論水泥-化學(xué)復(fù)合灌漿在砂板巖地區(qū)斷層帶處理中的應(yīng)用

干 海 勇 , 甘 貽 強(qiáng) , 王 宏 剛 , 孫 起 軍

(1.中國水利水電第五工程局有限公司，四川 成都 610066；2.中電建振沖建設(shè)工程股份有限公司，北京 100048)

1 概 述

某水電站位于四川省甘孜州境內(nèi)，壩頂高程2 875 m，壩高295 m，為礫石土直心墻堆石壩。壩址控制流域面積為6.57萬km2，水庫正常蓄水位高程2 865 m，相對庫容101.5億m3，調(diào)節(jié)庫容65.6億m3，具有多年調(diào)節(jié)能力；電站總裝機(jī)容量為3 000 MW，多年平均年發(fā)電量110億kW·h，為雅礱江中、下游的“龍頭”水庫。該工程為Ⅰ等大(1)型工程，壩址區(qū)變質(zhì)砂巖、砂質(zhì)板巖相間分布，且右壩肩發(fā)育f4、f12順層擠壓斷層帶及破碎帶，兩條斷層的水平距離為5～20 m，產(chǎn)狀N60°～80°W/SW∠60°～80°，破碎帶一般寬5～30 cm，充填物以片狀巖、碎裂巖為主，帶內(nèi)碳化、糜棱化嚴(yán)重。巖體類別自低向高從Ⅲ2類漸變?yōu)棰躅悺?/p>

某水電站具有土石壩高、泄洪流量大、地震烈度高、地質(zhì)條件復(fù)雜等特點。壩址地處深山峽谷地區(qū)，壩址區(qū)斷層、層間擠壓錯動帶、節(jié)理裂隙等構(gòu)造結(jié)構(gòu)面發(fā)育，基礎(chǔ)處理難度大，大壩對基礎(chǔ)的防滲性能要求高，防滲系統(tǒng)質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響到大壩的穩(wěn)定和安全運(yùn)行。

在防滲帷幕施工過程中，變質(zhì)砂巖、砂質(zhì)板巖水泥灌漿可灌性差，施工中發(fā)現(xiàn)局部受斷層及擠壓破碎帶影響，采用普通水泥、細(xì)水泥系統(tǒng)補(bǔ)灌后仍不能滿足設(shè)計要求的1 Lu的防滲標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)類似工程經(jīng)驗，有必要采取水泥-化學(xué)復(fù)合灌漿處理措施[1]。

2 采取水泥-化學(xué)復(fù)合灌漿處理的目的

將兩者可灌性、防滲效果好的優(yōu)點結(jié)合起來以達(dá)到安全、經(jīng)濟(jì)的目的。近年來，西南高山峽谷地區(qū)的水能資源開發(fā)已漸入熱潮，雖然該地區(qū)水能資源豐富，但其地質(zhì)條件復(fù)雜、原生次生結(jié)構(gòu)面發(fā)育以及地應(yīng)力水平高等巖石力學(xué)問題為工程建設(shè)帶來了新的挑戰(zhàn)。尤其是巖體中的各類軟弱結(jié)構(gòu)面如軟弱夾層、層間層內(nèi)錯動帶等成為控制壩基、地下硐室和邊坡等穩(wěn)定的關(guān)鍵因素，而且，隨著高壩大庫的建設(shè)對地基巖體的要求越來越高，急需對原有斷層的處理措施如普通水泥灌漿、錨桿、開挖換填等技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，才能滿足工程建設(shè)的需要。

水泥-化學(xué)復(fù)合灌漿[2]是在普通水泥灌漿與化學(xué)灌漿的技術(shù)上發(fā)展起來的新技術(shù)。其先使用顆粒狀的水泥漿液充填軟弱地層巖體中的較大孔隙形成承載骨架，再利用溶液狀的化學(xué)漿液經(jīng)過浸潤、滲透[3]以及改性固化進(jìn)入巖體中的微裂隙，從而將普通水泥灌漿價格低、結(jié)石強(qiáng)度高和化學(xué)灌漿超強(qiáng)的滲透性能相結(jié)合以提高巖體的整體防滲性能。

為了研究砂板巖地區(qū)斷層破碎帶及影響區(qū)、受順坡向裂隙及擠壓破碎帶影響區(qū)水泥灌后采用改性環(huán)氧樹脂化學(xué)漿材的可灌性、形成防滲帷幕[4]的可行性；了解灌漿后透水性的變化情況，判斷其是否滿足大壩防滲標(biāo)準(zhǔn)；分析灌漿參數(shù)、施工工藝、漿液擴(kuò)散范圍的合理性和有效性；總結(jié)并制定出砂板巖地區(qū)斷層破碎帶及影響區(qū)、受順坡裂隙及擠壓破碎帶影響區(qū)的化學(xué)灌漿處理工藝和方法，為后續(xù)類似地層條件下的斷層化學(xué)灌漿處理提供指導(dǎo)，項目部技術(shù)人員在YGJ6平洞端頭f4、f12斷層及影響區(qū)水泥灌漿完成并經(jīng)檢查合格后開展了改性環(huán)氧樹脂化學(xué)灌漿試驗。

3 改性環(huán)氧樹脂化學(xué)灌漿試驗

3.1 水泥灌漿

改性環(huán)氧樹脂化學(xué)灌漿試驗均在設(shè)計主帷幕灌漿施工完成并經(jīng)檢查合格后實施[5]。試驗區(qū)位于YGJ6灌漿平洞壩(縱)0+499～0+523段，設(shè)計孔深155 m，共完成主帷幕水泥灌漿4 716 m，平均單位注入量為9.74 kg/m，灌后檢查孔最大透水率為0.45 Lu，均滿足設(shè)計要求的1 Lu的防滲標(biāo)準(zhǔn)，但檢查孔均有不同程度的輕微滲水現(xiàn)象，全孔滲水量為0.5～1 L/min。

3.2 化灌選址

YGJ6平洞壩(縱)0+499～0+511段為試驗3區(qū)(孔距2 m)，壩(縱)0+511～523段為試驗4區(qū)(孔距1 m)。試驗區(qū)布置情況見圖1。

3.3 材料性能

圖1 右壩肩f4、f12斷層化學(xué)灌漿試驗區(qū)位置示意圖

本系列為高滲透性環(huán)氧灌漿材料，由甲、乙兩組份構(gòu)成，其中乙組份的加入量可調(diào)，如所灌段的流量偏小時，應(yīng)采用較低黏度的漿液，使?jié){材具有足夠的滲透時間，可灌入K≥10-6cm/s的泥化夾層中使泥土巖性化，對斷層及破碎帶進(jìn)行處理優(yōu)勢明顯，所用材料不含重金屬，漿材完全固化后的固結(jié)體無毒，產(chǎn)品質(zhì)量符合環(huán)保要求。YDS-40系列和YDS-0系列環(huán)氧樹脂漿材[6]的物理力學(xué)性能參數(shù)見表1。

3.4 試驗參數(shù)

表1 環(huán)氧樹脂(甲∶乙=100∶6.4)物理力學(xué)性能參數(shù)表

結(jié)論：依據(jù)JC/T 1041-2007《混凝土裂縫用環(huán)氧樹脂灌漿材料》進(jìn)行評定，所檢項目合格。

(1)鉆孔施工。① 布孔：各試驗區(qū)內(nèi)上、下游排的化學(xué)灌漿孔布置在平洞主帷幕灌漿上游側(cè)20 cm，中間排孔布置在壩軸中心線上游側(cè)20 cm，其鉆孔布置方式見圖2。② 孔深：基巖孔深為30 m。③ 孔向：鉛垂方向。④ 孔徑：灌漿孔φ56，檢查孔φ76。

圖2 YGJ6平洞試驗區(qū)鉆孔布置圖

(2)灌漿施工。

① 參數(shù)與方法。化學(xué)灌漿孔采用全孔一次成孔和裂隙沖洗，自下而上分段、純壓式灌漿法。

2 m試驗組(試驗3區(qū))灌漿段長按照2 m、3 m、5 m、5 m、……進(jìn)行分段，孔距1 m試驗組(試驗4區(qū))灌漿段長按照2 m、3 m、5 m、10 m、10 m進(jìn)行分段。鉆孔過程中，遇巖層破碎帶、掉卡鉆等特殊情況時可縮短段長?？拙? m試驗組灌漿壓力見表2，孔距1 m試驗組灌漿壓力見表3。

② 灌漿材料。采用YDS-40系列、YDS-0系列環(huán)氧灌漿材料，其中YDS-40系列環(huán)氧樹脂配合比為甲∶乙=100∶6.4(質(zhì)量比)，YDS-0系列環(huán)氧樹脂配合比為甲∶乙=100∶8(質(zhì)量比)。

③ 漿液變換[7]。化學(xué)灌漿遵循“長時間、慢速率、盡量達(dá)到一定的注入量，滿足質(zhì)量要求”的原則控制灌漿注入率與壓力的關(guān)系。

一般情況下，注入率宜控制在0.05～0.1 L/(min·m)之間；當(dāng)注入率≤0.05 L/(min·m)時，適當(dāng)升高灌漿壓力(至設(shè)計最大灌漿壓力為止)；當(dāng)注入率≥0.1 L/(min·m)時，適當(dāng)降低灌漿壓力。

表2 孔距2 m試驗組化學(xué)灌漿壓力參數(shù)表

表3 孔距1 m試驗組化學(xué)灌漿壓力參數(shù)表

當(dāng)某種配比化學(xué)漿液注入量達(dá)到30～50 L/m時，改用黏度增長更快的速凝漿材灌注。

④ 結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。灌漿段達(dá)到設(shè)計壓力后，當(dāng)注入率不大于0.02 L/(min·m)時繼續(xù)灌注30 min結(jié)束，且單段灌注時間不少于18 h。

3.5 試驗取得的成果

(1)完成情況。本次試驗自2018年12月20日開始，至2019年4月29日完成，共完成基巖灌漿1 800 m，灌注環(huán)氧樹脂917.30 kg，平均單位注入量為0.51 kg/m。

(2)單位注入量。各試驗區(qū)化學(xué)灌漿單位注入量分區(qū)間統(tǒng)計情況見表4。

本次試驗Ⅰ序孔施工完成后，Ⅱ序孔單位注入量有明顯降低，符合灌漿的一般規(guī)律，說明整體灌漿效果良好。Ⅰ、Ⅱ序孔的單位注入量整體較低，僅少數(shù)孔段大于5 kg/m。

表4 YGJ6平洞f4、f12斷層化學(xué)灌漿試驗注入量頻率統(tǒng)計表

圖3 檢查孔裂隙內(nèi)環(huán)氧樹脂漿材的充填效果(部分)

3.6 效果評價

化學(xué)灌漿后，檢查孔微細(xì)裂隙內(nèi)可見明顯的化學(xué)漿結(jié)石充填且黏結(jié)較好，說明灌漿效果良好，達(dá)到了封堵微細(xì)滲水裂隙和固化斷層破碎帶的試驗?zāi)康?，其充填效果見圖3。

4 結(jié) 語

本次在YGJ6灌漿平洞f4、f12斷層及影響區(qū)環(huán)氧樹脂化學(xué)灌漿的平均單位注入量為0.51 kg/m，說明通過前期的水泥灌漿其絕大部分裂隙已得到了填充，再用環(huán)氧樹脂對局部水泥顆粒無法灌入的微細(xì)裂隙和斷層破碎帶進(jìn)行補(bǔ)充填充，雖然環(huán)氧樹脂的單位注入量較小，但仍能進(jìn)一步提高灌漿帷幕的防滲效果和耐久性。本試驗為某水電站砂板巖地層斷層及影響區(qū)、軟弱破裂帶等不良地質(zhì)區(qū)域的水泥-化學(xué)復(fù)合灌漿提供了較為成熟的處理方法，亦對同類水電工程和地質(zhì)條件的水泥-化學(xué)復(fù)合灌漿具有指導(dǎo)意義。