高摩贊大壩樞紐工程壩基壩肩生產(chǎn)性固結(jié)灌漿試驗(yàn)施工

1、高摩贊大壩樞紐工程壩基壩肩生產(chǎn)性固結(jié)灌漿試驗(yàn)施工張開軍 （中國(guó)水利水電第七工程局成都水電建設(shè)工程有限公司，四川成都，611130）【摘要】高摩贊大壩樞紐工程地質(zhì)條件復(fù)雜，大壩固結(jié)灌漿對(duì)于大壩安全有重要影響。本文對(duì)該項(xiàng)目固結(jié)灌漿試驗(yàn)進(jìn)行了全面、完整的分析、闡述?！娟P(guān)鍵詞】灌漿試驗(yàn) 單位耗灰量 壓水試驗(yàn) 體聲波 地震波1. 工程概況高摩贊大壩樞紐工程是以農(nóng)業(yè)灌溉為主兼顧防洪和發(fā)電的綜合利用工程。擋水建筑物為碾壓式混凝土曲線形重力壩。大壩高約133m，總庫(kù)容14億m3，總裝機(jī)容量為17MW。壩址區(qū)基巖主要為灰?guī)r夾泥質(zhì)灰?guī)r、砂質(zhì)頁(yè)巖，以薄層狀為主，局部夾極薄層狀、中厚層狀灰?guī)r。受構(gòu)造、卸荷及風(fēng)化作用的

2、影響，巖體破碎，完整性差。2. 試驗(yàn)?zāi)康耐ㄟ^勘察，發(fā)現(xiàn)壩址區(qū)的巖體質(zhì)量在天然條件下不能滿足作為混凝土壩的要求，需要采取固結(jié)灌漿措施，故結(jié)合生產(chǎn)進(jìn)行本次固結(jié)灌漿試驗(yàn)。針對(duì)壩址區(qū)工程地質(zhì)條件和主要工程地質(zhì)問題，本次生產(chǎn)性固結(jié)灌漿試驗(yàn)的主要目的有：（1）論證壩基巖體采用水泥固結(jié)灌漿處理方法的可行性和可靠性。（2）為灌漿施工提供合理的施工程序、施工工藝；選擇適宜的灌漿材料和漿液配合比。（3）對(duì)灌漿施工所需的主要技術(shù)參數(shù)，如：灌漿孔的間排距、孔深、灌漿壓力等，提出合理的建議，為灌漿設(shè)計(jì)和施工技術(shù)要求提供依據(jù)。（4）通過對(duì)灌漿后巖體的地球物理測(cè)試、孔內(nèi)壓水試驗(yàn)、灌漿后巖體的平板載荷試驗(yàn)等，了解經(jīng)灌漿處理后

3、巖體質(zhì)量的改善程度、均一性及變形特性，為優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。（5）通過灌漿，提高巖體的均一性和完整性，提高巖體模量。3. 灌漿試驗(yàn)場(chǎng)地選擇本次生產(chǎn)性固結(jié)灌漿試驗(yàn)區(qū)的選擇主要考慮以下因素：試驗(yàn)區(qū)地質(zhì)條件應(yīng)具有一定的代表性，其巖體特征與壩基巖體特征相似或接近，在此基礎(chǔ)上，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，綜合考慮了供水、供電、交通、場(chǎng)地施工條件等因素。因左、右岸巖體結(jié)構(gòu)類型、特性基本一致，所以，此次灌漿試驗(yàn)選定了A、B兩個(gè)試驗(yàn)區(qū)。A試驗(yàn)區(qū)被灌巖體為侏羅系地層，巖性為薄層灰?guī)r夾少量中厚層灰?guī)r和極薄層灰?guī)r，深灰色，微隱晶結(jié)構(gòu)，巖石結(jié)構(gòu)較致密，巖層間錯(cuò)動(dòng)痕跡明顯，層與層之間擠壓相對(duì)較緊密。試驗(yàn)區(qū)受灌巖體位于壩址巖體質(zhì)量

4、分區(qū)的中下部，巖體處在強(qiáng)卸荷帶與弱卸荷帶的接壤部位，巖體呈弱風(fēng)化狀，巖塊自身強(qiáng)度較高。因構(gòu)造及卸荷作用，巖體質(zhì)量較差，灌前地震波測(cè)試成果顯示，A試驗(yàn)區(qū)對(duì)穿孔孔間巖體縱波速度平均值為2520m/s，動(dòng)彈性模量平均值為12.36GPa。B試驗(yàn)區(qū)被灌巖體為侏羅系地層，巖性以薄層灰?guī)r為主，夾少量中厚層灰?guī)r、極薄層泥灰?guī)r及砂質(zhì)頁(yè)巖?；?guī)r為灰深灰色，隱晶結(jié)構(gòu)。薄層泥質(zhì)灰?guī)r，黑灰色，粉砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，層間揉皺現(xiàn)象較明顯，該巖層所占份額很??；頁(yè)巖為紫灰色，粉砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，頁(yè)巖多被擠壓呈碎片或鱗片狀，層間錯(cuò)動(dòng)痕跡明顯。受卸荷影響，局部層面呈松弛狀。試驗(yàn)區(qū)位于壩址巖體質(zhì)量分區(qū)的中上部，處在強(qiáng)卸荷帶的下限部位，巖體呈弱風(fēng)化狀

5、，巖塊自身強(qiáng)度較高。因構(gòu)造及卸荷作用，巖體質(zhì)量差，根據(jù)地震波測(cè)試資料，試驗(yàn)區(qū)對(duì)穿孔孔間巖體的縱波速度平均值為1810m/s，動(dòng)彈性模量均值為5.97GPa。1 灌漿試驗(yàn)施工1.1 施工程序?yàn)楸ＷC灌漿試驗(yàn)順利進(jìn)行，現(xiàn)場(chǎng)灌漿試驗(yàn)施工程序?yàn)椋菏┿@物探測(cè)試孔（進(jìn)行鉆孔編錄、壓水試驗(yàn)、物探對(duì)穿測(cè)試及聲波測(cè)試）施鉆抬動(dòng)觀測(cè)孔(安裝抬動(dòng)觀測(cè)孔裝置)分序灌漿（造孔、鉆孔聲波測(cè)試、裂隙沖洗、壓水試驗(yàn)、灌漿及抬動(dòng)觀測(cè)、封孔）待凝14天清掃物探測(cè)試孔（做物探對(duì)穿測(cè)試）施鉆灌后檢查孔（進(jìn)行鉆孔編錄、壓水試驗(yàn)、聲波測(cè)試）開挖檢查豎井（地質(zhì)編錄、目檢、試驗(yàn)部位物探測(cè)試、巖體變形試驗(yàn)）整理分析灌漿成果和試驗(yàn)資料、灌漿效果評(píng)

6、價(jià)。1.2 鉆孔布置根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康?，綜合考慮被灌巖體的地質(zhì)條件、巖體結(jié)構(gòu)特征、場(chǎng)地條件、施工工期等因素，兩試驗(yàn)區(qū)灌漿孔均采用正方形網(wǎng)格式布置，按序次施工。根據(jù)試驗(yàn)、觀測(cè)、測(cè)試、檢查等項(xiàng)目的需要，每個(gè)試區(qū)均采用一組19個(gè)孔和一個(gè)檢查豎井進(jìn)行布置，各種技術(shù)參數(shù)見表1。表 1 試驗(yàn)區(qū)鉆孔各種技術(shù)參數(shù)一覽表位置序次鉆孔代號(hào)孔數(shù)(個(gè))終孔孔徑（mm）單孔孔深（m）鉆孔間距（m）備注A試驗(yàn)區(qū)測(cè)試孔AP1、AP2、AT313035/A1、A2、A3、A4475305A5、A6、A7、A8、A9575302.5A10、A11、A12、A13475301.77檢查孔AJ1、AJ2、AJ3313030/B試驗(yàn)區(qū)測(cè)試

7、孔BP1、BP2、BT313035/B1、B2、B3、B4475304B5、B6、B7、B8、B9575302B10、B11、B12、B13475301.41檢查孔BJ1、BJ2、BJ3313030/1.3 造孔鉆孔采用雙管單動(dòng)鉆具金剛石鉆頭清水鉆進(jìn)，鉆孔均為鉛直孔向。鉆孔巖芯取出后進(jìn)行地質(zhì)編錄和照相，每序各選一個(gè)具有代表性的鉆孔，待地質(zhì)編錄后，巖芯裝箱封存。1.4 沖洗鉆孔與壓水試驗(yàn)（1）鉆孔沖洗：每個(gè)灌漿段造孔完成后，采用大流量敞口式洗孔，直至回水變清且孔底沉積物厚度小于20cm時(shí)，結(jié)束鉆孔沖洗。（2）壓水試驗(yàn)：在灌漿孔的每個(gè)試段灌漿前和檢查孔中均做壓水試驗(yàn)，壓水試驗(yàn)采用“五點(diǎn)法”。1.5

8、 灌漿灌漿采用“孔口封閉灌漿法”，按照先序后序再序的順序進(jìn)行。各段灌漿施工程序?yàn)椋涸炜茁暡y(cè)試洗孔壓水試驗(yàn)灌漿進(jìn)入下一段灌漿循環(huán)。1.5.1 制漿（1）依據(jù)被灌巖體的地質(zhì)特征及設(shè)計(jì)要求，灌漿試驗(yàn)使用純水泥漿液。漿液配合比選用2:1、1:1、0.8:1、0.6:1（或0.5:1）四個(gè)比級(jí)。（2）根據(jù)試驗(yàn)場(chǎng)地分布和條件，采用集中制漿方式。（3）制漿材料：選用D.G.H-SRC抗硫酸硅酸鹽水泥；拌合水選用經(jīng)沉淀處理后的高摩贊河水。1.5.2 灌漿段劃分及灌漿壓力灌漿段劃分自孔口以下起算，第一段段長(zhǎng)為2m，第二段段長(zhǎng)為3m，第三段及其以下各段段長(zhǎng)均為5m。灌漿壓力第一段為0.2MPa，第二段為0.5M

9、Pa，第三段為1MPa，第四段及以下為3MPa.灌漿時(shí)，尤其是升壓過程中，隨時(shí)進(jìn)行地面抬動(dòng)觀測(cè)，以地面抬動(dòng)不超過0.2mm為限，否則，及時(shí)調(diào)低灌漿壓力或注入率。1.5.3 灌漿漿液變換本次生產(chǎn)性固結(jié)灌漿試驗(yàn)漿液的水灰比采用2:1、1:1、0.8:1、0.6:1（或0.5:1）四個(gè)比級(jí)。為了增強(qiáng)細(xì)小裂隙灌漿效果，灌漿水灰比一般采用逐級(jí)變濃的方法進(jìn)行灌注。當(dāng)某一比級(jí)漿液的注入量已達(dá)到300L，而灌漿壓力和注入量均無改變或改變不顯著時(shí)，變濃一級(jí)。當(dāng)注入量大于30Lmin時(shí)，采用越級(jí)變濃。1.5.4 灌漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)在該灌漿段最大設(shè)計(jì)壓力下，當(dāng)注入率不大于1L/min后，繼續(xù)灌注30min，即可結(jié)束灌漿。

10、1.5.5 特殊情況處理在灌漿過程中，序孔和部分、序孔段吃漿量較大，以大泵量灌注不起壓。為防止?jié){液流失過遠(yuǎn)，分別采用濃漿灌注、限流和間歇灌漿等措施。1.5.6 封孔采用全孔灌漿封孔法，在該灌漿段的最大壓力下，灌注0.5:1的濃漿，置換出孔內(nèi)稀漿后，繼續(xù)灌注30min，即可結(jié)束該項(xiàng)工作。2 灌漿效果檢查、測(cè)試與分析2.1 單位耗灰量分析根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料分析，兩試驗(yàn)區(qū)水泥注入量相差很大，其成果分別見表 、表 。從表中統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析可知，兩試驗(yàn)區(qū)巖體可灌性均較好，但均一性很差，說明試驗(yàn)區(qū)巖體質(zhì)量和結(jié)構(gòu)特征具明顯的差異性。對(duì)比而言，B試驗(yàn)區(qū)巖體較A試驗(yàn)區(qū)巖體吃漿量大，平均值約為2.5倍，這與被灌巖體的結(jié)構(gòu)特

11、征相吻合。2.1.1 單位耗灰量分析與灌漿序次的關(guān)系單位耗灰量與灌漿序次的關(guān)系較為密切，其成果見表 、Error! Reference source not found.。從表中數(shù)據(jù)可以看出：兩試驗(yàn)區(qū)各序灌漿孔的單位耗灰量隨灌漿序次的增加而迅速遞減。其中：A試驗(yàn)區(qū)序孔比序孔遞減了64，序孔比序孔遞減了30、比序孔遞減了75。B試驗(yàn)區(qū)序孔比序孔遞減了50，序孔比序孔遞減了48、比序孔遞減了74。上述統(tǒng)計(jì)分析表明，在序孔灌漿完成后，大部分裂隙就得到了灌注充填，且有一定的延伸和擴(kuò)散范圍，序孔灌漿完成后又加強(qiáng)了灌注效果。這從各序灌漿孔的單位注灰量遞減情況得到了證實(shí)。表 2 A試驗(yàn)區(qū)各序次灌漿孔灌漿成果

12、統(tǒng)計(jì)表序次孔數(shù)鉆孔總深度(m)基巖段總長(zhǎng)度(m)總耗灰量(kg)平均單位耗灰量(kg/m)I4120.00118.6048287382II5150.00148.4522514138III4120.00118.751303896合計(jì)13390.00385.8083838200表 3 B試驗(yàn)區(qū)各序次灌漿孔灌漿成果統(tǒng)計(jì)表序次孔數(shù)鉆孔總深度(m)基巖段總長(zhǎng)度(m)總耗灰量(kg)平均單位耗灰量(kg/m)I4120.00118.93106397850II5150.00148.567453429III4120.00118.9728863224總計(jì)13390.00386.402027124962.1.2

13、耗灰量與結(jié)構(gòu)面的關(guān)系根據(jù)鉆孔編錄資料，一般單位注灰量大的試段巖體中構(gòu)造形跡都比較發(fā)育，如：斷層、擠壓破碎帶和陡傾角裂隙等，以上結(jié)構(gòu)面是受灌巖體中的主要耗灰結(jié)構(gòu)面。兩試區(qū)相比，B試驗(yàn)區(qū)巖體中結(jié)構(gòu)面的發(fā)育程度比A試驗(yàn)區(qū)的高。其主要原因是，B試驗(yàn)區(qū)巖體中發(fā)育有小斷層，受其影響巖體中次一級(jí)構(gòu)造結(jié)構(gòu)面較發(fā)育，且B試驗(yàn)區(qū)分布位置較高，巖體的卸荷程度較A試驗(yàn)區(qū)高。這與勘察期壩址區(qū)巖體質(zhì)量分區(qū)是一致的。此外，由于鉆孔巖芯獲得率、RQD值偏低，較難分析對(duì)應(yīng)某個(gè)結(jié)構(gòu)面的注灰量大小及其隨灌漿序次增加的變化情況，只能從整體上進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。分布于B試驗(yàn)區(qū)淺部的小斷層（灌漿區(qū)域埋藏深度在10m范圍內(nèi)）盡管灌漿壓力較小，但

14、小斷層所處位置平均單位注灰量均較大，并且越靠近上部越大，從上往下介于1520537kg/m，說明斷層帶的可灌性較好，采用灌漿的方法來處理是可行的。綜上所述，試驗(yàn)區(qū)注灰量與結(jié)構(gòu)面的關(guān)系有如下特征：（1）試驗(yàn)區(qū)巖體中的斷層、擠壓破碎帶和陡傾角裂隙是主要耗灰結(jié)構(gòu)面，B試驗(yàn)區(qū)的結(jié)構(gòu)面比A試驗(yàn)區(qū)發(fā)育，B試驗(yàn)區(qū)的注灰量比A試驗(yàn)區(qū)大。（2）同一孔中，凡是陡傾角裂隙發(fā)育的上下兩段，上一段巖體的單位注灰量多大于下一段巖體的單位注灰量，這說明陡傾角裂隙連通性較好，上段灌漿時(shí)其下部的結(jié)構(gòu)面就已得到了一定的灌注與充填。（3）不同序次同類結(jié)構(gòu)面所在孔段，前序次孔段的巖體單位注灰量大于后序次孔段的巖體單位注灰量，這說明巖

15、體中主要結(jié)構(gòu)面在前序次灌漿后就已得到了較為充分的灌注。2.2 灌后巖體透水率檢查灌漿完成后，在每個(gè)試驗(yàn)區(qū)分別布置了3個(gè)檢查孔，檢查孔的壓水試驗(yàn)成果見4。表4 灌后壓水試驗(yàn)成果匯總表部位孔數(shù)段數(shù)區(qū)間段數(shù)（Lu）33661010A區(qū)32018110B區(qū)31804410從Error! Reference source not found.中可以看出，A試驗(yàn)區(qū)灌后檢查孔巖體透水率值小于3Lu的段次占90，介于36Lu的段次占10，滿足灌漿試驗(yàn)技術(shù)要求的規(guī)定；B試驗(yàn)區(qū)灌后檢查孔巖體透水率值較大，沒有達(dá)到灌漿試驗(yàn)技術(shù)要求的試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)。2.3 巖體聲波、地震波測(cè)試及灌漿質(zhì)量分析2.3.1 巖體聲波、地震波測(cè)試

16、為檢查灌漿效果及巖體質(zhì)量的改善情況，本次灌漿試驗(yàn)利用地球物理測(cè)試手段進(jìn)行檢測(cè)，采用CE-9201型聲波測(cè)試儀和DZQ24型地震儀，在水耦合下進(jìn)行單孔的聲波測(cè)試和兩孔之間巖體的地震波 CT測(cè)試。單孔聲波測(cè)試采用自下而上逐點(diǎn)檢測(cè)，點(diǎn)間距為20cm，測(cè)試探頭采用一發(fā)雙收裝置，發(fā)射與接收換能器均在同一孔中。地震波CT測(cè)試采用12道串狀檢波器，測(cè)試時(shí)，在一孔不同位置設(shè)置檢波器，其間距為1.0m；在另一孔不同位置設(shè)置激發(fā)點(diǎn)，其間距為2.0m。完成一側(cè)孔激發(fā)后，兩孔互換。單孔聲波成果基本反映測(cè)試孔附近的巖體質(zhì)量，并能較好地反映出測(cè)試孔周邊巖體內(nèi)結(jié)構(gòu)面的分布狀況。灌漿試驗(yàn)施工中，分別于兩試驗(yàn)區(qū)灌前測(cè)試孔和、序

17、灌漿孔中進(jìn)行了單孔聲波測(cè)試（部分孔段因巖體滲漏量大，聲波無法測(cè)試）；分別于兩試驗(yàn)區(qū)物探對(duì)穿孔中在灌前和、序灌漿后進(jìn)行了地震波CT測(cè)試。兩試驗(yàn)區(qū)巖體的單孔聲波速度及孔間巖體的地震波速度均隨灌漿序次的增高而逐漸提高。A試驗(yàn)區(qū)測(cè)試孔、序孔和檢查孔巖體聲波速度平均值分別為3470m/s、3650m/s、4320m/s、4490m/s和4660m/s；、序孔和檢查孔與測(cè)試孔相比分別提高了5.2、24.5、29.4%和34.29%，序孔比序孔提高了18.4，序孔比序孔提高了3.9，檢查孔比序孔提高了3.8。孔間巖體灌前和、序灌后巖體地震波縱波速度平均值分別為2520m/s、2830m/s、3470m/s和

18、3790m/s；、序灌后與灌前相比分別提高了12.3、37.7和50.4%，序灌漿后巖體地震波縱波速度比序灌后提高了22.6，序灌漿后巖體地震波縱波速度比序灌漿后提高9.20%。B試驗(yàn)區(qū)測(cè)試孔由于嚴(yán)重漏水，孔內(nèi)巖體聲波沒能實(shí)施檢測(cè)。、序孔和檢查孔巖體聲波速度平均值分別為2560m/s、3640m/s、3890m/s和4330m/s；序孔比序孔提高了42.19，序孔比序孔提高了6.87，檢查孔比序孔提高了11.31?？组g巖體灌前和、序灌后巖體地震波縱波速度平均值分別為1810m/s、2180m/s、2750m/s和2940m/s；、序灌后與灌前相比分別提高了20.4、51.9和62.4%，序灌漿

19、后巖體地震波縱波速度比序灌后提高了26.1，序灌漿后巖體地震波縱波速度比序灌漿后提高6.91%。2.3.2 灌漿效果分析灌漿效果及波速值與灌漿序次、孔距、灌漿壓力、巖體結(jié)構(gòu)等有關(guān)。根據(jù)上述資料統(tǒng)計(jì)可以得到如下認(rèn)識(shí)：從地震波CT測(cè)試成果看，隨著灌漿序次的增加，巖體地震波縱波速度值也逐漸提高，兩試驗(yàn)區(qū)灌后地震波縱波速度提高的順序均為序序>序。其中A區(qū)孔間巖體的地震波縱波速度平均值序灌后比灌前提高了12.3，序灌漿后比序灌后提高了22.6，序灌漿后比序灌漿后提高9.2%；B區(qū)孔間巖體的地震波縱波速度平均值序灌后比灌前提高了20.4，序灌漿后比序灌后提高了26.1，序灌漿后比序灌漿后提高6.91

20、%。說明經(jīng)過、序灌漿后，巖體中的大部分裂隙已得到了充分的灌注，繼而序灌漿對(duì)剩余部分裂隙和細(xì)微裂隙進(jìn)行加密補(bǔ)充灌注，事實(shí)證明，灌漿效果是明顯的。A試驗(yàn)區(qū)經(jīng)兩個(gè)序次的固結(jié)灌漿后，巖體地震波縱波速度等于或大于3000m/s的頻率已達(dá)到86.38%，等于或大于3500m/s的頻率已達(dá)到60.44%；經(jīng)三個(gè)序次的固結(jié)灌漿后，巖體地震波縱波速度等于或大于3000m/s的頻率已達(dá)到90.05%，等于或大于3500m/s的頻率已達(dá)到76.06%。3MPa灌漿壓力下地震縱波速度大于3500m/s的頻率值為86%。B試驗(yàn)區(qū)經(jīng)兩個(gè)序次的固結(jié)灌漿后，巖體地震波縱波速度等于或大于2500m/s的頻率已達(dá)到81.81%，

21、等于或大于2800m/s的頻率已達(dá)到53.24%；經(jīng)三個(gè)序次的固結(jié)灌漿后，巖體地震波縱波速度等于或大于2500m/s的頻率已達(dá)到88.26%，等于或大于2800m/s的頻率已達(dá)到65.68%。3MPa灌漿壓力下地震縱波速度大于2800m/s的頻率值為73.9%?？偟膩砜矗酀{效果是明顯的。3 結(jié)語（1）試驗(yàn)區(qū)巖層主要以薄層灰?guī)r為主，夾少量中厚層灰?guī)r和極少量薄層粉砂質(zhì)泥灰?guī)r，巖體風(fēng)化卸荷深度較大，其結(jié)構(gòu)面發(fā)育，張開度較大，連通性較好，巖體結(jié)構(gòu)類型主要為碎裂結(jié)構(gòu)、鑲嵌碎裂結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)區(qū)巖體的綜合特征具有代表性。（2）根據(jù)壩址區(qū)環(huán)境水水化學(xué)類型，灌漿材料選用DGH.SRC型抗硫酸鹽水泥，滿足水工建筑物設(shè)