基础灌浆引起地层抬动的机理分析与控制方法

陈 娟 徐力生

随着灌浆工程的发展,用灌浆基本三参数流量(Q)、压力(P)、水灰比(W/C)控制优化灌浆工艺过程和灌浆质量,国内外已作大量的研究工作,并用于实践。同时由于灌浆施工不当引起的地层抬动,也逐渐引起了关注。地层抬动参数是灌浆效果的一个重要影响参数,控制好地层抬动是灌浆施工中避免造成破坏的关键,抬动控制成为灌浆设计中必须考虑的问题。

1 工程概述

某水电站大坝为钢筋混凝土面板堆石坝,拟建坝高261.5 m,装机容量5 850 MW,左岸为地下发电系统,由主厂房、主变室、尾水洞等庞大而复杂的地下洞室群组成。

1.1 地质构造

左岸坝区基岩地层主要为二叠纪～三叠纪花岗岩体(γ34～γ15)及辉绿玢岩脉(Vπ);三叠系中统怀组下段(T12m)及第四系。节理裂隙主要为:1)N25°～ 50°E,NW∠80°～ 90°延伸长大于 1 000 m,带宽 2 m～ 6 m,由碎裂岩、角砾岩等组成。2)N14°～ 30°E,SW∠50°～68°延伸长大于800 m,带宽0.5 m～1.8 m,上下裂面起伏不平,上宽下窄,由碎裂岩、石英脉透镜体等组成。3)N0°～ 22°E,SW∠42°～58°延伸长大于 660 m,带宽 0.5 m～1.2 m,由角砾岩、碎斑岩等组成,局部有碎粉岩。

1.2 结构面工程地质分级

结构面工程地质分级的原则是依据其宏观上的性状差异进行划分,主要分为Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ类。左岸工程区岩体质量一般为Ⅱ类,Ⅲ类岩体,出现少数Ⅰ类岩体。

2 各因素影响下的抬动机理分析

2.1 灌浆压力

灌浆压力是指作用到灌浆段上的实际压力。假设在地表以下一定位置有一条水平的裂隙,施以不同的灌浆压力,得到注浆量、抬动值及弹模改善量等灌浆检验效果参数与灌浆压力的关系,见图1～图5。

图1中的曲线存在着拐点,对应着灌浆过程中的两个过程:浆液的扩散半径小于裂隙长度时的灌浆过程和扩散半径等于裂隙长度时的灌浆过程,在压力较小时,浆液的扩散半径小于裂隙的长度,灌浆压力与地表抬动值存在着曲线关系,若用二次函数来拟合,其相关系数R2能达到0.999 8。随着压力的增大,浆液的扩散半径等于裂隙的长度,如图2所示,此时浆液充满了整个裂隙,灌浆压力同地表抬动值存在着线性关系,其相关系数能达到0.999 998。

在拐点之前,灌浆压力与由岩体变形引起的注浆量存在着非线性关系,若用二次函数来拟合,其相关系数R2能达到0.999 5以上,如图3所示。

在拐点之前,地表抬动值与浆液扩散半径的关系也是非线性的,若用二次函数来拟合,其相关系数 R2能达到0.999 8以上,如图4所示。

在拐点之前,由岩体变形引起的注入量与浆液扩散半径的关系也是非线性的,若用二次函数来拟合,其相关系数R2能达到0.999 5以上,如图5所示。

由以上分析,说明在其他灌浆基本条件一致的情况下,灌浆压力与地表抬动值、岩体变形引起的注浆量存在以下关系:1)灌浆压力同地表抬动值在拐点前成非线性关系,在拐点后成线性关系。2)灌浆压力在拐点之前同由岩体变形引起的注浆量成多次曲线关系,在拐点之后成线性关系。

2.2 灌浆注入量

灌浆单位注入量和灌浆压力一样,与抬动变形之间有着密切的关系。注入量较大时,有利于浆液的扩散,但注入量过大,又会使浆液来不及扩散,产生扩张压,引起抬动变形。当灌浆压力很小而单位注浆量很大时,注入的浆体所具备的能量仍然很大,同样有可能造成抬动破坏。

2.3 混凝土盖板

在廊道做灌浆施工时,要严格使盖板与基岩保持紧密的结合。混凝土盖板对抑制灌浆压力引起的抬动有一定的作用,但是当灌浆压力超过一定值时,抬动引起盖板开裂将不可避免。假设浆液扩散在层面内1 m2的范围内充满浆液,首段灌浆压力取值为0.2 MPa,那么在这1 m2的范围内产生的上举力为:

设混凝土盖板容重为2 800 kg/m3,则需要混凝土盖板的厚度:

一般情况下,60 cm～120 cm厚的混凝土盖板根本无力承受这么大的力量,当然层面的实际连通情况会断断续续的,产生的上举力相对较小,但是这种力量仍不可忽视。

3 抬动控制方法

3.1 灌浆压力的控制

灌浆施工时,一般使用较高的压力,左岸Ⅰ类,Ⅱ类结构面中存在着易于劈裂的层面、软弱岩带和潜在的不连续面等,它们在高压力作用下,一方面能使浆液更好的压入岩层中的小裂隙和空洞,获得较大的扩散范围,使得在孔距相对增大时,一样能满足要求,同时也使钻孔数目减少,施工经济,工期缩短。另一方面使用较高的压力提高了水分从浆液中析出的速度,有利于浆液凝结密实,提高结石强度,增强防渗稳定性能。

但灌浆压力也不能过大,压力过大,会使岩石裂隙扩宽,甚至产生新的裂隙,使原来的地质条件恶化,以致抬动变形。

适宜的灌浆压力,既要大到保证使地层孔隙得到充分的灌注,又要不致给底层带来不利影响。左岸工程区地下厂房帷幕灌浆利用拐点前增大压力以提高灌入能力是可行的,尤其是在钻孔达到较深灌浆段时,可以大幅度增大灌浆压力。

工程按最初要求设计最大压力为6.0 MPa,最初设计值见表1,施工中根据具体条件及所用浆液等情况做出调整,见表2。

表1 帷幕灌浆压力初值表

表2 帷幕灌浆压力调整值表

3.2 灌浆注入量的控制

灌浆注入量对于岩体地层抬动的影响也很明显,因此为了防止抬动有必要进行灌浆限量控制。即控制每一灌浆段的注入水泥量。左岸灌浆施工区Ⅲ类结构面存在一些岩体含有细微裂隙或天然防渗性良好,透水率不大于1.0Lu的地区,一般说这部分裂隙可灌性较差,造成帷幕灌浆不吸浆状况,可适当降低灌浆注入量和灌浆压力,避免造成裂隙扩大引起抬动变形,破坏地层条件。

3.3 多次灌浆填充

混凝土盖板对抬动有一定的抑制作用,但压力过大时,混凝土盖板仍会开裂。解决方案为:1)在不引起盖板抬动的条件下通过多次灌浆充填盖板与基岩的接触面,减少盖板抬动的受力面积。2)配以锚杆加固,对盖板变形部位采取打锚杆的措施,为增加锚杆与基岩的连接强度,在锚杆上加焊阻力环。

3.4 抬动变形观测

在左岸某灌浆施工廊道内应用了自动化抬动观测装置,该装置的结构见图6,在进行抬动绝对值测量时,通常是在灌浆孔周围(灌浆能影响到的范围内)打一个或几个钻孔作为抬动观测孔,并埋置抬动观测装置。该装置选用了传感器代替常用的千分表测量位移,传感器测量精度 0.001 mm,测量范围:0.001 mm～10 mm,设计要求的抬动变形最大值小于1 mm。

4 结语

由于灌浆工程是隐蔽工程,灌浆质量的优劣直接关系到大坝和基础的安全,因此,在灌浆工程中控制地层抬动将成为确保灌浆质量,提高工作效率的发展趋势。

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