兩河口水電站右岸斷層灌漿試驗研究

呂曉冰 朱高兵 楊培洲

(1.中國水利水電建設工程咨詢西北有限公司，陜西 西安 710061；2.雅礱江流域水電開發有限公司，四川 成都 610066)

1 概 述

水泥灌漿是大壩基礎處理的常用方法，在水利水電工程中得到廣泛應用。隨著我國水電工程建設事業的蓬勃發展，高壩大庫的建設越來越多，工程的設計施工迎來了諸多挑戰，對地基巖體的處理要求越來越高。尤其是壩基巖體存在的各種軟弱結構面，如斷層及其破碎帶是控制壩基抗滑和滲透穩定的關鍵因素。由于水泥顆粒材料的局限性，常規的灌漿材料和方法已不能完全滿足斷層破碎帶及裂隙密集帶、細微裂隙的處理要求，而水泥-化學復合灌漿是在普通水泥灌漿與化學灌漿的技術上發展起來的新技術。它先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漿液經過浸潤、滲透以及改性進入巖體中的細微裂隙，從而固化形成致密堅硬的水泥化學結石體，處理效果良好[1-2]。這項技術在龍羊峽、李家峽、小浪底、三峽電站、溪洛渡、錦屏一級電站等得到廣泛的應用[3-8]，并取得良好的處理效果。兩河口電站大壩擋水水頭265m，右岸壩基中低高程有F4、F12斷層穿過，對帷幕的滲透穩定及防滲效果有較大的影響，因此開展F4、F12斷層水泥-化學復合灌漿試驗研究，以解決高水頭帷幕滲透穩定及耐久性等工程實際問題。

2 工程概況

兩河口水電站樞紐建筑物主要由攔河壩、左岸泄洪及放空建筑物、右岸地下引水發電系統等組成。攔河壩為礫石土心墻堆石壩，最大壩高295m，壩頂高程2875.00m，河床部位心墻底開挖高程2580.00m。樞紐防滲帷幕由大壩防滲帷幕及地下廠房防滲帷幕組成。大壩帷幕灌漿通過沿心墻基礎面布設的三角區帷幕、河床基礎灌漿廊道和左右兩岸分六層設置的灌漿平洞進行。河床基礎灌漿廊道采用基底刻槽設置，兩岸與高程2575.50m灌漿平洞相連，河床廊道帷幕灌漿最大深度155m，大壩帷幕底高程2420.00m。地下廠房采用壩廠聯合防滲型式，下游側與大壩防滲帷幕銜接，共5層灌漿平洞。左壩肩灌漿平洞向山體內的延伸深度約為150～370m；右壩肩各層灌漿平洞與廠房灌漿平洞連為一體，帷幕底高程2570.00m[9]。

3 地質條件

壩址區兩岸基巖為兩河口組中、下段(T3lh2、T3lh1)，總體特征以變質砂巖夾粉砂質板巖為主，巖層產狀為N60°～80°W/SW∠60°～80°。規模較大的斷層(F8、F9、F10、F11、F12、F4等)主要分布于右岸，斷層多沿巖體中較薄弱的層面發育，斷層以順層擠壓為主，斷層產狀與地層產狀基本一致，陡傾下游并與河流近垂直相交；斷層破碎帶寬度不大，以幾厘米至50cm為主，不同露頭斷層帶的寬度變化大，斷層充填物以片狀巖為主，碳化、糜棱化強烈，遇水極易軟化泥化。

右岸邊坡開挖揭示：2620.00～2760.00m高程巖性為T3h2(2)-②層薄層砂巖及T3lh2(3)層粉砂質板巖，發育F4、F12順層斷層，層面裂隙及順坡裂隙發育，巖體位于弱風化弱卸荷帶內，巖體質量分級為Ⅳ2類，斷層及其影響帶為Ⅴ類，巖體透水性以弱透水性為主，中等透水性次之，F4、F12(見圖1)斷層及其影響帶透水性強，影響壩基帷幕滲透穩定，需要進行處理[10]。

圖1 右岸建基面高程2605～2725m段F4、F12出露情況

4 F4、F12斷層帶化學灌漿試驗

4.1 大壩帷幕灌漿施工參數

試驗區位于大壩灌漿平洞，帷幕灌漿為雙排布置，排距1.5m，孔距2m，梅花形布置，灌漿采用孔口封閉、孔內循環、自上而下、分段鉆孔、分段灌漿的高壓灌漿方法。施工程序為：先下游排，后上游排，單排灌漿孔分三序進行，先Ⅰ序孔，再Ⅱ序孔，最后進行Ⅲ序孔施工。一般灌漿段長5m，最大灌漿壓力6MPa，灌漿采用P·O42.5普通硅酸鹽水泥，水灰比為5、3、2、1、0.8、0.5六個比級。質量檢查以壓水試驗為主，物探檢測為輔。

4.2 試驗選址及孔位布置

F4、F12斷層規模相對較大，并于右壩肩出露，穿過右岸YGJ6、YGJ5灌漿平洞，斷層破碎帶寬度0.1～100cm，厚度變化大，以小于50cm為主，斷層內主要充填片狀巖、方解石及石英脈、糜棱巖等，帶內物質擠壓緊密，片狀巖強烈碳化，遇水易軟化、泥化，且斷層破碎帶對壩區滲漏及滲透穩定性影響較大。試驗布置見圖2，試驗1、3區采用三排布置，排距0.75m，孔距1m，孔深30m；試驗2、4區采用三排布置，排距0.75m，孔距2m，孔深30m。試驗1、2區采用PSI系列環氧漿材灌漿，試驗3、4區采用YDS系列環氧漿材灌漿，通過試驗比選最優施工參數和灌漿材料及工藝。施工前上述環氧系列漿材經第三方檢測機構檢驗，漿液及固化物性能滿足設計及規范要求[10]。

圖2 F4、F12斷層區域化學灌漿試驗區布置

4.3 化學灌漿施工方法

本試驗區化學灌漿采用XY-Ⅱ型地質鉆機鉆孔，φ56金剛石鉆頭鉆進。鉆孔施工順序為：先下游排，再上游排，最后施工中間排；每排孔分二序施工，先I序再Ⅱ序施工，總體按照分序加密的原則進行施工。灌漿采用自上而下一次成孔、自下而上分段灌漿的純壓式灌漿方法，灌漿段長一般5m，最大不超過10m，最大灌漿壓力3MPa，灌漿變漿及結束標準滿足規范要求，單段連續灌漿歷時不少于24～48h。

5 YGJ5灌漿平洞PSI環氧樹脂化學灌漿試驗

5.1 試驗區水泥灌漿情況

本單元帷幕灌漿時出現8段異?？锥?，最大透水率12.83Lu，其他孔段3～4Lu，最大單位注入量374.23kg/m，個別孔斷層部位有涌砂現象(見圖3)。灌后平均單位注入量為9.19kg/m，水泥灌漿18.5%的孔段注入率為0，小于10kg/m的孔段累計達89.9%，巖體總體可灌性較差。檢查孔RQD為79.4%，比灌前提高7.2%，巖體完整性有明顯提高。檢查孔壓水45段，96%的孔段透水率為0，最大透水率0.2Lu，灌漿效果良好，但檢查孔注水試驗有滲水現象。

圖3 斷層部位鉆孔涌砂現象

5.2 YGJ5灌漿平洞化學灌漿試驗成果

灌漿采用PSI-501系列常用型9∶1(501A液與501B液質量比)及PSI-530系列6∶1速凝漿材(501A液與530B液質量比)，可操控時間分別在48h及3h以內。鉆孔施工過程中，有少數孔鉆至斷層破碎帶，會出現涌砂現象，說明斷層軟弱充填物遇水軟化泥化，經水沖刷形成松散砂層。遇見類似情況，一般采用風水聯合沖洗的方法，進行反復沖洗，直到將斷層軟弱充填物沖洗干凈，再用水泥灌漿的方法進行灌注，灌漿結束待凝72h后，掃孔并進行化學灌漿。

a.化灌前壓水統計分析。YGJ5灌漿平洞F4、F12斷層化灌試驗單元灌前完成壓水試驗4個孔28段，0透水率占75%，最大透水率為0.24Lu，總體滿足設計防滲要求，但鉆孔注水試驗有滲水現象，說明細微裂隙仍有一定的透水性。

b.灌漿歷時調整。在完成14個Ⅰ序孔化灌后，總計化灌80段420m，最大單位注入量20.04kg/m，平均單位注入量2.84kg/m，86.6%的孔段單位注入量在0～5kg/m，共有73段在24h以內有明顯注漿量，延長至48h，僅7段有少量注漿量，因此，將化灌最大灌漿歷時調整為24h。

c.化學灌漿成果統計分析。YGJ5灌漿平洞F4、F12斷層化灌試驗完成灌漿1710m，平均單位注入量1.45kg/m。試驗完成灌漿301段，各段均有一定的注入量，而水泥灌漿的0注入量孔段占18.5%，說明PSI系列環氧漿材的可灌性良好，適合細微裂隙及斷層破碎帶地質缺陷處理。各序孔的單位注入量頻率統計見表1。

表1 YGJ5灌漿平洞F4、F12斷層化學灌漿試驗單位注入量頻率統計

5.2.4 質量檢查成果

a.壓水檢查。本單元兩個試驗小區各布置3個灌后壓水檢查孔，累計完成壓水試驗42段，各段透水率均為0，檢查結果滿足設計1Lu防滲標準。

b.鉆孔取芯檢查。灌后完成6個取芯檢查孔，各孔巖芯采取率都在91%以上，巖體質量指標RQD平均達到84%以上，說明灌后巖石裂隙得到有效充填，巖體完整性得到有效提高，灌漿效果良好。

c.單孔聲波檢查。試驗單元完成灌前灌后聲波測試孔各2個，檢測成果顯示灌前斷層及影響帶的聲波值總體較低，說明斷層區域水泥灌漿后雖然壓水檢查合格，仍有部分裂隙或微細裂隙未被有效填充；化學灌漿后試驗1區斷層區域聲波值提高了10.7%，試驗2區斷層區域聲波值提高了12.3%，且無小于4500m/s的測點，說明斷層區域采用化學灌漿后，水泥顆粒無法充填的微細裂隙等得到有效充填，巖體的完整性得到加強和提高，化學灌漿效果明顯[11]。檢測結果統計見表2。

表2 YGJ5灌漿平洞F4、F12斷層化學灌漿試驗單孔聲波綜合分析統計

d.變形模量檢測?；瘜W灌漿后鉆孔變模各區都有明顯提高，其中試驗1區斷層區域的鉆孔變形模量提高25.0%，試驗2區斷層區域的鉆孔變形模量提高17.8%，說明化學灌漿后，斷層及影響帶的完整性及抗變形能力增強，灌漿效果良好[11]。具體檢測結果綜合統計見表3。

表3 YGJ5灌漿平洞F4、F12斷層化學灌漿試驗變形模量綜合統計

e.檢查孔巖芯切片電鏡掃描圖像檢測。從電鏡對灌后巖石的掃描檢測結果來看，對于砂板巖巖體微細裂隙，環氧漿材能有效充填微細結構面及微小空間，見圖4(裂隙寬度根據比例尺估算)，6～10μm、30～50μm寬度的細微裂隙環氧漿材充填飽滿密實，部分漿材灌入水泥結石與裂隙面之間，化學結石與裂隙面結合緊密，由此可見，在水泥灌漿的基礎上，再采用化學漿材進行接力復合灌漿，能有效提升巖體的完整性，增強破碎巖體及裂隙密集帶的抗滲性能。

圖4 檢查孔巖芯切片局部典型電子掃描圖像

6 YGJ6灌漿平洞YDS環氧樹脂化學灌漿試驗

6.1 試驗區水泥灌漿情況

本單元水泥灌漿過程中出現的特殊情況主要為鉆孔涌水和大吸漿孔段，發生涌水6段，最大涌水43L/min，涌水壓力0.24MPa，主要為裂隙承壓水，涌水段最大注入量843kg/m。其他大吸漿量5段，灌前最大透水率17.58Lu，最大單位注入量2369kg/m。該單元平均單位注入量為9.68g/m，各序水泥灌漿注入量為0的孔段達20.1%。小于10kg/m單位注入量的孔段累計達93.5%，巖體總體可灌性較差。灌后檢查孔RQD為87.4%，比灌前提高7.3%。灌后壓水檢查109段，73.4%孔段透水率為0，最大透水率為0.45Lu，壓水檢查結果滿足設計防滲標準，但檢查孔有涌水現象。

6.2 YGJ6灌漿平洞化學灌漿試驗成果

灌漿采用YDS-40系列環氧漿材，漿液配比為甲∶乙=100∶6.4(質量比)，速凝漿材采用YDS-0系列環氧樹脂，漿液配比為甲∶乙=100∶8(質量比)，可操控時間分別在21h及3.3h以內。具體漿液變換、灌漿結束標準滿足設計要求。有涌水的鉆孔，化學灌漿至孔口段時，需要在設計壓力下屏漿至48h后采取閉漿措施。

6.2.1 灌前壓水統計分析

YGJ6灌漿平洞F4、F12斷層化灌試驗單元灌前采用1MPa單點法壓水，完成壓水試驗4個孔28段，各段透水率都為0，滿足設計防滲要求，但鉆孔有涌水現象，說明細微裂隙仍有一定的透水性。

6.2.2 灌漿成果統計分析

YGJ6灌漿平洞F4、F12斷層化灌試驗完成灌漿1800m，灌注環氧樹脂917.30kg，平均單位注入量0.51kg/m。試驗完成灌漿339段，雖然灌前全部孔段透水率為0，但無注入量為0的孔段，說明YDS系列環氧漿材的滲透性強可灌性良好。各序孔的單位注入量頻率統計見表4。

表4 YGJ6灌漿平洞F4、F12斷層處理化學灌漿單位注入量頻率統計

6.2.3 質量檢查成果

a.壓水檢查。本單元兩個試區各布置3個灌后壓水檢查孔，累計壓水試驗34段，各段透水率均為0，結果滿足設計1Lu的防滲標準。

b.鉆孔取芯檢查。灌后完成6個取芯檢查孔，各孔巖芯采取率都在91%以上，巖體質量指標RQD平均達到88%以上，說明灌后巖體完整性得到提高，灌漿效果良好。

c.單孔聲波檢查。試驗單元完成灌前灌后聲波測試孔各2個，檢測成果顯示灌前斷層及影響帶的聲波值總體較低，說明斷層區域水泥灌漿后雖然壓水檢查合格，仍有部分裂隙或微細裂隙未被有效填充；化學灌漿后試驗3區斷層區域聲波值提高了6%，試驗4區斷層區域聲波值提高了1.7%，且無小于4500m/s的測點，說明斷層區域采用化學灌漿后，取得一定的效果[11]。檢測結果統計見表5。

表5 YGJ6灌漿平洞F4、F12斷層化學灌漿試驗單孔聲波檢查結果統計

6.2.4 變形模量檢測

化學灌漿后鉆孔變模各區都有明顯提高，其中試驗3區斷層區域的變形模量提高率8.6%，試驗4區斷層區域的變形模量提高率13.8%，說明化學灌漿后，斷層及影響帶的完整性及抗變形能力增強，灌漿效果良好[11]。具體檢測結果見綜合統計表6。

7 F4、F12化灌試驗效果評價

F4、F12為順層擠壓斷層，斷層充填物擠壓密實，厚度變化較大，充填物以片狀巖為主，碳化、糜棱化強烈，遇水極易軟化泥化，灌漿試驗結果表明：

a.YGJ5灌漿平洞試區斷層充填物有遇水軟化、泥化及砂化現象，物理力學性能及抗滲性能較差，采用風水聯合反復沖洗及水泥灌漿工藝，置換部分較松軟巖層，形成軟弱巖帶主要承載結構，再用環氧漿材處理細微裂隙，經過充填滲透、浸潤、劈裂和固化作用，形成高強度抗滲性能優越的化學水泥結石體。2m試區平均單位注入量約為1m試區的2倍，灌漿效果滿足設計要求并沒有明顯差異，但單位體積巖體的注漿量基本相當，說明環氧漿材滲透范圍較大，可灌性良好。兩試區對比質量檢查指標相近，都能滿足設計要求，但孔距較大的試區技術上可行，經濟上更合理。

b.YGJ6灌漿平洞試區位置較低，地下水位較高，鉆孔裂隙承壓水對灌漿影響較大，對于涌水孔段采取增加灌漿壓力、延長屏漿時間及閉漿措施。在具有承壓水頭條件下，漿液需要克服涌水頂托進入巖體裂隙，同時也受到裂隙寬度及水泥顆粒細度影響，地下滲流也會稀釋漿液濃度沖蝕漿體，灌漿效果難免不受影響。環氧漿材灌入細微裂隙需要克服承壓水的揚壓力，漿液凝結時間較長，易受地下滲流稀釋沖蝕而影響灌漿效果，試驗3、4區的灌注量及檢查效果明顯稍遜試驗1、2區，說明地下水的活動對灌漿質量影響較大，需要高度重視。

c.水泥化學復合灌漿質量檢查，采用壓水試驗、鉆孔取芯、注水試驗、單孔聲波、變形模量及全孔電視成像檢測等綜合方法，能比較客觀全面評價處理效果[12]。

8 結 論

水泥-化學復合灌漿是在化學灌漿與普通水泥灌漿的基礎上發展而來的一種新技術，廣泛應用于大型水電工程基礎缺陷處理，并取得了良好的效果。兩河口電站右岸F4、F12為順層擠壓斷層，規模較大，斷層走向近于垂直河流，滲徑較短，滲壓較大，是影響帷幕滲透穩定的關鍵薄弱環節。灌漿試驗表明，斷層所處的位置不同，其充填物性狀有不同的變化，因此，斷層處理的工藝及材料要做適應性調整，以期達到較好的處理效果。

a.斷層部位水泥灌漿及化學灌漿施工過程中，對于斷層充填物易泥化、軟化的軟弱巖帶，采用風水聯合沖洗的方法，將部分極易破壞的軟弱物質清理，再用高壓水泥灌漿進行擠壓充填，把軟弱物質置換成強度較高的水泥結石，形成具有較高承載力的固結體，再在水泥灌漿的基礎上，采用環氧化學漿材對斷層部位的微細裂隙、軟弱巖帶進行高壓灌漿，通過劈裂充填、滲透凝結、浸潤固化等作用，形成堅固的化學水泥結石體，提高了斷層破碎帶的抗滲性能及耐久性。施工工藝簡單可靠，經濟技術合理可行。

b.在地下水位較高的地質環境條件下，鉆孔易出現涌水現象，對水泥灌漿的影響較大，由于揚壓力的頂托作用，對沖了部分灌漿壓力，使實際灌漿壓力要小于設計灌漿壓力，單位注入量明顯減小。因此，在具有涌水壓力的鉆孔進行灌漿時，要適當提高灌漿壓力，延長屏漿時間并采取閉漿措施，防止漿液回流而影響灌漿效果?；瘜W灌漿建議采用黏度低、可灌性好、膠凝時間可根據需要調節的丙烯酸鹽灌漿材料，可防止地下高壓滲流對漿材的稀釋或流失從而影響帷幕灌漿效果[9]。由于地下水位對灌漿施工難度及效果有較大影響，建議大壩帷幕盡量安排在水位抬升以前進行。