抽水蓄能電站微細(xì)裂隙巖層防滲技術(shù)研究

崔，謝 武，江志安

（1.天津大學(xué)，水利工程仿真與安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津市 300350；2.中國水電基礎(chǔ)局有限公司，天津市地基與基礎(chǔ)工程企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津市 301700）

0 引言

隨著我國抽水蓄能電站的快速發(fā)展，其面臨的水文地質(zhì)條件也愈發(fā)復(fù)雜，其中，裂隙巖體高質(zhì)量防滲是一個(gè)重要技術(shù)難題[1]。由于地質(zhì)運(yùn)動(dòng)，巖體地基中存在大量裂隙，如原生裂隙和次生裂隙等[2，3]。其中，主裂隙在流體壓力下延伸擴(kuò)展，與其范圍內(nèi)的不同級(jí)次、不同成因類型的次級(jí)裂隙形成了相互連通的裂隙網(wǎng)絡(luò)。裂隙網(wǎng)絡(luò)的發(fā)育程度和連通程度對(duì)巖體力學(xué)特性和滲流有著重要的影響。為了加固工程基礎(chǔ)、控制圍巖變形、治理地下突涌水，工程中通常采用注漿手段進(jìn)行加固。注漿過程中，未凝結(jié)的注漿材料在泵送壓力下填充巖體的微細(xì)裂隙，經(jīng)一段時(shí)間后硬化形成不透水區(qū)域，使巖體成為完整的結(jié)構(gòu)[4，5]。微裂隙巖層注漿的關(guān)鍵難題是注漿材料的可灌性。由于微裂隙寬度極小，甚至在0.1mm以下，常規(guī)的水泥基注漿材料顆粒粒徑較大，難以滿足可注性。所以，研發(fā)一種可靠的注漿材料并深入研究其注漿理論，與開發(fā)相適應(yīng)的注漿工藝對(duì)抽水蓄能電站的建設(shè)具有重要意義。

本文針對(duì)抽水蓄能電站裂隙巖層基礎(chǔ)的防滲問題，提出了一種適應(yīng)于微裂隙巖體防滲的新型納米硅溶膠材料，并以清遠(yuǎn)抽水蓄能電站為工程依托，對(duì)其面臨的斷層破碎帶和裂隙巖體防滲施工進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究。

1 適應(yīng)于微裂隙巖層的灌漿材料

硅溶膠（silica sol）是納米SiO2膠體微粒在水中穩(wěn)定均勻擴(kuò)散形成的一種膠體溶液，又名硅酸溶膠，為淡藍(lán)色透明或乳白色溶液，硅溶膠擁有大的比表面積、高吸附性、高滲透性等優(yōu)點(diǎn)，且其具備良好的凝膠性能，所以可以將其作為化學(xué)灌漿材料加以利用。此外，硅溶膠最大的優(yōu)點(diǎn)是其顆粒極小，其膠體粒子直徑在10～20nm之間，可以滿足微細(xì)裂隙巖體的灌漿要求。

1.1 硅溶膠的工程特性

硅溶膠漿液的密度為1260kg/cm3，pH值為10.0，黏度測(cè)定結(jié)果如圖1所示，從圖中可以看出，硅溶膠漿液的初始黏度約為5mPa·s，表明其流動(dòng)性較好，可灌性優(yōu)良；漿液的充分固化時(shí)間為29min。

圖1 硅溶膠漿液的黏度測(cè)試結(jié)果Figure 1 Viscosity results of silica sol slurry

硅溶膠漿液固結(jié)后無側(cè)限抗壓強(qiáng)度是其重要的性能之一。分別測(cè)定硅溶膠漿液固結(jié)養(yǎng)護(hù)后的3天、7天、14天及28天的抗壓強(qiáng)度，其強(qiáng)度變化如圖2所示，從圖中可以看出，固化后試塊養(yǎng)護(hù)3天后的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為0.25MPa，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長，其強(qiáng)度逐漸增加，但增加的速率愈發(fā)緩慢，在齡期為28天，其強(qiáng)度為1.27MPa，滿足工程要求。

圖2 硅溶膠漿液固化后抗壓強(qiáng)度Figure 2 Compressive strength of cured silica sol slurry

1.2 硅溶膠固砂體的滲透特性

將硅溶膠漿液注入填充標(biāo)準(zhǔn)砂的試模中，經(jīng)1～2天脫模后進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，到達(dá)相應(yīng)齡期測(cè)試其滲透系數(shù)。結(jié)果如圖3所示：隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長，硅溶膠固砂體的滲透系數(shù)呈不斷降低的趨勢(shì)。其中，其滲透系數(shù)在30天內(nèi)變化最為顯著，并于90天后變化趨勢(shì)不明顯?？梢园l(fā)現(xiàn)，對(duì)于硅溶膠固砂體，養(yǎng)護(hù)齡期越長，抗?jié)B性能越佳。

圖3 硅溶膠固砂體滲透系數(shù)隨齡期變化Figure 3 The relationship between the permeability coefficient of silica sol and curing time

從上述結(jié)果分析看，硅溶膠工程特性滿足基礎(chǔ)防滲加固要求，且在微裂隙巖層中的可灌性較好，可用于微裂隙巖層防滲處理。

2 抽水蓄能電站裂隙巖層防滲技術(shù)

2.1 依托工程概況

清遠(yuǎn)抽水蓄能電站工程上庫主壩為黏土心墻堆石壩，壩頂長度230m，最大壩高52.5m。大壩防滲系統(tǒng)采用自上而下黏土心墻、砼墊層、斷層混凝土塞、基礎(chǔ)固結(jié)灌漿結(jié)合帷幕灌漿的型式。上庫蓄水之后，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)表明主壩壩基滲水量高于設(shè)計(jì)值，經(jīng)進(jìn)一步地勘后，確定心墻混凝土墊層下強(qiáng)風(fēng)化帶和弱風(fēng)化上帶淺層基巖為主要滲漏部位[6]，需進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)處理。前期先后在壩址的弱風(fēng)化帶、斷層破碎帶進(jìn)行灌漿試驗(yàn)，結(jié)果表明，破碎帶中的變質(zhì)石英砂巖、片巖和微風(fēng)化帶，因巖性致密、裂隙微細(xì)，普通水泥難以灌入，有些單耗僅為0.15～3.5kg/m。綜合工程地質(zhì)條件可以得出如下結(jié)論：寬度超過0.035mm的裂縫就可能成為滲水通道；對(duì)于水泥漿而言，最小可灌裂隙寬度在0.1～0.5mm范圍內(nèi)，小于0.1mm的微細(xì)裂隙則無法保證灌漿效果[7]。因此，采用水泥漿作為主灌漿材料，硅溶膠作為輔助灌漿材料，二者聯(lián)合達(dá)到防滲效果。

2.2 灌漿布置

灌漿試驗(yàn)區(qū)布置在主壩右壩肩補(bǔ)強(qiáng)帷幕軸線上，單排帷幕，孔距1.5m。上庫主壩K17+1～K20共4個(gè)孔設(shè)計(jì)縮短孔距為1.2m，Ⅰ序孔、Ⅱ序孔、Ⅲ序孔采用純水泥漿進(jìn)行灌注；K21～K28共8個(gè)孔設(shè)計(jì)孔距為1.5m，Ⅰ序孔、Ⅱ序孔采用純水泥漿灌注，Ⅲ序孔采用硅溶膠漿液進(jìn)行灌注。詳細(xì)布置見圖4。

圖4 帷幕灌漿試驗(yàn)區(qū)孔位布置Figure 4 The hole arrangement of curtain grouting test area

2.3 灌漿試驗(yàn)結(jié)果分析

2.3.1 水泥單位注入量

水泥單位注入量頻率區(qū)間成果見表1。

表1 各次序孔單位注入量頻率成果匯總表Table 1 The unit injection rate frequency results of each hole

單位注入量可反映出灌漿過程所采取的工藝技術(shù)、灌漿材料、漿液配比是否具有合理性，一情況下，單位注入量隨孔序逐漸遞減[11]。本次試驗(yàn)區(qū)灌漿的水泥漿液單位注入量成果具體見表1。根據(jù)表1可以看出，Ⅲ序孔比Ⅱ序孔遞減了2.71%，Ⅱ序孔比Ⅰ序孔遞減了46.16%。從表1試驗(yàn)區(qū)各序孔平均單位注入量可以看出，Ⅰ序孔154.07kg/m＞Ⅱ序孔82.95kg/m＞Ⅲ序孔80.7kg。隨著孔序的增加水泥單位注入量有逐漸降低的趨勢(shì)，符合灌漿的遞減規(guī)律。

從表1中看出，Ⅰ序孔單位注入量頻率最大的是100～500kg/m的段次占47.8%，其次是50～100kg/m的段次占17.4%，最小的是＞500kg/m的段次占8.7%；Ⅱ序孔單位注入量頻率最大的是10～50kg/m的段次占38.1%，其次是100～500kg/m的段次占33.3%，最小的是50～100kg/m的段次占9.5%；Ⅲ序孔單位注入量頻率最大的是10～50kg/m的段次占60%，其次是＜10kg/m的段次占20%，由此也可反映出，灌漿試區(qū)石英砂巖中的裂隙，主要是細(xì)微裂隙與較為寬大裂隙兩種，水泥漿液灌漿可灌性較好。

灌漿試驗(yàn)各次序孔單位注灰量頻率曲線見圖5，可以看出，全孔的平均單位注灰量均按序呈現(xiàn)明顯遞減趨勢(shì)，體現(xiàn)出灌漿的逐序加密后注入量遞減規(guī)律，說明隨著灌漿次序的增加，巖體逐漸被灌注密實(shí)。

圖5 水泥灌漿各次序孔單位注入量頻率曲線圖Figure 5 The frequency curves of cement grouting hole unit injection volume

2.3.2 硅溶膠單位注入量與透水率

根據(jù)表2和表3可以看出，隨著透水率增加，硅溶膠單位注入量逐漸增加，符合正常灌漿規(guī)律。灌前透水率＜10Lu的孔段占39.2%，透水率與單位灌注量遞增關(guān)系明顯，硅溶膠漿液很好被灌注。灌前透水率在10～50Lu的孔段，共計(jì)15段占53.6%，灌注硅溶膠漿液平均注入量為123.73L/m。根據(jù)灌漿資料分析，并結(jié)合以往類似工程灌漿成果對(duì)比，平均注入量大于100L/m，為正常灌注量，證明在此地層條件下，針對(duì)張開度小的細(xì)裂隙可灌性較好。

表2 Ⅲ序孔硅溶膠灌漿成果表Table 2 The colloidal silica sol grouting for Ⅲ holes

表3 Ⅲ序孔灌注硅溶膠透水率與單位注入量統(tǒng)計(jì)表Table 3 The silica sol permeability and unit injection volume of Ⅲ holes

2.4 效果檢測(cè)

2.4.1 檢查孔壓水試驗(yàn)

帷幕灌漿工程質(zhì)量的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)為：經(jīng)檢查孔壓水試驗(yàn)檢查，壩體混凝土與基巖接觸段透水率的合格率為100%；其余各段的合格率不小于90%。不合格試段的透水率不超過設(shè)計(jì)規(guī)定的150%，且不合格試段的分布不集中。灌漿質(zhì)量可評(píng)為合格。清遠(yuǎn)抽水蓄能電站上庫灌漿地層的滲透系數(shù)為10-3～10-4cm/s（約為10～120Lu），經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)灌漿施工處理后檢查結(jié)果見表4，可以看出水泥灌漿區(qū)最大透水率為4.48Lu，還有1段透水率為3.85Lu，其他孔也均合格。硅溶膠灌漿區(qū)最大滲透系數(shù)為2.29Lu，壩體混凝土與基巖接觸段及其下一段的透水率的合格率為100%，其余各段的合格率為100%。灌漿檢查孔試驗(yàn)效果表明硅溶膠灌注區(qū)域比水泥灌注區(qū)域效果更好。

表4 檢查孔壓水試驗(yàn)結(jié)果Table 4 The results of check the hole pressure water

2.4.2 芯樣檢查

隨著灌漿施工的完成，漿液注入裂隙，檢查孔巖芯自上而下整體趨勢(shì)是越來越完整。水泥灌漿檢查孔巖芯部分有水泥漿浸染的痕跡見圖6，能明顯看到多處有明顯的水泥結(jié)石。硅溶膠灌漿檢查孔巖芯在外部很難看見，因硅溶膠凝膠強(qiáng)度較低，只有經(jīng)過破壞后巖芯自然斷裂，節(jié)理微細(xì)裂隙面才有硅溶膠充填裂隙痕跡，如圖7所示。

圖6 水泥灌漿孔巖芯結(jié)石Figure 6 Core stone in cement hole

圖7 硅溶膠灌漿孔巖芯Figure 7 Core diagram of silica sol hole

2.4.3 壩后量水堰滲漏量觀測(cè)

上庫主壩防滲補(bǔ)強(qiáng)處理前，在高水位時(shí)，量水堰滲流量達(dá)到85L/s。處理后在同等高水位時(shí)，量水堰滲流量約10L/s（已達(dá)到設(shè)計(jì)允許滲流量）。

3 結(jié)論

隨著我國能源戰(zhàn)略的實(shí)施，抽水蓄能電站得到快速發(fā)展，其選址地質(zhì)條件也越來越復(fù)雜，其中，微裂隙巖體的防滲處理是一個(gè)重要技術(shù)難題。本文結(jié)合一種新型的灌漿材料，開展了裂隙巖層防滲施工技術(shù)研究，主要結(jié)論如下：

（1）硅溶膠灌漿材料是無毒安全環(huán)保的化學(xué)灌漿材料，它具有黏度低、可灌入微細(xì)裂隙、膠凝時(shí)間可控、凝膠滲透系數(shù)低、抗擠出能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可適應(yīng)微裂隙（＜0.1mm）巖體的防滲灌漿處理。

（2）采用水泥基灌漿材料聯(lián)合硅溶膠進(jìn)行滲漏地層防滲，可兼顧不同尺寸的滲漏通道，如斷層破碎帶和微細(xì)裂隙巖層，防滲效果優(yōu)良。

上述技術(shù)應(yīng)用于清遠(yuǎn)抽水蓄能電站工程基礎(chǔ)防滲灌漿，取得了滿意的工程效果。