两河口水电站右岸断层灌浆试验研究.pdf

DOI:1016617/jcnki11-5543/TK20240203两河口水电站右岸断层灌浆试验研究吕晓冰1 朱高兵1 杨培洲2(1 中国水利水电建设工程咨询西北有限公司,陕西 西安 710061;2 雅砻江流域水电开发有限公司,四川 成都 610066)【摘 要】两河口电站 F4、F12断层规模相对较大,断层走向近垂直河床,渗径短渗压大,断层充填物遇水极易软化泥化,是影响帷幕渗透稳定的关键薄弱部位。通过不同部位水泥化学复合灌浆试验研究,灌后综合多种方法对质量进行检测,并根据灌浆效果提出合理的灌浆施工方法及材料组合,针对性解决工程技术难题,为后续工程建设运行提供了可靠的技术资料,也为类似工程提供借鉴。【关键词】F4、F12断层;帷幕灌浆;化学灌浆;两河口水电站中图分类号:TV543 文献标识码:B 文章编号:1673-8241(2024)02-011-08Research on Grouting Test for Right Bank Fault at LianghekouHydropower StationLV Xiaobing1,ZHU Gaobing2,YANG Peizhou2(1.China Northwest Water Conservancy Hydropower Engineering Consulting Co,Ltd,Xian 710061,China;2.Yalong River Hydropower Development Co,Ltd,Chengdu 610066,China)收稿日期:2023-11-15作者简介:吕晓冰(1988),男,本科,工程师,从事灌浆技术质量监督工作。Abstract:The F4and F12faults at the Lianghekou Power Station are relatively large in scale,with a nearly perpendicularorientation to the riverbed.They have a short seepage path and high seepage pressure.The fault filling materials are proneto softening and mudification when in contact with water,making them critical weak points affecting the stability of thecurtain seepage.Through experiments involving different cement-based chemical grouting methods at various locations,comprehensive quality inspections were conducted after grouting.Based on the grouting effectiveness,reasonable groutingconstruction methods and material combinations were proposed.This approach effectively addressed engineering technicalchallenges and provided reliable technical data for the subsequent construction and operation of the project.It also serves asa reference for similar projects.Key words:F4and F12faults;curtain grouting;chemical grouting;Lianghekou Power Station1 概 述水泥灌浆是大坝基础处理的常用方法,在水利水电工程中得到广泛应用。随着我国水电工程建设事业的蓬勃发展,高坝大库的建设越来越多,工程的设计11施工迎来了诸多挑战,对地基岩体的处理要求越来越高。尤其是坝基岩体存在的各种软弱结构面,如断层及其破碎带是控制坝基抗滑和渗透稳定的关键因素。由于水泥颗粒材料的局限性,常规的灌浆材料和方法已不能完全满足断层破碎带及裂隙密集带、细微裂隙的处理要求,而水泥 化学复合灌浆是在普通水泥灌浆与化学灌浆的技术上发展起来的新技术。它先用颗粒状的水泥浆液充填软弱地层岩体中的较大孔隙,形成承载骨架,再利用溶液状的化学浆液经过浸润、渗透以及改性进入岩体中的细微裂隙,从而固化形成致密坚硬的水泥化学结石体,处理效果良好1-2。这项技术在龙羊峡、李家峡、小浪底、三峡电站、溪洛渡、锦屏一级电站等得到广泛的应用3-8,并取得良好的处理效果。两河口电站大坝挡水水头 265m,右岸坝基中低高程有 F4、F12断层穿过,对帷幕的渗透稳定及防渗效果有较大的影响,因此开展 F4、F12断层水泥 化学复合灌浆试验研究,以解决高水头帷幕渗透稳定及耐久性等工程实际问题。2 工程概况两河口水电站枢纽建筑物主要由拦河坝、左岸泄洪及放空建筑物、右岸地下引水发电系统等组成。拦河坝为砾石土心墙堆石坝,最大坝高 295m,坝顶高程 2875 00m,河床部位心墙底开挖高程 2580 00m。枢纽防渗帷幕由大坝防渗帷幕及地下厂房防渗帷幕组成。大坝帷幕灌浆通过沿心墙基础面布设的三角区帷幕、河床基础灌浆廊道和左右两岸分六层设置的灌浆平洞进行。河床基础灌浆廊道采用基底刻槽设置,两岸与高程 2575 50m 灌浆平洞相连,河床廊道帷幕灌浆最大深度 155m,大坝帷幕底高程 2420 00m。地下厂房采用坝厂联合防渗型式,下游侧与大坝防渗帷幕衔接,共 5 层灌浆平洞。左坝肩灌浆平洞向山体内的延伸深度约为 150 370m;右坝肩各层灌浆平洞与厂房灌浆平洞连为一体,帷幕底高程 2570 00m9。3 地质条件坝址区两岸基岩为两河口组中、下段(T3lh2、T3lh1),总体特征以变质砂岩夹粉砂质板岩为主,岩层产状为 N60 80W/SW60 80。规模较大的断层(F8、F9、F10、F11、F12、F4等)主要分布于右岸,断层多沿岩体中较薄弱的层面发育,断层以顺层挤压为主,断层产状与地层产状基本一致,陡倾下游并与河流近垂直相交;断层破碎带宽度不大,以几厘米至 50cm 为主,不同露头断层带的宽度变化大,断层充填物以片状岩为主,碳化、糜棱化强烈,遇水极易软化泥化。右岸边坡开挖揭示:2620 00 2760 00m 高程岩性为 T3h2(2)-层薄层砂岩及 T3lh2(3)层粉砂质板岩,发育 F4、F12顺层断层,层面裂隙及顺坡裂隙发育,岩体位于弱风化弱卸荷带内,岩体质量分级为2类,断层及其影响带为类,岩体透水性以弱透水性为主,中等透水性次之,F4、F12(见图 1)断层及其影响带透水性强,影响坝基帷幕渗透稳定,需要进行处理10。图 1 右岸建基面高程 2605 2725m 段 F4、F12出露情况4 F4、F12断层带化学灌浆试验4 1 大坝帷幕灌浆施工参数试验区位于大坝灌浆平洞,帷幕灌浆为双排布置,排距 1 5m,孔距 2m,梅花形布置,灌浆采用孔口封闭、孔内循环、自上而下、分段钻孔、分段灌浆的高压灌浆方法。施工程序为:先下游排,后上游排,单排灌浆孔分三序进行,先序孔,再序孔,最后进行序孔施工。一般灌浆段长 5m,最大灌浆压力 6MPa,灌浆采用 PO42 5 普通硅酸盐水泥,水21水电站技术与研究Hydropower Station Technology and Research灰比为 5、3、2、1、0 8、0 5 六个比级。质量检查以压水试验为主,物探检测为辅。4 2 试验选址及孔位布置F4、F12断层规模相对较大,并于右坝肩出露,穿过右岸 YGJ6、YGJ5 灌 浆 平 洞,断 层 破 碎 带 宽 度0 1 100cm,厚度变化大,以小于 50cm 为主,断层内主要充填片状岩、方解石及石英脉、糜棱岩等,带内物质挤压紧密,片状岩强烈碳化,遇水易软化、泥化,且断层破碎带对坝区渗漏及渗透稳定性影响较大。试验布置见图2,试验1、3 区采用三排布置,排距 0 75m,孔距 1m,孔深 30m;试验 2、4 区采用三排布置,排距 0 75m,孔距 2m,孔深 30m。试验 1、2 区采用 PSI 系列环氧浆材灌浆,试验 3、4 区采用YDS 系列环氧浆材灌浆,通过试验比选最优施工参数和灌浆材料及工艺。施工前上述环氧系列浆材经第三方检测机构检验,浆液及固化物性能满足设计及规范要求10。图 2 F4、F12断层区域化学灌浆试验区布置4 3 化学灌浆施工方法本试验区化学灌浆采用 XY-型地质钻机钻孔,56 金刚石钻头钻进。钻孔施工顺序为:先下游排,再上游排,最后施工中间排;每排孔分二序施工,先I 序再序施工,总体按照分序加密的原则进行施工。灌浆采用自上而下一次成孔、自下而上分段灌浆的纯压式灌浆方法,灌浆段长一般 5m,最大不超过 10m,最大灌浆压力 3MPa,灌浆变浆及结束标准满足规范要求,单段连续灌浆历时不少于 24 48h。5YGJ5 灌浆平洞 PSI 环氧树脂化学灌浆试验5 1 试验区水泥灌浆情况本单元帷幕灌浆时出现 8 段异常孔段,最大透水率 12 83Lu,其他孔段 3 4Lu,最大单位注入量374 23kg/m,个别孔断层部位有涌砂现象(见图 3)。灌后平均单位注入量为 9 19kg/m,水泥灌浆 18 5%的孔段 注 入 率 为 0,小 于 10kg/m 的 孔 段 累 计 达89 9%,岩 体 总 体 可 灌 性 较 差。检 查 孔 RQD 为79 4%,比灌前提高 7 2%,岩体完整性有明显提高。检查孔压水45 段,96%的孔段透水率为0,最大透水率 0 2Lu,灌浆效果良好,但检查孔注水试验有渗水现象。图 3 断层部位钻孔涌砂现象31水电站技术与研究Hydropower Station Technology and Research5 2 YGJ5 灌浆平洞化学灌浆试验成果灌浆采用 PSI-501 系列常用型 9 1(501A 液与501B 液质量比)及 PSI-530 系 列 6 1 速 凝 浆 材(501A 液与 530B 液质量比),可操控时间分别在 48h及 3h 以内。钻孔施工过程中,有少数孔钻至断层破碎带,会出现涌砂现象,说明断层软弱充填物遇水软化泥化,经水冲刷形成松散砂层。遇见类似情况,一般采用风水联合冲洗的方法,进行反复冲洗,直到将断层软弱充填物冲洗干净,再用水泥灌浆的方法进行灌注,灌浆结束待凝 72h 后,扫孔并进行化学灌浆。a 化灌前压水统计分析。YGJ5 灌浆平洞 F4、F12断层化灌试验单元灌前完成压水试验 4 个孔 28 段,0透水率占 75%,最大透水率为 0 24Lu,总体满足设计防渗要求,但钻孔注水试验有渗水现象,说明细微裂隙仍有一定的透水性。b 灌浆历时调整。在完成 14 个序孔化灌后,总计化灌 80 段 420m,最大单位注入量 20 04kg/m,平均单位注入量 2 84kg/m,86 6%的孔段单位注入量在0 5kg/m,共有73 段在24h 以内有明显注浆量,延长至 48h,仅 7 段有少量注浆量,因此,将化灌最大灌浆历时调整为 24h。c 化学灌浆成果统计分析。YGJ5 灌浆平洞 F4、F12断层化灌试验完成灌浆 1710m,平均单位注入量1 45kg/m。试验完成灌浆 301 段,各段均有一定的注入量,而水泥灌浆的 0 注入量孔段占 18 5%,说明PSI 系列环氧浆材的可灌性良好,适合细微裂隙及断层破碎带地质缺陷处理。各序孔的单位注入量频率统计见表 1。表 1 YGJ5 灌浆平洞 F4、F12断层化学灌浆试验单位注入量频率统计试验区号孔数/个灌浆/m单位注入量/(kg/m)单位注灰量频率(区间段数/频率)段数00 11 55 1010 50501 区(2m 孔距)206002 121160/070/60 3%34/29 3%6/5 2%6/5 2%0/02 区(1m 孔距)3711101 081850/0150/81 1%30/16 2%5/2 7%0/00/0合 计5717101 453010/0220/73 1%64/21 3%11/3 7%6/2 0%0/05 2 4 质量检查成果a 压水检查。本单元两个试验小区各布置 3 个灌后压水检查孔,累计完成压水试验 42 段,各段透水率均为 0,检查结果满足设计 1Lu 防渗标准。b 钻孔取芯检查。灌后完成 6 个取芯检查孔,各孔岩芯采取率都在 91%以上,岩体质量指标 RQD平均达到 84%以上,说明灌后岩石裂隙得到有效充填,岩体完整性得到有效提高,灌浆效果良好。c 单孔声波检查。试验单元完成灌前灌后声波测试孔各 2 个,检测成果显示灌前断层及影响带的声波值总体较低,说明断层区域水泥灌浆后虽然压水检查合格,仍有部分裂隙或微细裂隙未被有效填充;化学灌浆后试验1 区断层区域声波值提高了10 7%,试验 2 区断层区域声波值提高了 12 3%,且无小于4500m/s 的测点,说明断层区域采用化学灌浆后,水泥颗粒无法充填的微细裂隙等得到有效充填,岩体的完整性得到加强和提高,化学灌浆效果明显11。检测结果统计见表 2。表 2 YGJ5 灌浆平洞 F4、F12断层化学灌浆试验单孔声波综合分析统计试 验 区分 段灌序平均速度/(m/s)大值平均/(m/s)小值平均/(m/s)波速分布/%3825m/s 3825 4500m/s 4500m/s提高率/%1 区(2m 孔距)断层及影响带灌前471151884127102565灌后5215534550750010010 72 区(1m 孔距)断层及影响带灌前46845291427920080灌后5264536351780010012 341水电站技术与研究Hydropower Station Technology and Research d 变形模量检测。化学灌浆后钻孔变模各区都有明显提高,其中试验 1 区断层区域的钻孔变形模量提高25 0%,试验2 区断层区域的钻孔变形模量提高17 8%,说明化学灌浆后,断层及影响带的完整性及抗变形能力增强,灌浆效果良好11。具体检测结果综合统计见表 3。表 3 YGJ5 灌浆平洞 F4、F12断层化学灌浆试验变形模量综合统计试 区分段灌序变模值/GPa平均值大值平均小值平均点数变模值分布特征/%503 区(2m 孔距)206000 421400/0125/89 3%14/10 0%0/01/0 7%0/04 区(1m 孔距)4012000 551990/0155/77 9%39/19 6%4/2 0%1/0 5%0/0合 计6018000 513390/0280/82 6%53/15 6%4/1 2%2/0 6%0/06 2 3 质量检查成果a 压水检查。本单元两个试区各布置 3 个灌后压水检查孔,累计压水试验 34 段,各段透水率均为0,结果满足设计 1Lu 的防渗标准。b 钻孔取芯检查。灌后完成 6 个取芯检查孔,各孔岩芯采取率都在 91%以上,岩体质量指标 RQD平均达到 88%以上,说明灌后岩体完整性得到提高,灌浆效果良好。c 单孔声波检查。试验单元完成灌前灌后声波测试孔各 2 个,检测成果显示灌前断层及影响带的声波值总体较低,说明断层区域水泥灌浆后虽然压水检查合格,仍有部分裂隙或微细裂隙未被有效填充;化学灌浆后试验 3 区断层区域声波值提高了 6%,试验4 区断层区域声波值提高了1 7%,且无小于4500m/s的测点,说明断层区域采用化学灌浆后,取得一定的效果11。检测结果统计见表 5。6 2 4 变形模量检测化学灌浆后钻孔变模各区都有明显提高,其中试验 3 区断层区域的变形模量提高率 8 6%,试验 4 区断层区域的变形模量提高率 13 8%,说明化学灌浆后,断层及影响带的完整性及抗变形能力增强,灌浆效果良好11。具体检测结果见综合统计表 6。61水电站技术与研究Hydropower Station Technology and Research表 5 YGJ6 灌浆平洞 F4、F12断层化学灌浆试验单孔声波检查结果统计灌 区分段灌序段长/m平均速度/(m/s)大值平均/(m/s)小值平均/(m/s)波速分布/%3825m/s3825 4500m/s 4500m/s提高率/%3 区(2m 孔距)断层灌前0 8 6 04955527142427 711 580 8灌后1 0 4 052555459482903 196 96 04 区(1m 孔距)断层灌前0 6 12 05039534443026 98 684 5灌后0 8 15 451275458480506 893 21 7表 6 YGJ6 灌浆平洞 F4、F12断层化学灌浆试验变形模量综合统计灌 区分 段灌序变模值/GPa平均值大值平均小值平均点数变模值分布特征/%5GPa5 7GPa7 9GPa9 11GPa 11GPa提高率/%试验 3 区(2m 孔距)断层带灌前7 848 357 095020 0080 0000灌后8 529 377 781307 6953 8538 4608 6试验 4 区(1m 孔距)断层带灌前7 568 116 6111018 1881 8200灌后8 619 417 81160050 0050 00013 87 F4、F12化灌试验效果评价F4、F12为顺层挤压断层,断层充填物挤压密实,厚度变化较大,充填物以片状岩为主,碳化、糜棱化强烈,遇水极易软化泥化,灌浆试验结果表明:a YGJ5 灌浆平洞试区断层充填物有遇水软化、泥化及砂化现象,物理力学性能及抗渗性能较差,采用风水联合反复冲洗及水泥灌浆工艺,置换部分较松软岩层,形成软弱岩带主要承载结构,再用环氧浆材处理细微裂隙,经过充填渗透、浸润、劈裂和固化作用,形成高强度抗渗性能优越的化学水泥结石体。2m 试区平均单位注入量约为 1m 试区的 2 倍,灌浆效果满足设计要求并没有明显差异,但单位体积岩体的注浆量基本相当,说明环氧浆材渗透范围较大,可灌性良好。两试区对比质量检查指标相近,都能满足设计要求,但孔距较大的试区技术上可行,经济上更合理。b YGJ6 灌浆平洞试区位置较低,地下水位较高,钻孔裂隙承压水对灌浆影响较大,对于涌水孔段采取增加灌浆压力、延长屏浆时间及闭浆措施。在具有承压水头条件下,浆液需要克服涌水顶托进入岩体裂隙,同时也受到裂隙宽度及水泥颗粒细度影响,地下渗流也会稀释浆液浓度冲蚀浆体,灌浆效果难免不受影响。环氧浆材灌入细微裂隙需要克服承压水的扬压力,浆液凝结时间较长,易受地下渗流稀释冲蚀而影响灌浆效果,试验 3、4 区的灌注量及检查效果明显稍逊试验 1、2 区,说明地下水的活动对灌浆质量影响较大,需要高度重视。c 水泥化学复合灌浆质量检查,采用压水试验、钻孔取芯、注水试验、单孔声波、变形模量及全孔电视成像检测等综合方法,能比较客观全面评价处理效果12。8 结 论水泥 化学复合灌浆是在化学灌浆与普通水泥灌浆的基础上发展而来的一种新技术,广泛应用于大型水电工程基础缺陷处理,并取得了良好的效果。两河口电站右岸 F4、F12为顺层挤压断层,规模较大,断层走向近于垂直河流,渗径较短,渗压较大,是影响帷幕渗透稳定的关键薄弱环节。灌浆试验表明,断层所处的位置不同,其充填物性状有不同的变化,因此,断层处理的工艺及材料要做适应性调整,以期达到较好的处理效果。a 断层部位水泥灌浆及化学灌浆施工过程中,71水电站技术与研究Hydropower Station Technology and Research对于断层充填物易泥化、软化的软弱岩带,采用风水联合冲洗的方法,将部分极易破坏的软弱物质清理,再用高压水泥灌浆进行挤压充填,把软弱物质置换成强度较高的水泥结石,形成具有较高承载力的固结体,再在水泥灌浆的基础上,采用环氧化学浆材对断层部位的微细裂隙、软弱岩带进行高压灌浆,通过劈裂充填、渗透凝结、浸润固化等作用,形成坚固的化学水泥结石体,提高了断层破碎带的抗渗性能及耐久性。施工工艺简单可靠,经济技术合理可行。b 在地下水位较高的地质环境条件下,钻孔易出现涌水现象,对水泥灌浆的影响较大,由于扬压力的顶托作用,对冲了部分灌浆压力,使实际灌浆压力要小于设计灌浆压力,单位注入量明显减小。因此,在具有涌水压力的钻孔进行灌浆时,要适当提高灌浆压力,延长屏浆时间并采取闭浆措施,防止浆液回流而影响灌浆效果。化学灌浆建议采用黏度低、可灌性好、胶凝时间可根据需要调节的丙烯酸盐灌浆材料,可防止地下高压渗流对浆材的稀释或流失从而影响帷幕灌浆效果9。由于地下水位对灌浆施工难度及效果有较大影响,建议大坝帷幕尽量安排在水位抬升以前进行。参考文献1 葛家良.化学灌浆技术的发展与展望J.岩石力学与工程学报,2006(S2):3384-3392.2 王胜,黄润秋,祝华平.锦屏一级水电站 F5断层、煌斑岩脉复合灌浆技术研究J.工程地质学报,2012,20(3):440-446.3 贺修安,李念军,李瑜霞.龙羊峡水电站 G4 伟晶岩劈理带复合灌浆处理J.水利水电工程设计,2014,33(4):34-38.4 李丙寅.黄河李家峡电站左岸 F26断层化学灌浆试验分析J.西北水电,2006(3):75-77.5 潘志新,张海军,郭孟起,等.小浪底大坝 F1断层的水泥和化学复合灌浆J.人民黄河,2003,25(9):42-43.6 陈珙新,祝红,熊进.三峡工程 F215断层复合灌浆处理试验研究J.长江科学院院报,2000,17(6):9-11,17.7 胡世英,曾晓洲.浅论溪洛渡拱坝基础帷幕水泥 化学复合灌浆试验J.水电站设计,2015(1):93-96.8 陈秋华.水泥化学复合灌浆技术在锦屏一级拱坝基础处理中的应用J.岩石力学与工程学报,2015,34(S2):4351-4359.9 杨培洲.丙烯酸盐灌浆材料在高水头帷幕补强中的应用研究J.西北水电,2022(4):74-78,89.10 干海勇,甘贻强,王宏刚,等.论水泥 化学复合灌浆在砂板岩地区断层带处理中的应用J.四川水力发电,2021,40(2):28-32.11 杨培洲,李丰年,许振奎.物探检测技术在坝基固结灌浆效果评价中的应用J.水利建设与管理,2023,43(5):72-78.12 张贵金,李小梅,雷鹏,等.灌浆防渗帷幕施工质量与耐久性评价综述J.水利水电技术,2014,45(8):86-91,97.(上接第 10 页)6 结 语采用数字化多要素隧洞超前地质(TCT)技术,基本能够准确地进行洞室岩体地质条件评价。结合洞室围岩超前预报进行定位定向墙及管棚参数的设计,利用钢支撑做导向墙骨架,用锚杆固定骨架,导向管选择 159 无缝钢管,喷射混凝土快速提高导向墙强度;使用纳米仿钢纤维喷射混凝土达到了黏结力较好、回弹量减少、提高早期强度的目的;利用洞室岩体地质条件评价结果选择大管棚施工工艺,确定了钻孔定向、大孔窜小管的施工方式。通过以上措施形成了大断裂带地质条件下隧洞开挖连续大管棚施工成套技术,解决了常规施工方法存在的常态混凝土导向墙待强时间长、管棚钻孔角度不好控制、管棚安装难度增大等问题,提高了洞室大管棚施工时效,且有助于洞室超前支护喷混及早起到作用,提升洞室开挖的整体施工安全。研究成果可为断层破碎带隧洞管棚支护参数设计提供参考。参考文献1 陈培,马旭强,龙杰,等.断层破碎带隧洞管棚支护参数设计方法J.长江科学院院报,2022,39(12):62-67.2 高鑫,王文娟,李清菲,等.考虑开挖进尺优化的管棚支护设计参数选择J.人民长江,2022,53(7):154-160,220.3 张伟,许锦锦,冯阵图,等.管棚挠度及内力在超浅埋暗挖工程中的计算研究J.河南科技大学学报(自然科学版),2022,43(5):57-64.4 施英,罗春.隧道管棚超前支护作用机理及其影响因素研究J.人民长江,2022,53(11):130-135.81水电站技术与研究Hydropower Station Technology and Research