鄒 剛

(中國水利水電第七工程局成都水電建設工程有限公司,四川成都 611130)

錦屏二級水電站隧洞無蓋重高壓固結(jié)灌漿試驗

鄒 剛

(中國水利水電第七工程局成都水電建設工程有限公司,四川成都 611130)

水工隧洞高壓固結(jié)灌漿的目的是加固隧洞圍巖、封閉隧洞周邊巖體裂隙,提高隧洞圍巖的整體性和抗變形能力,增強圍巖抗?jié)B能力和長期滲透穩(wěn)定性。主要介紹了引水隧洞在未進行混凝土襯砌的條件下實施高壓防滲固結(jié)灌漿施工的試驗及其成果,為該類洞段灌漿設計和施工提供依據(jù)。

無蓋重高壓固結(jié)灌漿;隧洞;抗?jié)B;錦屏二級水電站

1 工程概況

錦屏二級水電站位于四川省涼山彝族自治州境內(nèi)的雅礱江錦屏大河彎處雅礱江干流上,電站利用雅礱江下游河段 150 km長大河彎的天然落差,通過長約 16.67 km的引水隧洞,截彎取直,獲得水頭約310 m;電站總裝機容量 480萬 kW。工程樞紐主要由首部低閘、引水系統(tǒng)、尾部地下廠房 3大部分組成,共 4條引水隧洞,洞線平均長度約 16.67 km,一般埋深 1500～2000 m,最大埋深約為 2525 m。

2 試驗目的

通過無蓋重防滲固結(jié)灌漿試驗確定合理的灌漿參數(shù)和灌漿工藝,為盡快開展已落底洞段無蓋重防滲固結(jié)灌漿施工提供依據(jù)。通過灌漿試驗,達到以下幾個目的:

(1)了解工程區(qū)圍巖灌漿特性,檢驗防滲固結(jié)灌漿措施的有效性;

(2)獲得合適的灌漿程序、高效的灌漿工藝以及合理的灌漿參數(shù);

(3)及早了解實際施工中可能出現(xiàn)的問題,以確保工期與灌漿質(zhì)量;

(4)編寫引水隧洞圍巖防滲固結(jié)灌漿試驗成果報告,作為該類洞段灌漿設計和施工的主要依據(jù),使設計和施工更符合實際情況,布置更為合理。

3 試驗段的周圍環(huán)境和地質(zhì)條件

本試驗段位于 2號引水隧洞,樁號 K14+530～580,2號洞為鉆爆法施工洞段,開挖洞徑 13 m,馬蹄形斷面,邊頂拱經(jīng)過系統(tǒng)錨桿支護和噴砼支護,支護類型為 S10,邊頂拱 270°范圍布置系統(tǒng)錨桿 “28 mm,L=6 m,邊頂拱 270°范圍掛網(wǎng)噴砼,厚度為 20 cm。本段屬于Ⅲ類圍巖,巖性為 T2Y5灰～灰白色厚層狀中粗晶大理巖,開挖時揭露地下水比較發(fā)育。

4 防滲固結(jié)灌漿設計參數(shù)

4.1 試驗區(qū)布孔形式

根據(jù)設計文件及設計圖紙要求,從樁號 K14+ 530～560按 3 m排距、沿洞軸中心線按 22.5°發(fā)散布孔,每環(huán) 16孔共 11排試驗孔,從樁號 K14+560～580按 2 m排距、沿洞軸中心線按 22.5°發(fā)散布孔每環(huán) 16孔共 10排試驗孔,奇偶環(huán)交錯布置。試驗區(qū)孔位布置典型斷面如圖 1所示。

圖1 試驗區(qū)孔位布置斷面圖

4.2 設計灌漿段長及灌漿壓力

設計灌漿段長及灌漿壓力如表 1所示。

表1 灌漿段長及壓力設計表

4.3 漿液配比

純水泥漿水灰比為 1～0.5(0.6);水泥砂漿水灰比為(0.38～0.42)∶1,水泥∶砂為 1∶(1～018);瓜米石配合比采用(0.38～0.45)∶1。

4.4 抬動變形觀測

為了防止施工時壓力升幅過快或過大引起圍巖抬動變形,正式灌漿施工前我們在試驗區(qū)共布置了8個抬動觀測孔,孔位分布在底板、邊墻和頂拱,覆蓋了整個試驗區(qū)域。

4.5 防滲標準

檢查孔壓水試驗采用單點法,壓水壓力為灌漿壓力的 80%,即 4.8 MPa。合格標準為:85%以上深部 8 m試段的透水率≯1.0 Lu,淺部 4～8 m試段的透水率≯2.0 Lu;其余 15%試段的透水率:深部 8 m不超過 1.5 Lu,淺部 4～8 m不超過 310 Lu,且分布不集中時為合格。

5 施工方法

5.1 施工流程

(1)施工順序:按先底板孔、后腰線以下孔、最后腰線以下孔的順序進行施工。各施工區(qū)域內(nèi)孔施工時嚴格按照環(huán)間分序、環(huán)內(nèi)加密的原則進行。

(2)工藝流程:抬動觀測孔鉆孔及抬動裝置安裝→灌漿聲波測試孔鉆進及測試→先導孔取心鉆進、壓水、灌漿→Ⅰ序環(huán)奇數(shù)孔鉆孔灌漿→Ⅰ序環(huán)偶數(shù)孔鉆孔灌漿→Ⅱ序環(huán)奇數(shù)鉆孔灌漿→Ⅱ序環(huán)偶數(shù)孔鉆孔灌漿→檢查孔壓水→補灌孔鉆孔灌漿→補灌后檢查孔壓水及聲波測試。

5.2 鉆孔施工

5.2.1 孔口管鑲鑄

為確保底板孔覆蓋層段成孔及防止灌漿過程中有污水進入孔內(nèi),在底板孔鉆進時先進行孔口管鑲鑄,孔口管孔徑為 76 mm,長度 1～2 m不等。采用潛孔鉆造孔,用 “110 mm鉆頭鉆進,成孔后置入一根 “76 mm孔口管 (外露 0.1 m),扶正固定后注入水灰比為 0.5∶1的水泥漿將孔口管鑲好。

5.2.2 抬動觀測孔和聲波孔施工

抬動觀測孔采用風動潛孔鉆機配沖擊器及球齒鉆頭造孔,孔徑為 91 mm,孔深L=12 m,鉆完后安設抬動觀測裝置。聲波測試孔采用巖心鉆機造孔,孔徑為 56 mm,孔深L=12 m。鉆孔后進行全孔沖洗和灌前聲波測試。

5.2.3 先導孔施工

底板先導孔采用孔徑為 110 mm跟管鉆進到115 m,埋設孔口管;其余鉆孔孔徑為 76 mm鉆孔取心,采用自上而下分段進行壓水試驗 (單點法,1 MPa)、灌漿。

5.2.4 灌漿孔施工

由施工技術人員按施工圖紙對固結(jié)灌漿試驗段樁號進行確認無誤,再進行試驗區(qū)灌漿孔孔位放置,并且做好記錄。根據(jù)施工工藝的不同,采用自上而下分段鉆孔或自下而上一次性成孔。鉆孔過程中,遇巖層、巖性變化,發(fā)生掉鉆、坍孔、鉆速變化、回水變色、失水、涌水等異常情況,均進行詳細記錄。

5.3 鉆孔沖洗及壓水試驗

5.3.1 鉆孔沖洗

灌漿孔鉆孔結(jié)束后在灌漿前用壓力水進行孔段沖洗,直至回水清凈為止或不大于 20 min,沖洗壓力≯1 MPa。

5.3.2 單點法壓水試驗

灌漿孔在沖洗后進行壓水試驗,試驗孔數(shù)為所有 I序孔,采用單點法壓水,壓水試驗壓力 1.0 MPa;穩(wěn)定標準為:在穩(wěn)定壓力下每隔 5 min測讀一次壓入流量,連續(xù) 4次讀數(shù)中最大值與最小值之差小于最終值的 10%,或最大值與最小值之差小于 1 L/min時,即可結(jié)束壓水,以最終壓力階段壓力值及相應流量計算透水率。

5.3.3 簡易壓水

所有Ⅱ序孔均結(jié)合裂隙沖洗進行簡易壓水,壓水時間 20 min,每 5 min測讀一次壓入流量,取最后的流量作為計算流量,其成果以透水率表示。

5.4 灌漿施工

灌漿主要采用變頻高壓注漿泵進行自上而下分段卡塞、純壓式灌漿。開灌水灰比采用 1∶1,變漿標準主要參考《水工建筑物水泥灌漿施工技術規(guī)范》(DL/T 5148-2001),結(jié)束標準為各段在設計規(guī)定的灌漿壓力下流量 <1 L/min時,持續(xù)灌注 30 min結(jié)束該段灌漿。灌漿記錄采用 JT-4型三參數(shù)記錄儀對灌漿過程流量、密度、壓力詳細記錄。

6 試驗成果

6.1 試驗區(qū)單耗指標

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)分析,本試驗段各種排距單位耗漿量指標見表 2。

表2 各排距單位耗漿量

6.2 壓水試驗成果

6.2.1 第一次成果檢查

(1)2 m排距試驗區(qū)。2 m排距試驗區(qū) 4～8 m段檢查孔成果:共計單點法壓水 20段,合格孔段 20段,檢查孔最大透水率 1.85 Lu,最小透水率 0.02 Lu,平均透水率 0.86 Lu,合格率 100%,滿足設計要求;2 m排距試驗區(qū) 8～12 m段檢查孔成果:共計壓水 20段,合格孔段為 18段,不合格孔段分別為 J-12、J-18號,透水率分別為 3.44、5.05 Lu,合格孔段的平均透水率 0.54 Lu,合格率 90%,滿足設計要求。由于不合格的孔段透水率超過設計標準 1.5 Lu,故需對不合格孔段采取補灌措施,直至合格為止。

(2)3 m排距試驗區(qū)。3 m排距試驗區(qū) 4～8 m段檢查孔成果:共計單點法壓水 19段,合格孔段 14段,有 4段小于 3 Lu,有 1段超過 3 Lu,合格率 73. 7%,不合格孔段占 17.3%,不滿足設計要求;3 m排距試驗區(qū) 8～12 m段檢查孔成果:共計壓水 19段,0～1 Lu的有 9段,1～1.5 Lu的有 5段,超過 1.5 Lu的有 5段,合格率 47.4%,最大透水率 6.59 Lu,最小透水率0.50 Lu,平均透水率1.71 Lu,不滿足設計要求。故 3 m排距試驗區(qū)灌后檢查孔合格率 4～12 m均不滿足設計要求,需對其進行加密灌漿處理。

6.2.2 補灌后檢查孔成果

經(jīng)過加密補灌和對第一次檢查不合格檢查孔灌漿處理后,再系統(tǒng)布置檢查孔進行全試驗段檢查,檢查孔壓水壓力仍使用灌漿壓力的 80%(4.8 MPa),通過資料統(tǒng)計,3 m試驗區(qū)第二次檢查孔全部合格, 2 m區(qū)局部加密后檢查孔壓水也全部合格,所有檢查孔壓水全部滿足設計要求,合格率達 100%。

6.3 灌前灌后聲波測試成果

6.3.1 灌前聲波測試成果 (見表 3)

表 3 引(2)14+530～580 m防滲固結(jié)灌漿試驗洞段灌漿前檢測成果統(tǒng)計表

灌漿段灌前 7個孔 4.0 m～孔底段縱波波速 < 5000 m/s的測點占總測點數(shù)的 15.7%,其中,波速<4250 m/s的測點占總測點數(shù)的 10.1%。

6.3.2 灌后聲波測試成果 (見表 4)

灌后 7個檢測孔 4.0 m～孔底段,縱波波速 < 5000 m/s的測點占總測點數(shù)的 10.0%,其中,波速<4250 m/s的測點占總測點數(shù)的 1.2%。GHS-5號孔灌漿檢測不合格,其余檢測孔灌漿檢測均合格。

6.3.3 灌漿前后綜合對比分析

通過對 2號引水隧洞引 (2)14+530～580 m防滲固結(jié)灌漿試驗洞段灌漿聲波檢測資料分析,可得出如下結(jié)論:

表 4 引(2)14+530～580 m防滲固結(jié)灌漿試驗洞段灌漿后檢測成果統(tǒng)計表

(1)GHS-5號孔灌漿檢測不合格,其余 15個檢測孔灌漿檢測均合格;

(2)灌前 17個孔 4.0 m～孔底段縱波波速 < 5000 m/s的測點占總測點數(shù)的 15.7%,其中,波速<4250 m/s的測點占總測點數(shù)的 10.1%;灌后 16個檢測孔 4.0 m～孔底段,縱波波速 <5000 m/s的測點占總測點數(shù)的 10.0%,其中,波速 <4250 m/s的測點占總測點數(shù)的 1.2%;

(3)灌后VP平均波速值略高于灌前,平均增長率為3.6%。

6.4 漿液擴散半徑成果分析

通過漿液擴散半徑成果來看,2 m排距試驗區(qū) 2～15號孔發(fā)現(xiàn)多處部位有水泥結(jié)石,4～6號孔巖石比較完整,未見有大的裂隙及水泥結(jié)石情況。3 m排距試驗區(qū) 14～15、9～10、20～15號等孔均處于較破碎地帶,該區(qū)域巖溶現(xiàn)象較發(fā)育,巖石透水性較好,部分巖心表面發(fā)現(xiàn)有水泥結(jié)石充填于裂隙中,形成致密的膠結(jié)體,發(fā)現(xiàn)水泥結(jié)石的部位主要在 8 m以內(nèi)的深度。

7 結(jié)論與建議

7.1 推薦的灌漿參數(shù)

(1)灌漿孔深、孔距:根據(jù)灌漿試驗成果,建議系統(tǒng)固結(jié)灌漿中,將孔排距調(diào)整為2 m為宜,在地質(zhì)條件較差的洞段,除將孔排距調(diào)整為2 m排距外,還將環(huán)孔間距由原 16孔/環(huán)調(diào)整為 20孔/環(huán)為宜。

(2)灌漿水灰比:根據(jù)灌漿試驗成果,建議對于Ⅰ序環(huán)孔、Ⅱ序環(huán)奇數(shù)孔、寬大裂隙或溶腔的灌注,采用 1～0.5的漿液灌注;對于Ⅱ序環(huán)偶數(shù)孔 (最后次序孔),適當降低開灌水灰比,以稀漿來灌注細微裂隙巖層,進一步保障受灌巖體達到設計防滲標準。

(3)灌漿分段及灌漿壓力:根據(jù)灌漿試驗成果,建議灌漿段長劃分為4～8 m、8～12 m兩段,灌漿壓力為6 MPa。

(4)結(jié)束標準和封孔:根據(jù)灌漿試驗成果,采用自上而下分段灌漿,在設計規(guī)定的穩(wěn)定灌漿壓力(6 MPa)下,當注入率≯1 L/min,繼續(xù)灌注 30 min,可結(jié)束灌漿;若采用自下而上分段灌漿,在設計規(guī)定的穩(wěn)定灌漿壓力下,當注入率≯1 L/min時,灌漿孔深部段繼續(xù)灌注 10 min,可結(jié)束灌漿,孔口段,吸漿量≯1 L/min,繼續(xù)灌注 30 min,可結(jié)束灌漿。

7.2 推薦的灌漿工藝

在高壓灌漿試驗過程中,我們在Ⅰ序環(huán)孔中主要采用了自上而下分段純壓式卡塞灌漿工藝,在Ⅱ序環(huán)孔的灌注和補灌孔的灌注施工過程中,均采用了自下而上分段純壓式卡塞的灌漿工藝,從施工過程和施工結(jié)果來看,均滿足施工要求。由于自下而上灌漿施工效率遠遠高于自上而上灌漿施工效率,通過試驗驗證對灌漿質(zhì)量無影響,建議今后在大規(guī)模灌漿施工中,Ⅰ序環(huán)孔采用自上而下分段純壓式卡塞灌漿工藝、Ⅱ序環(huán)孔采用自下而上分段純壓式卡塞灌漿工藝,小循環(huán)灌漿系統(tǒng)。

[1] 劉正峰.地基與基礎工程新技術實用手冊[M].北京:新潮出版社,2001.

[2] DL/T5148-2001,水工建筑物水泥灌漿施工技術規(guī)范[S].

[3] 董哲仁.堤防除險加固實用技術[M].北京:水利電力出版社, 2004.

[4] 王勝,黃潤秋,祝華平,等.錦屏一級水電站煌斑巖脈化學復合灌漿試驗研究[J].探礦工程 (巖土鉆掘工程),2009,36(11): 60-64.

Test of High Pressure Consolidation Grouting without Concrete Covering in JingpingⅡHydropower Station

ZOU Gang(Chengdu Hydropower Construction Engineering Co.,Ltd.of Sinohydro Bureau 7 Co.,Ltd.,Chengdu Sichuan 611130,China)

The functions of highpressure consolidation grouting for hydraulic tunnel are strengthening the tunnelwall rock, sealing rock cranny around the tunnel,increasing the wall rock’s integrity and capability of antidistortion,strengthening the wall rock’s imper meability and longterm seepage stability.This article hasmainly introduced the tests and the effects of highpressure consolidation groutingworks for diversion tunnelwithout concrete liner,and provided the basis for grouting design and construction of the tunnel engineering.

high-pressure consolidation groutingwithout concrete covering;tunnel;seepage control;JinpingⅡhydropower station

TV554+.13

A

1672-7428(2011)05-0074-04

2010-12-16

鄒剛(1970-),男(漢族),四川南部人,中國水利水電第七工程局成都水電建設工程有限公司高級工程師,水工專業(yè),從事水電施工技術與管理工作,四川省成都市溫江區(qū)公平鎮(zhèn)正陽街 10號,gcglbgs@126.com。