物探成果在黄河龙口水利枢纽固结灌浆优化设计中的应用

2010-04-28魏树满余伦创刘栋臣

水利水电工程设计 2010年4期

魏树满余伦创刘拥刘栋臣

黄河龙口水利枢纽位于山西省河曲县与内蒙古自治区准格尔旗交界处,黄河北干流托克托—龙口段的末端。为混凝土重力坝,最大坝高51m,坝顶全长408m,坝顶高程900m,正常蓄水位898m,总库容1.96×108m3;采用河床式电站,最大装机容量420mW,选用4台单机容量100mW轴流转浆式和1台容量为20mW的混流式水轮发电机组。本工程为大(Ⅱ)型工程,大坝、厂房、泄水建筑物为2级建筑物,其它为3级建筑物。

为提高基础岩体强度,改善岩体的完整性、均一性,在2级建筑物基础布置了大量的固结灌浆工作。固结灌浆一般分Ⅱ序次进行,主要采用排间分序加密工艺,间、排距厂房段为5m×5m,其它采用3 m×3 m,个别部位视具体情况略有调整;均采取梅花形布置。对于孔深为5,7,10m的上部3 m,灌浆压力Ⅰ、Ⅱ序孔分别采用0.2mPa和0.4mPa;对于孔深为10m的下部7 m,灌浆压力Ⅰ、Ⅱ孔分别采用0.4mPa和0.5mPa。固结灌浆地层主要为上马家沟组第二段(O2m)地层,即O2m中厚、厚层灰岩、豹皮灰岩,O2m薄层灰岩,O2m中厚层、厚层灰岩、豹皮灰岩。

1 物探成果简述

为评价坝基岩体质量和建基面开挖后岩体卸荷以及爆破的影响程度等,进而为基础岩体验收提供定量依据,开展了基础岩体表面地震波测试、钻孔声波测井、孔内电视录像等物探工作。

1.1 地震波测试

基础浅部岩体地震波采用小相遇观测系统,检波器间距1m,测段长一般为4～13 m。每一坝块均按网格状布置平行和垂直坝轴线的地震波测线,测线间距一般为6～12m。按 t0法中的 θ(x)曲线求解每一排列的地震纵波速度值,据此绘制基础岩体地震纵波速度波速等值线(图1为7C～8C坝块地震纵波速度等值线图),基础岩体地震纵波速度规律见图2。地震波速作为坝基岩体质量验收的惟一定量数据在基础单元验收中得到了广泛应用。

图1 7C～8C坝块地震纵波等值线图

图2 基础岩体地震纵波速度分布直方图

1.2 钻孔声波测试

钻孔声波测试采用点测方式进行,测点距0.1～0.2m。其目的主要为确定基础岩体开挖后其卸荷及爆破影响深度、评价固结灌浆效果。

钻孔声波测试vp-h(图3)多具有两层速度:①表层声波波速为1540～6850m/s,平均波速为3760m/s,深度为0.4～2.2m,平均深度为1.2m,其中1#～10#坝段平均深度为1.1m、11#～19#坝段平均深度为1.4m。②下部岩体受软弱夹层及局部岩体完整性较差的影响,导致岩体弹性参数差异较大,实测声波波速为2450～6950m/s,平均波速为6020m/s。表层低波速O2m岩体声波平均波速比其下部原岩状态的声波平均波速降低约38%,说明岩体卸荷回弹及爆破对岩体弹性参数影响较大。

图3 18#～19#坝段钻孔声波测试综合统计成果图

右侧拦河坝及消力池(A标)固结灌浆声波检测结果(图4)表明:在孔深1.6m以上灌浆前平均波速为5150m/s,完整性系数平均值为0.55,按完整性系数划分,总体上应属完整性差岩体,灌浆后平均波速为5460m/s,完整性系数平均值为0.62,按完整性系数划分,总体上应属较完整岩体,灌后较灌前波速平均提高率为6.1%;在孔深1.6～7.0m灌浆前平均波速为5970m/s,其中在孔深3.0～7.0m灌浆前平均波速为6010m/s,完整性系数平均值为0.76,按完整性系数划分,总体上应属完整岩体,灌浆后孔深1.6～7.0m平均波速为6100m/s,完整性系数平均值为0.77,按完整性系数划分,总体上应属完整岩体,灌后较灌前波速平均提高率为2.4%。

虽然灌浆后声波波速总体上均高于灌浆前的声波波速,但波速的提高幅度是不同的。在孔深1.6m以上波速平均提高率为6.1%;在孔深1.6m以下波速平均提高率仅为2.4%,灌浆对岩体的完整程度改善不大。

2 优化设计条件

图4 A标固结灌浆声波检测综合成果图

黄河龙口水利枢纽拦河坝及电站厂房基础岩体主要为O2m中厚、厚层灰岩、豹皮灰岩,为致密坚硬岩石类,干密度平均值为2.69～2.70 g/cm3,饱和抗压强度平均值为87～120mPa。但受爆破开挖、岩体卸荷回弹、岩体完整程度、开挖形态以及开挖后岩体暴露时间等综合影响,实测岩体地震纵波速度差异较大,实测基础岩体地震纵波速度1210～5850m/s,平均值为3560m/s,其中vp≥3500m/s的占测点总数的55.1%。对比分析现场变形试验结果表明:vp≥3500m/s岩体的变形模量和弹性模量分别大于10GPa和24 GPa,已满足设计需要。依据动静检测对比结果,在左侧拦河坝(1#～10#坝段)及电站厂房可根据基础岩体地震波测试结果及时调整固结灌浆位置,进行优化设计是可行的。

钻孔声波测试结果显示爆破开挖及岩体卸荷回弹的影响深度为0.4～2.2m;右侧拦河坝及消力池(A标)固结灌浆声波检测结果显示在孔深1.6m以上波速平均提高率大于孔深1.6m以下波速平均提高率,且在孔深 3.0～7.0m灌浆前平均波速为6010m/s,与原岩状态的声波平均波速6020m/s基本一致。上述测试结果说明在左侧拦河坝(1#～10#坝段)及电站厂房调整固结灌浆孔深是可行的。

3 优化设计

技施设计阶段,根据坝基开挖情况和鉴定意见,为了进一步优化工程设计,节省工程投资,对1#～10#坝段和发电厂房建筑物基础固结灌浆设计进行优化设计,内容如下。

根据电站坝段施工纵缝的设置位置,将建筑物沿水流方向从上游向下游分A、B、C三块。

(1)A块固结灌浆设计:在上游齿槽斜坡中部布置一排孔,为了施工方便,将垂直开挖面孔的斜孔改为竖直孔,1#、2#坝段孔深12.0m,3#～10#坝段孔深10m。A块基础底面固结灌浆孔入岩深均为5.0m。固结灌浆孔、排距布置原则为3 m。遇帷幕灌浆孔时,将排距调整为7.0m。固结灌浆孔按方格形布置。

(2)B块固结灌浆设计:B块为各坝段中间部位,固结灌浆孔的入岩深度基本上为3.0m,1#、2#坝段孔、排距为3.0m,3#～10#坝段孔、排距为4.0m。3#坝段的下游侧为高开挖边坡,尾部岩石较破碎,3#坝段桩号下 0+047.40—下 0+061.80范围内孔的入岩深度为9.0m。4#坝段桩号下0+058.80孔的入岩深度为12m。

(3)C块固结灌浆设计:C块为各坝段的坝趾,压应力较大,根据实际基坑开挖情况,该部位岩石表面完整性好,抗压强度较高,5#～8#坝段只在实测地震纵波速度小于3500m/s的部位设置固结灌浆孔,孔深3.0～5.0m,靠近边墩的灌浆孔倾向边墩方向15°,4#坝段基础底面入岩深度为3.0m,斜坡部位由垂直岩面改为竖直向下钻孔,入岩深为12.0m。9#、10#坝段入岩深5.0m。

(4)电站尾水渠固结灌浆孔入岩深度5.0m,孔、排距均为3.0m。

优化设计后,在节省工程投资、加快施工进度等方面均有较大改善。如在电站厂房7C和8C坝块(见图1),实测基础岩体地震纵波速度2080～5850m/s,平均值为4740m/s,其中vp≥4000m/s的分布面积约占坝块总面积的77.1%。受开挖形态及岩体完整性影响,在靠近7B和8B坝块的边缘及8C坝块的中部岩体地震纵波速度较低。设计人员根据实测岩体地震纵波速度的分布规律,仅在低于4000m/s的位置布设了34个灌浆孔,比原设计方案的160个灌浆孔减少了78%。