黑麋峰工程高压引水隧洞灌浆参数的选择

盛 毅， 李 坚

(中国水利水电建设工程咨询中南有限公司，湖南 长沙 410014)



黑麋峰工程高压引水隧洞灌浆参数的选择

盛 毅， 李 坚

(中国水利水电建设工程咨询中南有限公司，湖南 长沙 410014)

摘要：黑麋峰工程高压引水隧洞最大静水头385 m，并且有两处断层出露，采用钢筋混凝土衬砌，存在高压水劈裂衬砌混凝土和围岩，产生过量渗漏甚至发生渗透破坏的工程破坏问题。现场施工时，通过灌浆试验，合理选择灌浆参数、灌浆工艺，达到了提高围岩抗劈裂强度和防渗性能，经充水工况检验，高压引水隧洞围岩稳定且渗水量小，方法获得成功。

关键词：高压隧洞；灌浆参数；灌浆工艺；过程控制。

1 概述

黑麋峰工程引水隧洞围岩最小初始地应力和抗地下水劈裂强度比内水压力略低，采用钢管衬砌固然安全可靠，但受作业场地限制施工难度非常大，成本较高。经分析研究决定引水隧洞及高压岔管采用钢筋混凝土衬砌，衬砌厚度50～80c m，断层带采取混凝土置换处理。根据类似工程经验和前期试验研究证实，上述方案存在高压水劈裂衬砌混凝土和围岩的可能，尤其是高压岔管及地质条件不良洞段在高水头运行工况下，可能产生过量滲漏甚至发生渗透破坏。因此，工程建设中采取了以高压固结灌浆提高围岩防渗性能和整体强度以及化学灌浆补充加强围岩防渗性能的灌浆施工方法，达到提高围岩抗地下水劈裂强度、防渗漏的目的，确保高压引水隧洞运行安全。而方案实施时，合理选择灌浆参数、灌浆工艺及灌浆质量控制是解决问题的关键。

2 工程概况

湖南长沙黑麋峰抽水蓄能电站枢纽主要由上水库、引水发电系统和下水库等3大建筑物组成，装机4台，单机容量300 MW，总装机容量1200 MW。上水库正常蓄水位EL400 m，下水库正常蓄水位EL103.7 m，引水主洞的布置方式为“一洞两机”，两条引水主洞平行布置，引水隧洞最大静水头385 m。

3 地质条件

两条引水隧洞斜井～岔管段围岩为微风化～新鲜花岗岩，Ⅱ2、Ⅲ1类围岩段长939 m(占73%)，Ⅲ2类围岩段长268 m(占21%)，Ⅳ、Ⅴ类围岩段长78 m(占6%)，主要断层有F15、F51。其中，F15断层位于近高压引水岔管的主洞，产状：N200E，SE/750，与洞轴线交角700，破碎及影响带宽4 m，断层带岩体蚀变明显，次生断层发育。F51断层位于斜井～下弯段，产状：N300E，SE/660，与洞轴线交角600，破碎及影响带宽10 m，断层带岩体蚀变明显。围岩发育节理见有陡倾角、中倾角及缓倾角，按其走向分为NE、NW、NWW三组，长度一般为1～5 m，少数大于10 m，呈闭合或微张状态。

4 灌浆试验

黑麋峰工程引水隧洞高压灌浆必须起防渗和固结双重作用效果，降低围岩的透水率，并提高不良地质岩体的变形模量。选择合理的灌浆参数，是保证灌浆效果的关键。现有的灌浆规范其技术指标和质量指标用于本工程偏低，只有通过灌浆试验确定适当的灌浆参数和灌浆方法去指导施工，才是解决问题的关键。黑麋峰工程引水隧洞所遇到的围岩地质状况有四类，因此引水隧洞灌浆前选取了具有代表性的四个围岩区段安排高压灌浆试验：

A区：④尾水洞4W0+230.0～4W0+246.0段左半洞，模拟新鲜完整岩体水泥灌浆。

B区：2#引水隧洞2Y0+913～2Y0+923段左半洞，模拟F15断层上游侧岩体磨细水泥灌浆。

C区：1#引水隧洞1Y0+893.87～1Y0+ 903.87 m段右半洞，模拟岔管部位磨细水泥灌浆和化学灌浆。

D区：1#引水隧洞1Y0+903.870～1Y0+ 932.370 m段右半洞，模拟断层破碎带、影响带高压固结灌浆及化学灌浆。

试验前设计拟定了灌浆参数、灌浆工艺及灌浆预计达到的效果，通过试验和对灌浆试验资料的分析、以及根据现场实际情况和有关专家的咨询意见，及时对引水隧洞灌浆施工的试验参数和方法进行调整以得到最佳的灌浆参数、灌浆工艺并确定灌浆质量检查标准。

5 灌浆试验成果

5.1 A区灌浆试验成果及分析

A区试验调在4#尾水洞4W0+230～4W0+246段进行，主要模拟新鲜基岩地段的灌浆参数。A区灌浆试验于2008年4 月2日开始施工，6月14日全部完成，共完成试验灌浆孔25个、声波孔2个、弹模孔2个、抬动孔2个、压水试验孔2个。其中灌浆孔中I序孔19个，II序孔12个，I序孔分段施工8个孔、不分段施工11个，II序孔分段施工4个，不分段施工8个。

试验中灌浆透水率最大值为35.61 Lu(G1－5号固结孔)，最小值为0.001 Lu(G1－3号固结孔)，I序孔平均灌前透水率为13.704 Lu、II序孔为1.311 Lu，递减率达到90.43%；灌浆注灰量最大值为1263.12 kg/m(G1－5号固结孔)，最小值为0 kg/m(G1－4号固结孔),I序孔平均注灰量为130.37 kg/m，II序孔平均注灰量为0.50 kg/m，递减率达到99%。

灌后检查孔压水试验分五点法和十一点法，五点法3个孔，十一点法7个孔，最大透水率分别为0.111 Lu和0.009 Lu，最小透水率均为0.000 Lu，灌后透水率明显比灌前透水率小。

本区声波测试共4组，灌前值从3600 m/s 至6000 m/s，灌后值从4213～6213 m/s，平均提高率为0.7%～7.25%，通过固结灌浆后声波值有明显的提高，灌后声波值也都达到了设计的不小于4200 m/s的要求。

施工过程中安装了抬动装置，对试验的全过程进行了跟踪观测，在4.5 MPa和5.0 MPa的高压压力下均无抬动。

综合上述灌浆成果数据可以看出，本次试验的各灌浆参数满的选择达到了设计预定的目标，拟定的各项灌浆参数是合理的，根据初拟的灌浆参数，灌浆效果是显著的，灌浆数据表明满足规范要求的变规律。

5.2 B区灌浆试验成果及分析

B区灌浆试验选择在2#引水下平洞2Y0+912.250～2Y0+924.750段进行，模拟F15断层上游侧岩体磨细水泥灌浆。试验于2008年6月1日开始，于12月27日全部完成(包括质量检查)。总共完成固结灌浆孔65个(钻孔灌浆段长325 m)，其中I序孔36个、II序孔29个，弹模孔2个，抬动孔2个，灌前检查孔11个。

灌浆成果中I序孔共分54段施工，灌前平均透水率0.20 Lu、平均单位耗灰量3.03 kg/m，II序孔总共分48段施工，灌前平均透水率为0.35 Lu、平均单耗1.79 kg/m；由于B区试验时下游面混凝土还没有衬砌，G1－13号全孔注入量为2175 kg，该孔灌浆时出现串、冒浆，在I序孔灌浆单耗灰量中未参与统计与分析(造成数据偏差较大)。虽然I序孔的灌前透水率较II序孔大，但灌浆注灰量I序孔比II序孔大，造成I序孔灌前透水率比II序孔大的原因主要是因为透水率均较小(都小于0.5 Lu)，吸浆量还是呈规律变化的，满足一般灌浆变化规律，灌浆还是达到了一定的效果。

灌后共有13个检查进行了常规压水试验和高压压水试验，常规压水试验检查中最大值为0.133 Lu、最小值0.00 Lu、平均值0.075 Lu；高压压水试验中最大值为0.14 Lu、最小值0.00 Lu、平均值0.0215 Lu，灌浆成果都达到了设计预期目的。

B区同时进行了灌前灌后声波测试对比，其测试四组，其中灌前最小值为3667 m/s，对应的灌后最小值为4304 m/s、平均值为5100 m/s，平均提高率达7.0%，其它三组都大于4200 m/s，大部分测试值都大于4500 m/s，测点均满足设计要求。

抬动观测孔1个孔，灌浆时进行不间断人工观测，在最大灌浆压力6 MPa下无抬动发生。

5.3 C区灌浆试验成果及分析

5.3.1 高压固结灌浆成果及分析

C灌浆试验区位于1＃引水下平洞1Y0+894.000～0+904.870段(双层钢筋)的右侧，主要模拟岔档部位超细水泥灌浆和化学灌浆进行的试验，该部共有固结孔5环计40孔、化灌孔5环计40孔，均在衬砌前进行了孔口管埋设。40个孔共灌注水泥13218.50 kg，平均单耗33.05 kg/m。其中Ⅰ序孔平均单耗45.62 kg/m，Ⅱ序孔平均单耗20.47 kg/m，灌前透水率Ⅰ孔平均为0.53 Lu、II序孔为0.42 Lu，从灌浆成果来看，各序灌浆孔的注浆量有一定的规律性，Ⅰ序孔比Ⅱ序孔递减123%，灌前透水率Ⅰ序孔比Ⅱ序孔递减26%。从以上数据可以看出，前序孔灌注后，充填了部分裂隙，对后序孔产生良好影响，说明灌浆质量良好。

灌后8个检查孔做了5点法压水试验，最大的透水率为0.02 Lu，最小为0 Lu，均满足设计要求，说明通过灌浆试验确定的相关参数是合理的。

5.3.2 化学灌浆成果及分析

引水洞C区化学灌浆试验共完成40个孔，试验于2008年7月01日开始，于2008年9月27日完成，历时88天。化学浆采用全孔一次性灌注，纯压式灌浆，灌浆压力5.5 MPa，化学灌浆材料孔口和管道占浆配比采用A组∶B组= 6.5∶1进行，灌浆后改为A组∶B组=5∶1的配合比进行。

化学灌浆孔I序环I序孔8个、II序孔12个，II序环I序孔8个孔、II序孔12个，灌前最大透水率为0.04 Lu，分别是H4－11和H3－11两孔，最小透水率为0.00 Lu(H2－15孔)，灌前压水试验孔3个，平均透水率0.02 Lu，可以看出通过高压固结灌浆后，压水检查都满足设计要求，透水率小于0.1 Lu；灌浆I序孔单位注入量为17.28 kg/m，II序孔13.46 kg/m，递减率为22.1%，通过这些数据可以看出化学灌浆采用设计初拟的灌浆参数是合理的，浆液渗透性较好，在超细水泥不能灌注时化学浆液还是能较好的渗透到细微裂隙中，达了设计补强围岩防渗的预期目地。

5.3.3检查孔及声波测试成果分析

C区声波测试共完成14组，其中水泥灌浆前完成10组，化学灌浆后完成4组，大部分孔采用灌前灌后对比，平均提高率为0.6%～13.3%，说明通过灌浆(水泥和化学灌浆)声波值还是有所提高的，灌前部分孔不合格的通过灌浆后都能满足设计要求，本次试验所有孔的测试值都满足设计要求，说明设计拟定的设计参数是合理的，能满足规范要求，可以运用推广到其他部位中去。

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5.3.4 抬动观测成果

抬动观测孔2个孔，灌浆时进行不间断人工观测，在最大灌浆压力6 MPa下无抬动发生。

5.4 D区灌浆试验成果及分析

5.4.1高压固结灌浆成果及分析

引水洞F15断层高压固结灌浆试验(D区)共完成99个孔，其中灌浆前12个灌浆孔有24段做了5点法压水试验。99个孔共灌注水泥33908.2 kg，平均单耗34.24 kg/m。其中Ⅰ序环Ⅰ序孔平均单耗87.22 kg/m，灌前透水率最大为G2－5第一段25.24 Lu；Ⅰ序环Ⅱ序孔平均单耗26.75 kg/m，灌前透水率最大为G4－13第一段2.06 Lu；Ⅱ序环Ⅰ孔平均单耗22.53 kg/m，灌前透水率最大为G9－15第一段0.96 Lu；Ⅱ序II环序孔平均单耗10.02 kg/m，灌前透水率最大为G5－12第一段1.34 Lu。

灌后12个检查孔中有24段(第二段及第三段)做了5点法压水试验，24段做了11级高压压水试验。常规压水最大的透水率为0.22 Lu，最小为0 Lu，2～5 m段平均透水率为0.08 Lu，5～10 m段平均透水率为0.005 Lu。高压压水最大的透水率为0.50 Lu，最小为0 Lu，2～5 m段平均透水率为0.16 Lu，5～10 m段平均透水率为0.04 Lu，均满足设计要求，说明通过灌浆试验确定的相关参数是合理的的。

5.4.2 化学灌浆成果及分析

本次试验主要完成了1Y0+914.370～1Y0+ 934.370 m段化学灌浆试验，该部位共计99只化学灌浆孔，孔深入岩5 m，间排距1500 mm×1500 mm，孔向垂直于砼面。该部位在混凝土浇筑完成后达到一定凝期后，进行高压固结灌浆试验，在高压固结灌浆试验所有检查完成后，进行高压化学灌浆孔灌浆试验，共历时80天。

1#引水洞F15断层高压化学灌浆孔灌浆试验已完成99只孔，其中灌浆前12只灌浆孔有12段做了5点法压水试验，12段做了11级高压压水试验。99只孔共灌注化学灌浆材料4584.18 kg，废弃化学灌浆材料 2110.82 kg，共用化学灌浆材料 6735.17 kg，平均单耗9.26 kg/m。其中Ⅰ序环Ⅰ序孔平均单耗15.0 kg/m，灌前透水率为0 Lu，Ⅰ序环Ⅱ序孔平均单耗10.8 kg/m，灌前透水率为0.01 Lu，Ⅱ序Ⅰ环序孔平均单耗5.1 kg/m，灌前透水率为0 Lu，Ⅱ序Ⅰ环序孔平均单耗5.6 kg/m，灌前透水率为0 Lu。从以上数据可以看各次序孔的灌前透水率和灌浆单位注入量都呈递减规律变化，灌浆满足一般变化规律要求，说明设计的预选参数是合理的，灌浆也是可行的，可以应用到相同地质条件的部位。

5.4.3 检查孔及声波测试成果分析

D区声波测试共完成10组，均做了灌前灌后对比，平均提高率为4.4%～13.7%，提高最大的孔为G4－6由2051 m/s提高到4060 m/s，说明通过灌浆声波值还是有明显的提高的，大部分孔都能满足设计要求，对于波速值较低的J3(低于4000 m/s的占20.6%，设计要求不大于10%)，最低波速值不合格的有5个孔(不小于3800 m/s)，占总测组数的50%，对于不满足设计要求的孔与设计协商后进行了补灌，补灌后基本都能满足规范要求。

5.4.4 抬动观测成果

抬动观测孔2个孔，灌浆时进行不间断人工观测，在最大灌浆压力6 MPa下无抬动。

6 灌浆成果的利用

6.1 灌浆孔布置

引水隧洞混凝土衬砌后洞径8.5 m(周长26.7 m)，灌浆孔的间、排距根据工程部位、岩体类别而采取不同的布置方式：

(1)岔管段：水泥灌浆孔间、排距为2 m×2 m，化学灌浆孔间布于水泥灌浆孔之间。水泥灌浆孔入岩孔深有5 m、10 m二类孔，化灌孔入岩孔深5 m。

(2) F15断层带：水泥灌浆孔环距1.5 m，每环18孔，化学灌浆孔间布于水泥灌浆孔之间。水泥灌浆孔入岩孔深10 m，化灌孔入岩孔深5 m。

(3) F51断层带：水泥灌浆孔环距1.8 m，每环16孔，化学灌浆孔间布于水泥灌浆孔之间。水泥灌浆孔入岩孔深有10 m、15 m两类孔，化灌孔入岩孔深5 m。

(4) Ⅱ2、Ⅲ1类围岩段：水泥灌浆孔环距3 m，每环10孔，灌浆孔入岩孔深5 m。

(5) Ⅲ2类及其以上围岩段：水泥灌浆孔环距3 m，EL140以下每环21孔，EL140以上每环20孔，灌浆孔入岩孔深5 m。

6.2 灌浆孔内分段与灌浆压力

引水隧洞灌浆分为三个区域，即EL140以下洞段、EL140～EL220洞段、EL220以上洞段。不同的区域选用了不同的灌浆压力。

(1) EL140以下洞段：孔深5 m孔，分两段0 ～2 m、2 ～5 m，灌浆压力分别为：3 MPa、6 MPa；孔深10 m孔，分三段0 ～2 m、2 ～5 m、5 ～10 m，灌浆压力分别为：3 MPa、5 MPa、6 MPa；孔深15 m孔，分四段0 ～2 m、2 ～5 m、5 ～10 m、10 ～15 m，灌浆压力分别为：3 MPa、5 MPa、6 MPa、6 MPa。

(2) EL140～EL220洞段：仅有孔深5 m孔，分两段，灌浆压力分别为：3 MPa、5 MPa。

(3) EL220以上洞段：仅有孔深5 m孔，不分段，灌浆压力为3 MPa，实际施工中，EL186以上洞段没分段。

(4) 化学灌浆不分段，化灌最大压力为5.5 MPa，施工中按3 MPa、4 MPa、5 MPa、5.5 MPa分级加压，须当进浆量≤0.4L/min，且持续时间≥30 min时，才允许压力升级。

水泥灌浆先灌孔口段，逐段向孔底推进，第一段灌浆结束后，等强14天进行第二段灌浆，第二段以下各段灌浆不受时间限制。灌浆栓塞始终置于孔口，保证下部段的灌浆对上部段的复灌。

6.3 灌浆分序与群孔并灌

灌浆分Ⅱ序进行，采用“环间分序，环内加密”的方式，即：环分为Ⅰ序环和Ⅱ序环，同环内的孔分为Ⅰ序孔和Ⅱ序孔，施工按照Ⅰ序环Ⅰ序孔——Ⅰ序环Ⅱ序孔——Ⅱ序环Ⅰ序孔——Ⅱ序环Ⅱ序孔的顺序进行。引水斜洞EL220以上灌浆自下而上逐环推进，环间不分序，环内对称灌，逐渐加密。

群孔并灌仅在同一环内，并且要求处于对称孔位，耗灰量大的孔原则上采取单孔灌。实际施工中EL186以上洞段采用了三孔并灌及二孔并灌，EL186以下洞段采用单孔灌或二孔并灌。

6.4 灌浆材料

EL220以上洞段使用的为：“牛力”P·O42.5袋装水泥；EL220以下洞段使用的为：“江门中建”MFC－GM8000型超细水泥；化学灌浆使用的为：“帕斯卡”PSI－501环氧灌浆材料。

6.5 浆液配比

灌浆使用了1∶1、0.8∶1、0.5∶1 三个级配的水灰比，水泥灌浆开灌水灰比为1∶1，部分孔吸浆量小，没有变换水灰比灌浆结束，吸浆量大的孔按规范要求逐级变换，终灌及封孔水灰比为0.5∶1。1#引水上弯段开灌使用了3∶1的水灰比。

化学灌浆材料孔口和管道占浆配比采用B 组=6.5∶1进行，灌浆后改为A组=5∶1的配合比(主材：固化剂)进行。

6.6 灌浆结束标准

灌浆全部使用自动记录仪记录，水泥灌浆结束标准为：吸浆量小于0.2 L/min，再屏浆30 min，并控制单段灌浆总时间不小于60 min。化学灌浆达到设计压力后，吸浆量为0 L/min时，屏浆3 h后开始闭浆，当闭浆压力下降小于5 MPa时，再补充加压到设计压力直至浆液初凝结束灌浆。

6.7 灌浆质量检查指标

灌浆质量检查以压水检查为主，声波检测为辅，断层带并做了弹模检测。灌浆质量检查指标为：压水检查围岩的透水率q＜0.5 Lu，且80%以上检查段的高压渗入流量Q≤2 L/min；物探检查断层破碎带岩体弹性波速Vp≥4000 m/s，变形模量E≥2Gpa的测点在80%以上，断层影响带岩体变形模量E≥3Gpa的测点在80%以上。

压水检查抽检率为灌浆孔数6%～10%，最大压力：高程140 m以下为4 MPa，高程140 ～220 m为3 MPa，高程220 m～上弯段2 MPa，采用五点法压水，具体压力分级为：

4 MPa分为：1 MPa、2.5 MPa、4 MPa、2.5 MPa、1 MPa 五级

3 MPa分为：1 MPa、2 MPa、3 MPa、2 MPa、1 MPa 五级

2 MPa分为：1 MPa、1.5 MPa、2 MPa、1.5 MPa、1 MPa 五级。

压水检查各检查孔布置在相邻灌浆孔组成的三角形中心，同时采取自动记录仪和人工观测两套系统记录，止水栓塞深入到岩体内。平洞段顶拱120°范围的检查，要求先将栓塞装置在衬砌混凝土内做压力为1 MPa的单点法压水检查，该单点压水合格后，将栓塞深入到岩体内做高压压水检查。压水检查、声波检测成果表明：灌浆施工质量满足设计及规范要求。

7 结语

黑麋峰工程高压隧洞灌浆试验工作中，设计方案符合实际情况，监理采取了全过程监控，前期预设试验参数和专家咨询选定的灌浆参数、灌浆工艺，通过在试验中的调整、修改后的各类灌浆参数在后续实际施工中完全得到落实，质量检查结果表明，围岩整体性和透水率都达到了预期目的。经两次充水试验检验和观测成果确认，隧洞围岩的渗水量小，1#、2#流道渗漏量分别为：0.95 L/S、0.52 L/S，围岩整体呈稳定状况。上述结果表明：地处高压、地质条件不良的高压引水隧洞及高压岔管通过灌浆补强后采用钢筋混凝土衬砌在一定条件下是可行的。

Selection of Grouting Parameter of the High-pressure Diversion Tunnel in Heimifeng Mountain Project

SHENG Yi, LI Jian
(Hychro China Mid-south Engineering & Consulting Co., Ltd., Changsha 410014, China)

Abstract:The high-pressure diversion tunnel in Heimifeng Mountain project has a maximum hydrostatic pressure at 385 meters, as well as two faults were exposing. According to adoption of reinforced concrete lining, high-pressure liquid would split lining concrete and surrounding rock. Also, the problems of excessive seepage and its damage would emerge. At its site construction, choosing reasonable grouting parameter and technology improve split-tensile strength and impervious properties of surrounding rock through grouting test. Then condition survey was done to show that surrounding rock of high-pressure diversion tunnel was steady, with minor seepage quantity, which meant the adopted measure successed.

Key words:high pressure tunnel; grouting parameter; grouting technology; process control.

作者简介：.盛毅(1974 - )，男，工程硕士，高级工程师，湖南长沙人，长期从事项目现场监理工作。

* 收稿日期：2015-07-06

中图分类号：TV5

文献标志码：B

文章编号：1671-9913(2015)06-0063-06