錦屏二級水電站引水洞綠片巖段灌漿試驗研究

楊 進(jìn) 忠

(雅礱江流域水電開發(fā)有限公司，四川 成都 610051)

1 概 述

錦屏二級水電站利用四川雅礱江錦屏大河彎天然落差，通過單洞長約16.7 km的4條引水隧洞截彎取直引水發(fā)電。引水隧洞沿線錦屏山覆巖體埋深主要處于1 500～2 000 m，最大埋深達(dá)2 525 m，隧洞埋深大、洞線長、洞徑大，是世界上最大規(guī)模的水工洞室群工程[1]。

電站引水洞沿線地應(yīng)力高、地下水豐富、地質(zhì)條件復(fù)雜，隧洞設(shè)計支護(hù)體系和周邊圍巖共同組成承載結(jié)構(gòu)和防滲主體。為了提高圍巖自身的整體穩(wěn)定性，確保綠片巖洞段支護(hù)體系和圍巖的共同承載能力，隧洞周邊圍巖固結(jié)灌漿效果至關(guān)重要，甚至高于普通巖層洞段要求。綠片巖巖體特性和實際施工情況表明，綠片巖地層裂隙不發(fā)育、相對隔水、可灌性差，圍巖普通固結(jié)灌漿無法達(dá)到設(shè)計要求。為了解決該項技術(shù)難題，施工期間及時開展了加強固結(jié)灌漿試驗研究，即在普通固結(jié)灌漿完成的基礎(chǔ)上，分段進(jìn)行細(xì)水泥灌漿和化學(xué)灌漿試驗，并分析對比兩種方案處理效果，選定技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理的加強固結(jié)灌漿方案，以解決綠片巖地質(zhì)洞段圍巖抗變形穩(wěn)定問題。

2 基本巖層條件及巖性分析

錦屏二級水電站1號引水洞K1+470～2+000 m段巖體主要為綠泥石片巖，局部洞段夾有少量透鏡體或大理巖條帶，埋深普遍處于1 550～1 850 m，實測最大地應(yīng)力為30.45 MPa。該洞段巖體自身性質(zhì)差，并受褶皺構(gòu)造擠壓和高地應(yīng)力作用影響，圍巖較破碎且較為軟弱，綜合評價為Ⅳ類[1]。

綠片巖是一種區(qū)域變質(zhì)巖，其主要礦物成分為綠泥石，呈片理構(gòu)造，普遍為鱗片變晶結(jié)構(gòu)。電站引水洞綠片巖經(jīng)取樣試驗測試，單軸干抗壓強度為38.8 MPa，飽和抗壓強度為19.47 MPa，強度軟化系數(shù)約0.5；干燥巖石彈模為13.18 GPa，飽和彈模約3.54 GPa，彈模軟化系數(shù)約0.27，可見綠片巖遇水軟化效應(yīng)十分突出[2-3]。

電站引水洞圍巖開挖松動圈測試表明，綠片巖洞段松弛范圍普遍處于3～6 m間，局部達(dá)6.6 m。施工期變形監(jiān)測表明，綠片巖洞段實測收斂值較大，最大收斂值累計可達(dá)31 cm，最大收斂速率為0.197 cm/d。收斂基本穩(wěn)定后，經(jīng)斷面掃描檢測，圍巖變形量普遍處于20～60 cm間，局部竟然可超過100 cm[4]。

3 普通固結(jié)灌漿效果分析

為解決綠片巖洞段圍巖松散軟弱問題，隧洞襯砌和周邊圍巖形成整體受力結(jié)構(gòu)和防滲體系，設(shè)計針對隧洞圍巖固結(jié)灌漿提出了嚴(yán)格的技術(shù)要求。

普通固結(jié)灌漿試驗在電站1號引水隧洞K1+566～606 m段實施。灌漿孔入巖深度9 m，灌漿壓力3～6 MPa，間排距2 m，梅花型布置。隧洞邊頂拱范圍灌漿分兩段實施，系統(tǒng)先完成整個試驗洞段淺層4 m范圍灌漿(灌漿壓力控制為3 MPa)，7～14 d后再進(jìn)行深部4～9 m范圍灌漿施工(灌漿壓力控制為6 MPa)。隧洞底拱范圍內(nèi)固結(jié)灌漿采用單孔由淺入深分兩段一次性灌漿方法。

普通固結(jié)灌漿后圍巖聲波測試，波速平均提高了6%，但普遍存在孔口0～3 m范圍內(nèi)波速值低且集中的現(xiàn)象，無法滿足灌漿設(shè)計要求。為了盡可能減小灌漿施工用水對綠片巖的軟化影響，采用水泥漿(水灰比2∶1)進(jìn)行灌漿質(zhì)量壓漿檢查(壓力控制為1 MPa)。檢查過程中最大耗漿率為40.7 L/m，經(jīng)過分析，普通固結(jié)灌漿質(zhì)量壓水檢查不滿足設(shè)計要求[1]。灌漿前后各進(jìn)行了6個鉆孔變形模量測試，灌前變模平均值0.44～3.54 GPa，測值全距(即最大值和最小值之差)0.53～3.89 GPa，灌后變模平均值2.65～4.57 GPa，測值全距3.1～5.38 GPa，灌后變模平均值較灌前有所提高，但孔內(nèi)測值全距較大，尤其淺表孔段變模值較低，經(jīng)過分析無法滿足設(shè)計要求。

4 加強固結(jié)灌漿試驗

普通固結(jié)灌漿灌后巖體質(zhì)量無法完全達(dá)到設(shè)計要求，灌后變模平均值和測值全距，與設(shè)計要求存在差距，且全孔段變模差異明顯，尤其淺表段灌漿效果很難滿足設(shè)計要求。為了選擇合適的加強固結(jié)灌漿材料、灌漿工藝和參數(shù)，使灌漿設(shè)計和施工更符合實際情況，以確保灌漿質(zhì)量，現(xiàn)場及時開展了化學(xué)灌漿和細(xì)水泥灌漿對比試驗。

4.1 化學(xué)灌漿

化學(xué)灌漿試驗采用HK-G和PSI兩種系列環(huán)氧樹脂類灌漿材料。主要灌漿配合比為HK-G-2系列8.5∶1和PSI-502-1系列6∶1，同時備用HK-G-2系列5∶1和PSI-530系列6∶1兩種速凝漿材以供特殊情況使用。

化學(xué)灌漿試驗在1號引水隧洞K1+586～606 m洞段邊頂拱范圍實施。灌漿孔排距2 m(共10排)，每環(huán)15/16孔，前5排鉆孔在普通固結(jié)灌漿原孔施工，后5排鉆孔在普通固結(jié)灌漿孔中間梅花形布置；灌漿孔孔徑φ56 mm，入巖深度6 m，成孔后使用壓力風(fēng)進(jìn)行孔段沖洗，直至孔口返風(fēng)無巖屑或沖洗20 min。灌漿壓力為2～3 MPa，灌漿采用環(huán)間分兩序、環(huán)內(nèi)加密，孔口封閉、全孔一段純壓式灌漿方法，遵照“長時間、小速率、盡量達(dá)到一定注入量”原則。在設(shè)計灌漿壓力下，當(dāng)吸漿量不大于0.02 L/(min·m)，繼續(xù)灌注30 min或達(dá)到膠凝時間即結(jié)束灌漿；且每孔段灌漿持續(xù)最短時間控制在16～28 h內(nèi)，最長時間不超過40 h。試驗表明，主要灌漿配合比和速凝漿材配合比的漿液初凝時間均較長(大于3 d)，變漿效果不顯著，故化學(xué)灌漿不變漿。

化學(xué)灌漿灌后7～14 d質(zhì)量檢查，壓水檢查透水率均值0.23 Lu，最大值0.32 Lu，所有試段透水率均小于0.5 Lu；聲波測試85%檢測值大于基準(zhǔn)值(4 500 m/s)，無小于設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)(3 850 m/s)的測試值；變模測試最小值1.02 GPa，平均值4.45 GPa。由此可見，化學(xué)灌漿后壓水檢查和聲波測試滿足設(shè)計要求，但變模測試未完全滿足設(shè)計要求，初步分析原因為巖體的不均勻性及化學(xué)漿液齡期較短等所致。灌后3個月，重新對該試驗段進(jìn)行了物探檢查，灌后變模平均值6 GPa，最小值4.08 GPa，滿足設(shè)計要求。

4.2 細(xì)水泥灌漿

細(xì)水泥灌漿試驗在1號引水隧洞K1+606～626 m段邊頂拱范圍實施。灌漿孔排距2 m，每環(huán)15/16孔，在普通固結(jié)灌漿孔中間梅花形布置；灌漿孔孔徑φ50 mm，入巖深度4 m，成孔后使用壓力風(fēng)進(jìn)行沖洗，直至孔口返風(fēng)無巖屑或沖洗20 min，然后利用模袋技術(shù)埋設(shè)兩根φ20 mm孔口管(即進(jìn)、回漿管)。灌漿壓力為3～5 MPa，水灰比采用1∶1、0.6∶1兩種，采用環(huán)間分兩序、環(huán)內(nèi)加密，孔口封閉、孔內(nèi)循環(huán)、全孔一段式灌漿方法。細(xì)水泥漿液制漿采用高速攪拌機(jī)攪拌時間不少于180 s。在設(shè)計灌漿壓力下，當(dāng)灌漿孔吸漿量每分鐘不大于1 L，繼續(xù)灌注30 min后結(jié)束灌漿。由于普通固結(jié)灌漿后圍巖已充填較為密實，細(xì)水泥灌漿過程中達(dá)不到規(guī)范規(guī)定漿液變換標(biāo)準(zhǔn)，故細(xì)水泥灌漿不變漿。

試驗成果顯示，灌前波速平均值4 766 m/s，灌后波速平均值4 968 m/s；灌前透水率平均值0.82 Lu，灌后透水率平均值0.5 Lu；灌前變模平均值3.57 GPa，最小值1.25 GPa，灌后變模平均值6.02 GPa，最小值4.07 GPa，均滿足設(shè)計要求。

4.3 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

由上述試驗成果分析，化學(xué)灌漿具有強度高、滲透性好、對巖層微裂隙充填膠結(jié)較好等特點，3個月后各項質(zhì)量檢查指標(biāo)滿足設(shè)計要求；細(xì)水泥利用其超微粒特點，比普通水泥具有更好的滲透性，在一定壓力下具備良好可灌性，灌漿質(zhì)量檢查指標(biāo)滿足設(shè)計要求，故兩種加強固結(jié)灌漿方案在技術(shù)上均能滿足工程需要。

從灌漿試驗具體實施過程分析，細(xì)水泥灌漿工藝與普通固結(jié)灌漿基本一致，除了灌漿基材外，其他臨建設(shè)施、設(shè)備和人力資源等與正在大規(guī)模進(jìn)行的普通固結(jié)灌漿施工可以通用；而化學(xué)灌漿相對水泥固結(jié)灌漿專業(yè)性要求更高，為了確保環(huán)保及作業(yè)人員職業(yè)健康要求，在設(shè)備和人力資源引進(jìn)、灌漿基材調(diào)制使用及回收處理等全過程均須嚴(yán)加管控，否則，與現(xiàn)場實際施工條件的適宜性不足。從施工工效分析，細(xì)水泥灌漿與普通水泥灌漿施工基本一致；而化學(xué)灌漿每孔段灌注時間較長，漿材強度上升慢、待凝時間長，工效不高。另外，根據(jù)現(xiàn)場實際消耗統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析，單位長度孔段灌漿處理所需的化學(xué)漿材費用明顯高于細(xì)水泥材料費用。故在工程實施階段補充加強固結(jié)灌漿施工，細(xì)水泥灌漿比化學(xué)灌漿更具經(jīng)濟(jì)合理性、可操作性和環(huán)保優(yōu)勢。

通過細(xì)水泥灌漿和化學(xué)灌漿試驗對比，兩種加強固結(jié)灌漿方案技術(shù)均可行，在施工工效、便利、投入等經(jīng)濟(jì)性以及環(huán)保性方面，細(xì)水泥灌漿更具優(yōu)勢，經(jīng)過統(tǒng)籌分析論證，錦屏二級水電站1號引水隧洞綠片巖洞段加強固結(jié)灌漿最終選定細(xì)水泥固結(jié)灌漿方案。

5 實際應(yīng)用及監(jiān)測成果分析

錦屏二級水電站1號引水洞綠片巖洞段在普通固結(jié)灌漿的基礎(chǔ)上采用細(xì)水泥實施加強固結(jié)灌漿，波速大于4 500 m/s的圍巖測試范圍占比96.6%，沒有小于3 850 m/s測試值；壓漿檢查共71段，透水率小于0.5 Lu試驗段占比為89%，處于0.5～0.75 Lu間的試驗段占比為8%，剩余兩個試驗段透水率為0.77、0.79 Lu，略大于0.75 Lu；鉆孔變摸測試最小值4.07 GPa，平均值6.02 GPa，可見聲波和變模測試滿足設(shè)計要求，壓水檢查經(jīng)綜合分析，總體滿足工程處理要求[5-7]。

錦屏二級水電站1號引水隧洞綠片巖洞段埋設(shè)多點位移計、錨桿應(yīng)力計、錨筋樁應(yīng)力計、錨索應(yīng)力計、鋼筋應(yīng)力計、無應(yīng)力計、測縫計等多種監(jiān)測儀器，歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)變幅較大情況主要發(fā)生在工程施工和隧洞充放水試驗期間，多點位移計實測位移典型過程線，見圖1。截至2020年2月，電站1號引水隧洞已充水投運7年有余，圍巖變形、圍巖支護(hù)應(yīng)力、襯砌混凝土應(yīng)力應(yīng)變、襯砌與圍巖接觸應(yīng)力等各項監(jiān)測數(shù)據(jù)已長時間保持基本穩(wěn)定，表明隧洞綠片巖洞段圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)，細(xì)水泥加強固結(jié)灌漿處理方法選擇合理。

6 結(jié) 語

綠泥石片巖巖體質(zhì)地軟弱、自穩(wěn)性差、徐變突出、遇水軟化明顯、相對隔水且灌漿可灌性差，是工程建設(shè)尤其水利隧洞工程建設(shè)的一大難題。為了在普通水泥固結(jié)灌漿的基礎(chǔ)上補充加強灌漿以有效解決綠泥石片巖質(zhì)引水隧洞長期安全穩(wěn)定和防滲問題，經(jīng)過經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較，細(xì)水泥加強固結(jié)灌漿比化學(xué)灌漿方法更為優(yōu)秀，且實際應(yīng)用效果較好，為類似項目提供成功經(jīng)驗。