博瓦水電站引水隧洞富水破碎圍巖治理加固技術(shù)研究

張明華

(中鐵二十三局集團(tuán)華東區(qū)域指揮部，浙江 杭州 310000)

引水式發(fā)電站在建設(shè)過(guò)程中往往需要開(kāi)挖很長(zhǎng)的引水隧洞，在開(kāi)挖過(guò)程中會(huì)遇到各種各樣的地質(zhì)條件[1]，其中，富水破碎圍巖是較為常見(jiàn)的不良地質(zhì)之一，在這些圍巖條件下極易發(fā)生涌水、突泥、坍塌等災(zāi)害[2]，因此必須在開(kāi)挖前后采取有效的治理措施。注漿便是治理該類型不良地質(zhì)的主要手段之一，然后傳統(tǒng)的水泥基注漿材料由于凝結(jié)時(shí)間長(zhǎng)、結(jié)石率低、強(qiáng)度不高、析水嚴(yán)重、體積收縮等問(wèn)題，往往在富水破碎帶很難起到很好的治理加固效果，此外水泥的大量使用對(duì)地下水環(huán)境和工程效益也不利，因此，有必要尋找一種新的注漿材料來(lái)對(duì)富水破碎圍巖進(jìn)行治理加固[3-5]。

氧化石墨烯是一種含有多種含氧官能團(tuán)的石墨烯衍生物，具有很好的分散性，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用到水泥基注漿材料的改性之中，但由于其價(jià)格比較昂貴，因此不可能在工程中大量使用，因此摻量往往較少，而且單摻氧化石墨烯很多時(shí)候也不能達(dá)到最好的注漿效果。為此，提出復(fù)摻氧化石墨烯和粉煤灰的方式對(duì)傳統(tǒng)水泥基注漿材料進(jìn)行改良，一方面可降低水泥用量，另一方面提高結(jié)石體強(qiáng)度和抗?jié)B性，從而達(dá)到較好的治理效果[6-7]。

1 工程概況

博瓦水電站是水洛河干流河段上“一庫(kù)十一級(jí)”水電開(kāi)發(fā)方案中的第八級(jí)引水式水電站，其上游為新藏水電站，下游為寧朗水電站，總裝機(jī)容量為16.8萬(wàn)kW，工程開(kāi)發(fā)任務(wù)主要為發(fā)電，兼顧下游生態(tài)環(huán)境用水要求[8-10]。博瓦水電站引水隧洞全長(zhǎng)約為16.2km，其中第三標(biāo)段引水隧洞全長(zhǎng)3705m(隧5+585～隧9+290)，由中鐵二十三局承建，在引水隧洞開(kāi)挖過(guò)程中，多次出現(xiàn)了富水破碎圍巖，給工程施工帶來(lái)很大的安全隱患，在多次采用水泥基注漿材料治理效果不佳的情況下，決定采用復(fù)摻氧化石墨烯和粉煤灰的方式對(duì)傳統(tǒng)注漿材料進(jìn)行改性，從而達(dá)到期望的治理效果，為類似工程提供借鑒。

2 試驗(yàn)情況

2.1 試驗(yàn)原材料

a.水泥。P·O42.5普通硅酸鹽水泥，主要礦物成分為C3S(56.5%)、C2S(16%)和C4AF(14.8%)，主要化學(xué)成分為CaO(62.5%)和SiO2(21.1%)，比表面積為380m2/kg，密度為3.1g/cm3，標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量為25.6%，初凝和終凝時(shí)間分別為123min和178min，28天抗折和抗壓強(qiáng)度分別為7.7MPa和46.8MPa。

b.粉煤灰。Ⅱ級(jí)粉煤灰，主要化學(xué)成分為CaO(54.8%)和Al2O3(26.8%)，比表面積為360m2/kg，需水量比為101.3%，細(xì)度(45μm)為28.8%，28天活性指數(shù)為73.2%。

c.氧化石墨烯。黑褐色，純度為95%，厚度為3.4～7nm，片層直徑為10～50nm，層數(shù)為6～10層，比表面積為100～300m2/g。

d.減水劑。高效聚羧酸減水劑，淡黃色液體，減水率為25%，泌水率為10%，固含量為19.3%，密度為1.048g/cm3，pH值為4.51，推薦摻量為0.05%～0.35%。

e.速凝劑。白色粉末，速凝率為14%，泌水率為29%，初凝和終凝時(shí)間為215s和572s，1天、3天、28天抗壓強(qiáng)度比分別為223%、186%和94%。

f.水。實(shí)驗(yàn)室自來(lái)水。

2.2 試驗(yàn)儀器設(shè)備

主要試驗(yàn)儀器包括水泥凈漿攪拌機(jī)、膠砂攪拌儀、混凝土養(yǎng)護(hù)箱、電動(dòng)抗折試驗(yàn)機(jī)、壓力試驗(yàn)機(jī)、砂漿抗?jié)B儀、注漿泵、鉆孔取芯機(jī)、混凝土切割機(jī)等。

2.3 試驗(yàn)方案

本次試驗(yàn)首先探討水膠比和氧化石墨烯摻量對(duì)注漿材料固土防滲作用的影響。水膠比共設(shè)計(jì)0.6、0.8、1.0和1.5四種，氧化石墨烯摻量共設(shè)計(jì)0、0.01%、0.03%、0.05%和0.09%五種，主要探討兩者對(duì)注漿材料結(jié)石體強(qiáng)度的影響(見(jiàn)表1)。然后探討粉煤灰和氧化石墨烯的協(xié)同效應(yīng)，即進(jìn)行單摻氧化石墨烯和復(fù)摻氧化石墨烯和粉煤灰時(shí)的性能對(duì)比，主要探討協(xié)同效應(yīng)下注漿材料的強(qiáng)度和抗?jié)B性能(配合比方案見(jiàn)表2)。

表1 不同水膠比和氧化石墨烯配合比方案

表2 氧化石墨烯與粉煤灰協(xié)同效應(yīng)配合比方案

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 抗折強(qiáng)度

由不同氧化石墨烯摻量和水膠比下注漿材料結(jié)石體的抗折強(qiáng)度變化規(guī)律(見(jiàn)圖1)可知：在水膠比0.6情況下，隨著氧化石墨烯摻量的增加，抗折強(qiáng)度呈先增大后減小的變化特征，這是因?yàn)榈退冶认?，漿液材料對(duì)氧化石墨烯的摻量更加敏感，當(dāng)遇到高摻氧化石墨烯時(shí)，會(huì)迅速消耗漿液中的自由水分，導(dǎo)致后期水泥水化反應(yīng)不充分，漿體出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象，故而抗折強(qiáng)度降低；當(dāng)氧化石墨烯摻量為0.05%時(shí)，抗折強(qiáng)度最大，為7MPa，相比普通水泥注漿材料，抗折強(qiáng)度提升約27.3%；當(dāng)水膠比為0.8、1.0和1.5時(shí)，隨著氧化石墨烯摻量增加，抗折強(qiáng)度逐漸增大，但是當(dāng)氧化石墨烯摻量超過(guò)0.03%后，結(jié)石體抗折強(qiáng)度的增幅變得很小，繼續(xù)摻入氧化石墨烯對(duì)注漿材料抗折強(qiáng)度的貢獻(xiàn)不大；相同氧化石墨烯摻量下，水膠比越大，抗折強(qiáng)度越低，這主要與單位體積內(nèi)生成的結(jié)石體含量有關(guān)，水膠比越高，水泥含量越低，結(jié)石體生成量越少。

圖1 水膠比和氧化石墨烯摻量對(duì)抗折強(qiáng)度的影響

3.2 抗壓強(qiáng)度

由不同氧化石墨烯摻量和水膠比下注漿材料結(jié)石體的抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律(見(jiàn)圖2)可知：相同水膠比下，隨著氧化石墨烯摻量增加，結(jié)石體抗壓強(qiáng)度逐漸增大，當(dāng)氧化石墨烯摻量超過(guò)0.03%后，抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)出現(xiàn)拐點(diǎn)，繼續(xù)摻入氧化石墨烯，結(jié)石體抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度很?。幌嗤趸搅肯?，水膠比越大，抗壓強(qiáng)度越低，這與抗折強(qiáng)度表現(xiàn)一致，原因在此處不再贅述。

圖2 水膠比和氧化石墨烯摻量對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

由不同氧化石墨烯摻量下注漿材料結(jié)石體抗折、抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律可知，當(dāng)氧化石墨烯摻量為0.03%時(shí)，既能起到有效改善漿液力學(xué)性能的目的，還能節(jié)約能源消耗，因此，將氧化石墨烯摻量初定為0.03%。

3.3 協(xié)同效應(yīng)

由氧化石墨烯和粉煤灰協(xié)同作用下注漿材料結(jié)石體的強(qiáng)度對(duì)比情況(見(jiàn)圖3)可知：當(dāng)不摻入氧化石墨烯時(shí)，隨著粉煤灰摻量的增加，結(jié)石體的抗折、抗壓強(qiáng)度均呈逐漸減小變化特征，當(dāng)摻入0.03%氧化石墨烯后，隨著粉煤灰摻量增加，抗折強(qiáng)度呈先增大后減小變化特征，抗壓強(qiáng)度呈逐漸增大的變化特征，當(dāng)粉煤灰摻量為10%時(shí)，結(jié)石體抗折強(qiáng)度最高；相同粉煤灰摻量下，摻入氧化石墨烯的試驗(yàn)組強(qiáng)度明顯高于未摻入氧化石墨烯試驗(yàn)組，表明在氧化石墨烯和粉煤灰的協(xié)同作用下，能夠顯著提升漿液的力學(xué)性質(zhì)，這主要是因?yàn)檠趸┑谋缺砻娣e很大，粉煤灰顆?？晌酱罅康难趸┰诒砻?，從而促進(jìn)粉煤灰參與二次水化反應(yīng)，同時(shí)粉煤灰可以有效填充在水化產(chǎn)物的孔隙間隙中，提高結(jié)石體密實(shí)度，從而提升結(jié)石體強(qiáng)度。

圖3 氧化石墨烯與粉煤灰協(xié)同作用下結(jié)石體強(qiáng)度特征

3.4 抗?jié)B性

由氧化石墨烯和粉煤灰協(xié)同作用下注漿材料結(jié)石體的滲透系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果(見(jiàn)圖4)可知：當(dāng)不摻入氧化石墨烯時(shí)，隨著粉煤灰摻量增加，結(jié)石體的滲透系數(shù)逐漸增大，滲透性變差；當(dāng)摻入0.03%氧化石墨烯后，隨著粉煤灰摻量增加，結(jié)石體的滲透系數(shù)逐漸減小，滲透性逐漸變好，相比不摻入氧化石墨烯試驗(yàn)組，滲透系數(shù)降低約1/3，抗?jié)B性得到明顯提升，這主要是因?yàn)檠趸┐龠M(jìn)粉煤灰發(fā)生二次水化反應(yīng)，同時(shí)對(duì)于微裂隙和孔隙具有很好的填充效應(yīng)，而粉煤灰與水泥顆粒之間也會(huì)形成較好的級(jí)配效應(yīng)，充分發(fā)揮粉煤灰的火山灰效應(yīng)和填充效應(yīng)，結(jié)石體的致密性顯著提升，故而滲透性增強(qiáng)。

圖4 氧化石墨烯與粉煤灰協(xié)同作用下結(jié)石體滲透性

3.5 抗離子侵蝕

地下水富含各類型離子，為了探討新型注漿材料的抗離子侵蝕性能，將結(jié)石體浸泡在5%的NaCl溶液中，并對(duì)不同浸泡時(shí)間下的試件(單摻：氧化石墨烯0.03%；復(fù)摻：氧化石墨烯0.03%+粉煤灰20%，水膠比均為0.8)進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)圖5。隨著浸泡時(shí)間的增加，結(jié)石體強(qiáng)度呈先增大后減小的變化特征，在侵蝕初期，氯離子滲透到結(jié)石體內(nèi)部，參與了結(jié)石體內(nèi)部的水化反應(yīng)，提升了密實(shí)度，因而初期強(qiáng)度有所提高，隨著侵蝕時(shí)間延長(zhǎng)，結(jié)石體的結(jié)構(gòu)和薄弱界面遭到破壞，孔隙間隙增多，故而強(qiáng)度又會(huì)逐漸降低；相同浸泡時(shí)間下，單摻氧化石墨烯試驗(yàn)組的強(qiáng)度相比復(fù)摻氧化石墨烯+粉煤灰試驗(yàn)組低，其中，在浸泡28天、60天、120天和180天后，單摻試驗(yàn)組抗折強(qiáng)度分別為3.7MPa、3.9MPa、3.4MPa和2.9MPa，復(fù)摻試驗(yàn)組分別為4.9MPa、5.3MPa、5.1MPa和4.8MPa，復(fù)摻試驗(yàn)組相比單摻試驗(yàn)組分別提升了32.4%、35.9%、50%和65.5%，單摻試驗(yàn)組抗壓強(qiáng)度分別為19.8MPa、21.1MPa、18.4MPa和15.2MPa，復(fù)摻試驗(yàn)組分別為26.3MPa、28.9MPa、27.8MPa和26MPa，復(fù)摻試驗(yàn)組相比單摻試驗(yàn)組分別提升了32.8%、37%、51.1%和71.1%，由此可見(jiàn)，在氧化石墨烯和粉煤灰協(xié)同作用下，注漿材料的抗侵蝕性能得到顯著提升，粉煤灰的填充效應(yīng)和氧化石墨烯的層狀海綿結(jié)構(gòu)，可以抵御來(lái)自外部離子的入侵。

圖5 離子侵蝕下結(jié)石體強(qiáng)度特征

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

在同一洞段(隧7+685～隧7+695)左右兩側(cè)分別采用傳統(tǒng)水泥基注漿材料和復(fù)摻氧化石墨烯+粉煤灰注漿材料進(jìn)行注漿試驗(yàn)，待注漿結(jié)束28天后進(jìn)行鉆孔取芯，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)取芯結(jié)果對(duì)兩種注漿材料的充填加固效果(見(jiàn)圖6)進(jìn)行分析，結(jié)果顯示：相比傳統(tǒng)水泥基注漿材料，復(fù)摻氧化石墨烯和粉煤灰的注漿材料芯樣完整性更好，傳統(tǒng)水泥基注漿材料的取芯率僅為52%，而復(fù)摻氧化石墨烯和粉煤灰注漿材料的取芯率達(dá)到了75%；與此同時(shí)，傳統(tǒng)注漿芯樣的平均抗壓強(qiáng)度僅為22.3MPa，而復(fù)摻氧化石墨烯和粉煤灰注漿材料芯樣的平均抗壓強(qiáng)度達(dá)到30.8MPa，相比傳統(tǒng)水泥基材料提高38.1%，由此可見(jiàn)新型注漿材料相比傳統(tǒng)水泥基注漿材料在富水破碎帶圍巖加固治理中的效果是十分優(yōu)異的，可運(yùn)用于實(shí)際工程。

圖6 現(xiàn)場(chǎng)取芯效果

5 結(jié) 論

摻入氧化石墨烯可顯著提升水泥基注漿材料的強(qiáng)度，氧化石墨烯的最佳摻量為0.03%；復(fù)摻氧化石墨烯+粉煤灰的注漿材料相比單摻氧化石墨烯的注漿材料在強(qiáng)度、抗?jié)B性和抗離子侵蝕性上均有明顯提升，這主要得益于粉煤灰(填充效應(yīng))和氧化石墨烯(層狀海綿結(jié)構(gòu))的協(xié)同效應(yīng)，粉煤灰的最佳摻量宜控制在10%～20%，否則可能導(dǎo)致抗折強(qiáng)度過(guò)低；復(fù)摻氧化石墨烯和粉煤灰的新型注漿材料相比傳統(tǒng)水泥基注漿材料，取芯率提升了23%，平均抗壓強(qiáng)度提升了38.1%，加固治理效果良好。