大岗山水电站高拱坝坝基固结灌浆试验

杨学祥,李 焰

(1.长江大学城建学院,湖北 荆州 434023;2.葛洲坝集团试验中心,湖北 宜昌 443002)

1 坝基地质概述

大渡河大岗山水电站位于四川雅安市,拱坝坝高210 m,坝区基岩以灰白色、微红色中粒黑云二长花岗岩为主,局部出露肉红色正长花岗岩和辉绿岩脉,少部分基岩在气液交代变质、构造变质及风化作用下发生蚀变。坝区花岗岩各类岩脉穿插发育,以辉绿岩脉为主,宽度大于2 m或较破碎的辉绿岩脉共计151条,宽度大于5 m的辉绿岩脉约53条,主要为陡倾角。坝区长大裂隙和断层带多沿辉绿岩脉分布,对坝肩抗滑稳定不利(可能构成不利块体的侧裂面)。坝址区无大的断层,除右岸F1断层规模较大,破碎带宽度0.9 m～7.1 m外,其它规模较小,破碎带宽度多在0.1 m～0.3 m。

2 试验研究目的与对象

现场固结灌浆试验的目的[1]是:研究灌浆对坝体整体性、基岩强度等方面的改善情况以及相应的岩石力学参数,同时分析岩体的可灌性、施灌方法、施工工艺等有关技术数据,为拱坝基础处理设计和施工提供参数。

根据拱坝建基面的地质条件不同,固结灌浆试验主要研究对象有下面两种情况。

2.1 弱风化下段弱卸荷Ⅲ2类花岗岩岩体

Ⅲ2类花岗岩岩体在拱坝建基面左岸990 m～1135 m高程下游拱端出露,其中990 m～1070 m出露最大宽度为7 m左右,1070 m～1135 m出露最大宽度为2 m左右,在建基面右岸1090 m高程以上较大范围出露。

2.2 镶嵌～碎裂结构的Ⅳ类辉绿岩脉

拱坝建基面出露多条辉绿岩脉,大部分性状较差,为Ⅳ类岩,少数岩脉为Ⅴ类岩,伴随岩脉发育的断层为Ⅴ类岩。大部分出露在大坝左右岸的拱端或拱端以里较近范围,走向多近似平行拱端,倾角较陡,对拱坝坝基变形影响较大。

3 试区与钻孔布置

结合现场勘探与工程进展,选择右岸 PD305平洞(A区)、左岸PD207平洞(B区)作为坝基固结灌浆试验区。A试区、B试区主要灌浆对象分别为弱风化下段弱卸荷Ⅲ2类花岗岩岩体和β21辉绿岩脉。见图1。

左右岸两个试区各采用一组13个灌浆孔的正方形布孔形式进行布孔。A试区陡倾角裂隙发育,为使灌浆孔穿过更多裂隙,布孔为斜孔,与竖直向夹角为20°;B试区辉绿岩脉β21倾角70°～80°,顺岩脉走向,布孔为直孔。灌浆试验将13个试孔分三个次序进行,各类孔布置见图2。

图1 试区剖面图

图2 A试区灌浆孔布置

A、B试区平均孔深为35.00 m,抬动观测孔孔深为30.00 m。测试孔和检查孔孔径为76mm;两个试区灌浆孔开孔孔径为91mm,终孔孔径均为76mm。

4 灌浆试验施工工艺与方法

4.1 钻孔方法与灌浆材料

采用风动和回转钻机造孔。灌浆试验以孔口封闭法为主。采用普通硅酸盐水泥灌浆作为灌浆材料。水泥浆液按照水灰比分为 2∶1、1∶1、0.8∶1、0.6∶1 四级。

4.2 钻孔冲洗与灌前压水试验

冲洗:各灌浆孔段在压水试验前以该段灌浆压力的80%(超过1MPa时按1MPa)进行压力水冲洗,冲洗时间为直到回水清澈并延续10 min结束。

简易压水试验:两试区水泥灌浆孔每段在灌浆前,均进行了简易压水试验,试验压力为该段灌浆压力的80%,超过1MPa采用1MPa;压水时间20 min,每5 min测读一次压水压力和流量,取最后读数为计算值。

五点法压水试验:两个试区的灌前测试孔及灌后检查孔采用五点法压水试验。绘制试验孔段的压力-透水率(P～Q)曲线,通过判别P～Q曲线的类型来分析在试验压力作用下裂隙状态的变化规律。P～Q曲线的类型分为5类:A为层流型,B为紊流型,C为扩张型,D型为冲蚀型,E型为充填型。各段次P～Q曲线类型见表1。

4.3 劈裂压水试验

劈裂压水试验:为了解被灌岩体抗水力劈裂能力,灌前在A试区RP4孔岩体较完整的孔段中和B试区LP4孔内辉绿岩脉孔段,分别选择1段进行劈裂压水试验,观测压力与流量的变化规律,为合理选择灌浆压力提供依据。被灌岩体抗水力劈裂能力主要与岩体强度、完整性和节理面的性状、试段埋深及试区边界条件等因素相关,从表2和图3、图4可见:

(1)两个试区原始岩体的启缝压力较低,其中弱风化下段弱卸荷Ⅲ2类花岗岩岩体启缝压力为2.0MPa,镶嵌～碎裂结构的Ⅳ类辉绿岩脉的启缝压力为1.08MPa。

(2)劈裂压水试验降压过程曲线向升压过程曲线右侧移动,表明岩体变形多呈现塑性变形,可能与结构面和裂隙中含有充填物有关[2,3]。

表1 灌前测试孔的P～Q曲线类型

表2 劈裂压水试验成果

图3 A试区RP4(6.1 m～9.1 m)劈裂压水曲线

图4 B试区LP4(16.5 m～18.5 m)劈裂压水曲线

4.4 灌浆段长度与压力控制

灌浆段长:此次灌浆试验选定灌浆段长为5 m,终孔段不大于6 m。考虑到试区处于中、陡倾岩带,为了减少地表冒浆及抬动变形,上部的第1、第2段采用2 m及3 m的段长,启灌深度定为0.5 m。

灌浆压力:结合两个试区灌前劈裂压水试验成果,确定两个试区的最大灌浆压力为5.5MPa。考虑到试区Ⅰ、Ⅱ序灌浆孔均属于外围孔,为了减少浆液向试区被灌岩体外部无益的流失,Ⅰ、Ⅱ序灌浆孔采用双限压力控制措施。各试区灌浆试验初定压力见表3、表4。

表3 A试区灌浆压力使用表

表4 B试区灌浆压力使用表

4.5 灌浆浆液变换与结束标准

A试区:①灌前简易压水透水率小于15 Lu的孔段,开灌采用2∶1水灰比浆液,Ⅰ序孔注入率大于10 L/min,Ⅱ序孔、Ⅲ序孔注入率大于15 L/min立即更换为1∶1的浆液进行灌注。②灌前简易压水透水率大于15 Lu的孔段直接采用1∶1浆液进行灌注。③当灌浆压力保持不变,注入率持续减少时,或当注入率不变而压力持续升高时,不得改变水灰比。④当某一比级浆液的注入量已达300 L以上或灌注时间已达1 h,而灌浆压力和注入率均无改变或改变不显著时,应改浓一级。⑤当注入率大于30 L/min时,可根据具体情况越级变浓。

B试区:①普通水泥浆液,开灌采用2∶1水灰比浆液,当孔内水被全部排出开始灌注后,如果注入率大于15 L/min,立即更换为1∶1浆液进行灌注。②当灌浆压力保持不变,注入率持续减少时,或当注入率不变而压力持续升高时,不得改变水灰比。③当某一比级浆液的注入量已达300 L以上或灌注时间已达1 h,而灌浆压力和注入率均无改变或改变不显著时,应改浓一级。④当注入率大于30 L/min时,可根据具体情况越级变浓为0.8∶1或者0.6∶1。

灌浆试验结束标准:孔口封闭灌浆法灌浆,在设计灌浆压力下,注入率不大于1 L/min时,延续灌注时间不少于60 min即可结束本段次灌浆。

4.6 合理控制灌浆压力

为减小岩石抬动现象的发生,根据吸浆率的及时变化情况合理的控制灌浆压力是高压灌浆施工中的一个重要原则。在灌浆过程中严格控制灌浆压力与吸浆率协调,严密控制升压速度与吸浆率协调,按照以往工程经验[4],控制灌浆压力不超过表5所规定的数值。

表5 灌浆压力与吸浆率控制

5 试验测试情况及结论

5.1 试验测试成果与分析

A试区Ⅲ2类花岗岩平均单位注灰量175.51 kg/m,Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ次序孔分别为316.05 kg/m、250.82 kg/m、83.47 kg/m、32.77 kg/m,相应的灌浆前透水率分别为68.59 Lu、89.64 Lu、18.23 Lu、2.43 Lu;B试区Ⅳ类辉绿岩(β21)平均单位注灰量为90.39 kg/m,Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ次序孔分别为107.27 kg/m、96.51 kg/m、64.83 kg/m,对应的灌浆前透水率分别为51.55 Lu、15.67 Lu、4.06 Lu。灌浆单位注灰量和透水率依灌浆次序递减趋势明显,符合一般的灌浆规律性[5]。

灌浆试验后主要测试成果见表6。

表6 灌浆前后岩体力学及渗透性指标对比

5.2 结论与建议

(1)从实验可以得到结论,AB两个试区岩体,声波波速、完整性系数、变模均有所提高,透水率完全可以达到设计要求。

(2)如能进一步缩小孔距和采用更大的灌浆压力,适当调整灌浆工艺,A试区Ⅲ2类岩体还可改善。Ⅲ2类岩体处理方法可以根据工程需要和工程位置考虑灌浆加固或采取其它工程措施。

[1]郑守仁.大坝建基岩面找平混凝土封闭式固结灌浆设计及施工技术[J].中国三峡,2009,(3):58-63.

[2]尤明庆.水压致裂法测量地应力方法的研究[J].岩土工程学报,2005,27(3):350-353.

[3]孙锋,卢 超,尤春安,等.劈裂灌浆钻孔附近弹塑性应力分析[J].水利与建筑工程学报,2006,4(4):28-30.

[4]杨学祥.三峡工程右岸大坝基础找平混凝土封闭法固结灌浆施工[J].水利水电技术,2005,36(6):72-75.

[5]Yang Xue-xiang,Yan Li.Construction and quality analysis of curtain grouting in foundation of dam for Yangtze Three Gorges Project[C]//Hanlongliu,Geotechnical Engineering for Disaster Mitigation and Rehabilition.Springer,2008.