Gomal Zam大壩巖體灌漿試驗(yàn)研究

許仙娥, 段世委

(1.中水北方勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，天津　300222; 2.水利部 水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)總院，北京　100120)

0　引言

Gomal Zam大壩位于巴基斯坦西北邊境省Gomal河的Adam Kok峽谷內(nèi),壩型為碾壓混凝土曲線重力壩,壩高133 m。壩基巖性以薄層灰?guī)r為主,巖石較堅(jiān)硬,但巖體破碎,以鑲嵌碎裂結(jié)構(gòu)或碎裂結(jié)構(gòu)為主。壩基巖體變形模量低,滲透性較強(qiáng),不能滿足設(shè)計(jì)要求,需采取固結(jié)灌漿處理。根據(jù)設(shè)計(jì)要求,經(jīng)灌漿處理后的壩基巖體的地震波縱波速度要求達(dá)到3 500 m/s,且?guī)r體透水率<3 Lu[1]。為了解壩基巖體的可灌性,獲取壩基固結(jié)灌漿施工的鉆孔間距、灌漿壓力、漿液配合比等設(shè)計(jì)參數(shù),初步設(shè)計(jì)階段在壩址右岸進(jìn)行了灌漿試驗(yàn)。

1　試驗(yàn)場地地質(zhì)條件

試驗(yàn)場地位于壩址右岸G7平洞內(nèi),場地巖性以薄層灰?guī)r為主,局部為中厚層灰?guī)r或極薄層灰?guī)r,微晶—隱晶結(jié)構(gòu),巖體呈弱風(fēng)化狀態(tài),巖石較堅(jiān)硬。巖層產(chǎn)狀為NW352°/SW∠52°,層面局部張開。巖體內(nèi)主要發(fā)育兩組裂隙,傾角在55°～88°之間,間距3～20 cm,裂隙寬度一般<2 mm,部分充填方解石,裂隙面附泥、鈣質(zhì)膜。根據(jù)地震波測試成果,灌漿試驗(yàn)前場地巖體地震波縱波速度為2 500 m/s左右。場地巖體透水率一般在10～18.6 Lu,具中等透水性。壩基巖石(體)物理力學(xué)指標(biāo)見表1。

2　灌漿試驗(yàn)概況

2.1　試驗(yàn)場地布置

灌漿孔采用正方形網(wǎng)格式布置,按3序次施工,其中Ⅰ序孔4個(gè),鉆孔間距為5 m;Ⅱ序孔5個(gè),網(wǎng)絡(luò)鉆孔間距為2.5 m;Ⅲ序孔4個(gè),網(wǎng)絡(luò)鉆孔間距1.8 m。灌漿孔單孔深度均為30 m。為了檢查灌漿效果,場地共布置3個(gè)檢查孔、1個(gè)檢查豎井,2個(gè)地震波對穿測試孔和1個(gè)地表抬動變形觀測孔。場地布置形式見圖1。

表1　壩基巖石(體)物理力學(xué)指標(biāo)

圖1　試驗(yàn)區(qū)鉆孔布置示意圖

2.2　灌漿材料與灌漿壓力

灌漿水泥選用D.G.H-SRC型抗硫酸硅酸鹽水泥,要求通過80 μm方孔篩的篩余量為2.4%,初凝時(shí)間為3 h,終凝時(shí)間為4 h。漿液拌合用水采用Gomal河水。

灌漿試驗(yàn)漿液的配合比(水∶灰)采用2∶1、1∶1、0.8∶1、0.5∶1(或0.6∶1)四個(gè)比級。為了增強(qiáng)細(xì)小裂隙灌漿效果,采用逐級變濃的方法進(jìn)行灌注。當(dāng)某一配合比的漿液注入量已達(dá)到300 L,而灌漿壓力和注入量均無明顯改變時(shí),變換一級配合比;當(dāng)某一配合比的漿液注入量>30 L/min時(shí),越級變換配合比。

灌漿孔首個(gè)灌漿段的灌漿壓力均采用0.2 MPa,以下隨深度每增加1 m,灌漿壓力相應(yīng)增加0.1 MPa,整個(gè)試驗(yàn)的最大灌漿壓力為3 MPa。

2.3　灌漿方法

為提高灌漿壓力,保證灌漿質(zhì)量,防止在灌漿過程中發(fā)生地面抬動及冒漿,在受灌巖體頂板上澆筑一層厚0.3 m的鋼筋混凝土蓋板。

灌漿采用孔口封閉法自上而下分段循環(huán)進(jìn)行。其中第一個(gè)灌漿段長2 m,第二個(gè)灌漿段長3 m,其它灌漿段長均為5 m。

灌漿施工程序?yàn)?造孔→聲波測試→裂隙沖洗→壓水試驗(yàn)→灌漿→進(jìn)入下一段灌漿循環(huán)。

2.4　灌漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)

在每一灌漿段最大設(shè)計(jì)壓力下,當(dāng)注入率≤1 L/min后,繼續(xù)灌注30 min,即可結(jié)束該段灌漿。全孔灌漿結(jié)束后,在最后一段的最大灌漿壓力下,繼續(xù)灌注30 min 0.5∶1的漿液進(jìn)行封孔。

3　試驗(yàn)成果分析

3.1　水泥注入量

根據(jù)試驗(yàn)資料統(tǒng)計(jì),整個(gè)試驗(yàn)總耗灰量為83 838 kg,其中注入水泥總量為77 109 kg,廢棄量為6 729 kg。單孔水泥注入量最大為20 725 kg,最小為1 868 kg,平均為5 931 kg。單孔平均單位水泥注入量最大為702 kg/m,最小為63 kg/m,平均為200 kg/m。從水泥注入量分析,試驗(yàn)場區(qū)巖體具有較好的水泥可灌性,但均一性很差,與場區(qū)巖體條件相符。

Ⅰ序孔平均單位水泥注入量為382 kg/m;Ⅱ序孔平均單位水泥注入量為138 kg/m,比Ⅰ序孔減少64%;Ⅲ序孔平均單位水泥注入量為96 kg/m,比Ⅱ序孔減少30%,比Ⅰ序孔減少75%。各序孔平均單位水泥注入量見圖2。

圖 2　各序次灌漿孔平均單位水泥注入量對比

Ⅰ序孔中共有7個(gè)灌漿段單位水泥注入量<100 kg/m,占序孔總灌漿段數(shù)的25%;Ⅱ序孔中共有23個(gè)灌漿段單位水泥注入量<100 kg/m,占序孔總灌漿段數(shù)的65%;Ⅲ序孔中共有20個(gè)灌漿段單位水泥注入量<100 kg/m,占序孔總灌漿段數(shù)的72%。Ⅰ序孔中有10個(gè)灌漿段單位水泥注入量>500 kg/m,占Ⅰ序孔總灌漿段數(shù)的36%;Ⅱ序孔中有3個(gè)灌漿段單位水泥注入量>500 kg/m,占Ⅱ序孔灌漿段總段數(shù)的9%;Ⅲ序孔中僅有1段單位水泥注入量>500 kg/m,占Ⅲ序孔總灌漿段數(shù)的4%。

各序次灌漿孔的單位水泥注入量統(tǒng)計(jì)資料顯示,一方面隨灌漿序次的增加,單位水泥注入量迅速遞減,說明了試驗(yàn)場地巖體具有較好的可灌性,隨著灌漿序次的增加,巖體中的裂隙逐漸被充填,漿液的擴(kuò)散范圍逐漸減小;另一方面Ⅲ序孔中仍有個(gè)別灌漿段的單位水泥注入量很大,說明經(jīng)過Ⅰ、Ⅱ兩個(gè)序次灌漿后,部分長、大結(jié)構(gòu)面仍未得到灌注,原因可能與結(jié)構(gòu)面的傾角較陡有關(guān)。

3.2　巖體聲波檢測

為檢查灌漿效果及巖體質(zhì)量的改善情況,灌漿試驗(yàn)過程中分別在各序次灌漿孔和檢查孔中進(jìn)行了聲波測試。聲波測試成果顯示,巖體聲波速度隨灌漿序次的增加而逐漸提高。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ序孔以及檢查孔中巖體聲波速度平均值分別為3 650、4 320、4 490和4 660 m/s。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ序孔灌后巖體聲波速度與灌前相比分別提高了18.4%、23.0%、27.7%。見圖3。

圖3　各序次灌漿孔與檢查孔巖體聲波速度對比

3.3　巖體地震波檢測

根據(jù)對穿孔地震波CT測試成果,灌漿前和Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ序次灌后試驗(yàn)場地巖體地震波縱波速度平均值分別為2 520、2 830、3 470和3 790 m/s;各序次灌漿后的地震波縱波速度與灌漿前相比分別提高了12.3%、37.7%和50.4%。灌漿前與各序次灌后巖體地震波速度見圖4。

試驗(yàn)場地巖體經(jīng)Ⅰ、Ⅱ兩個(gè)序次灌漿后,試驗(yàn)場地巖體地震波縱波速度>3 000 m/s的累計(jì)頻率達(dá)到86.38%,波速>3 500 m/s的累計(jì)頻率達(dá)到60.44%;經(jīng)過3個(gè)序次灌漿后,試驗(yàn)場地巖體地震波縱波速度>3 000 m/s的累計(jì)頻率達(dá)到90.05%,波速>3 500 m/s的累計(jì)頻率達(dá)到76.06%。

圖4　灌漿前與各序次灌漿后巖體地震波速度對比

此外,根據(jù)地震波測試資料統(tǒng)計(jì),隨著灌漿序次的增加,巖體波速的變異系數(shù)逐漸減小,灌漿前和Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ序次灌后巖體波速變異系數(shù)分別為0.22、0.19、0.17和0.16,表明巖體均一性在灌漿后得到了明顯改善。

3.4　灌后巖體透水率

灌漿完成后,在檢查孔中進(jìn)行了壓水試驗(yàn),根據(jù)試驗(yàn)成果統(tǒng)計(jì),除AJ1孔和AJ3孔第一段巖體透水率>3 Lu外,其他試驗(yàn)段巖體透水率均<3 Lu,巖體透水率值<3 Lu的段次占90%,達(dá)到了灌漿試驗(yàn)的目標(biāo)。壓水試驗(yàn)成果見圖5。

圖5　灌漿后各檢查孔巖體透水率

4　壩基固結(jié)灌漿參數(shù)的確定

4.1　灌漿孔間距

本次試驗(yàn)最終的灌漿孔間距為1.8 m,從灌漿試驗(yàn)的成果分析,采用3序次逐漸加密的灌漿效果是明顯的。灌漿試驗(yàn)結(jié)束后,巖體的透水率<3 Lu的段次占到90%, 達(dá)到了灌漿試驗(yàn)的要求。 灌漿后巖體平均的地震波速度達(dá)到3 790 m/s,總體看也達(dá)到了試驗(yàn)的要求,但地震波速>3 500 m/s的累計(jì)頻率僅為76.06%,說明仍有相當(dāng)一部分巖體地震波速度低于設(shè)計(jì)

要求。分析其原因,一是灌漿孔的間距過大,漿液擴(kuò)散范圍有限,未能達(dá)到兩灌漿孔之間的所有區(qū)域;另一原因是試驗(yàn)場地巖層以及裂隙傾角較陡,而灌漿孔為垂直孔,鉆孔穿過的結(jié)構(gòu)面較少,造成灌漿效果不理想。因此,在壩基固結(jié)灌漿施工中可適當(dāng)縮小灌漿間距,最終灌漿孔距可采用1.5 m,并采用傾斜鉆孔進(jìn)行灌漿,鉆孔傾斜方向應(yīng)與主要結(jié)構(gòu)面的傾向相反[2]。

4.2　灌漿壓力

本次試驗(yàn)每個(gè)灌漿孔首個(gè)灌漿段的灌漿壓力均采用0.2 MPa,以下隨深度每增加1 m,灌漿壓力相應(yīng)增加0.1 MPa,整個(gè)試驗(yàn)的最大灌漿壓力為3 MPa。灌漿試驗(yàn)過程中,僅有2個(gè)灌漿孔的各1個(gè)灌漿段灌漿過程中出現(xiàn)抬動變形,變形量分別為7 μm和110 μm。因此,在壩基固結(jié)灌漿施工中,可以采用本次試驗(yàn)確定的灌漿壓力。

4.3　漿液配合比

本次試驗(yàn)漿液配合比(水∶灰)采用2∶1、1∶1、0.8∶1、0.5∶1(或0.6∶1)四個(gè)比級。在Ⅲ序孔28個(gè)灌漿段中,不需要間斷灌漿即可達(dá)到穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)的灌漿段為21段,其中以2∶1的配合比結(jié)束的有11段,以1∶1的配合比結(jié)束的有9段,以0.5∶1的配合比結(jié)束的有1段。因此,開灌配合比采用2∶1,最終配合比采用0.5∶1(或0.6∶1)是合適的。

5　結(jié)語

試驗(yàn)場地巖體在經(jīng)過3序次灌漿處理后,巖體地震波縱波速度與灌前相比有明顯的提高,且灌后巖體的均一性均有了明顯的改善,灌后檢查孔巖體透水率值達(dá)到了灌漿試驗(yàn)的要求。試驗(yàn)說明壩址區(qū)巖體具有較好的可灌性,采用水泥灌漿對壩基巖體進(jìn)行處理是可行的。根據(jù)灌漿試驗(yàn)成果分析,壩基固結(jié)灌漿施工可采用試驗(yàn)確定的漿液配合比和灌漿壓力,灌漿孔間距需要適當(dāng)縮小,建議采用1.5 m。為達(dá)到更好的灌漿效果,灌漿孔宜采用斜孔,鉆孔傾斜方向與主要結(jié)構(gòu)面的傾向相反。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳書文，蘇紅瑞，張長存，等.巴基斯坦高摩贊大壩樞紐工程基本設(shè)計(jì)階段工程地質(zhì)勘察報(bào)告[R].天津：中水北方勘測設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司，2003.

[2]馬國彥，林秀山.水利水電工程灌漿與地下水排水[M].北京：水利水電出版社，2001.