锦屏一级水电站左岸抗力体固结灌浆效果综合检测分析

廖 伟，邹延延，邓希贵，王洪昌

（四川中水成勘院工程勘察有限责任公司，四川 成都 610072）

锦屏一级水电站左岸抗力体固结灌浆效果综合检测分析

廖 伟，邹延延，邓希贵，王洪昌

（四川中水成勘院工程勘察有限责任公司，四川 成都 610072）

锦屏一级水电站大坝为混凝土双曲拱坝，最大坝高305 m，为世界目前第一高拱坝。对左岸抗力体中发育的f2、f5、f8断层和煌斑岩脉及影响带采用混凝土洞井置换网格、系统固结灌浆、局部磨细水泥－化学复合灌浆及高压冲洗混凝土回填加密固结灌浆等多种处理措施。通过对左岸抗力体进行系统灌浆处理，以提高左岸抗力体岩石力学性能及防渗性能，增强岩体的整体性及均一性，提高岩体的抗变形能力。系统综合物探检测目的是检测左岸抗力体固结灌浆质量，评价系统固结灌浆效果，复核灌后岩体是否达到设计的各种物理力学指标等。

左岸抗力体；固结灌浆；压水试验；物探检测；灌浆效果

0 前 言

锦屏一级水电站位于四川省凉山彝族自治州盐源县和木里县境内，是雅砻江干流中下游水电开发规划的“控制性”水库，在雅砻江梯级滚动开发中具有“承上启下”重要作用。大坝为混凝土双曲拱坝，坝顶高程1 885 m，最大坝高305 m，装机容量3 600 MW。

左岸抗力体为双曲拱坝左侧坝基及坝肩部分，为大坝坝基及坝肩受力部位。左岸抗力体共分布洞室68条，总长约11.8 km，洞室灌浆分五层进行施工，从上至下分别在1 885 m、1 829 m、1 785 m、1 730 m及1 670 m（见图1），固结灌浆基岩钻灌量超过69万m，具有工程量大、质量标准要求高、施工工期短、施工强度高、施工组织复杂等特点。因此，左岸抗力体的灌浆效果直接关系到锦屏一级水电站高拱坝的安全与稳定。

图1 左岸抗力体洞室群示意

左岸抗力体灌浆主要包括抗力体固结灌浆、抗力体外固结灌浆、帷幕洞底板固结灌浆、搭接帷幕灌浆、深孔帷幕灌浆、回填灌浆及接缝灌浆。通过对左岸抗力体进行固结灌浆和帷幕灌浆等处理，以提高左岸抗力体岩石力学性能及防渗性能，增强岩体的整体性及均一性，提高岩体的抗变形能力。近年来国内外大量采用单孔声波、压水试验、钻孔全景图像、钻孔变模和地震波层析（CT）成像等综合检测手段，提高了灌浆质量评价的准确性，为工程验收提供可靠的基础依据。

1 工程地质条件

锦屏一级水电站左岸抗力体山体雄厚，相对高差1 500～1 700 m，为典型的深切“V”型谷。岩层走向与河流流向基本一致，左岸为反向坡，1 820～1 900 m高程以下为大理岩出露段，地形完整，坡度55°～70°，以上为砂板岩出露段，坡度35°～45°，地形完整性较差，呈山梁与浅沟相间的微地貌特征，少量可见平缓台地及凹形浅槽。

左岸抗力体范围内地层岩性为三叠系中上统杂谷脑组第二段大理岩和第三段砂板岩，另外还可见后期侵入的煌斑岩脉（X）。第三段砂板岩分布于1 820 m高程以上，左岸抗力体范围主要涉及第1、3层粉砂质板岩和第2层变质砂岩。第二段大理岩分布于1 820 m高程以下，不同高程从高到低、同一高程从里到外依次为第8层深灰色薄～中厚层状大理岩，底部发育较多的绿片岩，第7层厚层状大理岩、条纹状大理岩，第6－2、6－1层深灰色薄～中厚层状大理岩、少量角砾状大理岩，第5层浅灰至灰白色厚层状大理岩，第4层中厚层～厚层状杂色角砾状大理岩，夹透镜状、团块状绿片岩。煌斑岩脉（X）厚一般2.0～3.0 m，总体产状N50°～70°E／SE∠60°～80°，贯穿分布于左岸坝基及抗力体内，抗风化能力低，在高程1 680 m以上多弱～强风化，往高高程风化逐渐变强，高程1 680 m以下岩脉多微风化～新鲜。左岸抗力体断层较发育，主要发育规模较大的f2、f5、f8断层。

2 左岸抗力体固结灌浆灌后检测指标要求

左岸抗力体固结灌浆总体上分为主灌浆区和控制灌浆区。将各高程主灌浆区边界一定范围的区域划为控制灌浆区，要求在该区内采用低压浓浆并且需在主灌浆区灌浆前实施。高压灌浆区：高程1 785 m以下的主灌浆区为高压灌浆区；中压灌浆区：高程1 785 m以上的主灌浆区为中压灌浆区；低压灌浆区：各高程控制灌浆区以及近边坡部位的灌浆区为低压灌浆区。其中各灌区又划分若干个灌浆单元进行评价。

（1）固结灌浆灌后效果评价以岩体声波波速为主、透水率为辅，必要时结合钻孔变模和钻孔全景图像综合评定。

（2）声波速度测点以每个检查孔为单位进行统计，每个单元检查孔的合格率应≥90%，且不合格的孔不集中。

（3）压水试验采用“单点法”，压水压力为灌浆压力的80%，并不大于1兆帕。每个单元检查孔压水试验合格率应≥85%，不合格孔段的透水率不超过设计规定的150%且不集中。

（4）左岸抗力体范围的断层破碎带、强风化煌斑岩脉、层间挤压错动带等不参加物探成果评价工作。

左岸抗力体固结灌浆灌后质量评价主要技术指标见表1。

表1 左岸抗力体固结灌浆灌后质量评价主要技术指标

3 检测工作布置及成果分析

3.1 检测工作布置

左岸抗力体固结灌浆高程范围为1 635～1 885 m之间，共布置五层基础处理洞室群，分别为1 885 m、1 829 m、1 785 m、1 730 m及1 670 m高程。抗力体固结灌浆孔沿灌浆平洞洞周辐射发散，1 785 m高程以上排间距为3.0 m，1 785 m高程以下排间距为4.0 m，f5断层加密固结灌浆、煌斑岩脉加密固结灌浆排间距为2.0 m，洞室转弯处最大排距≤3.0 m，环内辐射灌浆孔终孔孔底间距为4.0 m。抗力体固结灌浆原则上采用自上而下、孔口封闭、孔内循环、高压式灌浆方式，灌浆孔分序施工、逐序加密，环间分二序、环内分三序。固结灌浆采用P.O42.5级普通硅酸盐水泥，即2∶1、1∶1、0.7∶1、0.5∶1（重量比）四级水灰比灌注。

左岸抗力体固结灌浆检测孔分为灌前、灌后检测孔，灌前检测孔原则上利用Ⅰ序灌浆孔进行检测，灌后检测孔压水试验在该部位灌浆结束7 d后进行，岩体波速测试在该部位灌浆结束14 d后进行，钻孔变模在该部位灌浆结束后28 d后进行。固结灌浆灌前、灌后检测孔孔数分别占灌浆孔总数的比例为：单孔声波5%、压水试验5%、钻孔全景图像3%、钻孔变模1%；每个单元内灌浆后至少布置3个检查孔，在地质条件复杂及重要部位可加密布置。对局部灌后检测效果未能达到设计要求的部位将进行补充灌浆，补充灌浆原则上采用湿磨细水泥浆液灌注。

左岸抗力体固结灌浆于2008年8月开始施工，截至2014年4月，左岸抗力体固结灌浆施工及检测均全部完成。左岸抗力体固结灌浆共设计布置并实施了灌前检测孔1 543个，灌后检测孔1 890个（其中包括各灌浆区不合格部位的补充灌浆检测）。

3.2 检测成果分析

左岸抗力体固结灌浆效果检测主要采用单孔声波、压水试验、钻孔全景图像、钻孔变模和地震波CT成像等综合检测方法。

3.2.1 单孔声波检测

单孔声波测试是弹性波测试方法中的一种，是建立在固体介质中弹性波传播理论基础上，以人工激振的方法向介质发射声波，在一定的空间距离上接收被测介质物理特性所调制的传播速度、振幅、频率等声波参数。单孔声波测试采用测量点距均为0.2 m。由于左岸抗力体工程地质条件复杂，存在有大量断层、低波速岩带、层间挤压带等，为获取软弱结构岩带或岩体的有效声波数据，采取了分段造孔跟踪检测或分段堵水方式进行检测。

左岸抗力体固结灌浆灌后检测孔要求重新造孔，灌后检测孔深度应与灌浆孔深一致，检测孔位置由监理根据现场灌浆情况、地质条件和相关设计要求确定，并报设计确认。左岸抗力体固结灌浆各灌区灌后检测孔单孔波速满足设计要求，对不合格单元经补充灌浆后满足设计要求（见表2）。

表2 左岸抗力体各级岩体固结灌浆灌前、灌后单孔声波波速综合统计

从表2可以看出：

（1）各类岩体灌后平均波速相比灌前均有不同程度的提高，平均波速提高率介于2.97%～7.71%之间；其中Ⅳ2级大理岩和Ⅳ2级砂板岩灌后平均波速提高率最为显著，分别为7.71%和6.71%；

（2）各类岩体的灌后离差Cv值均小于灌前值，说明灌后各类岩体波速分布较集中，灌后较灌前声波曲线均匀、平滑，灌后岩体均一性较好；

（3）各级大理岩和各级砂板岩灌后低波速及小值平均均有较大提高，表明各级大理岩和各级砂板岩岩体经固结灌浆后，低波速岩体灌浆效果有明显提高；

（4）断层及挤压带灌后离差Cv值偏大，且声波曲线局部孔段仍有低波速锯齿出现，局部起伏较明显，表明断层及挤压带经固结灌浆后岩体均一性欠佳。

3.2.2 压水试验检测

左岸抗力体固结灌浆灌前、灌后检测孔均进行“单点法”压水试验。灌前测试孔利用I序灌浆孔进行，其“单点法”压水试验应在裂隙冲洗清净后进行，采用自上而下分段钻孔、分段压水、分段灌浆的方法，分段长度同灌浆段长度。试验压力均采用该段灌浆压力的80%，并不大于1 MPa。压入流量的稳定标准为：在稳定压力下，每隔5 min测读一次压入流量，连续四次读数中最大值与最小值之差小于最终值的10%，或最大值与最小值之差小于1 L／min时，即可结束压水，取最终值作为计算值，其成果以透水率q表示，单位为吕荣（Lu）。

灌后压水试验在灌浆完成7天后进行，按照灌浆总孔数5%进行布孔，采用自下而上分段做单点法压水试验，压水试验段长与相邻灌浆孔灌浆段长一致。灌后压水试验设计指标为每个单元检查孔压水试验合格率应≥85%，不合格孔段透水率不大于设计要求的150%且不集中。左岸抗力体固结灌浆灌后压水试验成果综合统计见表3。

表3 左岸抗力体固结灌浆灌后压水试验成果综合统计

各高程灌前平均透水率Ⅰ序孔＞Ⅱ序孔＞Ⅲ序孔，符合一般灌浆规律。表明随灌浆次序的增进，岩层裂隙逐渐被充填密实，岩体均一性及完整性得到了明显改善。由表3可以看出：左岸抗力体固结灌浆灌后压水试验共检测1 890孔，压水段数累计7 969段次，其中透水率q≤3.0 Lu的段次为7 742段，3＜q≤4.5 Lu的段次为116段（且均不集中，满足设计要求），q＞4.5 Lu的段次为111段，故左岸抗力体固结灌浆灌后检测孔透水率平均合格率为98.6%。左岸抗力体固结灌浆各灌区灌后检测孔透水率指标满足设计指标要求，对不合格单元经补充灌浆后均满足设计指标要求。

3.2.3 钻孔全景图像检测

钻孔全景图像检测是一种能直观获得钻孔孔壁岩层表面特征的原始图像，具有直观性、真实性等的优点。该方法利于划分地层结构、确定软弱泥化夹层，检测断层、裂隙、破碎带，观察地下水活动状况位置等，佐证岩芯鉴定和弥补取芯不足，可直观反映张开裂隙发育程度及浆液填充情况等（见图2）。

钻孔全景图像检测成果可综合评价左岸抗力体固结灌浆灌后裂隙填充率等灌浆效果，其灌前、灌后检测孔数分别占灌浆孔总数的3%。检测前应对钻孔进行反复冲洗，去掉孔壁残留附着物，使钻孔内水质清澈透明，以利于图像清晰；如钻孔内积水仍浑浊，处理方法主要采用明矾净水后再检测。

图2 左岸抗力体某灌区固结灌浆灌前、灌后检测孔钻孔全景图像对比

从图2可以看出，左岸抗力体某灌区灌前检测孔大理岩大量张开裂隙发育，局部岩体较破碎，裂隙无充填物，完整性较差；经固结灌浆处理后大理岩裂隙有明显水泥浆液充填，填充率较高，并形成水泥结石，提高了岩体的完整性。

3.2.4 钻孔变模检测

钻孔变形模量检测是运用钻孔压力膨胀计，求得钻孔深部变形特性的一种试验方法。在岩体钻孔中的有限长度内，利用钻孔压力膨胀计向孔壁施加均匀的径向压力，同时测得孔壁的径向变形，按弹性力学平面应变的厚壁圆筒公式，计算出岩体的变形模量。钻孔变形模量检测成果反映出岩体的结构特征，通过灌浆前后变形模量的提高幅度，综合评价各类岩体的灌浆效果（见表4）。

表4 左岸抗力体固结灌浆灌前、灌后岩体钻孔变模值综合统计

从表4可以看出：

（1）Ⅲ1级大理岩灌前（灌后）平均变模值为10.47 GPa（13.11 GPa），灌后较灌前提高25.2%；Ⅲ2级大理岩灌前（灌后）平均变模值为7.99 GPa（11.41 GPa），灌后较灌前提高42.8%；Ⅳ2级大理岩灌前（灌后）平均变模值为7.64 GPa（10.35 GPa），灌后较灌前提高35.5%。

（2）Ⅲ2级砂板岩灌前（灌后）平均变模值为9.73 GPa（11.68 GPa），灌后较灌前提高20.0%；Ⅳ2级砂板岩灌前（灌后）平均变模值为7.19 GPa（9.46 GPa），灌后较灌前提高31.6%。

（3）f2断层灌前（灌后）平均变模值为8.79 GPa（12.03 GPa），灌后较灌前提高36.9%；f5断层灌前（灌后）平均变模值为6.44 GPa（10.15 GPa），灌后较灌前提高57.6%；煌斑岩灌前（灌后）平均变模值为6.44 GPa（7.08 GPa），灌后较灌前提高9.94%。

（4）各类岩体灌后平均变模值均有较大提高，表明各类岩体固结灌浆效果均较好；从灌后各级岩体变形模量提高率可以看出，煌斑岩固结灌浆效果相比其它岩性或断层灌浆效果较差。

（5）断层及挤压带局部岩体较破碎，以致探头无法升压而无有效变模值，故有效测点偏少。

3.2.5 地震波层析（CT）成像检测

地震波层析成像借鉴了现代医学中的CT检测技术，在相对平行的平硐间采用一发多收的扇形观测系统（一硐激发，另一硐多道接收），通过改变激发点和接收排列的位置，组成密集交叉的射线网络，然后根据射线的疏密程度及成像精度划分规则的成像单元，运用射线追踪理论，采用特殊的反演计算方法形成被测区域的波速图像，根据图像中的波速分布情况来划分岩体质量、确定地质构造及软弱岩带的空间分布。

为查明左岸抗力体内Ⅳ2级岩体分布，以及检测固结灌浆的灌浆效果，针对抗力体岩体质量进行了灌前、灌后地震层析（CT）成像检测工作。通过地震波波速成像成果，可以总体评价左岸抗力体内部断层破碎带及软弱带灌浆处理效果等（以1 670 m层为例）。

左岸抗力体1 670 m高程洞室固结灌浆灌前地震层析（CT）成像成果图见图3。结合开挖揭露工程地质条件，在低波速1区，有g1670－1、g1670－2、g1670－3及f2四个地质构造穿过，形成一个低波速区；低波速2区没有明地质构造，但是声波测试成果表明该区域声波测试曲线起伏变化很大，岩体均一性差。低波速区地震波波速多介于2 500～4 000 m／s之间，而非低波速区地震波波速则多介于3 500～5 500 m／s之间。

左岸抗力体1 670 m高程洞室固结灌浆灌后地震层析（CT）成像成果见图4。1 670 m高程洞室经系统固结灌浆处理后，成像区域呈一明显低波速带，与f2断层及其挤压带在成像区域段重合，低波速区地震波波速多介于3 500～4 500 m／s之间；而灌浆处理后非低波速区岩体地震波波速较平稳、集中，岩体均一性较好，地震波波速则多介于4 500～5 500 m／s之间。

图3 左岸抗力体1 670 m高程洞室固结灌浆灌前地震层析成像成果

图4 左岸抗力体1 670 m高程洞室固结灌浆灌后地震层析成像成果

4 结 论

锦屏一级水电站左岸抗力体经系统固结灌浆处理之后，低波速软弱岩体得到了明显的改善，灌后岩体声波波速、透水率、钻孔变模及地震波波速值均得到较大提高，且均满足设计灌后指标要求。达到了提高左岸抗力体岩石力学性能及防渗性能，增强岩体的整体性及均一性，提高岩体的抗变形能力。因此，在坝基抗力体系统固结灌浆过程中，采用综合物探检测方法评价灌浆效果是可行的，可在类似工程基础固结灌浆处理中借鉴和推广应用。

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TV543

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1003－9805（2015）02－0047－06

2014－06－30

廖 伟（1983－），男，四川泸州人，工程师，从事工程物探检测与研究工作。