综合检测在建基岩体软弱岩带化学灌浆试验研究中的应用

邓希贵 廖 伟 何 刚 范泯进

综合检测在建基岩体软弱岩带化学灌浆试验研究中的应用

邓希贵 廖 伟 何 刚 范泯进

（四川中水成勘院工程勘察有限责任公司 四川成都 610072）

锦屏一级水电站拱坝为目前世界最高混凝土拱坝。大坝对坝基及两岸岩体质量要求高，坝基岩体的整体性、变形模量、抗剪特性和抗渗性直接关系到大坝的安全。与坝基密切相关的规模较大断层及煌斑岩脉等，对建筑物的稳定性、基础应力传递等极为不利，必须进行稳妥可靠的处理，以提高基岩质量，确保拱坝安全。本次试验有针对性地采用化学灌浆方法对f5断层和煌斑岩脉进行加固处理，经处理后的f5断层和煌斑岩脉基本能满足设计的力学指标要求。在本次现场化学灌浆试验研究过程中，分别对灌前、水泥灌后和化学灌浆灌后均采取系统的综合检测手段进行检测，取得了丰富的试验检测成果资料，为灌浆效果评价发挥了重要作用。

建基岩体 f5断层 煌斑岩脉 软弱岩带 化学灌浆 试验研究 综合检测 成果应用

1 前言

锦屏一级水电站大坝为混凝土双曲拱坝，最大坝高305m，装机容量3600MW，是目前坝高居世界第一的特大型工程。该电站大坝正常蓄水位时，坝体承受总水推力近1200万t。因此，要求坝基及两岸抗力体一定要具有足够的强度和刚度，满足拱座抗滑稳定和拱坝整体稳定。同时，要具有抗渗性和渗透稳定性，以及在水长期作用下的耐久性。经对左岸抗力体f5断层及煌斑岩脉采用一般水泥高压固结灌浆试验证明，其岩体物理力学指标难以达到设计指标要求。若对抗力体范围内的f5断层及煌斑岩脉采用混凝土网格进行局部置换，其置换开挖施工安全风险极大，对本工程的总工期目标实现有较大的制约。因此，设计提出选择规模大、性状差的f5断层及煌斑岩脉进行高压水泥-化学复合灌浆试验研究的方案。拟通过现场灌浆试验，研究水泥-化学灌浆在技术上的可行性、效果上的可靠性、经济上的合理性。本次试验于2007年9月底开始，于2008年3月中旬结束，历时160多天。在整个化学复合灌浆试验过程中，分别对各试验区灌前、水泥灌浆后和化学灌浆后开展了压水试验、声波测试、钻孔变形模量和钻孔全景图像等综合检测手段进行了系统检测，为灌浆效果评价发挥了重要作用。为进一步开展坝址区f2、f5、f13、f14、f18断层、煌斑岩脉、层间挤压错动带等软弱岩带处理方案的制定及优化提供了基础资料。

2 试验研究目的及要求

2.1试验目的

本次现场化学固结灌浆试验研究的主要对象为f5断层及煌斑岩脉软弱岩带。以提高f5断层及煌斑岩脉的抗压、变形模量、抗拉、抗剪强度、抗渗性和泊松比等物理力学指标。拟通过现场灌浆试验研究，了解经化学灌浆处理后，其整体性、刚度、防渗性、抗剪强度和泊松比等物理力学指标的提高幅度，论证经过灌浆处理后的岩体做为拱坝基础的合理性、耐久性和可靠性，提出相应的岩体力学参数值，在经济合理的前提下满足大坝建基面的要求，改善拱坝基础的适应性和安全性。

表1 f5断层及煌斑岩脉灌后物理力学指标

2.2灌后岩体技术指标要求

经过水泥-化学复合灌浆处理后的f5断层及煌斑岩脉物理力学指标拟达到表1要求。

3 试验区工程地质特征

3.1f5断层工程地质特征

f5断层试验区选择在左岸基础处理工程1730m高程1730m-2＃排水洞0+081～0+087洞段上游侧施工供风洞内。试验区岩性为2（6）层薄层大理岩，层面裂隙发育，该部位f5断层带宽1.0～1.5m，主要由碎裂碎块岩夹少量糜棱角砾岩条带组成.上盘影响带宽1.0～1.5m，下盘影响带宽1.5～2.0m，影响带岩体破碎，影响带及附近岩体裂隙密集发育且松弛，以碎裂结构为主。该试验区内破碎带为V级岩体，影响带及附近岩体为IV2级岩体。

3.2煌斑岩脉工程地质特征

煌斑岩脉试验区选择在左岸基础处理工程1885m高程1885-2＃固结灌浆平洞0+045～0+50洞段向上游开挖的支洞内。岩脉位于砂板岩中。一般厚约2.0～2.5m，弱-强风化，脉体走向裂隙发育。试区底板部位两侧为断层接触，上盘断层带宽20～50cm，局部70～90cm，由碎裂岩组成且松弛。下盘断层带宽2.0～2.5m，主要由碎裂岩、角砾岩组成，风化较强，平行煌斑岩脉的裂隙密集发育。煌斑岩脉两侧的砂板岩较破碎，裂隙发育，松弛，呈碎裂-镶嵌结构。与煌斑岩脉接触处1.0～2.0m范围内岩体多破碎，呈碎裂结构。该试验区内砂板岩和煌斑岩脉主要为IV2级岩体，少量砂板岩为Ⅲ2级岩体。

4 检测孔布置及检测方法

4.1检测孔布置

为检测f5断层及煌斑岩脉化学灌浆试验效果，分别在f5断层试验区灌前布置了4个检测孔，水泥灌浆后布置2个检测孔，化学灌浆后布置5个检测孔。在煌斑岩脉试验区灌前布置了4个检测孔，水泥灌浆后布置3个检测孔，化学灌浆后布置5个检测孔，孔深为30～35m不等。

4.2检测方法

为了检测f5断层及煌斑岩脉水泥灌浆和化学灌浆后岩体的渗透性能及岩体物理力学性质的改善程度，在试区开展灌前、水泥灌浆和化学灌浆后除对检查孔进行钻孔取芯外，且均采用压水试验、单孔声波、钻孔变模、钻孔全景图象测试等综合检测手段进行检查，对水泥灌浆和化学灌浆后岩体灌浆效果进行综合评价，以评价灌浆效果。

5 检测成果分析

5.1压水试验成果

f5断层及煌斑岩脉试验区在灌前、水泥灌浆和化学灌浆后按设计要求进行了压水试验。

f5断层试验区，V级岩体灌前透水率多为30～100Lu，少量大于100Lu，属中等透水为主。水泥灌浆及化学灌浆后，岩体透水率均小于1Lu。

煌斑岩脉试验区Ⅳ2级岩体灌前透水率q=30～100Lu，部分大于100Lu，属中等～强透水，水泥灌浆后透水率多小于1Lu，少量1～3Lu，属微透水，化学灌浆后透水率q=0Lu，岩体透水率均小于1Lu。

压水试验成果表明，f5断层试验区随灌序增进及加密补强灌浆、化学灌浆后，透水率均小于1Lu。通过水泥-化学的复合灌浆能改善f5断层V级岩体渗透性能。煌斑岩脉试验区经过水泥-化学复合灌浆处理，煌斑岩脉达到不透水，对改善该试验区Ⅳ2级岩体渗透性能效果显著。

5.2物探检测成果

f5断层及煌斑岩脉水泥-化学复合灌浆试验过程中，分别在灌浆各阶段均进行了钻孔声波、钻孔变模和钻孔全景图像检测。

5.2.1 f5断层试验区物探检测成果

（1）分析f5断层水泥灌浆后及化学灌浆后30天单孔声波波速统计分析表明，f5断层破碎带水泥灌浆后较灌前岩体声波波速平均值变化较大，由灌前的2664m/s提高到灌后的4789m/s，提高幅度接近80%。但破碎带化灌后比水泥灌后声波波速提高幅度较小，即由水泥灌后平均声波波速4789m/s提高到化灌后的4858m/s，仅提高1.44%。由此表明，水泥灌浆使得碎裂岩、角砾岩、碎块岩空隙间得到水泥的有效充填，对f5断层破碎带声波波速提高较大；而化学灌浆对f5断层（碎裂角砾岩夹碎块岩）物理力学性能改变较小。即水泥灌浆能有效地充填于碎块间，提高破碎带的密实度，而化学浆液仅充填、胶结于岩块角砾间，未能渗透于岩石中，对改善f5断层破碎带的性状作用不大。

（2）f5断层试验区灌前断层破碎带未获得变模数据，水泥灌浆后在破碎带部位仅测得1个数据，其钻孔变模值为2.67GPa，且对比性不强，不具备统计规律。主要原因在于水泥灌浆前、后检测孔孔壁岩体破碎、较软等，导致无法获得岩体变模值。说明f5断层破碎带灌浆前及水泥灌浆后变形模量均较小。化灌后在f5断层破碎带部位仅测得到3个有效钻孔变模数据，其变化范围为1.6～3.1GPa，平均钻孔变模值为2.6GPa，与水泥灌后相比无提高。

（3）f5断层试验区钻孔全景图像测试成果表明，f5断层破碎带孔段灌前孔壁粗糙，凹凸不平，岩体破碎，呈碎块状，结构松弛，局部呈空腔。水泥灌后破碎带孔段碎块间明显充填水泥结石，松散、破碎带岩体得以固结，但水泥灌后破碎带孔段孔壁仍粗糙。化灌后破碎带孔段孔壁较粗糙，碎块间见明显充填水泥结石及化学胶结物，但化学胶结物未渗透入岩块中。

5.2.2 煌斑岩脉试验区物探检测成果

（1）煌斑岩脉灌前、水泥灌后单孔声波波速平均值变化较小，由灌前的3262m/s提高到灌后的3388m/s，提高幅度仅4%，表明水泥灌浆对提高煌斑岩脉的声波作用不大。化灌后与灌前原岩体相比，声波波速平均值变化较大，由灌前的3262m/s提高到化灌后的4322m/s，提高幅度达32%，且声波波速主要集中在3000～5000m/s，消除了小于3000m/s的低波速带，局部高达5000m/s以上。

（2）煌斑岩脉水泥灌浆前、后钻孔变模提高幅度较大，由灌前的0.72GPa提高到灌后的1.44Gpa，提高幅度达100%，表明经水泥灌浆后，煌斑岩脉及周边岩体裂隙得到了水泥的有效充填。煌斑岩脉的抗变形能力增加较多，但仍然不满足设计指标要求。化灌后与灌前相比，钻孔变模平均值变化更大，由灌前的0.72GPa提高到灌后的3.52GPa，提高幅度达390%，表明化学灌浆对煌斑岩脉的物理力学性能改变较大。

（3）煌斑岩脉试验区钻孔全景图象测试成果表明，灌前孔壁粗糙，局部呈空穴状，裂隙张开明显。水泥灌浆后裂隙明显充填水泥结石，但孔壁仍较为粗糙，化灌后检测孔孔壁光滑，煌斑岩脉岩体张开裂隙充填较密实，部分被充填的裂隙明显呈黄色。表明煌斑岩脉经化灌后其完整性得到了较大的改善。

6 结论

通过对锦屏一级水电站左岸抗力体f5断层及煌斑岩脉开展的水泥-化学复合灌浆试验研究取得的丰富研究成果及大量综合检测成果资料表明：f5断层和煌斑岩脉经水泥-化学复合灌浆处理后，岩体透水性得到了大大改善，灌后透水率均能达到试验预期要求。化学灌浆对f5断层破碎带物理性能改善效果较差，对风化煌斑岩脉软弱岩带物理性能改善效果较好。该试验研究成果，为优化建基岩体中的断层、煌斑岩脉、层间挤压错动带等软弱岩带的处理设计，提供了基础资料。

（1）f5断层破碎带灌前透水率多为30～90Lu，随水泥灌序增进及水泥加密补强灌浆、化学灌浆后，透水率均小于1Lu，灌后透水率达到试验预期要求。经水泥灌后破碎带平均声波波速已达到4789m/s，其声波波速达到设计要求，水泥灌浆后碎块间明显充填水泥结石，松散、破碎带岩体得以固结，对f5断层破碎带声波波速提高较大。但再经化学灌浆处理后破碎带平均声波波速仅为4858m/s，与水泥灌浆后相比其声波波速提高不明显，表明化学浆液仅充填、胶结于岩块角砾间，未能渗透于岩石中，虽然使得破碎带岩体得到进一步充填胶结强化，但对改善f5断层破碎带的性状作用不大。

无论是水泥灌后还是再经化灌处理后f5断层破碎带平均钻孔变模值均不满足设计指标。

（2）煌斑岩脉灌前透水率q=30～100Lu，部分大于100Lu。水泥灌后透水率多小于1Lu，少量1～3Lu，再经化学灌浆处理后岩体透水率均小于1Lu，透水率满足试验预期指标要求，显著降低了煌斑岩脉岩体的渗透性能。水泥灌浆使得煌斑岩脉中的张开裂隙得到了较为有效的填充，水泥灌浆后煌斑岩脉平均声波波速仅为3390m/s，平均钻孔变模为1.44GPa，水泥灌浆后煌斑岩脉物理力学性未达到设计指标要求，再经化学灌浆处理后，煌斑岩脉完整性得到了较大的改善，物理力学指标得到了大幅度的提高，煌斑岩脉平均声波波速达到4322m/s，平均钻孔变模值为3.52GPa。可见，化灌后声波波速达到设计要求，但其钻孔变模值仍未能达到试验预期要求。

为此，设计根据上述试验研究成果，并结合工程地质条件及结构设计要求，拟对锦屏一级水电站大坝右岸1730～1670m高程间f14断层、左岸1885～1829m高程间防渗帷幕煌斑岩脉原防渗设计混凝土置换斜井方案，改为水泥-化学复合灌浆方案；对1670m高程以下防渗帷幕f5断层采用水泥加密灌浆处理，若仍达不到设计要求，可进一步采用化学灌浆进行补强.大坝左岸防渗帷幕线上f2断层及层间挤压错动带、大坝右岸防渗帷幕线上f13、f18断层等，在常规水泥灌浆后仍难以达到设计要求时，再次进行化学复合灌浆补强处理设计，对加快工程进展，提高整体工程质量和安全是十分重要的。

图4 ZK608-ZK609孔异常交汇法成果图

（3）对同孔深钻孔野外工作，CT成像法的工作量是交汇法工作量的4倍，室内解释工作量相差不大。这充分显示交汇法野外工作高效的特性。

5 结束语

在完成工程实例1、实例2的解释之后，对两孔之间的物探工作及解释方法更加清晰明了。电磁波穿透异常交汇法是物探工作中最基本的工作思维方法，与电磁波CT成像法相比可称为新技术。尽管其工作方法还有待进一步的验证、完善，但其对异常体属性以及中心位置可确定的特征，对于设计和施工来说具有决定性的意义。所以该方法对工程勘察，尤其是岩溶勘察的详查、细查阶段以及大坝建基面渗漏的勘测工作，具有高效、快速、直观、明了的特点。

10.3969/j.issn.1672-2469.2014.02.011

TV4

B

1672-2469（2014）02-0040-04

邓希贵（1960年— ），男，教授级高级工程师。