丙烯酸鹽灌漿材料在高水頭帷幕補(bǔ)強(qiáng)中的應(yīng)用研究

楊培洲

(雅礱江流域水電開(kāi)發(fā)有限公司,成都 610051)

0 前 言

大壩基礎(chǔ)帷幕灌漿是改善壩基地質(zhì)條件的重要措施。通過(guò)帷幕灌漿的實(shí)施?？稍趲r石或砂礫石壩基中形成阻水帷幕，截?cái)嗷A(chǔ)滲流，減少壩基滲漏量，降低壩基揚(yáng)壓力，防止產(chǎn)生機(jī)械或化學(xué)管涌，增強(qiáng)壩基滲透穩(wěn)定性。灌漿材料一般采用普通水泥，有時(shí)也用磨細(xì)水泥或化學(xué)材料。工程實(shí)踐證明，對(duì)水泥漿而言，最小可灌裂縫寬度在0.1～0.5 mm，小于0.1 mm的細(xì)微裂隙則無(wú)法保證灌漿效果[1]。丙烯酸鹽灌漿材料黏度低可灌性好，處理細(xì)微裂隙及裂隙密集帶具有良好的效果。本文針對(duì)兩河口水電站大壩右岸高程2 640.00 m灌漿平洞局部帷幕灌漿在最高150 m水頭條件下，采取排間復(fù)合高壓化學(xué)灌漿技術(shù)，解決檢查孔壓水不合格，且鉆孔滲水壓力較大難題，為其它類(lèi)似工程施工提供參考。

1 工程概況

兩河口水電站位于四川省甘孜州雅江縣境內(nèi)的雅礱江干流上，平均海拔近3 000 m，是中國(guó)在建最高礫石土心墻壩。兩河口水電站樞紐建筑物由礫石土心墻堆石壩、泄洪建筑物、發(fā)電廠(chǎng)房等組成，壩頂高程2 875.00 m，河床部位心墻底高程2 582.00 m，最大壩高295 m，樞紐防滲帷幕由河床基礎(chǔ)防滲帷幕、左右岸壩肩基礎(chǔ)防滲帷幕及右岸地下廠(chǎng)區(qū)防滲帷幕組成[2]。右岸布置2條初期導(dǎo)流洞，穿過(guò)大壩右岸高程2 640.00 m灌漿平洞帷幕。目前，第二階段蓄水最高水位2 790.10 m，河床基礎(chǔ)廊道水頭215.1m，實(shí)測(cè)基礎(chǔ)廊道滲水量1 L/s左右，大壩防滲體系可靠有效。大壩右壩肩邊坡巖性為變質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)板巖及絹云母板巖與粉砂質(zhì)板巖互層。巖層與河流近垂直相交，產(chǎn)狀為N60°～75°W/SW∠60°～75°。規(guī)模較大的斷層主要有f4、f8、f9、f10、f11、f12等[2]。

大壩右岸高程2 640.00 m灌漿平洞主帷幕14～17單元(縱0+510.50 m～0+638.50 m)灌漿施工過(guò)程中，水庫(kù)水位高程2 682.00～2 791.00 m，鉆孔裂隙承壓水最大涌水壓力1.25 MPa，單段最大涌水量為3 600 mL/min。高外水頭條件下，Ⅰ序孔平均單位注入量16.3 kg/m，比蓄水前完成的帷幕Ⅰ序孔平均單位注入量52.32 kg/m減少68.8%，各序孔隨著灌漿次序遞增，單位注入量沒(méi)有明顯遞減，灌漿成果不符合灌漿一般規(guī)律；檢查孔也出現(xiàn)不同程度涌水現(xiàn)象,最大涌水壓力0.92 MPa,單段最大滲水量為790 mL/min，檢查孔在沒(méi)有考慮揚(yáng)壓力的條件下，仍有3段不合格，最大透水率為2.90 Lu，不滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，說(shuō)明高外水頭對(duì)帷幕施工質(zhì)量有較大影響。

在設(shè)計(jì)施工參數(shù)基本不變情況下，高外水頭條件下帷幕平均單位注入量比蓄水前減少55.21%，帷幕灌漿成果差異較大，說(shuō)明高外水頭對(duì)帷幕灌漿施工質(zhì)量有較大影響，需進(jìn)一步研究處理措施，提高帷幕的防滲性能。具體成果差異見(jiàn)表1。

表1 右岸高程2 640.00 m灌漿平洞主帷幕灌漿成果

2 丙烯酸鹽化學(xué)灌漿試驗(yàn)

大壩河床基礎(chǔ)廊道及ZGJ6、YGJ6灌漿平洞高程為2 575.00 m，水庫(kù)水位高程2 609.28 m,主帷幕鉆孔多次揭示地下涌水，涌水壓力0.2 MPa左右，最大涌水量110 L/min，為裂隙承壓水。主帷幕灌漿完成后檢查結(jié)果滿(mǎn)足設(shè)計(jì)1 Lu防滲標(biāo)準(zhǔn)，但檢查孔仍有微滲水現(xiàn)象，單孔最大滲水量1～2 L/min。檢查孔內(nèi)電視成像成果顯示，微細(xì)裂隙充填效果較差，說(shuō)明普通水泥無(wú)法保證微細(xì)裂隙灌漿效果?；诤哟怖鹊涝谡Ｐ钏粫r(shí)水頭為290 m，帷幕在高水頭長(zhǎng)期作用下，滲流會(huì)對(duì)帷幕產(chǎn)生破壞作用，為此，選定在ZGJ6灌漿平洞(壩(縱)0+102.00 m～0+124.00 m洞段)開(kāi)展丙烯酸鹽復(fù)合化學(xué)灌漿試驗(yàn)。

試驗(yàn)成果表明，在34 m水頭條件下，化灌前有39.1%的灌漿段有微滲水現(xiàn)象，單段最小滲水量為2 mL/min，最大滲水量為180 mL/min；單孔最小滲水量為24 mL/min，最大滲水量為309 mL/min?；嗪髾z查孔有24.6%的孔段有微滲水，單段最小滲水量為1 mL/min，最大滲水量為25 mL/min；單孔最小滲水量為3 mL/min，最大滲水量為71 mL/min，試驗(yàn)平均單位注入量0.68 kg/m，單段最大單位注入量11.9 kg/m，檢查孔透水率小于1 Lu，資料顯示丙烯酸鹽灌漿材料處理砂板巖細(xì)微裂隙有明顯效果。丙烯酸鹽灌漿試驗(yàn)灌前灌后滲水對(duì)比成果見(jiàn)表2。

表2 丙烯酸鹽灌漿試驗(yàn)灌前灌后滲水對(duì)比成果

3 初期導(dǎo)流洞影響范圍丙烯酸鹽補(bǔ)強(qiáng)帷幕設(shè)計(jì)

3.1 丙烯酸鹽帷幕補(bǔ)強(qiáng)灌漿施工難點(diǎn)及特點(diǎn)

(1)受灌地層為砂巖及板巖互層，細(xì)微裂隙發(fā)育，顆粒材料可灌性差。

(2)補(bǔ)強(qiáng)灌漿部位水頭150 m，鉆孔揚(yáng)壓力較大，對(duì)灌漿壓力具有對(duì)沖作用，影響地層可灌性。

(3)地層中存在一定滲流，要求灌漿材料具備快速凝結(jié)性能，防止材料被稀釋或流失。

(4)丙烯酸鹽灌漿材料是由一定濃度的單體、交聯(lián)劑、引發(fā)劑、緩凝劑等組成的水溶液，具有黏度低、流動(dòng)性好、可灌入細(xì)微裂隙、凝膠時(shí)間可控、滲透系數(shù)低、固砂體抗壓強(qiáng)度高等特點(diǎn)[3]，但溫度的變化對(duì)膠凝時(shí)間影響敏感。

基于以上難點(diǎn)特點(diǎn)，要求在帷幕補(bǔ)強(qiáng)灌漿工藝設(shè)計(jì)上要充分考慮。

3.2 細(xì)微裂隙灌漿材料選擇

水工建筑物基礎(chǔ)灌漿一般采用普通水泥作為灌漿材料，當(dāng)基巖中細(xì)微裂隙發(fā)育，也可以采用細(xì)水泥灌漿。灌漿效果是否明顯，除了與水泥顆粒的細(xì)度有關(guān)外，還與裂隙寬度、灌漿方法、灌漿壓力、地下水的狀態(tài)以及操作人員的熟練程度等因素相關(guān)。兩河口大壩高程2 580.00～2 673.00 m三角區(qū)帷幕采用干磨細(xì)水泥灌漿，孔距加密到1 m，質(zhì)量仍達(dá)不到預(yù)期，綜合效益較低，采用改性環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行復(fù)合灌漿處理，細(xì)微裂隙及裂隙密集帶處理效果明顯。

高外水頭條件下，地下水存在滲流且有較大揚(yáng)壓力，對(duì)灌漿壓力有消減作用，本工程的實(shí)踐證明，水泥灌漿無(wú)法達(dá)到效果。同時(shí)也進(jìn)行了水泥-丙烯酸鹽灌漿材料復(fù)合灌漿處理細(xì)微裂隙的試驗(yàn)研究，通過(guò)水泥灌漿對(duì)寬大裂隙的有效充填，再用丙烯酸鹽材料對(duì)細(xì)微裂隙復(fù)合灌漿，是一種行之有效的處理方法。

丙烯酸鹽灌漿材料在我國(guó)長(zhǎng)江三峽水利樞紐[1]、丹江口水利樞紐[4]、萬(wàn)安水電站[5]、斜卡水電站[6]、兩河口水電站[7]等工程得到廣泛應(yīng)用，尤其在處理細(xì)微裂隙效果良好。

3.3 帷幕補(bǔ)強(qiáng)化學(xué)灌漿設(shè)計(jì)

大壩右岸2 640.00 m灌漿平洞初期導(dǎo)流洞影響區(qū)域帷幕補(bǔ)強(qiáng)灌漿，在水庫(kù)蓄水最大水頭150 m條件下進(jìn)行。結(jié)合本工程丙烯酸鹽灌漿試驗(yàn)成果，帷幕補(bǔ)強(qiáng)灌漿采用單排設(shè)計(jì)，鉆孔布置于兩排主帷幕中間部位，孔距3 m，孔徑?56 mm，孔深80 m，分為兩序施工，先施工Ⅰ序孔，后施工Ⅱ序孔?？咨?0 m以上按照2～5 m分段，孔深30 m以下按照10 m分段，最大灌漿壓力為5.0 MPa，灌漿選用丙烯酸鹽灌漿材料。具體各段次灌漿壓力參數(shù)見(jiàn)表3，丙烯酸鹽灌漿鉆孔布置見(jiàn)圖1、2。

表3 右岸高程2 640.00 m灌漿平洞化學(xué)灌漿段長(zhǎng)劃分及壓力參數(shù)

圖1 右岸2640.00 m灌漿平洞初期導(dǎo)流洞影響區(qū)灌漿布置

圖2 右岸2640.00 m灌漿平洞灌漿孔平面布置 單位：cm

4 丙烯酸鹽灌漿性能檢測(cè)及現(xiàn)場(chǎng)配比試驗(yàn)

4.1 丙烯酸鹽材灌漿料性能檢測(cè)

大壩右岸高程2 640.00 m帷幕補(bǔ)強(qiáng)灌漿采用江蘇某化工廠(chǎng)生產(chǎn)的丙烯酸鹽灌漿材料，其漿液性能符合JC/T 2037-2010《丙烯酸鹽灌漿材料》相關(guān)指標(biāo)要求。第三方檢測(cè)成果見(jiàn)表4。依據(jù)JC/T 2037-2010《丙烯酸鹽灌漿材料》各項(xiàng)檢測(cè)結(jié)果均滿(mǎn)足規(guī)范要求。

表4 丙烯酸鹽化學(xué)灌漿材料第三方檢測(cè)結(jié)果

4.2 丙烯酸鹽材料現(xiàn)場(chǎng)配比試驗(yàn)

丙烯酸鹽化學(xué)漿液膠凝時(shí)間調(diào)控的主要手段為添加緩凝劑?？紤]到施工現(xiàn)場(chǎng)溫度、水質(zhì)與生產(chǎn)地存在差異，需要在化學(xué)灌漿開(kāi)始前，在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行不同配比漿液的膠凝時(shí)間試驗(yàn)，根據(jù)灌漿孔滲水情況，選用膠凝時(shí)間60 min及30 min配比進(jìn)行灌漿施工。丙烯酸鹽灌漿材料配比試驗(yàn)見(jiàn)圖3，丙烯酸鹽灌漿材料膠凝狀態(tài)見(jiàn)圖4。丙烯酸鹽化學(xué)灌漿材料現(xiàn)場(chǎng)溫度條件下凝結(jié)時(shí)間見(jiàn)圖5。

圖3 丙烯酸鹽灌漿材料配比試驗(yàn)

圖4 丙烯酸鹽灌漿材料膠凝狀態(tài)

表5 丙烯酸鹽化學(xué)灌漿材料現(xiàn)場(chǎng)溫度條件下凝結(jié)時(shí)間

5 化學(xué)灌漿施工方法

5.1 施工方法

丙烯酸鹽化學(xué)灌漿施工采用采用XY-2地質(zhì)鉆機(jī)鉆孔，金剛石鉆頭鉆進(jìn)，自上而下分段鉆孔，分段灌漿的純壓式單液灌漿方法，鉆孔分二序施工，先施工Ⅰ序孔，再施工Ⅱ序孔?？卓诠芏毋@孔孔徑為?76 mm，鑲鑄?73 mm的孔口管，其它段的鉆孔孔徑為?56 mm。

5.2 鉆孔滲水量檢測(cè)

灌漿段鉆孔結(jié)束，目測(cè)滲水情況并對(duì)有明顯滲水的孔段進(jìn)行滲水量觀(guān)測(cè)，并根據(jù)滲水情況測(cè)試揚(yáng)壓力，以便對(duì)比分析和評(píng)價(jià)化灌效果。

5.3 化學(xué)灌漿

5.3.1灌漿一般要求及涌水處理措施

(1) 漿液置換時(shí)，灌漿泵排量宜大于5 L/min,以縮短置換用時(shí)，灌漿無(wú)異常情況時(shí)應(yīng)盡快升至設(shè)計(jì)灌漿壓力。

(2) 灌漿過(guò)程中每次配漿都進(jìn)行留樣和記錄，觀(guān)察膠凝時(shí)間，指導(dǎo)后續(xù)配漿和確定起塞時(shí)間。

(3) 丙烯酸鹽材料對(duì)溫度較為敏感，孔內(nèi)巖體溫度和施工環(huán)境溫度有所差異，須待孔內(nèi)漿液膠凝后再行起塞。

(4) 鉆孔遇滲涌水孔段處理措施：① 各滲水孔均需測(cè)量滲水壓力，并確保灌漿壓力大于滲水壓力0.5 MPa以上；② 當(dāng)滲水量Q>10 L/min時(shí)，先采用水泥漿液灌注，再采用丙烯酸鹽材料復(fù)灌；③ 當(dāng)滲水量Q=5～10 L/min時(shí)，采用凝結(jié)時(shí)間為60 min左右的常規(guī)漿液開(kāi)灌，填充管孔容后，改用凝結(jié)時(shí)間為30 min左右的速凝漿液，該配比漿液的單耗達(dá)到5 kg/m后,再改用凝結(jié)時(shí)間為15 min左右的速凝漿液進(jìn)行灌注，總單耗達(dá)到15 kg/m左右結(jié)束灌漿(限量法)；采用限量法灌漿結(jié)束的孔段，須采取掃孔復(fù)灌措施;④ 當(dāng)滲水量Q>2 L/min時(shí)，不再進(jìn)行涌水置換，直接進(jìn)行丙烯酸鹽化學(xué)灌漿;⑤ 淺部滲水孔段的灌漿壓力按“設(shè)計(jì)壓力+50%～80%滲水壓力”執(zhí)行。

5.3.2壓力與注入率關(guān)系

(1) 一般情況下注入率宜控制在0.15～0.25 L/(min·m)；當(dāng)注入率≤0.15 L/(min·m)時(shí)適當(dāng)升高灌漿壓力；當(dāng)注入率≥0.25 L/(min·m)時(shí)，適當(dāng)降低灌漿壓力。

(2) 灌漿過(guò)程采用最大壓力時(shí),應(yīng)分級(jí)升壓。

5.3.3灌漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)

灌漿段達(dá)到設(shè)計(jì)壓力后，連續(xù)3次記錄的注入率不大于0.02 L/(min·m)且灌注至孔內(nèi)最后一組漿液膠凝時(shí)方可結(jié)束灌漿，純灌漿時(shí)間不少于60 min。

5.3.4封 孔

單孔化灌結(jié)束后，鉆孔清理干凈并采用灌漿法封孔，封孔時(shí)間不少于60 min，滲水孔封孔時(shí)間延長(zhǎng)至90 min。

6 丙烯酸鹽材料施工成果分析

大壩右岸高程2 640.00 m灌漿平洞初期導(dǎo)流洞影響區(qū)域，共布置化灌孔46個(gè)，巖石灌漿3 683.52 m，總灌注漿材10 635.95 kg，平均單位注入量2.89 kg/m。其中Ⅰ序孔23個(gè)合計(jì)1 841.26 m，灌注漿材5 690.15 kg，平均單位注入量3.09 kg/m；Ⅱ序孔23個(gè)合計(jì)1 842.26 m，灌注漿材4 945.80 kg，平均單位注入量2.68 kg/m；平均單位注入量Ⅰ序孔大于Ⅱ序孔。

化學(xué)灌漿施工過(guò)程中共出現(xiàn)大吸漿孔段(單耗>10 kg/m)31段，占總灌漿段數(shù)的2.38%，滲水量及揚(yáng)壓力較大孔段位于f4、f12斷層部位，相應(yīng)部位大耗漿量孔段集中，灌漿成果符合地質(zhì)條件變化規(guī)律。具體大吸漿異?？锥谓y(tǒng)計(jì)占比見(jiàn)表6，化學(xué)灌漿滲涌水情況統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表7。

表6 右岸高程2640.00 m灌漿平洞化學(xué)灌漿大吸漿異?？锥谓y(tǒng)計(jì)

表7 右岸高程2640.00 m灌漿平洞化學(xué)灌漿滲涌水情況統(tǒng)計(jì)

7 質(zhì)量檢查方法及成果

質(zhì)量檢查在相應(yīng)部位化學(xué)灌漿完成14 d后進(jìn)行，以分析檢查孔壓水成果為主，結(jié)合鉆孔全景圖像、鉆孔取芯、灌漿前、后滲水量對(duì)比進(jìn)行綜合評(píng)定。

7.1 灌后壓水檢查

灌后完成壓水檢查孔4個(gè)112段，最大透水率0.17 Lu，0透水率占65.2%,壓水成果滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

7.2 孔內(nèi)電視成像檢查

灌后完成4個(gè)孔內(nèi)全景圖像檢測(cè)，全景圖像檢測(cè)結(jié)果顯示巖體內(nèi)細(xì)微裂隙整體較發(fā)育，大部分裂隙內(nèi)可見(jiàn)丙烯酸鹽化學(xué)灌漿材料充填，灌漿效果良好，檢查孔細(xì)微裂隙充填效果見(jiàn)圖5。

圖5 檢查孔細(xì)微裂隙充填效果

7.3 灌漿前后滲水量對(duì)比檢查

為了直觀(guān)了解丙烯酸鹽化學(xué)灌漿前后微滲水情況，在丙烯酸鹽化學(xué)灌漿各段次灌漿前后，以及檢查孔各段次施工后均進(jìn)行了滲水觀(guān)測(cè)。觀(guān)測(cè)成果顯示，灌后滲水孔段減少92.18%，單段最大滲水量從3 600 mL/min大幅降到28.5 mL/min，檢查孔壓水112段，單段最大滲水量22.5 mL/min，比灌前大幅度減小，灌漿效果良好。滲水觀(guān)察成果見(jiàn)表8。

表8 化學(xué)灌漿前/后原位滲水觀(guān)測(cè)結(jié)果

總而言之，在高外水頭條件下，水泥灌漿難以達(dá)到要求，經(jīng)丙烯酸鹽復(fù)合灌漿后，灌漿孔段灌后原位滲水孔段大幅度減少，最大滲水量也同步大幅度減少，說(shuō)明水泥-化學(xué)復(fù)合灌漿效果顯著，檢查孔壓水成果滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

8 結(jié) 語(yǔ)

兩河口水電站大壩右岸初期導(dǎo)流洞影響區(qū)域帷幕灌漿，在第一階段初期導(dǎo)流洞下閘封堵后實(shí)施，具有水頭高、涌水壓力大、砂板巖細(xì)微裂隙可灌性差、斷層及其影響帶寬度大以及水泥灌漿帷幕形成難度大等不利因素，采用排間丙烯酸鹽補(bǔ)強(qiáng)灌漿，可獲得良好的處理效果。丙烯酸鹽水溶液黏度低，可灌性好，膠凝時(shí)間可根據(jù)需要調(diào)節(jié)，對(duì)于地下存在滲流，揚(yáng)壓力較高，細(xì)微裂隙發(fā)育的地質(zhì)環(huán)境，操作簡(jiǎn)單可靠。