化學(xué)灌漿技術(shù)在拉西瓦水電站斷層處理中的應(yīng)用

付新梅，潘忠義

（中國水利水電第四工程局有限公司，青海 西寧 810007）

化學(xué)灌漿技術(shù)在拉西瓦水電站斷層處理中的應(yīng)用

付新梅，潘忠義

（中國水利水電第四工程局有限公司，青海 西寧 810007）

位于拉西瓦水電站河床9—14號壩段的F172斷層為壓扭性，斷層帶內(nèi)巖石大部分裂隙、節(jié)理處于閉合狀態(tài)或細(xì)微裂隙。在水泥灌漿的基礎(chǔ)上，使用化學(xué)灌漿技術(shù)，對斷層及影響帶巖體進(jìn)行了“中化-798”化學(xué)漿液灌漿，效果顯著，化學(xué)漿液凝固后，堵塞了巖體滲水通道，改善了巖石結(jié)構(gòu)，大幅度降低了斷層帶巖體透水率，提高了斷層帶巖體防滲性能。

中化－798；化學(xué)灌漿技術(shù)；F172斷層帶；防滲處理；拉西瓦水電站

1　概述

拉西瓦水電站位于青海省貴德縣境內(nèi)，屬大（1）型一等工程，永久性主要水工建筑物為一級建筑物。由混凝土雙曲拱壩（壩高250m）、壩后水墊塘及二道壩、壩身泄洪表孔深孔底孔及右岸地下廠房主變開關(guān)室組成。大壩建成后將形成10.79億m3的水庫，電站裝機(jī)容量4200MW（6×700 MW）。

根據(jù)地質(zhì)資料，在建基面基坑上游17～20m處有F172斷層通過，距壩體上游邊約5m處壩基內(nèi)垂直通過河床 9—14號壩段，在壩基下埋深 90～116m，產(chǎn)狀NW280°～320°，SW或NE，以60°～70°傾角傾向下游，寬約115m，影響帶寬1～2m，由壩上游至下游，滲透性斷呈明顯各向異性，是壩基強(qiáng)滲水部位。

由于F172斷層為壓扭性，其內(nèi)部及影響帶內(nèi)巖石內(nèi)存在著的大部分裂隙、節(jié)理處于閉合狀態(tài)或細(xì)微裂隙，雖然采用了高壓、濕磨水泥帷幕灌漿措施，但該部位基巖防滲效果改善不明顯，部分基巖透水率仍達(dá)不到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)龍羊峽、李家峽化學(xué)灌漿資料，中化—798化學(xué)漿材是一種高滲透性的補(bǔ)強(qiáng)化學(xué)灌漿材料，漿液是真溶液，漿液密度約為1.08，與水相似，高滲透性漿液，可灌性好，可灌入低滲性k≤10-6cm/s地層、破碎帶、夾泥層，巖芯檢查、偏光、電鏡分析，可灌入0.005～0.001mm的裂隙中，即水能通過的縫隙中化—798漿材基本就能通過；并具有力學(xué)指標(biāo)高；耐老化，安定性好，穩(wěn)定性好；固化后無毒，不污染環(huán)境特點。故對分布在河床9—14號壩段的F172斷層及影響帶運用中化—798化學(xué)灌漿技術(shù)措施，改善巖石結(jié)構(gòu)，提高防滲能力。

2　工藝原理

中化—798漿材屬呋喃—環(huán)氧體系，由主劑環(huán)氧6101，溶劑，固化劑P1，促進(jìn)劑P2，改性劑D1、D2組成。采用物理和化學(xué)方法研究滲透擴(kuò)散原理，使?jié){材中的環(huán)氧基、羥基、醚鍵和呋喃環(huán)氧極性基團(tuán)，滲入地層中的金屬氧化物和無機(jī)鹽類極性基因，SiO2，AI2O3，CaCO3等物質(zhì)中去，在被灌基團(tuán)表面產(chǎn)生范德華力形成氫鍵，包裹被灌介質(zhì)，達(dá)到擴(kuò)散固化目的。對于地層極性基團(tuán)（分子），漿材對巖石微粒首先必須是能浸潤的，才具備能產(chǎn)生范德華力的條件。加入D2摻加劑改變了漿材的接觸角和表面張力，增加了漿材的滲透性和浸潤性能，充分使?jié){材滲入粘土極性基因中浸潤地層介質(zhì)，由于改變了接觸角，增加了對介質(zhì)微粒的浸潤性，借助灌漿壓力，增大了滲透范圍。

將中化—798化學(xué)漿液，按照規(guī)定的配比或濃度，借用灌漿泵對之施壓，壓送到壩基巖石的裂隙、空隙、節(jié)理、斷層等存在缺陷的部位充填這些裂隙、空隙、節(jié)理、斷層等，經(jīng)過漿材的化學(xué)反應(yīng)，起到固結(jié)、粘合裂隙、空隙、節(jié)理、斷層，從而提高壩基巖石的承載強(qiáng)度和抗變形能力以及傳遞應(yīng)力，使壩基巖石滿足設(shè)計要求。

3　施工方案

為了減少中化-798化學(xué)漿液灌注量，節(jié)約成本，在7—14號壩段先進(jìn)行濕磨水泥灌漿，凝固后封堵較大的裂隙、節(jié)理等滲水通道；再進(jìn)行中化-798化學(xué)漿液灌漿，對水泥漿液凝固堵塞的滲水通道進(jìn)一步封堵，同時化學(xué)漿液滲入大量的細(xì)小裂隙、節(jié)理，漿液凝固后堵塞細(xì)小滲水通道，降低基巖透水性，提高基巖防滲能力。

4　施工參數(shù)

4.1灌漿材料

1）水泥。采用P.O42.5普通硅酸鹽水泥，通過80um方孔篩，篩余量不大于5%，在制漿站進(jìn)行濕磨。

2）化學(xué)漿材。E-44型環(huán)氧樹脂，牌號6101（質(zhì)量指標(biāo)略）；丙酮（質(zhì)量指標(biāo)略）、固化劑、促進(jìn)劑、改進(jìn)劑等。

4.2水泥灌漿參數(shù)

1）采用地質(zhì)回轉(zhuǎn)鉆機(jī)、金剛石鉆頭，開孔孔徑φ90～φ110mm，終孔孔徑不小于φ60mm。

2）灌漿泵采用SGB6-10型灌漿泵，記錄采用能自動檢測密度、壓力、流量參數(shù)的自動記錄儀。

3）灌漿段第一段（接觸段）采用液壓塞阻塞，孔內(nèi)循環(huán)式灌漿；自第二段開始采用孔口封閉、孔內(nèi)循環(huán)、自上而下分段不待凝灌漿方法。

4）灌漿采用的水灰比分為5∶1，3∶1，2∶1，1∶1，0.8∶1，0.5∶1（重量比）等6個比級。

5）灌漿壓力，見表1。

表1　灌漿壓力表

6）在設(shè)計壓力下，帷幕灌漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)為同時達(dá)到以下兩點：當(dāng)注入率小于1L/min后，并持續(xù)灌注1h，或當(dāng)孔段處地下承壓水區(qū)域或有涌水時，注入率小于1L/min后，持續(xù)灌注90min；達(dá)到最大灌漿壓力后的總灌注歷時不小于90min。

7）采用機(jī)械壓漿封孔法。

4.3中化-798化學(xué)灌漿參數(shù)

4.3.1配漿

1）配漿分兩個階段：先將漿材配成A與B兩種漿液，密封運至灌注現(xiàn)場后再將A與B液混合攪拌，攪拌時間不小于10min。A與B混合液隨配隨用，避免因大量配制而造成棄漿浪費。并將盛有混合液的桶放入通有循環(huán)水的槽中冷卻，延緩漿液的化學(xué)反應(yīng)速度，降低漿液粘度的過快增長，必要時使用冰冷卻。但A與B混合液在循環(huán)水槽中的存放時間不得超過2h，否則按棄漿處理。從A與B兩種漿材混合攪拌開始至灌入巖體，整個過程漿材溫度應(yīng)控制在20℃以下，嚴(yán)禁使用漿溫已超過20℃后經(jīng)冷卻在限定溫度以下的漿液。

2）詳細(xì)記錄配漿過程，每一批次（按配漿的次數(shù)計，配一次漿為一個批次）的漿材均應(yīng)在現(xiàn)場留樣（混合后的漿材），每批漿材取3個試管的樣品，并編號登記妥善保管，以備查驗。

3）灌漿前對漿液進(jìn)行膠凝試驗，繪制時間－粘度膠凝曲線，凝膠時間大于預(yù)灌段灌注的總歷時，并考慮到粘度隨時間增大的因素，保證漿液在較低粘度下灌注，即在粘度時間關(guān)系線緩坡段的前半段時段內(nèi)灌入巖體。

4）“中化－798”灌漿結(jié)束后要用水泥漿頂漿，被水泥漿頂進(jìn)巖體中的漿材，應(yīng)考慮為總耗漿量的組成部分。

4.3.2鉆孔

鉆孔使用金剛石合金鉆頭，開孔孔徑可采用φ90～φ110mm，終孔孔徑不小于φ60mm。采用自上而下分段鉆進(jìn)法，段長同灌漿分段，段長長度依次為2.0，8.0，8.0，……最后一段不超過10.0m。

4.3.3鉆孔沖洗

1）每段鉆孔結(jié)束，采用壓力水進(jìn)行沖洗和裂隙沖洗，沖洗壓力為灌漿壓力的80%，且最大不大于1.0MPa。沖洗時必須將水管放至孔底，回水變清后30min結(jié)束。

2）鉆孔沖洗結(jié)束后，將風(fēng)管下至孔底，開啟高壓風(fēng)開關(guān)，將孔內(nèi)積水頂出孔外，孔口斷流后及時閉開關(guān)，稍許再打開開關(guān)，如此反復(fù)若干次，直至將孔內(nèi)積水排除干凈，排水風(fēng)壓不小于0.5MPa。排除孔內(nèi)積水后立即進(jìn)行“中化—798”化學(xué)灌漿。

4.3.4灌漿

1）灌漿方法。“中化—798”化學(xué)灌漿采用自上而下、孔口封閉、純壓、定量、定時、逐段、灌漿法。

2）“中化—798”灌漿順序。洗孔→“中化—798”漿液灌注→水泥漿頂漿→閉漿48h→下一段鉆灌→……→封孔。

3）灌漿壓力。見表2。

表2　“中化—798”化學(xué)灌漿灌漿段壓力控制表

4）灌漿方法。采用純壓式灌注。

5）灌注“中化—798”漿液。前1.0h在設(shè)計最大壓力下灌注，當(dāng)灌注歷時達(dá)1.0h時，計算單位注入率，若單位注入率大于0.05L/（min·m），保持單位注入率0.05L/（min· m）狀態(tài)灌注，直至滿足結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)；若單位注入率小于0.05 L/（min·m），在設(shè)計壓力下灌注，直至滿足結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。

6）結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。滿足下列條件之一者即可結(jié)束灌注：純灌注歷時T，非斷層段T≥30h，斷層段T≥40h；單位注入量，非斷層段不小于80L/m且純灌注歷時T≥30h，或斷層段不小于90L/m且純灌注歷時T≥30h。

7）水泥漿頂化學(xué)漿液。當(dāng)灌漿滿足結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)后，采用水灰比0.5∶1的水泥漿，將“中化—798”漿液從孔內(nèi)頂出，孔口返出水泥漿后，在設(shè)計壓力下閉漿24h后，該段化學(xué)灌漿結(jié)束。被水泥漿頂進(jìn)巖體中的漿材，計入總耗漿量。（注：純灌注歷時T為在壓力下灌注“中化—798”漿液的時間，不包括水泥漿頂漿和閉漿的時間。）

8）閉漿待凝。當(dāng)滿足上述條件中的任一條結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)時，在設(shè)計壓力下閉漿待凝48h后結(jié)束灌漿，進(jìn)行下一段的鉆灌。

4.3.5封孔

最后一段灌漿閉漿待凝結(jié)束，掃孔至原孔深，按帷幕灌漿封孔要求，采用0.5∶1的濃水泥漿進(jìn)行封孔。

4.4質(zhì)量檢查

“中化-798”灌漿后被灌巖體應(yīng)達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)：檢查孔巖芯獲得率（用金剛石鉆頭，雙層巖芯管鉆孔、取樣）90%以上；透水率不大于0.01L/（min·m·m）。

5　應(yīng)用成果分析

5.1水泥灌漿成果分析

水泥灌漿共施工62個灌漿孔（其中Ⅰ序孔19個、Ⅱ序孔14個、Ⅲ序孔29個），灌漿進(jìn)尺1906.1m（其中Ⅰ序孔597.1m、Ⅱ序孔421.4m、Ⅲ序孔887.6m），注入水泥量172447.2kg（其中Ⅰ序孔76184.5kg、Ⅱ序孔47288.8 kg、Ⅲ序孔48973.9kg）。

5.1.1巖體透水率分析

水泥灌漿孔分Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ序孔施工，各段灌漿前均進(jìn)行簡易壓水試驗，共壓水486段，平均透水率為0.0182L/（min·m·m），各序孔平均透水率分別為0.0258，0.0188，0.0107 L/（min·m·m），qⅠ＞qⅡ＞qⅢ，符合灌漿規(guī)律。

5.1.2單位注入量分析

水泥灌漿單位注入量Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ序孔分別為127.59，112.22，55.18kg/m，CⅠ＞CⅡ＞CⅢ，遞減率分別為12.05%，50.83%，隨孔序的遞增，單位注灰量呈遞減的趨勢，符合灌漿規(guī)律。

單位注入量小于10kg/m的灌漿段共計10段占灌漿總段數(shù)的2.06%，說明水泥漿液基本注入了較大的裂隙或節(jié)理，堵塞了較大的滲水通道，細(xì)小裂隙、節(jié)理中注入的水泥漿液很少，水泥漿液無力改變其透水性。

5.1.3水泥灌漿效果分析

灌前各序孔壓水試驗透水率小于0.01L/（min·m·m）共計349段，占總段數(shù)的71.81%。其Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ序孔分別為89，90，180段，分別占各序孔總段數(shù)的58.94%，74.07%和71.30%，說明細(xì)小裂隙、節(jié)理發(fā)育。

由灌漿前各序孔透水率區(qū)間與各序孔單位注入量區(qū)間對比分析可知，水泥灌漿堵塞了少部分較大的滲水通道，大部分細(xì)小裂隙、節(jié)理形成的滲水通道的堵塞須采用滲透性強(qiáng)的化學(xué)漿液，才能改善斷層及影響帶巖石透水性，提高基巖防滲能力。

5.2化學(xué)灌漿成果分析

“中化-798”化學(xué)灌漿共施工灌漿孔117個，化學(xué)灌漿孔117個，排距0.25m，孔間距2.0m。灌漿長3720.21 m，注入“中化-798”化學(xué)漿液265998.50kg；施工檢查孔6個，鉆孔進(jìn)尺257.5m，漿液單位注入量成果匯于表3。

表3　中化-798漿液單位注入量成果表

從表3可以看出，單位注入量I＜II＜III，主要原因：部分灌漿孔位置與壩基已埋的監(jiān)測儀器及電纜太近，對部分灌漿孔進(jìn)行了調(diào)整，11與12壩段取消了8個孔，同時取消部位的兩側(cè)4m范圍的灌漿孔，并將周圍其他孔灌漿壓力提高0.5MPa，灌漿時間延長了10h，此時已進(jìn)入II，III序孔的施工，致使單位注入量I＜II＜III。

由于灌漿參數(shù)規(guī)定：“中化-798化學(xué)灌漿采用的是定時、定量灌漿法，在設(shè)計壓力下，保持單位注入率0.05L/（min·m）狀態(tài)下灌注30h或40h后方可結(jié)束灌漿”，“保持單位注入率0.05L/（min·m）狀態(tài)下灌注30h或40h”漿液的注入量為97.2～129.6kg（漿液密度1.08），單位注入量為12.15～16.2kg/m（段長按8m計），致使582個灌漿段單位注入量均大于10kg/m，說明漿液在巖體裂隙、節(jié)理及孔隙中得到了擴(kuò)散充分，很好地填充裂隙、節(jié)理及孔隙，灌漿部位巖體結(jié)構(gòu)得到了改善。這從后序孔鉆孔過程中取出的含有大量的水泥結(jié)石和化學(xué)漿液結(jié)石（結(jié)石厚0.2～2 mm，陡傾角裂隙中結(jié)石所占比例較大）的巖芯可以進(jìn)一步證明。

5.3化學(xué)灌漿效果分析

化學(xué)灌漿結(jié)束74d后，施工了6個檢查孔，采用單點壓水法，壓水壓力2.0MPa，壓水長度185.3m，共計28段。透水率小于0.001L/（min·m·m）為26段，0.001～0.01L/（min·m·m）為2段；6個檢查孔平均透水率分別為0.0004，0.0007，0.0004，0.0004，0.0004，0.0002L/（min·m·m）；巖芯獲得率分別為91，92，92.4，93.5，93.8，92.6，均滿足設(shè)計要求（設(shè)計要求透水率小于0.01L/（min·m·m）、獲得率大于90%）。

檢查孔施工完畢后進(jìn)行了物探縱波測試，從灌后低速點的分布規(guī)模判斷，F(xiàn)172斷層在河床部位較上部有明顯的減小，化學(xué)灌漿后巖體的平均波速為5480m/s，小于3500 m/s的測點約占該測段的0.49%，灌漿質(zhì)量滿足設(shè)計要求。6個檢查孔平均透水率為0.00042L/（min·m·m），水泥灌漿前灌漿部位巖石平均透水率為0.0182L/（min·m·m），灌漿部位巖體透水率遞減率為97.7%，表明灌漿部位巖體結(jié)構(gòu)得到了顯著改善，巖體防滲能力得到了顯著提高。

6　結(jié)語

在F172斷層及影響帶處理過程中，水泥漿液基本注入了較大的裂隙或節(jié)理，堵塞了較大的滲水通道，滲透性強(qiáng)的“中化-798”化學(xué)漿液一方面對水泥漿液凝固后縫隙進(jìn)一步充填堵塞，同時漿液大量滲入細(xì)小裂隙、節(jié)理和孔隙，漿液凝固后堵塞細(xì)小滲水通道，“中化-798”化學(xué)灌漿后灌漿部位巖體透水率大幅度降低，表明F172斷層及影響帶巖體結(jié)構(gòu)得到了顯著改善，防滲能力顯著提高。

運用“中化-798”化學(xué)灌漿技術(shù)解決了F172斷層及影響帶防滲性能差的問題，提高了壩基巖體的防滲標(biāo)準(zhǔn)，保障了大壩安全運行。

“中化-798”化學(xué)灌漿技術(shù)化學(xué)灌漿技術(shù)解決了巖體中細(xì)微裂隙吸水不吸漿的難題，為大壩基礎(chǔ)處理設(shè)計、施工提供了技術(shù)保障。

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2015-01-22