微風化至新鮮節理巖體成幕試驗研究

劉超楊,張 毅,趙代堯,左周昌

(1中國水電顧問集團貴陽勘測設計研究院巖土工程有限公司,貴州 貴陽 550081;2中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司,貴州 貴陽 550081)

0 引言

防滲帷幕是在大壩地基進行灌漿形成的一道一定深度的具有降低地下水滲透和降低大壩揚壓力的止水幕,對保障工程蓄水和水工建筑物運行安全有著極其重要的作用。

人類有記錄的工程灌漿歷史最早可追溯到1802年的英國,當時人們用活塞將粘性土注入沖積層,用以修復木質圍堰和水閘。1802—1850年工程灌漿開始廣泛應用于船閘和砌體結構修復,1850—1890年隨著機械設備的不斷創新,灌漿技術也迎來大爆發,出現了利用空氣壓縮設備的高壓注漿。20世紀30年代隨著美國胡佛大壩的竣工,現代系統性灌漿工藝技術基本形成[1]。20世紀60年代開始,我國也不斷興修水利,1960年北京密云水庫竣工,并于1963年發布了第一本“水工建筑物砂礫石基礎帷幕灌漿工程施工技術試行規范”,之后數十年對工藝進行不斷更新,也逐漸掌握并形成了一套特有的灌漿施工工藝體系[2]。

灌漿工程為地下隱蔽工程,地質條件對現場施工材料、施工工藝及優化設計起著決定作用,為防止施工期間產生大的不確定性風險,需在大規模帷幕工程實施前通過灌漿試驗,獲得包括漿液材料、漿液配比、灌漿孔布置、漿液有效擴散半徑、灌漿壓力等施工信息,同時通過試驗孔檢驗獲得灌漿質量的指標,評價成幕有效性。

由于專業劃分帷幕施工一般為施工專業的工作,國內外的相關研究多注重施工工藝方法的研究,目前可查找的相關資料僅為一些工程資料匯編[3],鮮有文獻對巖體成幕條件進行研究,僅存的少量文獻也存在較大的分歧,如王東升(2021)、Kayabasi,Ali,and Candan Gokceoglu(2019)認為巖體單位注灰量與巖體透水率存在較好相關關系,而美標《Engineering geology field manual second editional》認為兩者間無相關關系[4-6],前后兩者的差異其根源在于前者研究沒有系統地將一些異常與工程地質、水文地質條件相結合分析,而后者是在考慮諸多因素后下的結論且比較模糊,導致以后的研究者無從著手,以至于可參考的文獻資料十分稀缺。同時實踐過程中,工程師們更多地關心成幕的最終結果,忽略了巖體成幕過程的一些現象應該從工程地質、水文地質方面系統地解釋。本文以非洲JN水電工程項目帷幕灌漿試驗為例,通過分析巖體質量、節理發育特征、水文地質特征以及灌漿工藝等因素對微風化至新鮮砂巖、砂質泥巖成幕的影響,對灌漿過程出現的一些現象進行系統解釋,并對試驗帷幕進行評估,為大壩帷幕設計和后期大規模帷幕實施提供參考。

1 工程概況

JN水電站為以發電為主,總裝機容量2115 MW,年發電量6307 GWh,水庫正常運行水位為184.0 m,庫容大于300 億m3的水電工程[7]。攔河主壩為碾壓混凝土重力壩,大體分為兩岸翼壩及河谷(床)中高壩,河床建基面高程53.0～ 56.5 m、壩頂高程190 m、最大壩高131 m,兩岸臺地翼壩最低建基面高程154 m,最大壩高約36 m。

為防止庫水大量滲漏,降低壩基揚壓力,大壩防滲帷幕平面布置為沿軸線延伸,兩岸翼壩按照1倍壩高控制,河床壩段采用新鮮泥巖(Lu<3)作為相對隔水層,帷幕底界深入該層5～10 m,岸坡壩段及兩岸翼壩由于相對穩定,隔水層埋藏深,按照0.5～1倍壩高設計懸掛式帷幕。帷幕施工前進行灌漿試驗,分別為河床壩段A區、岸坡壩段B區以及翼壩C區,如圖1,本文研究區域為標識A區。

圖1 大壩地質平面圖及灌漿試驗區位置展示

2 研究區基本地質條件

2.1 地形地貌

壩址位于峽谷北東向谷段,谷底高程66.0 m,兩岸為侵蝕谷坡,谷坡高程為60～160 m,坡度40°～50°,谷坡之上為緩坡平臺,整體坡度為3°～5°,高程160～240 m,整體表現為上部開闊,下部陡窄的 “U”型河谷地貌,如圖2所示。

圖2 大壩區域地形地貌

2.2 地層巖性

研究區地層為Karro序列Hatanbulo組潘加尼(pangani)段砂巖、砂質泥巖、泥巖地層[8],處在東非大裂谷坦桑尼亞東西分支裂谷之間,沉積過程受控于斷裂活動引起的梯度變化,常見不同巖相單元相互穿插[5]?；鶐r整體為砂巖、砂質泥巖及其互層。研究區巖性展布如圖3所示。

圖3 大壩區近河谷段地層巖性分布

圖4 L1R1壩段典型節理裂隙素描

2.3 地質構造

壩址河谷為走向谷,整體為單斜構造,巖層傾向左岸略偏上游,產狀300°～330°∠3°～10°,透鏡體和漸變夾層產狀略有變化,同時受斷層影響,局部產狀也略變化。

(1)斷層

壩址區主要發育NW向斷層(圖1),自上游至下游,依次發育有F1、F2、F3、F4、f1、f2、f3、f4、f5、f6、f7、f9斷層,NE向斷層只有f8,其中F1～F4為規模較大的區域性斷層,其特征為斷層帶寬度較大,錯距明顯,“f”編號的斷層為壩址區局部規模較小斷層,斷層近地表出露明顯,但是隨著開挖深度加深,斷層帶變窄,破碎帶已經不明顯,新鮮巖體內通常表現為一條貫通性破裂面。

(2)節理

壩址區構造裂隙普遍發育,根據勘察測繪和現場開挖隧洞和壩基以及勘察階段揭示裂隙,對壩址區1154條裂隙進行統計,裂隙主要分三組,第一組代號“bd”為層面,產狀為300°～330°∠3°～10°,第二組代號“J1”,產狀10°～65°∠65°～90°,第三組代號“J2”,產狀95°～170°∠65°～90°。

bd:壩址區層面整體為傾NW的近水平單斜地層,產狀300°～330°∠3°～5°,層面延伸長度幾米到幾十米,中等粗糙-粗糙,同巖性層面多為閉合狀態,砂巖泥巖接觸層面多呈現差異性風化,中風化及以上巖體巖性分界層面多為強風化至中風化狀態。

J1:為橫河向裂隙,該裂隙在壩址區發育明顯,壩基及隧洞開挖過程中,顯示裂隙整體延伸較長,間距0.2～2.0 m,延伸長度一般為3～20 m甚至更長,張開寬度0.1～1 mm,裂隙面稍粗糙,中等風化至新鮮,局部充填石英。

J2:為順河向裂隙,裂隙間距10～60 cm,裂隙多呈閉合狀態,尤其在新鮮泥巖中,表觀裂隙非常少,裂隙延伸長度一般為1～3.0 m。

J1組裂隙在整個大壩區域為主導型裂隙,與J2構成的共軛裂隙組中該組裂隙常切斷J2裂隙,而J2組裂隙多表現為階梯狀延伸,這一現象在細砂巖和泥質砂巖中表現尤其明顯。

2.4 水文地質條件

除強風化巖層外,強風化及弱風化砂巖壓水透水性較大,整體數據較為離散,多在8 Lu以上,局部也有透水性較小巖段;微新巖體透水性相對較小,但整體數據較離散,40 m高程以上沒有穩定的<3 Lu的巖段。泥巖透水性相對砂巖較小,除強風化、弱風化層及砂泥巖接觸界面透水性較大外,微新巖層透水性整體較小。整體上大壩的相對隔水層即<3 Lu巖層較深,基本在40 m高程以下,以上部位沒有穩定相對隔水層,如圖5。

圖5 研究區壩基巖體水文地質(巖體透水率)剖面

研究區地下水與河水屬于季節性動態互補,左岸地下水位較穩定,整體水力坡降6.4‰,右岸由于受到斷層阻斷地下水影響,整體水力坡降4.61%。

3 試驗方案布置、漿液配比及工藝

3.1 試驗布置

本文研究選區為A區,自樁號DC0-18.25—DC0+11.75共30 m段,待灌巖體為微風化—新鮮砂巖、砂質泥巖,設計為單排,由1序—3序三個序列灌漿孔,分3.0 m、2.5 m及2.0 m三個不同間距試驗段,并在不同間距試驗段設計一個檢查孔,以檢查灌漿質量,如圖6。

圖6 試驗區A灌漿孔布置示意圖

3.2 漿液配比

試驗區采用Type II 42.5波特蘭水泥搭配拉法基天然火山灰(lafarge raw nature pozzolana),水泥細度為通過45 μm直徑孔篩余9.5%,火山灰細度為通過45 μm直徑孔篩余19%。結合現場材料供給狀況,實驗室配比采用40%及65%兩種火山灰摻量,按照0.5～0.9水灰比測定漿液密度、馬氏粘度、以及析水率。

3.3 施工工藝及技術要求

試驗為單排孔直線式,灌漿工藝采用“自上而下分段灌漿”法中壓灌漿,除第一段RCC與基巖接觸位2.0 m,其余段長均為5.0 m。灌漿壓力按深度0～2.0 m:1 MPa、2.0～5.0 m:1.5 MPa、5～10 m:2.0 MPa、>10 m:3.0 MPa,漿液采用由稀至濃,逐級變漿。灌前采用單點法壓水,以備后續帷幕質量檢驗參考。檢查孔采用5點法(壓力梯度:0.3 MPa、0.6 MPa、1.0 MPa)壓水,以檢驗灌漿效果及帷幕質量。

4 試驗成果分析

4.1 漿液配比試驗結果分析

據表1及表2在不同火山灰摻量下進行漿液配比試驗的結果可以看出,火山灰摻量增加,會顯著降低漿液密度;水灰比在0.65以下時火山灰摻量增加,漿液馬氏粘度增大明顯,說明在低水灰比情況下火山灰能顯著降低漿液流動性。65%摻量火山灰和40%摻量火山灰對漿液析水率的影響不明顯,但是隨著水的比例增加,漿液析水率呈線性增加關系。由線性插值關系可知,40%火山灰摻量情況下,水灰比>0.8,漿液析水率大于5%;65%火山灰摻量下,水灰比>0.85,漿液析水率>5%。由于拉法基天然火山灰細度略大于水泥,為保障帷幕具有良好抗滲及壓力過濾能力,選用40%火山灰配比的穩定漿液進行試驗。

表1 火山灰65%摻量下不同水灰比漿液特性試驗成果

表2 火山灰40%摻量下不同水灰比漿液特性試驗成果

4.2 巖體質量分析

研究區為河床壩段為微風化—新鮮砂巖、砂質泥巖,建基面以下砂巖厚度13.5～19.2 m,泥巖厚度50 m左右。試驗孔為地質鉆機鉆進取芯,統計巖心獲取率,獲取率范圍40%～100%,均值89%。

巖體層面及陡傾節理發育,段發育裂隙0～8條,均段1.5條,獲取巖心呈短柱狀—長柱狀居多,柱狀巖心長度0.06～2.0 m,均長15.2 cm,計算RQD值范圍15%～99%,砂巖均值73.6%,泥巖均值63.4%,如圖7(b),巖體RQD指標評價為中等。

圖7 巖體質量曲線

結合巖體嵌鎖、節理面風化特征及粗糙度特征,試驗段巖體分段GSI指標范圍50～80,其中砂巖均值68.6,泥巖均值65.6,試驗區巖體為塊狀嵌鎖良好未擾動巖體。

依據RMR73計算無產狀調整值,試驗段巖體分段RMR值40～69,其中砂巖50～69,泥巖41～66,均值分別為61.5和56.6,巖體為一般—好。

圖7為RQD與RMR及GSI關系曲線,RQD與GSI及RMR兩種巖體分類有較好的相關性。

4.3 地質特性與單位耗灰相關討論

分段壓水數據顯示(圖8(a)),研究區巖體透水率離散性較大,數據范圍0.2～655 Lu,均值17 Lu,眾數3.0,中位數5.2,變異系數0.3。眾數3.0說明成幕巖體整體透水性滿足≤3.0 Lu的設計條件,中位數大于3.0 Lu說明需對較大透水率段進行灌漿處理,同時某些巖段裂隙聯通性較好,在進階灌漿過程中可采用間歇式灌漿法,以起到帷幕設計厚度范圍內裂隙充分填充[2]。

圖8 巖體透水率及單位耗灰量

同樣巖體單位耗灰數據離散性大(圖8(b)),耗灰范圍為0～444 kg/m,均值32.6 kg/m,中位數12.2,眾數0.0,變異系數0.5。眾數0.0說明對于一些較小透水率巖段(<1 Lu),漿液入滲受到限制。

圖9(a)-圖9(c)為巖體質量指標RQD、GSI、RMR與單位耗灰的關系曲線,由圖可知,巖體質量相關指標與單位耗灰無顯著關系,漿液入滲能力和擴散范圍受節理張開寬度、充填物性狀、裂隙面粗糙狀態、裂隙聯通情況等諸多因素控制。圖9(d)顯示巖體透水率與單位耗灰也無明顯的相關關系。圖10為試驗孔單位耗灰與分段透水率對比圖,也顯示了某些區域(GS20第2段、GS24第1、2段等)透水率較大而單位吸漿量較小,彼此無對應相關關系,說明漿液只有在具有一定張開寬度的裂隙(文獻表明漿液固體顆粒在大于顆粒直徑1/3～1/5倍時極難灌入,這里對應的最小可灌裂隙寬度為0.14～0.23 mm),且裂隙聯通條件下才能較好的注入巖體,而具有一定壓力的水體在裂隙巖體中滲透則受裂隙張開寬度的影響較小。

圖9 巖體質量指標與透水率與單位耗灰

圖10 A區灌漿試驗孔分段透水率及單位吸漿量展示圖

圖10還顯示一些區域(如GS14第6段、GS16第5段、GS17第8段、GS18第5段、GS19第6段、GS20第7段)透水率小而單位吸漿量極大,這些異常區段均在第5段以下,灌漿壓力均在3.0 MPa以上,現場地應力測試結果顯示最大應力為2.3 MPa,3.0 MPa灌漿壓力超過地應力最大值,會產生水力劈裂,高壓漿體沖蝕裂隙中充填物,裂隙連通性進一步加強,總吸漿量明顯增大,如圖11所示。

圖11 J5號檢查孔50～51m段巖心展示灌漿典型水力劈裂

4.4 灌漿效果及帷幕質量討論

研究區采用由上至下自上而下分段、段口封閉、段內循環高壓灌漿,每段灌前簡易壓水,每段灌后繼續向下鉆進。圖12各序孔壓水成果顯示,一序孔巖體透水率0.2～655 Lu,均值54.8 Lu;二序孔巖體透水率3.3～100 Lu,均值14.7 Lu;三序孔巖體透水率2.4～39.5 Lu,均值8.4 Lu。各序孔透水率曲線整體呈現遞減趨勢,說明隨著前一序列灌漿活動的實施,巖體滲透通道得到一定充填。

圖12 各序灌漿孔壓水試驗巖體呂榮值

耗灰對比圖(圖13)顯示,三序孔除個別灌漿段外整體單位耗灰小于一序、二序,其中第8段三序孔單位耗灰較大,其原因可能是順河向裂隙發育,一序、二序孔漿液擴散范圍無法有效覆蓋。分序單位耗灰總平均圖顯示,一序孔平均耗灰41.7 kg/m,二序孔單位耗灰總體平均32.7 kg/m,三序孔單位耗灰總體平均28.5 kg/m,隨著灌漿活動的實施,各序孔耗灰逐漸降低,這一現象說明漿液沿鉆孔布置軸線得到有效的擴散。

圖13 各序孔單位耗灰對比

孔間距為3.0 m時各序孔單位耗灰(圖14(a))無明顯變化規律,壓水成果(圖14(d))顯示巖體分段透水率也無明顯按序降低特征。2.5 m試驗間距時,(圖14(b))二序孔、三序孔較一序孔單位耗灰在吸漿量較大段顯著降低,巖體透水率(圖14(e))也呈現相同變化趨勢。2.0 m間距時(圖14(c))除個別段外,二序號、三序孔單位耗灰逐序降低,壓水試驗(圖14(f))也顯示二序、三序孔在較大透水巖段較一序孔顯著降低。檢查孔(圖14(d)、(e)、(f))壓水成果顯示巖段呂榮值均<3.0 Lu,滿足設計需求。

圖14 不同間距分序壓水巖體透水率及分序灌漿單位耗灰分析

不同間距分序分段試驗成果說明,伴隨灌漿工作的進行,巖體止水性能得到改善,3.0 m間距試驗段成果說明漿液擴散范圍不能夠有效改善對應間距的巖體止水性能;2.5 m試驗間距成果說明灌漿活動能夠影響對應間距范圍巖體滲流環境;2.0 m試驗間距成果進一步說明灌漿活動顯著改善了對應距離范圍的巖體。

現場各試驗孔均未在巖心裂隙中觀察到水泥結石,檢查孔J4、J5、J6巖心裂隙中均觀察到水泥結石,充填比例評估分別為10%、20%、30%,檢查孔壓水試驗成果均合格,表明在布孔軸線方向J1組裂隙中漿液有效擴散,其可行范圍為1.0～1.5 m。

3.0 m、2.5 m及2.0 m間距試驗段均存在二序、三序孔單位耗灰和透水率顯著高于一序孔的孔段,說明一序、二序孔未能有效改善J2組裂隙透水性狀,影響單排帷幕可靠性。

5 結論

研究區微風化至新鮮節理巖體裂隙多為微張開至閉合,巖體可灌條件較好。對比40%和65%兩種火山灰摻量下不同水灰比漿液特征指標,40%火山灰摻量的穩定漿液更適合作為試驗漿液。采用“自上而下分段灌漿”法中壓灌漿施工工藝,漿液由稀至濃,逐級變漿,配合單點法壓水檢測成幕質量。

巖體條件和質量差別較小,巖體質量指標和水文地質指標與灌漿漿液吸收量(灰耗)間無法形成典型規律[1,5],漿液中懸浮顆粒在直徑在大于裂隙張開寬度1/3～1/5時無法灌入[2];灌漿壓力大于原始地應力時,產生水力劈裂,會產生大量吸漿現象。

不同間距及不同段序壓水及灌漿試驗結果顯示,隨著灌漿活動的實施,巖體透水率及漿液消耗顯著降低,孔內裂隙充填結石狀況隨間距降低而增加。通過檢查孔壓水驗證,漿液沿布孔軸線的擴散半徑為1.0～1.5 m,單排帷幕成幕可靠孔間距為1.0 m。

分序分析成果顯示后序孔出現透水率和單位耗灰顯著高于前序孔的試驗段,說明與灌漿孔分布軸線垂直J2組裂隙在順序灌漿過程中難以有效充填,單排帷幕可靠性需進一步論證,必要時需增加灌漿孔排數。建議在成幕過程中,增設傾斜鉆孔,以有效穿越幕區陡傾裂隙,增加帷幕可靠性。