構(gòu)皮灘水電站泄洪霧化區(qū)松動(dòng)體的加固處理

唐 斌,李仁鴻

(1.二灘國(guó)際工程咨詢有限責(zé)任公司,四川 成都 610072;2.中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,四川 成都 610072)

1 前 言

構(gòu)皮灘水電站是烏江干流中游河段的梯級(jí)電站,是貴州省和烏江干流最大的水電站,是“西電東送”南部通道中承東啟西、承南啟北的骨干支撐電源點(diǎn)。經(jīng)勘察查明,右岸泄洪霧化區(qū)高程 575～620m范圍內(nèi)的山坡體,地質(zhì)條件極為復(fù)雜,斷層密布,且有滑移跡象,故定名為松動(dòng)體,需做穩(wěn)定處理,以防電站蓄水后造成大面積滑坡,危害大壩的安全運(yùn)行。

2 松動(dòng)體的整治處理設(shè)計(jì)

在對(duì)松動(dòng)體實(shí)施處理方案時(shí),從施工難易程度、處理效果、經(jīng)濟(jì)等方面進(jìn)行綜合分析、計(jì)算比較后,優(yōu)先選取了預(yù)應(yīng)力錨索加地基梁、固結(jié)灌漿、擋墻等綜合治理方案。

2.1 預(yù)應(yīng)力錨索及地基梁的設(shè)計(jì)布置

松動(dòng)體沿滑移面的穩(wěn)定安全系數(shù)小于 1,下滑力為 2.38×104kN。由于松動(dòng)體巖石破碎、完整性差,宜采用小噸位級(jí)的預(yù)應(yīng)力錨索,經(jīng)計(jì)算比較采用38根 1200kN級(jí)預(yù)應(yīng)力錨索加固處理較為合宜。預(yù)應(yīng)力錨索集中布置在松動(dòng)體中部的 575～620m高程之間,呈梅花形分布,間、排距均為 8m。錨根進(jìn)入 FⅡ -35斷層下盤 7m,各錨索孔深及傾角不盡相同,最大深度約 50m,最小傾角 29°。松動(dòng)體表面為第四紀(jì)殘坡積覆蓋層,無(wú)巖體裸露,在地表布置斷面尺寸為 100cm×60cm的網(wǎng)格形鋼筋混凝土地基梁。在鋼筋混凝土地基梁的節(jié)點(diǎn)上布置預(yù)應(yīng)力錨索。網(wǎng)格形鋼筋混凝土地基梁主要是用于增大受力面積,防止錨頭因應(yīng)力過(guò)大而下陷,且可兜住松散巖體,使松動(dòng)體在特殊工作壯態(tài)下保持穩(wěn)定,確保工程安全。

2.2 固結(jié)灌漿孔的布置

為提高松散巖體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)、增強(qiáng)其均質(zhì)性及整體性,在大壩上游距壩軸線 15～102.5m、高程 525～620m的范圍內(nèi)布置了 19排 339個(gè)固結(jié)灌漿孔作為對(duì)松散巖體的補(bǔ)強(qiáng)措施,孔、排距為 4m×4m,呈交錯(cuò)布置;各孔孔深不盡相同,最大孔深深入巖石 25m。各固結(jié)孔均為鉛直孔。

2.3 各工程項(xiàng)目施工順序

首先集中力量實(shí)施布置有錨索部位的固結(jié)灌漿,之后一部分力量施工錨索,另一部分力量施工錨索孔范圍以外的固結(jié)灌漿孔。由于先行做了固結(jié)灌漿,極大地提高了錨索孔的成孔率,減小了錨索孔的造孔難度,使錨索施工得以順利進(jìn)行,確保了電站按期下閘蓄水。

3 固結(jié)灌漿施工

3.1 固結(jié)灌漿施工次序

固結(jié)灌漿按分序加密的原則,分兩個(gè)次序施工,通過(guò)圍擠壓達(dá)到提高固結(jié)效果的目的。

3.2 造 孔

使用 SGZ-150型回轉(zhuǎn)式地質(zhì)鉆機(jī)配金剛石鉆頭鉆孔,開(kāi)孔孔徑 φ73mm,鉆至深入巖石 0.4m,以下孔徑改為 φ56mm直至終孔。開(kāi)孔結(jié)束之后,鑲嵌 φ73mm孔口管穿過(guò)覆蓋層并深入巖石 0.4m。

3.3 灌漿工藝

由于松動(dòng)體上部為第四紀(jì)殘坡積覆蓋層及強(qiáng)風(fēng)化巖層,造孔時(shí)因塌孔較為嚴(yán)重而難以成孔,無(wú)法實(shí)現(xiàn)孔內(nèi)分段卡塞灌漿,故采取“鑲孔口管,小口徑鉆進(jìn),自上而下分段鉆灌,不待凝,不做裂隙沖洗,孔口封閉,孔內(nèi)循環(huán)式”的灌漿工藝。該種灌漿工藝對(duì)處理復(fù)雜地層比較有效。鑲孔口管既可起到對(duì)上部覆蓋層段的保護(hù)、防止塌孔作用,又可實(shí)現(xiàn)孔內(nèi)分段做循環(huán)式有壓灌漿,下部灌漿時(shí),上部已灌段可得到重復(fù)灌漿,有利于提高松動(dòng)體的固結(jié)灌漿質(zhì)量。

4 預(yù)應(yīng)力錨索施工

4.1 造 孔

采用風(fēng)動(dòng)沖擊鉆造孔,孔徑為 φ110mm,直至終孔。造孔過(guò)程中經(jīng)常發(fā)生塌孔埋鉆、掉塊卡鉆等各類事故。孔內(nèi)事故主要集中出現(xiàn)在混凝土地基梁以下的殘坡積覆蓋層、強(qiáng)風(fēng)化層及深部斷層破碎帶范圍內(nèi),各類孔內(nèi)事故的頻繁發(fā)生對(duì)造孔施工造成了極大的困難,需對(duì)錨孔進(jìn)行固結(jié)灌漿方可成孔。

4.2 編索、下索及錨根生成

錨索均由 9根強(qiáng)度為 1570MPa級(jí)的鋼鉸線編織而成,在錨根段 5m范圍內(nèi)用隔離環(huán),自由段用隔離架組裝,隔離環(huán)及隔離架間距均為 2m。錨索編好并經(jīng)檢查驗(yàn)收后下入孔內(nèi),因孔內(nèi)極易出現(xiàn)塌孔掉塊,故采取先下錨后注漿的施工措施。在下錨過(guò)程中當(dāng)遇到塌孔、掉塊而不到孔底時(shí),通過(guò)采取沖洗措施下入到孔底。錨索下入孔底后再對(duì)錨根段注漿,錨根段內(nèi)注入水灰比為 0.4∶1的 525號(hào)普通硅酸鹽水泥漿液,注漿七天后即可張拉。由于從編索至張拉的時(shí)間較短,無(wú)需對(duì)錨索采取防銹保護(hù)措施。

4.3 錨索張拉

錨索張拉施工流程:安裝測(cè)力計(jì)→安裝工作錨具及夾片→使用 YC-200D小型千斤頂將鋼鉸線逐根張拉繃直→安裝限位板→安裝 YCW 250型千斤頂→安裝工具錨及夾片→張拉→鎖定→注漿封孔做永久防銹→切除工作錨以上超長(zhǎng)部分鋼鉸線→澆筑錨頭混凝土。

每根錨索的設(shè)計(jì)錨固力為 120t。因松動(dòng)體上部為殘坡積覆蓋層及強(qiáng)風(fēng)化巖層,節(jié)理、裂隙發(fā)育,斷層密布,地層受壓變形、孔壁摩阻及鋼鉸線松弛徐變,導(dǎo)致錨索的預(yù)應(yīng)力損失較大。為補(bǔ)償和抵消部分預(yù)應(yīng)力損失,采取兩次張拉措施,即采取補(bǔ)償張拉加超載安裝的張拉措施,以補(bǔ)償和抵消錨索的部分預(yù)應(yīng)力損失,確保錨索的永存錨固力。第一次分為300kN、600kN、900kN、1200kN四級(jí)張拉,七天后再進(jìn)行補(bǔ)償張拉,補(bǔ)償張拉力分為 900kN、1200kN、1300kN三級(jí),最后達(dá)到 1300kN,在 1300kN的拉力下安裝鎖定。超設(shè)計(jì)張拉力 100kN,超張拉力系數(shù)為 1.08。

錨索的張拉力以安裝在油泵上的壓力表指針?biāo)甘镜闹兄禐闇?zhǔn)。張拉過(guò)程中,在每級(jí)拉力下持荷穩(wěn)定時(shí),用鋼板尺量測(cè)鋼鉸線的實(shí)際伸長(zhǎng)值,校核張拉力。實(shí)際量測(cè)的鋼鉸線的伸長(zhǎng)值須與理論計(jì)算的伸長(zhǎng)值基本相符,當(dāng)實(shí)際量測(cè)的伸長(zhǎng)值大于理論計(jì)算值的 10%或小于理論計(jì)算值的 5%時(shí),應(yīng)暫停張拉,待查明原因并采取相應(yīng)措施予以調(diào)整后方可恢復(fù)張拉。采用虎克定律計(jì)算鋼鉸線的理論伸長(zhǎng)值。

4.4 錨索永久防護(hù)

預(yù)應(yīng)力錨索張拉完畢,驗(yàn)收合格并經(jīng)監(jiān)理工程師同意之后,即往錨索孔內(nèi)注漿做永久防護(hù)。注漿材料為 525R水泥、水灰比(重量比)為 0.4∶1的濃水泥漿液。待排氣管管口排出的漿液比重達(dá)到 1.9時(shí)間歇 10min再次注漿,孔內(nèi)積水及空氣充分排除后即可停止注漿。待凝 24h之后,即待錨索孔內(nèi)的水泥漿液干縮之后,再將孔口不滿部分填滿,注漿工作即可結(jié)束。

各錨索孔注漿結(jié)束 24h之后即可使用切割機(jī)將工作錨具外的超長(zhǎng)部分鋼鉸線切除,切除超長(zhǎng)部分后的鋼鉸線在錨具外的外露長(zhǎng)度不小于 20mm。切除超長(zhǎng)部分鋼鉸線后澆筑混凝土做永久防護(hù)。

5 固結(jié)灌漿成果資料分析

5.1 單位注入量與孔序間的關(guān)系分析

單位注入量與孔序間的關(guān)系分析見(jiàn)表1。

由表1可以看出,先施工的Ⅰ序孔平均單位注入量為 86.35kg/m,后施工的Ⅱ序孔平均單位注入量為 49.1kg/m,占Ⅰ序孔的 56.9%,即隨著孔序的加密,單位注入量呈現(xiàn)出逐序減小的變化趨勢(shì),符合一般灌漿統(tǒng)計(jì)規(guī)律,由此表明灌漿效果極為明顯。Ⅱ序孔仍具有較好的可灌性,表明松動(dòng)體內(nèi)的巖石裂隙及斷層極為發(fā)育,在較低的壓力下即可獲得顯著的可灌性,同時(shí)也表明 4m×4m的孔排距偏稀。

5.2 單位注入量大于 50kg/m的孔段統(tǒng)計(jì)

單位注入量大于 50kg/m的孔段統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2。

表1 單位注入量與孔序間的關(guān)系

表2 單位注入量大于 50kg/m的孔段統(tǒng)計(jì)

由表2可看出:

(1)隨著灌漿孔序的加密,對(duì)于大單位注入量,后序孔的孔段數(shù)及其所占比例呈現(xiàn)出明顯降低的趨勢(shì),符合一般灌漿統(tǒng)計(jì)規(guī)律,表明灌漿情況正常。

(2)各序孔單位注入量較大的孔段所占比例相對(duì)較小,而其所灌入的水泥量所占比例卻相對(duì)較大,達(dá)到 80%以上,表明松動(dòng)體內(nèi)巖石極為破碎,裂隙發(fā)育,連通性好,漿液擴(kuò)散范圍較大,先施工的少數(shù)孔段灌入的漿液已將大范圍內(nèi)的巖石裂隙充填滿,灌漿起到了顯著的效果,后施工的大部分孔段的可灌性已顯著下降,所灌入的水泥漿液起到了將松動(dòng)體進(jìn)一步擠密壓實(shí)的作用。

6 固結(jié)灌漿效果檢查

6.1 固結(jié)灌漿檢查孔的布置和聲波測(cè)試成果

松動(dòng)體共有 19排固結(jié)灌漿孔,每排隨機(jī)布置一個(gè)檢查孔,檢查孔孔深為與其相鄰兩個(gè)固結(jié)孔的最小孔深。檢測(cè)孔采用單孔聲波檢測(cè)方法,使用 SD—1型聲波檢測(cè)儀,探頭為單孔一發(fā)雙收探頭,以清水為耦合劑,探頭放到孔底,從下往上逐點(diǎn)檢測(cè),測(cè)點(diǎn)間距為 0.2m,聲波測(cè)試特征參數(shù)綜合成果見(jiàn)表3。

6.2 對(duì)灌漿效果及灌漿質(zhì)量的評(píng)述

6.2.1 灌漿效果評(píng)述

(1)強(qiáng)風(fēng)化巖體(β3)范圍內(nèi)的波速提高率一般為 2.67%～22.14%,最大值為 26.34%,最小值為0.38%,加權(quán)平均值為12.22%,大于設(shè)計(jì)值的11.43%;巖體完整性系數(shù)提高率一般為 5.26%～47.37%,最大值為 57.89%,最小值為 0.00%,加權(quán)平均值為 26.95%,大于設(shè)計(jì)值的 24.77%,表明對(duì)強(qiáng)風(fēng)化巖體(β3)的灌漿效果優(yōu)于設(shè)計(jì)要求。

表3 灌漿效果及灌漿質(zhì)量特征參數(shù)綜合成果

(2)弱風(fēng)化巖體(β2)范圍內(nèi)的波速提高率一般為 1.83%～18.04%,最大值為 21.41%,最小值為0.92%,加權(quán)平均值為 10.69%,略小于設(shè)計(jì)值的12.17%;巖體完整性系數(shù)提高率一般為 2.5%～40.0%,最大值為 46.67%,最小值為 0.00%,加權(quán)平均值為 22.51%,略小于設(shè)計(jì)值的 25.83%,表明對(duì)弱風(fēng)化巖體(β2)的灌漿效果略低于設(shè)計(jì)要求。

(3)微風(fēng)化～新鮮巖體(β1)范圍內(nèi)的波速提高率一般為 1.11%～6.83%,最大值為 7.43%,最小值為 0.0%,加權(quán)平均值為 4.60%,略大于設(shè)計(jì)值的3.9%;巖體完整性系數(shù)提高率一般為 2.47%～14.49%,最大值為 15.9%,最小值為 0.00%,加權(quán)平均值為 9.82%,略大于設(shè)計(jì)值的 7.9%,表明對(duì)微風(fēng)化～新鮮巖體(β1)的灌漿效果優(yōu)于設(shè)計(jì)要求。

(4)由表3可以看出,除對(duì)弱風(fēng)化巖體(β2)的灌漿效果較設(shè)計(jì)值略小外,對(duì)強(qiáng)風(fēng)化巖體(β3)及微風(fēng)化～新鮮巖體(β1)的灌漿效果均優(yōu)于設(shè)計(jì)值。從提高率的絕對(duì)值來(lái)看,對(duì)這三類巖體的灌漿處理效果由好到差依次是 β3→β2→β1,規(guī)律性很明顯,表明三類巖體內(nèi)的裂隙抗劈裂強(qiáng)度不同,可灌性亦不相同,進(jìn)而灌漿效果也就不同。強(qiáng)風(fēng)化巖體(β3)內(nèi)的裂隙抗劈裂強(qiáng)度較低,在 0.3MPa壓力下即可取得較好的可灌性;弱風(fēng)化巖體(β2)內(nèi)的裂隙抗劈裂強(qiáng)度介于強(qiáng)風(fēng)化巖體(β3)與微風(fēng)化～新鮮巖體(β1)之間,其灌漿效果也介于強(qiáng)風(fēng)化巖體(β3)與微風(fēng)化～新鮮巖體(β1)之間;而微風(fēng)化～新鮮巖體(β1)內(nèi)的的裂隙抗劈裂強(qiáng)度較高且相對(duì)較為完整,在 0.5MPa壓力下的可灌性較差。總體而言,三類巖體的灌漿效果和設(shè)計(jì)要求較為一致。

6.2.2 灌漿質(zhì)量評(píng)述

(1)強(qiáng)風(fēng)化巖體(β3)經(jīng)過(guò)灌漿處理之后,波速加權(quán)值為 2.94km/s,大于設(shè)計(jì)值的 2.92km/s,由此表明強(qiáng)風(fēng)化巖體(β3)的灌漿質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)要求。

(2)弱風(fēng)化巖體(β2)的設(shè)計(jì)波速要求每段的Vpmin值為 3.38km/s,在所測(cè)試的 28段中僅有 2段小于 3.38km/s,分別為 3.33km/s和 3.30km/s,其他各段均大于設(shè)計(jì)值,合格率為 92.86%。波速加權(quán)值為 3.83,略小于設(shè)計(jì)值的 3.91km/s。

(3)微風(fēng)化～新鮮巖體(β1)的設(shè)計(jì)波速要求每段的 Vpmin值為 4.73km/s,在所測(cè)試的 24段中僅有一段為 4.62km/s略小于設(shè)計(jì)值之外,其他各段均大于設(shè)計(jì)值,合格率為 95.84%。波速加權(quán)值為5.34km/s,大于設(shè)計(jì)值的 5.07km/s,表明微風(fēng)化～新鮮巖體(β1)灌后質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)要求。

6.2.3 灌漿質(zhì)量綜合評(píng)述

由表3可以看出,除弱風(fēng)化巖體(β2)灌漿后的波速略小于設(shè)計(jì)值之外,強(qiáng)風(fēng)化巖體(β3)和微風(fēng)化～新鮮巖體(β1)的灌漿質(zhì)量均優(yōu)于設(shè)計(jì)要求。經(jīng)分析認(rèn)為,弱風(fēng)化巖體(β2)裂隙內(nèi)充填的泥質(zhì)物較多,在 0.5MPa的壓力下存在局部盲區(qū),孔、排距 4m×4m又過(guò)于偏大,根據(jù)國(guó)家規(guī)范(SDJ210-83)中第 3.6.8條的要求,三類巖體小于設(shè)計(jì)值的最大百分?jǐn)?shù)為 7.14%,小于規(guī)范要求,故不影響對(duì)整個(gè)灌漿工程的評(píng)價(jià)。固結(jié)灌漿達(dá)到了設(shè)計(jì)目的,灌漿效果及質(zhì)量均滿足設(shè)計(jì)要求。

7 結(jié)束語(yǔ)

(1)對(duì)松動(dòng)體處理采用預(yù)應(yīng)力錨索加地基梁、固結(jié)灌漿、擋墻等綜合治理方案是切實(shí)可行的,達(dá)到了對(duì)松動(dòng)體處理的預(yù)期效果。

(2)灌漿成果資料顯示,隨著灌漿孔序的加密,后序孔的單位注入量呈現(xiàn)出明顯的遞減變化趨勢(shì),符合一般灌漿統(tǒng)計(jì)規(guī)律,表明灌漿效果明顯。

(3)檢查孔測(cè)試的聲波資料較客觀地反映了松動(dòng)體的地質(zhì)情況及其可灌性,松動(dòng)體的可灌性與其地質(zhì)條件相吻合。

(4)對(duì)松動(dòng)體實(shí)施預(yù)應(yīng)力錨固處理時(shí)為減少預(yù)應(yīng)力損失確保永存錨固力,宜采用補(bǔ)償張拉加超載安裝相結(jié)合的張拉施工措施。