí)，或注入率不變而壓力持續(xù)升高時(shí)改變水灰比。當(dāng)灌漿段在最大壓力下，注入率連續(xù)30 min不大于1 L/min結(jié)束灌漿。

(3)實(shí)驗(yàn)結(jié)果：2.5 m×2.5 m、3.0 m×3.0 m兩個(gè)試驗(yàn)區(qū)測(cè)試成果顯示均不能滿(mǎn)足波速提整體高15%的要求，2.0 m×2.0 m試驗(yàn)區(qū)能滿(mǎn)足要求。測(cè)試成果統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 溢洪道泄槽段第一次固結(jié)灌漿試驗(yàn)區(qū)波速測(cè)試統(tǒng)計(jì)Tab.1 Wave velocity test statistics of the first consolidation grouting test area of the spillway

2.3 第二次試驗(yàn)

(1)試驗(yàn)?zāi)康模河捎诘谝淮卧囼?yàn)僅2.0 m×2.0 m試驗(yàn)區(qū)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，與初步設(shè)計(jì)差別較大，為節(jié)約投資，決定再進(jìn)行3.0 m×3.0 m、2.5 m×2.5 m間距試驗(yàn)，每個(gè)灌漿孔分兩段灌進(jìn)行試驗(yàn)性施工。

(2)具體實(shí)施：本次試驗(yàn)在樁號(hào)0+065.5～0+071.5(偏中7.5～13.5)、0+120～0+126(偏中4.5～10.5)范圍內(nèi)各布置一個(gè)3.0 m×3.0 m試驗(yàn)區(qū)，0+115～0+120(偏中0.5～5.5)范圍內(nèi)布置2.5 m×2.5 m試驗(yàn)區(qū)。灌漿孔分兩序施工，每孔第一灌漿段2 m，采用0.3 MPa灌漿壓力，第二灌漿段3 m，采用0.4 MPa灌漿壓力。

灌漿采用P.O 42.5水泥，水灰比采用3∶1、2∶1、1∶1、0.5∶1 四個(gè)比級(jí)，以3∶1水灰比開(kāi)灌。當(dāng)灌漿壓力保持不變，注入率持續(xù)減少時(shí)，或注入率不變而壓力持續(xù)升高時(shí)改變水灰比。當(dāng)灌漿段在最大壓力下，注入率連續(xù)30 min不大于1 L/min結(jié)束灌漿。

(3)實(shí)驗(yàn)結(jié)果：2.5 m×2.5 m、3.0 m×3.0 m試驗(yàn)區(qū)均有較多不合格點(diǎn)存在，測(cè)試成果統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2。

表2 溢洪道泄槽段第二次固結(jié)灌漿試驗(yàn)區(qū)波速測(cè)試統(tǒng)計(jì)Tab.2 Wave velocity test statistics of the second consolidation grouting test area of the spillway

3 檢測(cè)結(jié)果分析

3.1 灌漿前波速降低分析

根據(jù)兩次灌漿前波速測(cè)試成果看出建基面下1.0 m范圍內(nèi)波速值普遍較低，一般小于2 000 m/s(見(jiàn)圖2)，說(shuō)明建基面巖體受卸荷及爆破累積破壞影響較為嚴(yán)重，其物理力學(xué)性質(zhì)發(fā)生弱化，反映到波速上就是波速值明顯降低。根據(jù)張文舉[17]等人的研究結(jié)果，巖體開(kāi)挖卸荷影響深度一般不小于1.0 m，與本次的測(cè)試結(jié)果較為吻合。

圖2 灌前波速值隨深度變化曲線Fig.2 Wave velocity value with depth before filling

3.2 灌漿后波速提高率分析

根據(jù)兩次試驗(yàn)結(jié)果，弱風(fēng)化狀輝綠巖采取固結(jié)灌漿提高其完整性是可行的，采用2.0 m×2.0 m間距的灌漿孔灌漿，灌漿后波速總體提高率是可以達(dá)到15%(見(jiàn)表1、圖3)。第二次試驗(yàn)采用分段灌漿法施工，通過(guò)對(duì)比，這些措施可以起到一定的效果(見(jiàn)表2、圖4)，然仍不能達(dá)到總體提高率15%的設(shè)計(jì)要求。

圖3 第一次試驗(yàn)波速提高率隨深度變化曲線Fig.3 The first test wave velocity increase rate with depth curve

圖4 第二次試驗(yàn)波速提高率隨深度變化曲線Fig.4 The second test wave velocity increase rate with depth curve

3.3 存在問(wèn)題分析

根據(jù)試驗(yàn)區(qū)波速測(cè)試成果結(jié)合圖5可以看出，本次無(wú)蓋重灌漿的波速提高主要集中在灌漿段中部，灌漿孔口及孔底效果較差。究其原因，下部灌漿效果較差是因灌漿孔4.0 m以下巖體多呈微風(fēng)化狀，巖體較完整、可灌性差造成的，對(duì)工程質(zhì)量影響很小；然而，建基面下1.0 m范圍內(nèi)灌漿效果一般也不理想，該范圍內(nèi)由于卸荷弱化作用，裂隙由初始閉合狀態(tài)逐步變化為不同程度的張開(kāi)，但在無(wú)蓋重固結(jié)灌漿施工中，上部灌漿壓力一般偏低，造成灌漿效果較差，特別是在灌漿止塞范圍內(nèi)，往往會(huì)形成灌漿盲區(qū)，難以達(dá)到預(yù)期的目的。

圖5 2.0 m×2.0 m試驗(yàn)區(qū)波速測(cè)試成果Fig.5 2.0 m×2.0 m test area wave speed test results

3.4 施工實(shí)施方案

根據(jù)兩次試驗(yàn)性施工檢測(cè)結(jié)果，采用3.0 m×3.0 m、2.5 m×2.5 m孔距進(jìn)行固結(jié)灌漿無(wú)法滿(mǎn)足整體波速提高15%的設(shè)計(jì)要求。施工采用2.0 m×2.0 m孔距進(jìn)行固結(jié)灌漿，灌漿孔分兩序施工，每孔第一灌漿段為2 m，采用0.3 MPa灌漿壓力，第二灌漿段為3 m，采用0.4 MPa灌漿壓力。

灌漿采用P.O 42.5水泥，水灰比采用3∶1、2∶1、1∶1、0.5∶1四個(gè)比級(jí)，以3∶1水灰比開(kāi)灌。當(dāng)灌漿壓力保持不變，注入率持續(xù)減少時(shí)，或注入率不變而壓力持續(xù)升高時(shí)改變水灰比。當(dāng)灌漿段在最大壓力下，注入率連續(xù)30 min不大于1 L/min結(jié)束灌漿。

4 結(jié) 論

無(wú)蓋重灌漿確實(shí)能夠提高破碎巖體完整性、承載力、壓縮模量等物理力學(xué)指標(biāo)，現(xiàn)有的學(xué)術(shù)論文中不乏成功案例的報(bào)道。但是，這些案例中固結(jié)灌漿的主要目的是為提高地基承載力及壓縮模量，很少涉及建基面灌漿后完整性的論述。本文通過(guò)對(duì)輝綠巖開(kāi)挖前、后垂直方向波速及其固結(jié)灌漿前、后波速對(duì)比，結(jié)合多組現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)波速測(cè)試成果，發(fā)現(xiàn)在淺成侵入輝綠巖中固結(jié)灌漿處理其波速總體提高率能達(dá)到15%的要求，同時(shí)在底板下設(shè)置錨筋，可滿(mǎn)足泄槽底板的抗浮穩(wěn)定性要求。

由于輝綠巖特殊的物理力學(xué)性質(zhì)，雖然波速整體提高率能滿(mǎn)足要求，但其在開(kāi)挖卸荷次生張應(yīng)力及爆破開(kāi)挖振動(dòng)作用下引起的巖體表層裂隙張開(kāi)處理效果不佳，反映在波速方面就是其基面下0.5～1.0 m范圍內(nèi)波速提高不明顯，特別是基面下0.5 m孔口管止塞范圍為固結(jié)灌漿的灌漿盲區(qū)[18]，固結(jié)灌漿效果較差。在淺層固結(jié)灌漿中，雖然灌漿段小于6 m，分段灌漿依然能明顯提高灌漿后巖體波速提高率。因此，在弱風(fēng)化狀淺成基性侵入輝綠巖地層中進(jìn)行固結(jié)灌漿應(yīng)根據(jù)灌漿目的區(qū)別對(duì)待，當(dāng)以提高基面完整性為主要目的時(shí)，施工中宜先進(jìn)行小灌漿段分段灌漿，底板混凝土分兩期施工，一期混凝土施工中預(yù)留灌漿孔采用接觸灌漿的方式進(jìn)行淺部灌漿補(bǔ)強(qiáng)，同時(shí)進(jìn)行抬動(dòng)觀測(cè)，防止一期混凝土抬動(dòng)破壞，灌漿完成后根據(jù)需要切槽施工排水溝，而后施工二期抗沖耐磨混凝土。

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