丹江口大壩高水頭水泥-化學(xué)復(fù)合灌漿試驗(yàn)研究

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(長江勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司 樞紐處，武漢 430010)

1 工程概況

丹江口水利樞紐是南水北調(diào)中線水源工程，初期工程正常蓄水位157.0 m，壩頂高程162.0 m，大壩加高后正常蓄水位170.0 m，壩頂高程176.6 m，最大壩高117 m。大壩加高前帷幕檢測查明，19—32壩段防滲帷幕局部區(qū)域存在透水率超標(biāo)(q>1 Lu)現(xiàn)象，超標(biāo)孔段透水率一般為1～3 Lu，最大10 Lu，主要位于地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育區(qū)和幕體下部的水泥灌漿區(qū)。超標(biāo)區(qū)域檢查孔普遍存在涌水現(xiàn)象，全孔最大涌水量7.2 L/min，最大涌水壓力0.30 MPa。

帷幕補(bǔ)強(qiáng)灌漿在水庫蓄水最大水頭達(dá)65～80 m的高水頭條件下進(jìn)行，且壩基巖體細(xì)微裂隙發(fā)育，初期工程灌漿材料以水泥漿材為主，對水泥灌漿達(dá)不到設(shè)計(jì)防滲標(biāo)準(zhǔn)的部位又進(jìn)行了丙凝化學(xué)漿材補(bǔ)灌。因此本工程補(bǔ)強(qiáng)灌漿難點(diǎn)與特點(diǎn)為：①動水條件下漿液被不斷稀釋、滲流沖刷及涌水反向擠出，成幕十分困難；②細(xì)微裂隙、多次復(fù)灌巖體的可灌性差，補(bǔ)強(qiáng)灌漿對灌漿材料的選取及其細(xì)度的要求極高；③涌水地層的灌漿施工通常要采用待凝與復(fù)灌等措施，有時同一段還會反復(fù)復(fù)灌、待凝，常規(guī)待凝時間為24～48 h，嚴(yán)重影響工程施工進(jìn)度，因此，探索快速的施工工藝成為一項(xiàng)重要課題；④水源工程要求灌漿材料必須環(huán)保無毒。

為確保帷幕補(bǔ)強(qiáng)灌漿順利實(shí)施，針對上述補(bǔ)強(qiáng)灌漿的難點(diǎn)與特點(diǎn)，及高水頭帷幕灌漿工程實(shí)例調(diào)研，先行進(jìn)行了現(xiàn)場灌漿試驗(yàn)研究。

2 高水頭帷幕灌漿

江埡[1]、北岙坑[2]、三峽[3]、陳村[4]等大、中型水電站(水利樞紐)的高水頭帷幕灌漿實(shí)踐表明，高水頭作用下灌漿難度大、工期長、投資高，灌漿效果的關(guān)鍵在于漿材的選擇。水泥漿材的選擇，一是從加快漿液初凝，提高早期強(qiáng)度，抵抗高水頭涌水反向擠出的方向考慮，如：北岙坑水電站采用地勘水泥作為高水頭帷幕補(bǔ)強(qiáng)材料；二是從漿材細(xì)度考慮，選擇細(xì)顆粒的水泥漿材，以加大補(bǔ)強(qiáng)灌漿中微裂隙和多次復(fù)灌巖體的可灌性，如江埡水利樞紐的改性水泥高水頭帷幕補(bǔ)強(qiáng)灌漿、三峽工程采用的濕磨細(xì)水泥高水頭灌漿、陳村水電站采用的細(xì)水泥灌漿等。但高水頭下在細(xì)微裂隙地層中，單獨(dú)采用水泥灌漿，其效果往往不如人意，難以達(dá)到防滲標(biāo)準(zhǔn)，化學(xué)漿材的灌漿效果是毋庸置疑的，且化學(xué)漿材的膠凝時間可控，但由于化學(xué)漿材價(jià)格昂貴，因此在工程實(shí)踐中往往采用水泥-化學(xué)復(fù)合灌漿，如江埡、三峽、陳村等采用水泥灌漿效果不佳后，又采用水泥-化學(xué)復(fù)合灌漿，取得了良好的灌漿效果。

水泥-化學(xué)復(fù)合灌漿中的水泥漿可以有效填充較大巖體裂隙，形成有利于化學(xué)灌漿的相對封閉區(qū)域，控制化學(xué)漿液的擴(kuò)散范圍，減少化學(xué)灌漿單耗，節(jié)省工程投資，同時由于寬大裂隙已被先灌注的水泥漿填充，也不存在單純化學(xué)灌漿后機(jī)械性反向擠出的隱憂。

水泥-化學(xué)復(fù)合灌漿可分為排間復(fù)合、排內(nèi)復(fù)合、孔內(nèi)復(fù)合，各有其優(yōu)缺點(diǎn)(見表1)，也都有成功的工程實(shí)例。

表1 不同水泥-化學(xué)復(fù)合灌漿的優(yōu)缺點(diǎn)

3 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

丹江口水利樞紐初期工程分別采用過普通水泥、磨細(xì)水泥及丙凝化學(xué)漿材灌漿，結(jié)果表明：普通水泥灌漿效果較差，磨細(xì)水泥灌后仍存在較多不合格現(xiàn)象，其可灌性與普通水泥效果差別不大；丙凝灌漿效果較好，說明材料的細(xì)度直接決定灌漿效果?；谝陨戏治觯瑸楣?jié)省工程投資，現(xiàn)場灌漿試驗(yàn)采用濕磨細(xì)水泥-化學(xué)漿材復(fù)合灌漿型式。

濕磨細(xì)水泥采用長江科學(xué)院生產(chǎn)的新型GSW高效水泥濕磨機(jī)將普通水泥漿液現(xiàn)場磨制而成，經(jīng)現(xiàn)場2次取樣，平均粒徑D50分別為9.73 μm和9.36 μm?；瘜W(xué)漿材采用新型AC-Ⅱ丙烯酸鹽，該產(chǎn)品在毒性、濕抗壓強(qiáng)度等方面均屬國內(nèi)領(lǐng)先水平，毒性檢測為實(shí)際無毒。

復(fù)合灌漿試驗(yàn)分A1區(qū)和A2區(qū)2個子區(qū)(見圖1)。

圖1 水泥-化學(xué)復(fù)合灌漿孔位布置

A1區(qū)為排內(nèi)復(fù)合灌漿，Ⅰ，Ⅱ序孔為濕磨細(xì)水泥灌漿，Ⅲ序孔為化學(xué)漿材灌漿。A2區(qū)為孔內(nèi)復(fù)合灌漿，根據(jù)灌前壓水透水率(q)進(jìn)行選擇，當(dāng)q>2 Lu時，采用濕磨細(xì)水泥灌漿，灌后進(jìn)行壓水檢查，如q<1 Lu則進(jìn)行下一段鉆灌，q≥1 Lu則采用丙烯酸鹽化學(xué)漿材復(fù)灌；當(dāng)q≤2 Lu時，采用丙烯酸鹽化學(xué)漿材灌漿。

4 補(bǔ)強(qiáng)灌漿關(guān)鍵施工工藝

4.1 水泥灌漿

(1) 灌漿方法及分段長度：第1段(孔口段)采用常規(guī)孔內(nèi)循環(huán)灌漿法并鑲嵌孔口管，第2段及其以下各段采用“小口徑孔、孔口封閉、孔內(nèi)循環(huán)、自上而下分段”灌漿法，基巖段長劃分：壓水、灌漿分段均為第1段(孔口段)2 m，第2段3 m，第3段及以下各段一般為5 m，最大段長不得大于6 m。

(2) 灌漿壓力：第1段灌漿壓力為2.0 MPa，第2段灌漿壓力為2.5 MPa，第3段灌漿壓力為3.0～3.5 MPa，第4段及以下各段灌漿壓力為4.0～4.5 MPa。若遇涌水現(xiàn)象，灌漿壓力按設(shè)計(jì)灌漿壓力+涌水壓力控制。

(3) 待凝時間：針對濕磨細(xì)水泥灌漿，屏漿、待凝是解決涌水條件下灌漿成幕的一項(xiàng)有效手段，現(xiàn)場施工待凝時間采用6 h。

4.2 化學(xué)灌漿

(1) 灌漿方法及分段長度：采用“自上而下分段，孔內(nèi)阻塞純壓式灌漿法”施工?；鶐r段段長劃分同濕磨細(xì)水泥灌漿孔。

(2) 灌漿壓力：第1段灌漿壓力為1.5 MPa，第2段及以下各段灌漿壓力為2.0 MPa。若遇涌水現(xiàn)象，灌漿壓力按設(shè)計(jì)灌漿壓力+涌水壓力控制。

(3) 漿液的膠凝時間：根據(jù)灌前壓水透水率(q)選擇，q≤1 Lu時，膠凝時間采用50 min；1 Lu2 Lu時，膠凝時間采用35 min。

由于緩凝劑摻量和施工現(xiàn)場環(huán)境溫度、水質(zhì)、涌水量對化學(xué)漿材的膠凝時間均有影響，因此灌漿施工前進(jìn)行了現(xiàn)場漿材配比及膠凝時間試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：對于有涌水的孔段，膠凝時間明顯延長，甚至可達(dá)50%～100%。灌漿試驗(yàn)過程中對有涌水的孔段，膠凝時間根據(jù)透水率選擇后視涌水情況適當(dāng)縮短5～10 min，但為確保灌漿效果，膠凝時間不得短于30 min。

(4) 漿液的配制與變漿：為了防止?jié){液浪費(fèi)，配漿應(yīng)遵循少量多次的原則，第一次配漿量=(孔容+管容+泵容+壓水每分鐘流量)×10 min。灌漿過程中，若需加漿則根據(jù)孔內(nèi)吸漿率來確定下次配漿量，原則上不需改變漿液膠凝時間，但當(dāng)灌漿時間超過膠凝時間0.5～1.0倍還未達(dá)到結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)時，可逐步縮短膠凝時間。

(5) 管路安裝：根據(jù)灌漿段長下入塑料射漿管，射漿管距孔底≤50 cm。射漿管接在氣囊式阻塞器底端，阻塞器阻塞在本灌段上部50 cm處。阻塞器上部接O|15 mm的鋼管作為進(jìn)漿管，回漿管采用O|15 mm的鋁塑管。為防止灌漿時漿液通過裂隙繞阻塞器滲漏造成阻塞器被埋，在安裝進(jìn)回漿管的同時下入一根水管，以防灌漿繞塞時漿液膠凝造成阻塞器被埋。

(6) 回漿排水量控制：灌漿開始前，應(yīng)置換管路和灌漿段內(nèi)的水體，回漿量按孔容+管容+泵容控制，并根據(jù)涌水情況考慮1.15～1.20的系數(shù)。

(7) 灌漿壓力控制：排水結(jié)束后，關(guān)閉回漿管方可開始升壓灌漿計(jì)算實(shí)際灌入量，每5 min記錄一次注入量。灌漿壓力應(yīng)與注入率相適應(yīng)。

(8) 灌漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)：在設(shè)計(jì)灌漿壓力下，應(yīng)灌至連續(xù)3個灌漿注入率的讀數(shù)小于0.1 L/min方可結(jié)束。對于有涌水的孔段，應(yīng)灌至孔內(nèi)漿液膠凝。

(9) 特殊情況處理：灌漿過程中，有可能會出現(xiàn)灌漿孔孔壁不規(guī)則、阻塞器難以阻塞嚴(yán)實(shí)或漿液通過裂隙串至阻塞器上部的現(xiàn)象。若發(fā)生此現(xiàn)象，則灌漿過程中壓力能升到設(shè)計(jì)壓力則快速升壓至設(shè)計(jì)壓力，灌注10 min，待大部分漿液滲透到細(xì)小的巖石裂隙后，根據(jù)灌漿情況適當(dāng)降低灌漿壓力至1.5 MPa或1 MPa進(jìn)行低壓慢灌至結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。

5 試驗(yàn)成果分析

5.1 壓水資料分析

復(fù)合灌漿完成14 d后，在A1區(qū)布置了2個壓水檢查孔，共計(jì)進(jìn)行常規(guī)壓水試驗(yàn)17段；A2區(qū)共布置了1個壓水檢查孔，共計(jì)進(jìn)行常規(guī)壓水試驗(yàn)7段。

A1區(qū)所有孔段的壓水透水率均小于1 Lu，僅1段大于0.5 Lu，平均值0.097 Lu，而且檢查孔灌后平均涌水量僅0.28 L/min、灌后平均涌水壓力為0.05 MPa；A2區(qū)所有孔段的壓水透水率均遠(yuǎn)小于1 Lu，最大值0.187 Lu，平均值0.093 Lu，而且檢查孔灌后平均涌水量僅0.39 L/min，灌后平均涌水壓力為0.06 MPa。由此可見排內(nèi)復(fù)合和孔內(nèi)復(fù)合的灌漿效果均較好。

5.2 聲波測試成果分析

聲波測試成果見表2，綜合分析認(rèn)為：灌后單孔和跨孔聲波波速平均值有所提高，幅度一般在5%～6%，特別是分布于相對低波速區(qū)測點(diǎn)數(shù)所占的百分比降低幅度明顯，說明復(fù)合灌漿效果良好。

表2 聲波測試成果

5.3 疲勞壓水成果分析

為驗(yàn)證復(fù)合灌漿后帷幕幕體滲透穩(wěn)定性和耐久性，采用純壓方式進(jìn)行疲勞壓水試驗(yàn)。壓水壓力為1.0 MPa+涌水壓力，純壓持續(xù)時間不少于48 h。疲勞壓水試驗(yàn)成果見圖2，透水率-時間曲線大致分2個階段。

(1) 第1階段：隨著裂隙通道被壓水充填，透水率由初始0.50 Lu逐漸降至0.11 Lu，歷時大約4 h(發(fā)生時段0～4 h)。

(2) 第2階段：自4 h直至壓水結(jié)束，壓力水未產(chǎn)生明顯裂隙，透水率維持在0.11 Lu附近小幅波動，試驗(yàn)終止透水率為0.09 Lu(小于初始透水率)，歷時長達(dá)44 h(發(fā)生時段4～48 h)。

圖2 透水率-時間曲線

濕磨細(xì)水泥+丙烯酸鹽化學(xué)漿材復(fù)合灌漿區(qū)耐久性壓水試驗(yàn)成果表明，整個壓水歷時過程中，均未產(chǎn)生明顯劈裂，且最終注入率較初始注入率降低，透水率穩(wěn)定在低值區(qū)域，耐久性較好。

6 結(jié) 語

水泥-化學(xué)復(fù)合灌漿技術(shù)在處理丹江口高水頭條件下帷幕補(bǔ)強(qiáng)灌漿中克服了高水頭大涌水條件下帷幕成幕困難、巖體細(xì)微裂隙發(fā)育且經(jīng)過反復(fù)灌漿，可灌性差等不利條件，主要結(jié)論如下：

(1) 水泥-化學(xué)復(fù)合灌漿具有處理效果好、節(jié)約投資及節(jié)省工期等優(yōu)點(diǎn)，考慮施工方便，建議優(yōu)先采用排內(nèi)復(fù)合灌漿。研究成果直接應(yīng)用于后期的工程設(shè)計(jì)和施工，實(shí)踐證明效果良好。

(2) 針對高水頭帷幕補(bǔ)強(qiáng)灌漿特點(diǎn)的化灌工藝安全可靠、操作方便、經(jīng)濟(jì)適用。

(3) 水泥-化學(xué)復(fù)合灌漿有效地解決了丹江口壩基帷幕補(bǔ)強(qiáng)灌漿問題，對其它工程高水頭帷幕灌漿的實(shí)施具有很好的借鑒和參考作用。

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