某水电站河床坝基固结灌浆效果分析

苏 星，陈 奎

(中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，四川 成都 610072)

1 前 言

在建的某水电站为双曲拱坝，最大坝高285.5m，以发电为主，兼有拦沙、防洪、改善下游航运等综合效益。河床坝基固结灌浆规模较大，共涉及7个坝段，从左岸至右岸依次为13～19号坝段，高程324.5～328m，顺河向长约70m，横河向宽约130m，面积约9 000m2。

坝区地层平缓，河床坝基开挖揭示的为厚度约25～30m二叠系上统峨眉山玄武岩(P2β3)，下伏岩层自上而下依次为玄武岩(P2β2、P2β1)、泥页岩沉积层(P2βn)及茅口组石灰岩(P1m)。层间错动带C2发育于P2β3、P2β2之间，高程为292～300m，呈含屑角砾型。河床坝基P2β3层以Ⅲ1级岩体为主，少量Ⅱ级岩体，部分Ⅲ2级岩体；P2β3层以下岩层以Ⅱ级岩体为主。其中Ⅱ、Ⅲ1级岩体均满足大坝建基要求，Ⅲ2级岩体约占15%，由错动带交汇或裂隙集中发育等构造原因造成，一般不连续分布，随机发育，需进行处理。Ⅲ2级岩体、P2β3层内随机发育的错动带，以及因地应力松弛和开挖爆破造成的松弛岩体为坝基固结灌浆的主要对象。

2 固结灌浆设计与灌后质量检查

2.1 灌浆设计方案

河床坝基采用混凝土有盖重固结灌浆，混凝土浇筑高度满足灌浆坝段不小于6m、相邻坝段不小于4m，当混凝土达到50%设计强度后在混凝土仓面进行钻孔灌浆。固结灌浆孔孔距1.5m×3.0m(顺河向×横河向)，呈梅花形布置，灌浆入岩孔深上游约1/3区为25m、下游约2/3区为30m，孔径φ110mm，孔向垂直向下。根据灌后质量检查效果，对未能达到验收合格标准的坝段进行补强处理，并重新检查；对局部未能达到设计要求的部位，可在廊道内和上下游贴角处对拱坝建基面上下游局部进行补强灌浆。

2.2 灌浆后质量检查

灌后岩体质量检查采用声波测试为主、钻孔变模和钻孔全景图像为辅，并结合钻孔压水试验、灌浆前物探成果、有关灌浆施工资料以及钻孔取芯资料等综合评定。检查孔总数大致为灌浆孔总数的5%。河床坝基各坝段灌后检查孔布置见图1。进行的物探测试包括单孔声波测试、对穿声波测试、钻孔全景图像测试、压水试验以及钻孔孔内变模测试。

3 固结灌浆效果分析、评价

可行性研究、招标设计阶段河床坝基C2层间错动带以上的P2β3层玄武岩主要为Ⅲ1级岩体，大坝设计采用的P2β3层玄武岩变形模量为10GPa，施工详图设计阶段根据400m高程以下开挖揭示的地质条件，对大坝体型进行了必要的调整，河床坝基Ⅲ1级岩体变形模量设计采用值为9GPa。

河床坝基固结灌浆的效果主要从灌浆后提高坝基岩体的整体刚度和均一性、减小不可恢复变形、抗

图1 河床坝基固结灌浆灌后检查孔布置

渗性的改善以及是否达到拱坝建基设计要求来分析、评价。

3.1 整体刚度

(1)钻孔变模。坝基岩体的整体刚度在灌后检测中主要通过钻孔变模平均值、声波速度平均值来反映。在河床坝基13～19号坝段共对47个孔进行了变模测试，灌前23孔，灌后24孔。各坝段及河床坝基整体变形模量平均值统计结果见表1。

根据表1统计结果可知，13～19号坝段灌后各坝段变形模量平均值均大于设计要求的9GPa，最大值为14.5GPa，最小值为9.7GPa；河床坝基整体变形模量灌后平均值为12.3GPa，满足设计要求。从钻孔变形模量的统计结果可以发现，整个河床坝基、各坝段岩体的整体刚度得到明显提高，灌浆效果显著，达到了设计要求。

(2)E0-Vp相关关系。根据不同设计阶段获得的E0、Vp数据进行回归分析，得到声波与变形模量的相关关系如下：

(1)

利用公式(1)，可将河床坝基大量的钻孔声波数据、并考虑层内错动带的影响可以得到坝基岩体的综合变形模量，进行河床坝基的整体刚度分析。河床坝基岩体声波统计平均值及按公式(1)计算的变模值见表2。

表1 河床坝基钻孔变模统计

表2 河床坝段灌后声波波速平均值、计算变模统计

13～19号坝段参与统计声波的单孔或对穿孔共81组，覆盖了整个河床坝基。从坝段平均波速计算变模值来看，最小值为13.2GPa，最大值为22.1GPa。

(3)坝基岩体综合变模分析。河床坝基岩层为层状岩体，无断层发育，主要地质构造为层内错动带Lc，倾角平缓，带宽一般3～5cm，少数10～20cm，局部交汇。若同时考虑河床坝基岩体与错动带的受力、变形，可按公式(2)计算其综合变形模量。

(2)

式中E——综合变形模量；

a1、a2——分别为岩体和Lc所占的百分比；

E1、E2——分别为岩体和错动带Lc的变形模量计算采用值。

现根据公式(2)对整个河床坝基的综合变形模量进行敏感性计算、分析，成果见表3。

表3中整个河床坝基灌后检查孔声波平均值为5 402m/s，根据公式(1)得到河床坝基声波计算变模值为20.2GPa，作为公式(2)中岩体变形模量E1

的计算采用值。根据坝基岩体声波测试的经验，层内错动带(Lc)固结灌浆前波速平均值多在2 500～3 300m/s，灌后平均波速多在3 500～4 200m/s，根据声波变模转换关系，变模值为5.0～9.0GPa，但实际上错动带(Lc)经过灌浆处理后声波值一般提高较大，变模值提高幅度较小，不能达到5.0～9.0GPa。可研、招标阶段对层内错动带(Lc)提出的变形模量建议值为2.0～3.0GPa，考虑到固结灌浆后错动带(Lc)的变模值有一定的提高，故计算采用值E2取上限3.0GPa。河床坝基以下30m范围内的P2β3层岩体中层内错动带(Lc)的厚度多在0.5～1.5m，所占百分比1.7%～5%。从表3的计算成果来看，当河床坝基下部不发育错动带时，岩体的综合变模为20.2GPa；当错动带所占百分比为5%时，综合变模为15.7GPa；即便考虑到错动带随机发育、个别坝段下部可能发育数量较多厚度较大、平均厚度增加至3m、所占比例为10%时，综合变模为12.8GPa ，仍能满足设计要求。

由河床坝基钻孔变模的统计、岩体声波计算变模值以及综合变模的敏感性分析可知，河床坝基岩体的整体刚度经固结灌浆后提高明显，提高幅度达17.1%，在整体性方面能满足拱坝建基要求。

表3 河床坝基灌浆后综合变形模量敏感性分析计算

3.2 均一性

坝基岩体的均一性改善主要表现为缓倾角层内错动带物理力学性能的提高，减小不可恢复变形。在物探测试方面主要反映在固结灌浆前后钻孔变模测试中小值的减小、波速小于4 000m/s测试段所占比例的的减小和错动带声波值的提高等方面。

从钻孔变模测试情况来看，河床坝基灌前小于5GPa的测试段所占百分比为12.8%，灌后减小到8.9%，减小幅度为30.5%。大于12GPa的百分比由32.9%增加到53.0%。各坝段钻孔变模测试中的小值所占的比例均有一定幅度的减小，大值有所增加(参见图2)。

河床坝基各坝段灌前检测孔声波波速统计资料表明，波速小于4 000m/s的孔段所占的百分比一般在10%～18%，灌浆后小于4 000m/s所占百分比减小至2%～10%。灌浆后层内错动带的声波值有较大幅度的提高，其力学性能、充填程度均有一定的改善。河床坝基各坝段层内错动带固结灌浆后的平均波速较灌前提高幅度在6.2%～28.7%，提高效果明显(见表4)。

钻孔变模测试中的小值、声波测试中小于4 000m/s所占比例的减少以及灌后层内错动带波速的提高均表明固结灌浆后河床坝基的均一性得到一定的改善，对坝基减小不可恢复变形以及不均匀沉降起到积极作用。

3.3 抗渗性

固结灌浆后对河床坝基的透水性进行了质量检查。压水试验在各坝段灌浆结束7d后进行，试验采用单点法，每5m为一个压水试验段。经过系统灌浆后，河床坝段压水试验中未出现透水率大于4.5Lu的测试段，小于3Lu的试验段占总试验段的85%以上，整个河床坝基呈弱偏微透水层，有效提高了坝基的抗渗性，一定程度上可对坝基帷幕灌浆起到辅助作用。

图2 河床坝基灌浆前后钻孔变模试验值分布

表4 河床坝段灌浆前后错动带声波波速平均值统计 m/s

4 河床固结灌浆三维地质建模简介

该水电站是国家级的重点水电工程，积极研究、应用新技术、新手段才能更好地为工程服务，三维地质建模的应用就是其中的一个应用项目。河床坝基相关工程问题较多，完整性差的岩体、错动带空间展布较复杂，因此有必要通过三维图件进行模拟、分析，为坝基固结灌浆中发现问题及时处理，提供直观、有效的途径。基于Gocad2.0.8软件，建立了河床坝基灌浆检测三维模型。三维模型中包括的信息有建基面开挖地形、坝基以下各级岩体的空间范围、地层岩性、主控结构面以及灌后检查孔的检测成果。三维图形的建立使灌浆的检查分析更加直观、立体；有助于灌浆后坝基以下不满足要求部位空间范围、结构面的空间展布情况的判定；也可以直接应用三维图件进行平、剖面的绘制，相关数据的读取，提高了工作效率。河床坝基13号坝段固结灌浆的三维地质模型见图3。

图3 河床坝基13号坝段固结灌浆三维模型

5 结束语

通过对某水电站河床坝基灌浆检查资料的分析、计算，表明灌浆达到了预期效果，使坝基在整体刚度、均一性、抗渗性等方面得到改善，能够满足拱坝建基要求。通过建立河床坝基灌浆效果三维分析模型，提高了地质资料综合分析和科学决策能力。