斷層蝕變帶弱刻槽開挖與回填固結(jié)處理關(guān)鍵技術(shù)

劉立強(qiáng)

（雅礱江流域水電開發(fā)有限公司，四川 成都，610051）

拱壩一般地處高山峽谷，地質(zhì)條件及地理環(huán)境復(fù)雜，加上高拱壩規(guī)模大，因此對基礎(chǔ)條件、結(jié)構(gòu)安全等有嚴(yán)格要求，尤其對承受水平推力的兩岸山體基巖穩(wěn)定性要求高。然而，因各種復(fù)雜的結(jié)構(gòu)面如斷層、軟弱帶、節(jié)理裂隙等切割和巖體開挖卸荷作用，地質(zhì)問題復(fù)雜。因此，如何有效控制壩基巖體變形，選擇合理的開挖控制技術(shù)和加固處理方案是工程建設(shè)各方關(guān)注的核心問題。

1 斷層蝕變帶基本情況

楊房溝水電站壩址區(qū)斷層發(fā)育，共發(fā)育3條Ⅱ級結(jié)構(gòu)面，59條Ⅲ級結(jié)構(gòu)面，465條Ⅳ級結(jié)構(gòu)面，以中陡傾角為主，緩傾角結(jié)構(gòu)面較少發(fā)育，面多見擦痕及褐黃色鐵錳質(zhì)渲染。左岸共統(tǒng)計(jì)到12 665條節(jié)理，右岸統(tǒng)計(jì)到10 873條節(jié)理，產(chǎn)狀均以陡傾角發(fā)育為主，緩傾角較少發(fā)育。拱肩槽邊坡斷層、擠壓帶和裂隙發(fā)育，以左岸壩肩槽上游側(cè)邊坡為例，僅2 101.85～2 000.00 m段就發(fā)育有45條斷層、56條擠壓帶和1條裂隙。其中f27大規(guī)模斷層自上游側(cè)邊坡貫穿整個(gè)壩肩槽，且斷層走向與工程邊坡小角度相交，斷層傾角55°~65°，寬10~15 cm，最大達(dá)20 cm，帶內(nèi)為碎塊巖、蝕變巖、巖屑充填，面平直光滑。沿?cái)鄬用鎯蓚?cè)分布蝕變巖體，上盤蝕變巖體厚0.2～1.5 m，下盤蝕變巖體厚0.6～2.6 m[1-3]，見圖1。

圖1 斷層f27出露位置建基面地質(zhì)缺陷范圍Fig.1 Geological defect area of exposed foundation surface at fault 27

2 變形監(jiān)測情況

2.1 變形監(jiān)測數(shù)據(jù)變化情況

左岸拱肩槽上游側(cè)邊坡開挖以來，多點(diǎn)位移計(jì)位移累計(jì)增量、位移速率表現(xiàn)為集中爆破后3~4 d內(nèi)有較明顯增長[4]。隨著f27斷層逐漸出露，多點(diǎn)位移計(jì)最大位移速率達(dá)到0.61 mm/d，日均速率0.25 mm/d。

2.2 原因分析

開挖爆破是左岸拱肩槽上游側(cè)邊坡變形監(jiān)測數(shù)據(jù)變化較大的主要原因。隨著邊坡下挖，f27斷層逐漸出露，下部巖體厚度變薄，對上部巖體支撐作用減弱；同時(shí)，邊坡高度增大，巖體卸荷亦比較明顯，施工用水和降雨的入滲降低了結(jié)構(gòu)面的力學(xué)強(qiáng)度，對邊坡巖體的卸荷、松弛產(chǎn)生促進(jìn)作用[4]，這也是導(dǎo)致變形監(jiān)測數(shù)據(jù)近期變化較大的另一重要原因。

3 變形控制標(biāo)準(zhǔn)及要求

據(jù)DL/T 5353—2006《水電水利工程邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范》[5]，楊房溝工程邊坡設(shè)計(jì)安全系數(shù)均取上限值，持久工況取1.30，短暫工況取1.20，偶然工況取1.10[6-8]。施工期設(shè)計(jì)安全系數(shù)取短暫工況下限值1.15。

據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，建立邊坡安全警戒等級和變形管理標(biāo)準(zhǔn)（見表1）。一級即已經(jīng)發(fā)現(xiàn)并確認(rèn)邊坡變形異常，個(gè)別加固結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞；二級即邊坡變形不收斂或進(jìn)入加速變形，局部區(qū)域加固結(jié)構(gòu)破壞，確認(rèn)邊坡已進(jìn)入漸進(jìn)破壞過程，可能發(fā)生滑動(dòng)[5-9]。

表1 邊坡位移速率、累積變形量與警戒要求管理標(biāo)準(zhǔn)[6]Table 1 Management standards for slope displacement rate,cumulative deformation and warning requirements

4 開挖與回填固結(jié)工作安排及要求

（1）根據(jù)目前變形監(jiān)測情況，調(diào)整左岸拱肩槽及上游側(cè)邊坡的開挖加固方案。先完成拱肩槽上游側(cè)邊坡高程1 970~2 000 m淺層支護(hù)后進(jìn)行拱肩槽下游部位的開挖，拱肩槽下游部位的開挖要減小爆破梯段高度及縮小爆破范圍，減小爆破對拱肩槽上游側(cè)坡地f27斷層的影響。完成拱肩槽上游側(cè)邊坡高程1 970~2 000 m三排錨索后才可進(jìn)行拱肩槽上游部位開挖。

（2）按照設(shè)計(jì)要求做好邊坡地表截水和排水系統(tǒng)，避免施工用水、降雨入滲等對左岸拱肩槽上游側(cè)邊坡產(chǎn)生不利影響。

（3）繼續(xù)做好安全監(jiān)測工作，在高程2 000 m以下邊坡適當(dāng)增加安全監(jiān)測儀器，以便為下部邊坡開挖設(shè)計(jì)及施工提供依據(jù)。

5 斷層蝕變帶開挖與回填固結(jié)的特點(diǎn)和難點(diǎn)

5.1 地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，開挖安全風(fēng)險(xiǎn)大，開挖體型較難控制

壩址區(qū)斷層發(fā)育，且產(chǎn)狀均以陡傾角發(fā)育為主，緩傾角較少發(fā)育。復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造在開挖爆破時(shí)會(huì)對爆破應(yīng)力波起到不利的導(dǎo)向作用，使預(yù)裂爆破不沿著設(shè)計(jì)預(yù)定方向發(fā)展，而沿著裂隙面發(fā)展，導(dǎo)致開挖體型和開挖質(zhì)量較難控制。左岸壩基邊坡開挖過程中，曾因邊坡出現(xiàn)裂縫兩次暫停開挖施工，其裂縫主要是由于左岸上游側(cè)邊坡出露f27斷層及其蝕變帶，隨著邊坡開挖，邊坡巖體應(yīng)力調(diào)整，逐漸出現(xiàn)卸荷松弛變形。陡傾角發(fā)育的巖石層面在預(yù)裂孔鉆孔時(shí)容易飄鉆，使鉆孔方向偏離設(shè)計(jì)角度，爆破應(yīng)力波沿節(jié)理層面滑塌，從而影響鉆孔及爆破質(zhì)量，開挖體型較難控制。

5.2 控制爆破質(zhì)量要求高

根據(jù)拱壩基礎(chǔ)開挖施工技術(shù)要求，壩基建基面開挖爆破距離爆破梯段頂面10 m處的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度要不大于10 cm/s，在f27大規(guī)模斷層附近壩基開挖爆破時(shí)，距離爆破梯段頂面10 m處的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度控制在不大于5 cm/s。壩肩作為拱壩的抗力體，是拱壩壩體能否穩(wěn)定的關(guān)鍵，壩肩槽的開挖質(zhì)量要求很高，只有保證壩肩槽的成型才能確保壩肩的受力符合設(shè)計(jì)要求。

5.3 確保高邊坡巖體穩(wěn)定是開挖施工的關(guān)鍵

高邊坡巖體開挖時(shí)局部地應(yīng)力的釋放和調(diào)整可能引起高邊坡巖體的卸荷回彈松弛破壞。巖體崩塌的突發(fā)性難以預(yù)測，施工中須高度重視，采取多種綜合性防范措施。加強(qiáng)高邊坡巖體施工安全監(jiān)測，對邊坡進(jìn)行及時(shí)支護(hù)，必要時(shí)采取加強(qiáng)支護(hù)。

5.4 環(huán)保施工要求高

開挖過程中，須采取多臺(tái)噴霧機(jī)噴霧、灑水降塵，修建擋渣墻攔渣等措施，嚴(yán)格控制爆破規(guī)模和翻渣高度，防止對工程施工區(qū)附近的居民造成污染。

6 國內(nèi)類似問題解決方案

目前斷層蝕變帶的常規(guī)處理方式是：對規(guī)模較小的地質(zhì)缺陷，一般采取壩基清基局部刻槽、順傾向帶掏挖和高壓水沖洗清除破碎巖體及軟弱充填物、兩側(cè)松動(dòng)巖塊清撬等常規(guī)方法，處理深度為斷層出露寬度的2倍且不小于50 cm，并結(jié)合建基面固結(jié)灌漿，加密灌漿；針對規(guī)模較大的地質(zhì)缺陷，采取刻槽開挖、高壓水沖洗灌漿、混凝土回填、系統(tǒng)固結(jié)灌漿及化學(xué)灌漿等，需要進(jìn)行專門處理[10]。

拱壩不良壩基的加固處理方案主要包括刻槽置換和灌漿加固等方法。本項(xiàng)目創(chuàng)新提出了局部不良地質(zhì)的小藥量多分區(qū)弱刻槽開挖關(guān)鍵技術(shù)。

7 斷層蝕變帶開挖與回填固結(jié)技術(shù)

7.1 壩肩總體開挖工藝方法

拱壩建基面開挖前，開展了爆破器材試驗(yàn)和現(xiàn)場生產(chǎn)性試驗(yàn)，并進(jìn)行了試驗(yàn)總結(jié)與評審。在左、右岸壩肩槽上部共進(jìn)行了5次1∶1壩肩槽開挖生產(chǎn)性爆破開挖試驗(yàn)，驗(yàn)證了爆破器材性能參數(shù)；初步確定了不同圍巖類別（Ⅱ級、Ⅲ級、Ⅲ級、Ⅳ級）情況下的爆破方法、爆破分區(qū)及爆破參數(shù)，優(yōu)選鉆孔機(jī)具，配置了地質(zhì)羅盤測斜儀、鉆孔糾偏器等工器具。拱壩壩基建基面左、右岸高程1 947.00~2 101.85 m爆破開挖，在經(jīng)生產(chǎn)性試驗(yàn)取得爆破參數(shù)結(jié)果下，采用“先瘦身、壩基預(yù)留保護(hù)區(qū)開挖[11]”的施工方法。河床壩段預(yù)留3 m保護(hù)層建基面開挖，采取先拉先鋒槽、再沿設(shè)計(jì)高程造水平預(yù)裂、豎向造主爆孔方式完成爆破開挖，先鋒槽采取楔形掏槽方式。

拱肩槽開挖采用臨近槽坡面部位預(yù)留保護(hù)區(qū)方式，預(yù)留保護(hù)區(qū)厚度按10 m（1排預(yù)裂孔、1排緩沖孔、2～3排主爆孔）左右控制。瘦身炮的爆破規(guī)模，單次按5排爆破孔控制，臨近保護(hù)區(qū)內(nèi)側(cè)的1排爆破孔，其造孔、裝藥按照近似于光面爆破控制。壩基預(yù)裂孔主要采用QJZ-100B潛孔鉆，緩沖孔和主爆孔主要采用JK590液壓鉆機(jī)造孔。預(yù)裂孔采用?25或?32乳化炸藥間隔裝藥，緩沖孔及主爆孔一般采用?70連續(xù)裝藥[11]，非電雷管網(wǎng)絡(luò)爆破。

在壩基開挖施工過程中，提高預(yù)裂孔鉆孔質(zhì)量，減小預(yù)裂孔偏斜率和飄鉆情況，每茬炮在清渣后由地質(zhì)工程師根據(jù)出露的建基面巖石情況對下梯段爆破區(qū)地質(zhì)情況進(jìn)行分析預(yù)判，同時(shí)質(zhì)量員在鉆孔過程中旁站值班，與鉆孔人員一起記錄巖層地質(zhì)情況，爆破技術(shù)人員根據(jù)鉆孔地質(zhì)情況、地質(zhì)預(yù)報(bào)、爆破質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)監(jiān)測數(shù)據(jù)、爆破后效果進(jìn)行動(dòng)態(tài)爆破設(shè)計(jì)。同時(shí)開展“一炮一總結(jié)”，每茬炮后及時(shí)召開爆破效果評審會(huì)，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，分析解決現(xiàn)場鉆孔、爆破過程中遇到的問題，根據(jù)上茬炮的預(yù)裂面殘孔率、平整度、超欠挖情況、爆破質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)數(shù)據(jù)、聲波檢測情況，及時(shí)優(yōu)化調(diào)整爆破參數(shù)，特別是對預(yù)裂孔采用單孔個(gè)性化設(shè)計(jì)，指導(dǎo)下茬炮的施工。

7.2 小藥量多分區(qū)弱刻槽開挖

高程1 947~1 990 m斷層f27及蝕變巖體在建基面出露部位刻槽，蝕變巖體厚度1.5~3.9 m，刻槽深度按1~1.5倍蝕變巖體帶寬度控制，詳見表2。刻槽寬度為斷層f27及兩側(cè)分布蝕變巖體，刻槽開口寬度2.40~10.84 m。槽挖應(yīng)采用小藥量爆破，并嚴(yán)格控制單段藥量，減少爆破對基礎(chǔ)巖體的損傷，爆破質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度按文中5.2節(jié)要求進(jìn)行控制，近區(qū)存在固結(jié)灌漿和新澆混凝土?xí)r，按照相關(guān)規(guī)范嚴(yán)格控制爆破振動(dòng)對灌漿和新澆混凝土的影響，爆破質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度不大于0.5～2.0 cm/s。

表2 大壩建基面沿?cái)鄬觙27蝕變巖體厚度及刻槽深度Table 2 Altered rock mass thickness and groove depth on dam foundation surface along fault 27

為控制爆破振動(dòng)，采用高精度工業(yè)電子雷管，斷層蝕變帶分為4個(gè)區(qū)域，共計(jì)分段數(shù)為159，總炮孔數(shù)為287，總裝藥量893.3 kg，最大單段藥量5.6 kg，進(jìn)行小藥量多分區(qū)弱刻槽開挖，詳見表3。

表3 斷層蝕變帶刻槽爆破參數(shù)Table 3 Groove blasting parameters in fault-altered zones

Ⅰ區(qū)：8個(gè)預(yù)裂孔+18個(gè)主爆孔，總藥量72.0 kg；Ⅱ區(qū)：12個(gè)預(yù)裂孔+40個(gè)主爆孔，總藥量189.6 kg；Ⅲ區(qū)：12個(gè)預(yù)裂孔+40個(gè)主爆孔，總藥量242.4 kg；Ⅳ區(qū)：12個(gè)預(yù)裂孔+29個(gè)主爆孔，總藥量174.9 kg。

7.3 刻槽內(nèi)鋪設(shè)基礎(chǔ)鋼筋及回填混凝土

刻槽內(nèi)沿槽兩側(cè)壁交錯(cuò)布置插筋?28，L=3 m@1.5 m×1.5 m，入巖2 m；刻槽底面布置插筋?28，L=4.5 m@1.5 m×1.5 m，入巖3.5 m。

刻槽基礎(chǔ)面須驗(yàn)收合格后，方可進(jìn)行回填混凝土澆筑施工?；靥罨炷烈瞬捎肅18030W10F200，也可采用C30W10F200，宜采用三級配，也可采用二級配，相應(yīng)部位大壩混凝土應(yīng)在回填混凝土溫度降至15℃后再進(jìn)行澆筑，回填混凝土與壩體混凝土接觸面需沖毛或鑿毛處理?；靥罨炷镣獗砻媾c大壩設(shè)計(jì)建基面齊平，一般澆筑層厚為3 m（可根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況適當(dāng)調(diào)整），最小層間間歇時(shí)間5 d，最大層間間歇時(shí)間14 d，澆筑層面需進(jìn)行沖毛或鑿毛處理。沿f27斷層刻槽長度方向布置若干施工臨時(shí)縫，縫間距最大12 m，施工臨時(shí)縫與拱壩橫縫間距不小于1.5 m，施工臨時(shí)縫與刻槽基礎(chǔ)底面夾角60°～90°，施工臨時(shí)縫需進(jìn)行鑿毛處理，并布置插筋?28，L=3 m@1.5 m×1.5 m，縫兩側(cè)各1.5 m。

回填混凝土溫控技術(shù)要求：混凝土出機(jī)口溫度、澆筑溫度、最高溫度分別按不超過9℃、15℃和29℃控制?；靥罨炷列柽M(jìn)行通水冷卻，冷卻水管采用焊接鋼管或HDPE管，按1.5 m（豎向）×1.5 m（水平）布置，通水冷卻目標(biāo)溫度為15℃?；炷寥兆畲蠼禍夭怀^1℃，冷卻降溫過程應(yīng)連續(xù)平順，防止由于通水不足及通水中斷等原因造成溫度回升[12-15]。冷卻水溫為8℃~10℃，一期通水冷卻時(shí)間不宜少于10 d，控溫至相應(yīng)壩段第一層混凝土澆筑完成。自開始通水至混凝土最高溫度出現(xiàn)后2 d，通水流量宜為1.2~2.0 m3/h[13]；最高溫度出現(xiàn)2 d后，通水流量不宜超過1.2 m3/h，具體可根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況適度調(diào)整。

7.4 斷層蝕變帶加強(qiáng)固結(jié)灌漿

（1）加強(qiáng)固結(jié)灌漿范圍內(nèi)，槽挖回填混凝土部位采用混凝土蓋重灌漿+系統(tǒng)引管灌漿，回填混凝土部位外采用無蓋重灌漿并對檢查結(jié)果不滿足灌漿質(zhì)量要求的部位采用引管灌漿。

（2）加強(qiáng)固結(jié)灌漿范圍內(nèi)混凝土蓋重灌漿及無蓋重灌漿孔位布置，在拱壩壩基固結(jié)灌漿的Ⅰ、Ⅱ序基礎(chǔ)上系統(tǒng)布置Ⅲ序孔，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ序灌漿過程中及完成后應(yīng)及時(shí)分析灌漿效果，進(jìn)一步研究后續(xù)處理措施。

（3）8號壩段Ⅰ、Ⅱ序孔已按原設(shè)計(jì)孔深15 m基本完成，故8號壩段Ⅰ、Ⅱ序孔不調(diào)整，對Ⅲ序孔加深為20 m；其余壩段Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ序孔深均為20 m。

（4）混凝土蓋重引管灌漿孔間排距為1.5 m（順河向）×3 m（橫河向），孔深入巖2 m，引管灌漿采用循環(huán)式[2]。

（5）灌漿材料采用濕磨細(xì)水泥。

（6）固結(jié)灌漿壓力設(shè)計(jì)參考值見表4，灌漿壓力以確保灌漿質(zhì)量和混凝土、巖面不發(fā)生有害抬動(dòng)為原則[14]，基巖段累計(jì)抬動(dòng)變形值不允許超過200μm，混凝土累計(jì)抬動(dòng)變形值不允許超過100μm[15]。

表4 固結(jié)灌漿壓力設(shè)計(jì)參考值Table 4 Design reference value of consolidation grouting pressure

（7）施工順序?yàn)椋孩賹訌?qiáng)固結(jié)灌漿范圍槽挖回填混凝土部位外0～20 m段（8號壩段Ⅰ、Ⅱ序孔深為15 m）進(jìn)行無蓋重固結(jié)灌漿，同步進(jìn)行槽挖施工，爆破時(shí)機(jī)及藥量需考慮對固結(jié)灌漿的影響，質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度應(yīng)滿足要求；②刻槽基礎(chǔ)面驗(yàn)收合格后，澆筑回填混凝土，固結(jié)灌漿孔位預(yù)埋?65鋼管；③回填混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的50%后，對槽挖回填混凝土部位0～20 m段進(jìn)行混凝土蓋重固結(jié)灌漿；④對槽挖回填混凝土部位基巖面0～2 m段，在混凝土蓋重固結(jié)灌漿孔間重新鉆孔布置引管至壩后貼角或監(jiān)理工程師指示其他部位；⑤在上部大壩混凝土澆筑高度達(dá)到30 m且相應(yīng)壩段的橫縫接縫灌漿結(jié)束3 d后，進(jìn)行混凝土蓋重引管灌漿。

8 處理效果評價(jià)

從邊坡測縫計(jì)、多點(diǎn)位移計(jì)及錨索測力計(jì)變形監(jiān)測結(jié)果分析，斷層蝕變帶在采用弱刻槽開挖與回填固結(jié)處理關(guān)鍵技術(shù)后，壩體位移變化很小，邊坡變形逐步趨于穩(wěn)定[1-2]。

根據(jù)《四川省雅礱江楊房溝水電站拱壩基礎(chǔ)固結(jié)灌漿施工技術(shù)要求》（A版），固結(jié)灌漿質(zhì)量檢查以聲波測試巖體波速為主，鉆孔壓水試驗(yàn)和鉆孔全景圖像為輔，并結(jié)合灌漿前后物探結(jié)果、有關(guān)灌漿施工資料及鉆孔取芯資料等綜合評定。檢測單位對斷層蝕變帶固結(jié)灌漿質(zhì)量進(jìn)行檢測，聲波測試、鉆孔壓水試驗(yàn)、鉆孔全景圖像、灌漿前后物探結(jié)果、有關(guān)灌漿施工資料及鉆孔取芯資料等表明，灌漿質(zhì)量受控，壓水透水率、單位注灰量等指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。斷層發(fā)育帶采取槽挖回填灌漿處理方案合適，處理后建基巖體滿足拱壩建基要求[3]。

9 結(jié)語

高拱壩對壩基巖體質(zhì)量要求甚高，壩基巖體的穩(wěn)定性是拱壩建設(shè)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，而巖體的不連續(xù)性往往發(fā)育有局部不良地質(zhì)體甚至整體地質(zhì)條件差，前期地質(zhì)勘探不全面，地質(zhì)條件的復(fù)雜性，壩址選擇的多方考量，往往導(dǎo)致地質(zhì)處理問題。本項(xiàng)目采用小藥量多分區(qū)弱刻槽開挖，刻槽內(nèi)鋪設(shè)基礎(chǔ)鋼筋回填混凝土，以及采用混凝土蓋重灌漿、系統(tǒng)循環(huán)引管灌漿、加序、加深灌漿，使用濕磨細(xì)水泥和控制灌漿壓力等加強(qiáng)固結(jié)灌漿手段，成功解決了斷層蝕變帶不良地質(zhì)問題，壩基巖體開挖質(zhì)量得到大幅提升，邊坡巖體穩(wěn)定。該斷層蝕變帶開挖及回填加固處理關(guān)鍵技術(shù)具有顯著應(yīng)用和推廣價(jià)值。