纳米仿钢纤维混凝土在不良地质洞段的运用.pdf

水 力 发 电 第3 9 卷第3 期 2 0 1 3年3月 约 水 钢 矸雏 混凝 土 往 不 良地 吹溻 段的运 用 丛振 民，田贵 明 ，田树 申，杨振 涛 ( 中国水利水 电第六工程局有限公 司 ，辽 宁丹东1 1 8 0 0 2 ) 摘要 ：溧 阳抽水 蓄能电站尾 水主洞位于整个电站的 最低点 ，不具 备先行 排水 、降水的条件 ，洞室将穿越大小断层 几十处 ，尤其 进入 富水 洞段 后 ，围岩在地下水的作用下稳定性极差 ，极易发生塌方 ，采用喷射常规混凝土很难快速 封闭围岩。为确保洞室安全 ，采用纳米仿钢纤维喷射混凝土 ，经过在几个富水 、塌方洞段试验及运用 ，表 明其可迅 速封闭围岩 ，达到止水效果 ，发挥支护作用 ，为工程安全 、快速施工提供 了保障。 关键词 ：尾水主洞 ；纳米仿钢纤维 ；喷射混凝 土；溧 阳抽水蓄能电站 Ap p l i c a t i o n o f Na n o S t e e l - wi r e - l i k e F i b e r Co n c r e t e i n Tu n n e l S e c t i o n wi t h Po o r Ge o l o g i c a l Co n d i t i o n s CO NG Z h e n mi n ， T I AN Gu i mi n g ， T I AN S h u s h e n ， YANG Z h e u t a o ( S i n o h y d r o B u r e a u 6 C o ， L t d ， D a n d o n g 1 1 8 0 0 2 ， L i a o n i n g ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： T h e t a i l w a t e r t u n n e l s i n L i y a n g P u mp e d - s t o r a g e P o w e r S t a t i o n a r e l o c a t e d i n t h e l o w e s t p o s i t i o n o f w h o l e s t a t i o n ， S O t h e r e i s n o c o n d i t i o n f o r p r e d r a i n a g e T h e t u n n e l s wi l l p a s s t h r o u g h d o z e n s f a u l t s ， p a r t i c u l a r l y w h e n i t p a s s t h r o u g h t h e a r e a w i t h r i c h g r o u n d wa t e r ，t h e s t a b i l i t y o f s u r r o u n d i n g r o c k s wi l l b e v e r y p o o r a n d e a s y t o o c c u r r o c k s l i d e T h e c o n v e n t i o n a l s h o t c r e t e i s d i ffic u l t t o e n c l o s e t h e r o c k s q u i c k l y ， S O t h e n a n o s t e e l w i r e - l i k e fi b e r s h o t c r e t e i s u s e d i n s u c h s e c t i o n s t o e n s u r e t h e t u n n e l s t a b i l i t y Th e e x p e r i me n t s a n d a p p l i c a t i o n s o f n a n o s t e e l w i r e l i k e fi b e r s h o t c r e t e i n s e v e r a l s e c t i o n s wi t h r i c h g r o u n d wa t e r a n d r o c k s l i d e s h o w t h a t i t c a n q u i c k l y e n c l o s e s u r r o u n d i n g r o c k s ， s e a l wa t e r s e e p a g e a n d s u p p o rt s u rr o u n d i n g r o c k s T h e n a n o s t e e l - wi r e - l i k e f i b e r s h o t c r e t e p r o v i d e s a g u a r a n t e e f o r s e c u r e a n d f a s t t u n n e l e x c a v a t i o n Ke y W o r d s ： t a i l w a t e r t u n n e l ； n a n o s t e e l - w i r e - l i k e f i b e r ； s h o t e r e t e ； L i y a n g P u mp e d - s t o r a g e P o we r S t a t i o n W i l t 3 ； 7 4 | 3 ( | B | | 。 _ 萱 纺 0 3 - 0 0 7 6 -0 3 1 工程概况 溧 阳抽水 蓄 能 电站位 于 江 苏 省溧 阳市 境 内 。电 站 共 安 装 6台单 机 容量 2 5 0 MW 的可 逆 式水 泵 水 轮 发 电机 组 ，总装 机容 量 1 5 0 0 MW 。枢纽建 筑 物 由上 水 库 、输 水 系 统 、地 下 厂 房 系统 、下水 库 及 地 面开 关 站 等组成 。 尾 水 主洞 共 两 条 ，净 断 面 均 为 内径 1 0 m 圆形 ， 长 度 分 别 为 1 1 2 4 9 5 6、1 2 1 1 2 0 3 m。 所 处 区域 围 岩 主要 为 志 留 系茅 山组 上 段 以 中厚 层 薄 层 岩 屑 石英 砂 岩 、泥 质 粉 砂 岩 、粉 砂 质 泥岩 及 薄层 泥 岩 为 主 ，地 下水 较 丰 富 ，普 遍 为 线 状滴 水 ，整个 洞 室 围 岩 以 I V 类 为 主 。 穿 越 的 断 层 及 蚀 变 岩 脉 较 多 ， 较 大 断层 及蚀 变 岩 脉 主要 有 ：F 。 。 、F 、F 。 ， 。 等 断层 破 碎 带 及 号蚀 变 岩 脉组 成 的软 弱破 碎 带 。此外 ，尾 困W a r e r P o w e r V o 1 3 9 N o 3 水 主洞 位 于 整个 电站 最低 点 ，不 具备 先 行 排 水 、降 水 条 件 。洞 室 开 挖 后 ，顶 拱 部 位 围岩 稳 定 性 较 差 ， 尤 其 在 渗 漏 水 作 用 下 ， 围 岩 呈 泥 状 极 易 造 成 塌 方 。 目前 ，两条 尾水 主洞 已 开挖 完 成 7 5 ，出 现 大 小 塌 方部 位 几 十处 ，但 均得 到 了有 效控 制 。一 般 出 现塌 方后 ，采 取强 制性 快 速喷 射 混凝 土封 闭 围岩 的 措 施 ，但 在 存 在 渗 漏 水 塌 方 洞 段 ，喷 射 常 规 混 凝 土很 难 封 闭 围岩 对 此 溧 阳抽 水 蓄 能 电站 采 用 了 纳 米 仿 钢 纤 维 喷 射 混 凝 土 ，快 速 封 闭 围 岩 ，并 达 到 止水 效 果 ，控 制 了塌 方 部位 的蔓 延 ，确 保 了洞 室 安 全 收稿 日期 ：2 0 1 3 一 O 1 0 4 作者 简介 ：丛振 民 ( 1 9 6 1 一 ) ，男 ，辽宁 丹东 人 ，高级 工程 师 从事水 利水电施工技术 与管理工作 第 3 9 卷第 3期 丛振民， 等 ： 纳米仿钢纤维混凝土在不良地质洞段的运用 2 纳米仿钢纤维混凝土的特点 在 普 通 喷 射混 凝 土 中 掺 加无 机 纳 米 及 仿钢 纤 维 两 种新 型 材 料 ，能 显 著 提 高 混凝 土 的抗 压 强度 、抗 渗 性 能 、抗 折性 能 、抗 冲 击性 能 、抗 磨 损 性 能及 韧 性 等力 学 性 能参 数 。与 普 通 喷射 混 凝 土 相 比 ，纳 米 仿 钢 纤 维 混 凝 土 的特 点 主 要 有 ： ( 1 )渗水 、掉 块 部 位 ，能够 快 速 封 闭 围岩 ，达 到 止水 效果 。 ( 2 )其 一 次 喷 层 厚 度 可 达 4 0 c m，解 决 了多 次 复 喷 问 题 。 ( 3 ) 回 弹率 较 小 ，顶 拱 的 回 弹率 小 于 8 ，边 墙 的 回弹率 小 于 5 。 ( 4) 起 强 快 ， 初 凝 时 间 为 4 rai n， 终 凝 为1 0 rai n终 凝后 的抗 压强 度 大 幅度提 高 。 3 纳米仿钢纤维混凝土配合比设计 3 1原 材料 检测 在 本 次 试 验 前 对 所 用 原 材 料 进 行 检 测 。 ( 1 )水 泥 。 水 泥 采 用 安 徽 海 螺 水 泥 有 限 公 司 生 产 的 P 0 4 2 5 R水 泥 。检 测 结果见 表 1 。 ( 2) 骨 料 。 骨 料 主 要 包 括 细 骨 料 和 粗 骨 料 ， 由 L 8标骨 料加 工 系统 进行 供应 ，检 测结 果见 表 2、3 。 表 2细骨料检验结果 类别 泥 fi t 块 密 瑟 ( 3) 速 凝 剂 。 采 用 安 徽 润 安 生 产 的 无 碱 液 态 速 凝 剂 RC MG一1 0 C型 ，检 测 结 果 见 表 4。 表 4液态速凝剂检验结果 ( 4 )纳 米 材 料 。无 机 纳 米 采 用 河南 省 巩 义市 宏 超 建 材 有 限 公 司 生 产 的 跨 越 2 0 0 0型 是 一 种 经 充 分 研 磨 、材 料 颗 粒 直径 达 到 纳 米级 的高 性 能 混 凝 土外 加 剂 ，具 有 以下 特点 ： 集 碱水 、增 强 、促 凝 为一 体 ，为 无 毒 、无 害 、无 味 、无污 染 的无 机 材 料 ； 可改 善水 泥凝 固的三维 结 构 ，增 大 混凝 土 的 聚合 力 ： 可 改 善 水 泥 混凝 土 的堆 积 密度 ，既 减 表 面水 又 减 间 隙 水 ，使 胶 团 产 生 反 复 聚 合 作 用 。 检 测 结 果 见 表 5。 ( 5 )仿 钢 纤 维 。仿 钢 纤 维 采 用深 圳 海 川 科 技 工 程 有 限 公 司 生 产 的 c o n c r e t e p o w e r 3 0 0 0纤 维 ，是 一 种 可 以替 代 钢 纤 维 的高 分 子 聚 合物 纤 维 ，具有 以下 特 点 ： 可 有 效 抑 制 混 凝 土 早 期 裂 缝 的 产 生 和 发 展 ； 在 混 凝 土 中具有 良好 的分 散性 ； 与 水 泥 基材 料 有 很 高 的 界 面 粘结 力 ； 长 期耐 久 性 突 出 ； 属 有 机 纤 维 ，不存 在 生 锈 问题 ； 容 重 是 钢纤 维 的 1 6 ， 重 量 轻 ，便 于 运输 ； 施 工作 业 时 ，安 全性 高 ，回 弹料 不 会 伤 及施 工 人 员 ； 较混 凝 土 常 用 的 钢纤 维 或钢筋 网 ，性 价 比高 。仿 钢纤 维检 测结 果见 表 6 。 表 6仿钢纤维检测结果 3 2配合 比 施 工 配 合 比是 在 原 有 普 通 C 2 5混 凝 土 配 合 比 的 基 础 上进 行 调整 得 到 的 ，喷 射 混凝 土 配 合 比见 表 7 。 根 据 现 场 进 行 两次 生 产 性 试验 ，在 富水 区 由 于终 凝 时 间较 短 ，能及 时 封 闭 ，快速 达 到 强 度 ，达 到止 水 效果 ，避 免 在渗 水作 用 下洞 室坍 塌 ；对 存在 渗 水 、 断 层 塌 方 洞 段 ，强 制 性 进 行 喷混 凝 土 封 闭 ，能够 达 表 5 纳米外加剂检验 结果 W a t e r P o w e r V o 1 3 9 N o 3圃 IX , J仅电 U 1 3 a ：g 3月 到 快 速 封 堵 的 效 果 ，喷 层 厚 度 达 4 0 c m 以 上 ，有 效 抑 制 了塌 方部 位 的蔓延 ，充 分 体现 了此 配合 比 的合 理 性 。 表 7 CF 2 5纳米仿钢纤维喷射混凝土配合 比 4 喷射混凝土施工 喷 射 纳米 ( h - 钢纤 维 混 凝 土施 7 2 首 先 选定 尾 水 主 洞 两 个 局 部 渗 水 段 ，即 号 尾 水 主 洞 桩 号 0 + 7 2 1 8 及 0 + 9 7 8 2进行 r试验 ，之后 ，应 用 在 号 尾 水 主 洞 桩 号 0 + 7 6 9 3与 号 尾 水 主 涮 桩 号 0 + 4 0 8 9两 个 渗 水 塌 方 f I lJ 段 。 4 1 混 凝土 的拌 和 、运输 混 凝 土 在 生产 厂 区 的拌 和 站进 行 拌 制 ，仿 钢 纤 维 以及 纳米 材 料 按 照 配 合 比人 工 添 加 至 提 料 斗 内 。 加 纤 维前 按 正 常 时 间搅 拌 混凝 土 ，混凝 土搅 拌 完毕 后 ，在 搅 拌 机 中 投 入仿 钢 纤 维 材 料 ，再 搅 拌 3 0 S 。 混 凝 土拌 制 后 ，采用 混 凝 土搅 拌 运 输 车运 至施 丁现 场 。 4 2喷 射 混凝土 施工 喷射 混 凝 土施 工 采 用混 凝 土 湿 喷机 械 手 。施 工 时 ，喷 嘴距 喷射 部 位 保 持 在 1 0 1 5 m 左 右 ，且 尽 量 与喷 射部 位 保 持垂 直 ，对 预 喷射 的 部位 从 一 边 向 另一 边 喷 射 ，每 次 喷 射 的厚 度 在 2 0 c m左 右 ，从 一 侧 向 另 一 侧 间 隙 3 5 rai n循 环 喷 射 。对 塌 方 部 位 ， 喷 嘴 对 准 塌 方 部 位 摆 动 扫 射 喷 射 时 随 时 观 察 掉 落 现象 ，同岩 稳 定后 ，停 止 喷射 ，进 行 支立 拱 架及 副 拱等 处理 。另 外 ，在 施 工现场 进行 大板 取样 。 S 屯 s 止 S 5 t S 5 址 5 止 S 舢 S 舢 ； 址 址 4 3回弹 料 的收 集 为检 测 纳米 钢 纤 维 喷射 混 凝 土 的 回弹 量 在试 验 段对 回弹料 进 行 收集 测 定 。喷 射 施 工前 将 施 _ r作 业 面整平 后 ，铺 上彩 条 布 进行 回弹 料 的 收集 。喷 射 结束 后 ，及 时 对 回弹量 进 行计 量 。根 据收 集 的 同 弹 量 与 总拌制 量 对 比关 系 ，测定 洞 室 顶拱 喷射 混 凝 土 回弹率为 7 ，边 墙部 位 回弹率 为 3 5 。 4 4凝结 时 间测 定 在 施 工 现 场 ， 中 心 试 验 室 人 员 对 混 凝 土 的初 凝 、 终 凝 时 间 进 行 了 测 定 ， 确 定 初 凝 时 间 为 4 rai n，终 凝 时 问 为 1 0 mi n。 并 测 得 纳 米 仿 钢 纤 维 混 凝 土 拌 和 物 密 度 为 2 2 9 0 k g m。 。 4 5混凝 土试块 强 度 施 工 期 间 ，试 验 人 员 现 场 取 大 板 试 样 ， 委 托 中 心 试 验 室 进 行 试 块 强 度 检 测 ，检 测 结 果 为 1 、3、7、 2 8 d抗 压 强 度 分 别 为 3 7、 1 4 1 、 1 8 4、2 9 1 MP a； 3、7、2 8 d抗 折 强度 分 别 为 2 8 2、3 4 6、5 1 3 MP a 2 8 d混 凝 土 的抗 压 强 度 为 设 计 强 度 的 l 1 6 。 5 实施效果总结 纳 米 仿 钢 纤 维 喷 射 混 凝 土 在 溧 阳 抽 水 蓄 能 电 站 尾 水 主 洞 成 功 应 用 ， 效 果 较 好 ， 一 次 喷 层 厚 度 可 达 4 0 c m 以 上 ，止 水 效 果 显 著 ， 在 渗 水 塌 方 洞 段 ，快 速 封 闭 围 岩 ，有 效 控 制 了洞 室 塌 方 的 蔓 延 为 塌 方 部 位 进 行 拱 架 等 加 强 支 护 提 供 了 安 全 保 障 ， 喷 射 后 的混 凝 土 表 面 平 滑 、美 观 。该 艺 成 果 在 溧 阳 抽 水 蓄 能 电 站 施 工 支 洞 、 主 厂 房 中 均 得 以 应 用 ，取 得 了较 好 成 果 ，可 在 今 后 类 似 工 程 施 工 中 推 广 应 用 ( 责 任编 辑焦 雪梅 ) ( 上 接 第4 3页 ) 参考文献 ： 1 DL T 5 1 2 9 -2 0 0 1 碾压式 士石坝施 工规范 S 北京 ；中国电 力 出版社 2 0 0 1 2 DL I T 5 3 5 5 -2 0 0 6水 电水利工 程土工 试验规 程 S 北 京 ：中 国电力出版社 2 0 0 7 3 DL I T 5 3 6 8 -2 0 0 7水 电水利工 程岩石 试验规 程 S 北京 ：中 国电力出版社 2 0 0 7 4 D I E T 5 3 9 5 2 0 0 7 碾 压式 土 石坝 设计 规范 s 北 京 ：中国 电 力 出版社 2 0 0 7 5 S L 3 4 5 -2 0 0 7 水 利水电工程 注水试验规程 S 北京 ：中周水 利水 电出版社 2 0 0 7 6 S L 2 3 7 -1 9 9 9 土工试验规程 S 北京 ：中国水利水 电出版 社 1 9 9 9 7 胡育林 江苏溧 阳抽水蓄能 电站 主体工程 土石方填 筑施工技 术 要求 ( 修订版 ) M 溧阳 ：中国水电顾 问集 团中南 院勘测 设计研 究 院，2 0 1 1 ( 责任 编辑 陈 萍 ) 圜W a t e r P o w e r V o 1 3 9 N o 3