Gomal Zam大坝岩体灌浆试验研究

许仙娥, 段世委

(1.中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津　300222; 2.水利部 水利水电规划设计总院，北京　100120)

0　引言

Gomal Zam大坝位于巴基斯坦西北边境省Gomal河的Adam Kok峡谷内,坝型为碾压混凝土曲线重力坝,坝高133 m。坝基岩性以薄层灰岩为主,岩石较坚硬,但岩体破碎,以镶嵌碎裂结构或碎裂结构为主。坝基岩体变形模量低,渗透性较强,不能满足设计要求,需采取固结灌浆处理。根据设计要求,经灌浆处理后的坝基岩体的地震波纵波速度要求达到3 500 m/s,且岩体透水率<3 Lu[1]。为了解坝基岩体的可灌性,获取坝基固结灌浆施工的钻孔间距、灌浆压力、浆液配合比等设计参数,初步设计阶段在坝址右岸进行了灌浆试验。

1　试验场地地质条件

试验场地位于坝址右岸G7平洞内,场地岩性以薄层灰岩为主,局部为中厚层灰岩或极薄层灰岩,微晶—隐晶结构,岩体呈弱风化状态,岩石较坚硬。岩层产状为NW352°/SW∠52°,层面局部张开。岩体内主要发育两组裂隙,倾角在55°～88°之间,间距3～20 cm,裂隙宽度一般<2 mm,部分充填方解石,裂隙面附泥、钙质膜。根据地震波测试成果,灌浆试验前场地岩体地震波纵波速度为2 500 m/s左右。场地岩体透水率一般在10～18.6 Lu,具中等透水性。坝基岩石(体)物理力学指标见表1。

2　灌浆试验概况

2.1　试验场地布置

灌浆孔采用正方形网格式布置,按3序次施工,其中Ⅰ序孔4个,钻孔间距为5 m;Ⅱ序孔5个,网络钻孔间距为2.5 m;Ⅲ序孔4个,网络钻孔间距1.8 m。灌浆孔单孔深度均为30 m。为了检查灌浆效果,场地共布置3个检查孔、1个检查竖井,2个地震波对穿测试孔和1个地表抬动变形观测孔。场地布置形式见图1。

表1　坝基岩石(体)物理力学指标

图1　试验区钻孔布置示意图

2.2　灌浆材料与灌浆压力

灌浆水泥选用D.G.H-SRC型抗硫酸硅酸盐水泥,要求通过80 μm方孔筛的筛余量为2.4%,初凝时间为3 h,终凝时间为4 h。浆液拌合用水采用Gomal河水。

灌浆试验浆液的配合比(水∶灰)采用2∶1、1∶1、0.8∶1、0.5∶1(或0.6∶1)四个比级。为了增强细小裂隙灌浆效果,采用逐级变浓的方法进行灌注。当某一配合比的浆液注入量已达到300 L,而灌浆压力和注入量均无明显改变时,变换一级配合比;当某一配合比的浆液注入量>30 L/min时,越级变换配合比。

灌浆孔首个灌浆段的灌浆压力均采用0.2 MPa,以下随深度每增加1 m,灌浆压力相应增加0.1 MPa,整个试验的最大灌浆压力为3 MPa。

2.3　灌浆方法

为提高灌浆压力,保证灌浆质量,防止在灌浆过程中发生地面抬动及冒浆,在受灌岩体顶板上浇筑一层厚0.3 m的钢筋混凝土盖板。

灌浆采用孔口封闭法自上而下分段循环进行。其中第一个灌浆段长2 m,第二个灌浆段长3 m,其它灌浆段长均为5 m。

灌浆施工程序为:造孔→声波测试→裂隙冲洗→压水试验→灌浆→进入下一段灌浆循环。

2.4　灌浆结束标准

在每一灌浆段最大设计压力下,当注入率≤1 L/min后,继续灌注30 min,即可结束该段灌浆。全孔灌浆结束后,在最后一段的最大灌浆压力下,继续灌注30 min 0.5∶1的浆液进行封孔。

3　试验成果分析

3.1　水泥注入量

根据试验资料统计,整个试验总耗灰量为83 838 kg,其中注入水泥总量为77 109 kg,废弃量为6 729 kg。单孔水泥注入量最大为20 725 kg,最小为1 868 kg,平均为5 931 kg。单孔平均单位水泥注入量最大为702 kg/m,最小为63 kg/m,平均为200 kg/m。从水泥注入量分析,试验场区岩体具有较好的水泥可灌性,但均一性很差,与场区岩体条件相符。

Ⅰ序孔平均单位水泥注入量为382 kg/m;Ⅱ序孔平均单位水泥注入量为138 kg/m,比Ⅰ序孔减少64%;Ⅲ序孔平均单位水泥注入量为96 kg/m,比Ⅱ序孔减少30%,比Ⅰ序孔减少75%。各序孔平均单位水泥注入量见图2。

图 2　各序次灌浆孔平均单位水泥注入量对比

Ⅰ序孔中共有7个灌浆段单位水泥注入量<100 kg/m,占序孔总灌浆段数的25%;Ⅱ序孔中共有23个灌浆段单位水泥注入量<100 kg/m,占序孔总灌浆段数的65%;Ⅲ序孔中共有20个灌浆段单位水泥注入量<100 kg/m,占序孔总灌浆段数的72%。Ⅰ序孔中有10个灌浆段单位水泥注入量>500 kg/m,占Ⅰ序孔总灌浆段数的36%;Ⅱ序孔中有3个灌浆段单位水泥注入量>500 kg/m,占Ⅱ序孔灌浆段总段数的9%;Ⅲ序孔中仅有1段单位水泥注入量>500 kg/m,占Ⅲ序孔总灌浆段数的4%。

各序次灌浆孔的单位水泥注入量统计资料显示,一方面随灌浆序次的增加,单位水泥注入量迅速递减,说明了试验场地岩体具有较好的可灌性,随着灌浆序次的增加,岩体中的裂隙逐渐被充填,浆液的扩散范围逐渐减小;另一方面Ⅲ序孔中仍有个别灌浆段的单位水泥注入量很大,说明经过Ⅰ、Ⅱ两个序次灌浆后,部分长、大结构面仍未得到灌注,原因可能与结构面的倾角较陡有关。

3.2　岩体声波检测

为检查灌浆效果及岩体质量的改善情况,灌浆试验过程中分别在各序次灌浆孔和检查孔中进行了声波测试。声波测试成果显示,岩体声波速度随灌浆序次的增加而逐渐提高。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ序孔以及检查孔中岩体声波速度平均值分别为3 650、4 320、4 490和4 660 m/s。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ序孔灌后岩体声波速度与灌前相比分别提高了18.4%、23.0%、27.7%。见图3。

图3　各序次灌浆孔与检查孔岩体声波速度对比

3.3　岩体地震波检测

根据对穿孔地震波CT测试成果,灌浆前和Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ序次灌后试验场地岩体地震波纵波速度平均值分别为2 520、2 830、3 470和3 790 m/s;各序次灌浆后的地震波纵波速度与灌浆前相比分别提高了12.3%、37.7%和50.4%。灌浆前与各序次灌后岩体地震波速度见图4。

试验场地岩体经Ⅰ、Ⅱ两个序次灌浆后,试验场地岩体地震波纵波速度>3 000 m/s的累计频率达到86.38%,波速>3 500 m/s的累计频率达到60.44%;经过3个序次灌浆后,试验场地岩体地震波纵波速度>3 000 m/s的累计频率达到90.05%,波速>3 500 m/s的累计频率达到76.06%。

图4　灌浆前与各序次灌浆后岩体地震波速度对比

此外,根据地震波测试资料统计,随着灌浆序次的增加,岩体波速的变异系数逐渐减小,灌浆前和Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ序次灌后岩体波速变异系数分别为0.22、0.19、0.17和0.16,表明岩体均一性在灌浆后得到了明显改善。

3.4　灌后岩体透水率

灌浆完成后,在检查孔中进行了压水试验,根据试验成果统计,除AJ1孔和AJ3孔第一段岩体透水率>3 Lu外,其他试验段岩体透水率均<3 Lu,岩体透水率值<3 Lu的段次占90%,达到了灌浆试验的目标。压水试验成果见图5。

图5　灌浆后各检查孔岩体透水率

4　坝基固结灌浆参数的确定

4.1　灌浆孔间距

本次试验最终的灌浆孔间距为1.8 m,从灌浆试验的成果分析,采用3序次逐渐加密的灌浆效果是明显的。灌浆试验结束后,岩体的透水率<3 Lu的段次占到90%, 达到了灌浆试验的要求。 灌浆后岩体平均的地震波速度达到3 790 m/s,总体看也达到了试验的要求,但地震波速>3 500 m/s的累计频率仅为76.06%,说明仍有相当一部分岩体地震波速度低于设计

要求。分析其原因,一是灌浆孔的间距过大,浆液扩散范围有限,未能达到两灌浆孔之间的所有区域;另一原因是试验场地岩层以及裂隙倾角较陡,而灌浆孔为垂直孔,钻孔穿过的结构面较少,造成灌浆效果不理想。因此,在坝基固结灌浆施工中可适当缩小灌浆间距,最终灌浆孔距可采用1.5 m,并采用倾斜钻孔进行灌浆,钻孔倾斜方向应与主要结构面的倾向相反[2]。

4.2　灌浆压力

本次试验每个灌浆孔首个灌浆段的灌浆压力均采用0.2 MPa,以下随深度每增加1 m,灌浆压力相应增加0.1 MPa,整个试验的最大灌浆压力为3 MPa。灌浆试验过程中,仅有2个灌浆孔的各1个灌浆段灌浆过程中出现抬动变形,变形量分别为7 μm和110 μm。因此,在坝基固结灌浆施工中,可以采用本次试验确定的灌浆压力。

4.3　浆液配合比

本次试验浆液配合比(水∶灰)采用2∶1、1∶1、0.8∶1、0.5∶1(或0.6∶1)四个比级。在Ⅲ序孔28个灌浆段中,不需要间断灌浆即可达到稳定标准的灌浆段为21段,其中以2∶1的配合比结束的有11段,以1∶1的配合比结束的有9段,以0.5∶1的配合比结束的有1段。因此,开灌配合比采用2∶1,最终配合比采用0.5∶1(或0.6∶1)是合适的。

5　结语

试验场地岩体在经过3序次灌浆处理后,岩体地震波纵波速度与灌前相比有明显的提高,且灌后岩体的均一性均有了明显的改善,灌后检查孔岩体透水率值达到了灌浆试验的要求。试验说明坝址区岩体具有较好的可灌性,采用水泥灌浆对坝基岩体进行处理是可行的。根据灌浆试验成果分析,坝基固结灌浆施工可采用试验确定的浆液配合比和灌浆压力,灌浆孔间距需要适当缩小,建议采用1.5 m。为达到更好的灌浆效果,灌浆孔宜采用斜孔,钻孔倾斜方向与主要结构面的倾向相反。

参考文献：

[1]陈书文，苏红瑞，张长存，等.巴基斯坦高摩赞大坝枢纽工程基本设计阶段工程地质勘察报告[R].天津：中水北方勘测设计有限责任公司，2003.

[2]马国彦，林秀山.水利水电工程灌浆与地下水排水[M].北京：水利水电出版社，2001.