基于帷幕灌漿法的水電站工程特殊地層施工技術(shù)研究

王麗紅

(湖北文理學(xué)院 土木工程與建筑學(xué)院, 湖北 襄陽 441053)

關(guān)于水電站的帷幕灌漿研究較多,但是大多數(shù)的研究基于一般地質(zhì)進(jìn)行研究[1-5].水布埡水電站的地質(zhì)情況比較特殊,且帷幕通過的地層更加復(fù)雜,主要為二疊系下統(tǒng)茅口組(P1m)、棲霞組(P1Q1-15)、馬鞍組(P1ma)、石炭系黃龍群(C2h);泥盆系上統(tǒng)寫經(jīng)寺組(D3x);志留系紗帽組(S2sh)等.其中,茅口組層的土質(zhì)為厚層塊狀灰?guī)r,厚度約為70 m;棲霞組層的巖體表現(xiàn)為軟硬相間的特點(diǎn),中間存在多層面和多剪切帶,總厚度為192～241 m;馬鞍組層可分為兩部分,其中上部分是煤系地層,下部分為不均勻的砂巖和石英砂巖;黃龍群地層的構(gòu)成包括灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r夾砂巖,且?guī)r層的厚度變化較大;泥盆系、志留系兩個(gè)地層的厚度非常大,主要構(gòu)成包括砂頁巖等碎屑巖地層,該地層具有較好的隔水性.與傳統(tǒng)的研究相比,水布埡水電站的地質(zhì)更加特殊、地層更加復(fù)雜,其地層包含了多個(gè)組,土質(zhì)也相差較大,因此傳統(tǒng)的帷幕灌漿方法不一定適應(yīng),基于此,故針對(duì)水布埡特殊的地質(zhì)與地層,通過實(shí)驗(yàn)的方法確定了灌漿方法.

1 灌漿實(shí)驗(yàn)方法

水布埡水電站溶蝕砂化地層的特殊性,只能采取孔口封閉法進(jìn)行灌漿施工,并且試驗(yàn)中對(duì)普通水泥漿液灌漿、磨細(xì)水泥漿液灌漿、穩(wěn)定漿液灌漿進(jìn)行了對(duì)比研究,最終確定帷幕灌漿的施工工藝與各項(xiàng)參數(shù).為保障灌漿的質(zhì)量并且實(shí)現(xiàn)預(yù)期目標(biāo),施工前借助帷幕灌漿先導(dǎo)孔的取芯、壓水試驗(yàn)、孔內(nèi)電視等方法,明確灌漿區(qū)域的地質(zhì)特點(diǎn),分析溶蝕裂隙的發(fā)育情況、溶蝕砂化條帶的寬窄與深度、地層的灌漿可行性.最后,記錄各項(xiàng)數(shù)據(jù).施工中,需要嚴(yán)格、細(xì)致地記錄破碎巖層和夾泥軟弱砂巖鉆孔時(shí)的涌水、涌砂問題,同時(shí)還要記錄壓水試驗(yàn)的結(jié)果,記錄是否存在無壓無回段次的分布,并且在灌漿后進(jìn)行對(duì)比,進(jìn)而評(píng)價(jià)灌漿施工的整體質(zhì)量.

2 工程灌漿施工技術(shù)

2.1 工程概況

水布埡水電站地處清江的中游,水電站的壩址上游與恩施市的距離為117 km,下游距離河沿水電站92 km,距離清江與長(zhǎng)江的匯入口(宜都市)153 km.該水電站的正常蓄水位為400 m,有效庫容為24.8×108m3,總庫容達(dá)到45.8×108m3,水電站裝機(jī)1 860 MW(包括2 MW自備保安電源電站),年平均發(fā)電量為39.2×108k W·h.其中,該水電站的壩址區(qū)域地質(zhì)特殊,加上水頭高、灌漿蓋質(zhì)量輕、防滲線路長(zhǎng)、防滲要求高、關(guān)鍵工程量大等多種原因,根據(jù)我國《水工建筑物水泥灌漿施工技術(shù)要求》,此類灌漿需先進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),確定灌漿的設(shè)計(jì)參數(shù)和施工方案后,才可進(jìn)行灌漿,以保證灌漿結(jié)構(gòu)安全高效地完成.

2.2 施工水電站地質(zhì)條件

1)地質(zhì)構(gòu)造.水布埡壩址河谷岸坡地帶斷層現(xiàn)象明顯,在河谷岸邊的平洞開挖中各類斷層總數(shù)超過了100條,經(jīng)過防滲帷幕的規(guī)模較大的斷層主要有F2斷層、F12斷層、F14斷層等,且F2斷層展在右側(cè)岸邊的帷幕端頭,且熔巖沿著斷層發(fā)育逐漸加強(qiáng).

2)巖溶.水布埡水電站壩區(qū)在勘探中,共有22個(gè)鉆孔遇到溶洞.借助于連通試驗(yàn),水布埡水電站帷幕共經(jīng)過8條巖溶管道系統(tǒng),其中河谷左岸共經(jīng)過I、VII、IX、XI、XII、XVII 6條巖溶管道系統(tǒng),右岸經(jīng)過VIII、X號(hào)2條巖溶管道系統(tǒng).通過分析左岸灌漿平洞可知,在300 m、350 m、400 m高程灌漿平洞位置都有溶洞,且350 m高程的灌漿平洞位置的巖溶發(fā)育最為明顯.結(jié)合勘探鉆孔的結(jié)果可知,溶蝕下限主要集中在棲霞組第3段(P1Q3),棲霞組(P1Q3)以下層位較少,主要分布在河床以及近河岸位置.溶蝕下限從河床逐漸向河兩岸上升,溶蝕下限包絡(luò)線具有左緩、右陡的特征.

3)巖體滲透特性.地層茅口組(P1m)、地層棲霞組(P1Q)與水布埡水電站帷幕防滲工程有著緊密的關(guān)系.通過對(duì)帷幕上27個(gè)鉆孔、近900段壓水資料分析可知,巖體透水性隨著深度的增加不斷變?nèi)?且自上而下存在較為明顯的強(qiáng)、弱透水分區(qū).上部分透水性較強(qiáng)(強(qiáng)透水區(qū)),滲流主要通過巖溶管道流,為巖溶化地塊;下部分透水性較弱(弱透水區(qū)),滲流主要表現(xiàn)為裂隙滲流,為裂隙性巖體.根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)可知,左岸趾板線上約有21%的強(qiáng)-中等透水區(qū)(透水率q超過10 Lu),約有69%弱-微透水區(qū)(透水率q小于10 Lu);左岸過壩肩到鄒家溝,37%為上部強(qiáng)透水區(qū)(q超過100 Lu),63%為弱-微透水區(qū)(q小于10 Lu).

2.3 設(shè)計(jì)方案

水布埡水電站帷幕灌漿基于溶蝕沙化地質(zhì)條件的特點(diǎn)主要有5個(gè)方面.1)灌漿材料數(shù)量大.由于溶蝕沙化地質(zhì)條件造成了較多的溶蝕裂隙,增加了巖體的透水性,因此灌漿材料數(shù)量與非溶蝕砂化地質(zhì)條件相比要多.2)防滲帷幕深.與一般巖石地區(qū)相比,溶蝕砂化地區(qū)的防滲帷幕深度要大,部分大壩的壩基帷幕深度是壩高的2或3倍.3)防滲帷幕的施工線非常長(zhǎng),且在溶蝕砂化地質(zhì)情況下,該部分區(qū)域的壩基、壩肩以及水庫周邊都要求有防滲帷幕設(shè)計(jì).4)帷幕灌漿的工程量巨大.溶蝕砂化地質(zhì)層的防滲帷幕深度大、帷幕設(shè)計(jì)軸線長(zhǎng)導(dǎo)致灌漿工程量巨大.5)灌漿施工繁復(fù).溶蝕砂化地質(zhì)條件下,由于地質(zhì)復(fù)雜,施工中必須根據(jù)勘探鉆孔的巖層特點(diǎn),選擇對(duì)應(yīng)的灌漿工藝.

水布埡水電站右岸的大壩防滲帷幕主要分為兩部分,分別是上游和下游防滲帷幕.而右岸的上游防滲帷幕的位置在壩基上游縱向灌漿廊道以及大壩壩肩山體內(nèi)高程為985 m和1 141 m的灌漿平洞.防滲帷幕的設(shè)計(jì)方式為懸掛式,且帷幕的底端直達(dá)透水率低于3.0 Lu的相對(duì)不透水層,且深入3.0～5.0 m,孔位的設(shè)計(jì)方式為3排梅花形,孔排距為1.5 m,孔距為2.0 m,最大孔深為146 m.下游防滲帷幕的位置在壩基下游縱向灌漿廊道內(nèi),同樣采取懸掛式的防滲帷幕,孔位采取兩排梅花形設(shè)計(jì),排距、孔距與上游帷幕相同,最大孔深為61.0 m,其他孔深在下游最大水頭的0.5～10倍范圍內(nèi).

2.4 灌漿方法

2.4.1 灌漿施工次序

在帷幕灌漿施工中,必須遵循施工工藝次序的原則,也就是先逐漸縮小孔距、再鉆孔逐步加密.按照上述原則設(shè)置施工順序的優(yōu)點(diǎn)較為明顯,首先灌漿的漿液能夠逐漸擠壓,漿液更加密實(shí),有助于提升帷幕的完整和連續(xù)[1];其次,灌漿次序的增加,提高了灌漿的壓力,能夠更好地?cái)U(kuò)散漿液,促進(jìn)漿液與巖石的緊密結(jié)合,提升了其粘結(jié)程度.通過分析各次序孔的單位灌漿量、透水率能夠有效地了解灌漿質(zhì)量與效果,從而確定灌漿鉆孔的數(shù)量以及鉆孔的深度,有助于后期施工.

2.4.2 灌漿方法

水布埡水電站的大壩壩基所在區(qū)域的地質(zhì)非常特殊,存在溶蝕砂化條帶裂隙發(fā)育.由于巖石的破碎引起鉆孔的不穩(wěn)定,因而自下而上的卡塞灌漿法不適用,因此,施工中選擇了自上而下孔口封閉高壓循環(huán)灌漿法.高壓灌漿會(huì)對(duì)水泥漿的力學(xué)特性造成變化,因此在實(shí)際施工中要求選擇設(shè)備和管路要求更高的、專門的孔口封閉裝置.采取高壓循環(huán)灌漿法能夠減少因繞賽返漿引發(fā)的安全問題,同時(shí)灌漿中壓力要控制好,壓力要圍繞灌漿位置的深度變化而及時(shí)調(diào)整[2].與此同時(shí),高壓循環(huán)灌漿法也存在一定的不足,例如,灌漿操作結(jié)束后存在一段待凝時(shí)間,灌漿工作與鉆孔交替施工,致使工期延長(zhǎng).

2.4.3 灌漿材料

灌漿采用的水泥為P.O42.5普通硅酸鹽水泥,水泥的質(zhì)量滿足GB175—2007(1)《通用硅酸鹽水泥》的要求,且水泥細(xì)度經(jīng)試驗(yàn)表明過80μm方孔篩的余量在5%以內(nèi).另外,每一個(gè)批次的水泥都要進(jìn)行取樣檢查,檢測(cè)的項(xiàng)目包括水泥抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、凝結(jié)時(shí)間、體積的安定性、標(biāo)準(zhǔn)稠度、標(biāo)準(zhǔn)細(xì)度和密度,并且上述項(xiàng)目對(duì)應(yīng)的時(shí)間分別為第3天和第28天.取樣規(guī)則為每200 t相同品種、相同強(qiáng)度等級(jí)的水泥抽檢一次.每一批水泥只有檢測(cè)合格后才能夠使用.另外,磨細(xì)水泥則是利用P.O42.5普通硅酸鹽水泥進(jìn)行濕磨法磨細(xì),磨細(xì)水泥要求比表面積大于7 500 cm2/g,D 50<5～8μm,Dmax<30μm,磨細(xì)水泥漿液灌漿時(shí)在灌漿部位隨磨隨灌.灌漿中,遇到滲水或者涌水等問題時(shí),尤其是較為嚴(yán)重的位置,可以通過摻入水玻璃等速凝劑解決.穩(wěn)定漿液的制作是先將普通漿液快速進(jìn)行攪拌,隨后加入助劑[3].穩(wěn)定漿液的配置比例以及對(duì)應(yīng)的力學(xué)特征見表1.

表1 穩(wěn)定漿液配合比及力學(xué)性能

2.5 灌漿工藝

1)用于灌漿的漿液濃度要遵循由稀到濃的原則,逐漸變化.水灰比共分為4個(gè)等級(jí),分別為2∶1、1∶1、0.8∶1、0.6∶1.其中,II序孔的選用2∶1的漿液開始灌注,III序孔則采用3∶1的漿液開始灌注.

2)帷幕灌漿以小口徑鉆孔,封閉孔口后采取分段方式從上而下進(jìn)行孔內(nèi)循環(huán)高壓灌漿法進(jìn)行灌注,灌漿的最大壓力值為4 MPa.其中,大壩趾板部位先采用均布錨桿加全面固結(jié)灌漿等措施后,將淺層灌漿壓力提升到1.0 MPa以上.

3)對(duì)于接觸段、優(yōu)先灌排I序孔2～10 m灌漿段以及注入率高于30 L/min的其他孔段,選擇分級(jí)升壓的設(shè)計(jì)方式,逐步增加壓力直到達(dá)到設(shè)計(jì)壓力值為止,且壓力提升的速度要控制且穩(wěn)定在0.5 MPa/10 min以內(nèi).在逐漸升壓的過程中,每一級(jí)壓力的灌漿時(shí)間都不能少于15 min,與此同時(shí)其他孔段的灌注壓力要在短時(shí)間內(nèi)增加到設(shè)計(jì)壓力值.

4)在某一比級(jí)漿液注入量達(dá)到或者超過300 L,或者灌注時(shí)間已經(jīng)達(dá)到30 min,但灌漿的壓力和注入率無明顯變化時(shí),應(yīng)該更換濃度更高一級(jí)的水灰比漿液灌注.當(dāng)注入率已經(jīng)超過30 L/min時(shí),可根據(jù)灌漿的實(shí)際情況選擇更高級(jí)濃度的漿液灌注.

5)基于規(guī)定的壓力,注入率低于1 L/min的持續(xù)灌漿,30 min后能夠結(jié)束灌注,長(zhǎng)時(shí)間無法達(dá)到結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)時(shí),需要沖孔重新灌漿.

6)每一個(gè)帷幕灌漿孔灌注結(jié)束時(shí),需要檢驗(yàn),驗(yàn)收合格后使用0.5∶1普通水泥漿液對(duì)灌漿孔進(jìn)行灌漿,所有漿液灌注完成后將灌漿孔封閉.灌漿孔封閉的壓力選擇最大值,且封孔時(shí)間為1 h.

3 結(jié)果與討論

通過對(duì)灌漿成果分析發(fā)現(xiàn),單位吸水率在0.001 L/(min·m·m)以內(nèi)的孔段占比為9.5%,單位吸水率在0.001 L/(min·m·m)至0.005 L/(min·m·m)之間的孔段占比為74.8%,而單位吸水率在0.005 L/(min·m·m)與0.01 L/(min·m·m)之間的孔段數(shù)量占比為11.5%,單位吸水率超過0.01 L/(min·m·m)的孔段數(shù)量占比為4.2%.另外,單位注入量小于5 kg/m的孔段占比為75%,高于5 kg/m的孔段占比為25%,大于10 kg/m的孔段占比為10%.單位吸水率低于0.01 L/(min·m·m)的孔段頻率大于35%,換言之,超過95%的孔段灌漿前的防滲性能符合設(shè)計(jì)的要求.同時(shí),孔序加密后單位吸水率以及單位注入量較小的孔的頻率不斷增加,而單位吸水率、單位注入量數(shù)值較大的孔的頻率則出現(xiàn)了下降的特點(diǎn).變化趨勢(shì)與規(guī)律與一般灌漿規(guī)律一致,由此可知,在可灌性較差的巖石中,水泥灌漿能夠發(fā)揮出防滲的作用,灌漿效果較好.另外,平均單位注入量較低,但是大于5 kg/m單位注入量的孔段占比相對(duì)較高,說明在巖石中水泥填充了較大的空隙.水布埡水電站的地質(zhì)較為特殊,完成帷幕灌漿后,對(duì)檢查孔進(jìn)行了壓水實(shí)驗(yàn),結(jié)果顯示超過55%的孔段的P-Q曲線為升孔曲線凸向2軸,降壓曲線以及升壓曲線不在同一位置,表現(xiàn)出逆時(shí)針的環(huán)狀.在升壓過程中,細(xì)粉砂巖以及夾泥能夠吸收水量,此時(shí)吸水趨于飽和,因此降壓中吸水量減少,出現(xiàn)多數(shù)孔段P-Q曲線呈現(xiàn)出充填的特征,與地層特征相耦合.

在本次研究中發(fā)現(xiàn),帷幕灌漿中可能存在一定的問題,例如鉆孔時(shí)出現(xiàn)坍塌、滲漏等問題;灌漿時(shí)出現(xiàn)灌漿孔連通等.當(dāng)出現(xiàn)問題時(shí)需及時(shí)排查.在斷裂構(gòu)造發(fā)育帶、溶蝕條帶處的鉆孔可能出現(xiàn)坍塌、滲漏或者是掉塊等問題,因此要及時(shí)停止鉆孔并查明原因.在一般情況下,可對(duì)每段長(zhǎng)度進(jìn)行壓縮,然后灌漿處理,待灌注結(jié)束后再完成下一段的鉆孔和灌漿操作.

鉆孔、灌漿中如果出現(xiàn)灌漿孔連通,需查明串通的數(shù)量和范圍.如果串漿孔能夠灌漿,應(yīng)泵、孔同時(shí)灌漿.如果串漿孔不具備漿液灌注的能力,要先將串漿孔堵塞.在灌漿孔的灌漿操作結(jié)束后,再對(duì)串漿孔進(jìn)行沖洗,最后繼續(xù)完成鉆孔和灌漿操作[4].

對(duì)于涌水的孔段,在灌注前要測(cè)量涌水的壓力和流量,結(jié)合涌水情況進(jìn)行科學(xué)處理.通常處理的方法主要有9種,分別是降低分段的長(zhǎng)度、提升灌注的壓力、采用純壓式灌注(避免射漿管中的漿液凝固)、灌注濃漿或者是穩(wěn)定漿液、灌注速凝漿液、屏漿(依據(jù)相關(guān)規(guī)定和標(biāo)準(zhǔn),在完成操作后要保持原漿液濃度和壓力,持續(xù)灌漿一段時(shí)間,確保填充的有效性,有助于裂隙處漿液的凝固,以防水泥隨涌水流出)、閉漿(完成屏漿和灌漿操作后,要立即關(guān)閉進(jìn)回漿閥門,使鉆孔內(nèi)的漿液始終處于受壓的狀態(tài),待漿液初凝壓力完全消失后再將孔口裝置拆除)、待凝(涌水漿液與灌漿的壓力決定了待凝時(shí)間,一般條件下36～48 h可結(jié)束)、及時(shí)封孔[5].

當(dāng)部分孔段的注入率大、灌漿不能正常完成時(shí),應(yīng)該先停止灌注操作,檢查影響灌漿范圍內(nèi)的岸坡、結(jié)構(gòu)分縫、冷卻水管以及地下洞井等,如發(fā)現(xiàn)串通,在相關(guān)處理后可恢復(fù)漿液灌注.再次灌漿時(shí),要選擇低壓、濃漿、限流、限量、間歇灌漿的方法進(jìn)行灌注,特殊情況時(shí)可摻入適當(dāng)?shù)乃倌齽┻M(jìn)行灌注.處理結(jié)束后,在待凝24小時(shí)后再重新掃孔補(bǔ)充灌漿.灌漿時(shí),要及時(shí)地匯報(bào)灌漿情況,進(jìn)而結(jié)合當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)條件,確定是否還需要補(bǔ)充鉆孔、灌漿.灌漿操作中,當(dāng)發(fā)現(xiàn)回漿變濃時(shí),要改變漿液的濃度,重新使用回漿變濃前的水灰比的新漿液進(jìn)行灌注;如果處理后依然回漿變濃,可選用3∶1的磨細(xì)水泥漿液灌注.

4 結(jié) 語

水布埡水電站地質(zhì)較為特殊,在使用帷幕灌漿法時(shí)要結(jié)合地質(zhì)條件與工藝特點(diǎn),設(shè)計(jì)出科學(xué)合理的施工方案.施工中嚴(yán)格遵循既定的帷幕灌漿施工工藝和參數(shù),及時(shí)、有效地處理特殊地質(zhì)造成的漿液失水返濃、冒水涌水等現(xiàn)象,有助于提升工程的質(zhì)量,保證施工的安全.實(shí)際結(jié)果顯示,水布埡水電站的大壩帷幕灌漿的防滲效果較佳,緩解了壩基的滲漏問題,為水電站穩(wěn)定、安全、經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行提供了保障.