清蓄电站中平洞不良地质段复合灌浆施工应用

2018-05-08史云吏

水电站机电技术 2018年4期

史云吏

（清远蓄能发电有限公司，广东清远 511853）

1 工程概况

清远抽水蓄能电站装机容量1280MW，位于广东省清远市清新区太平镇境内，处于珠三角西北部，距离广州直线距离75km，是广东省电力负荷中心的大后方，清远蓄能电站的建设对于优化广东电网的负荷能力和稳定运行具有重要意义。清蓄电站的枢纽工程由上水库、下水库、水道系统、地下厂房洞室群及开关站、永久道路等部分组成。

水道系统建筑物包括上库进出水口、下库进出水口、上库闸门井、下库闸门井、输水隧洞、尾水调压井以及尾调通气洞等。采用首部式的开发方式，水道系统采用1管4机的供水方式，设置尾水调压室系统。水道系统纵剖面采用一级竖井加一级斜井的方案。水道系统水道衬砌型式，除引水支管、尾水支管采用埋藏式压力钢管外，其余均采用钢筋混凝土衬砌。引水水道剖面布置图见图1。

图1 引水水道剖面布置图

2 工程地质

清远抽水蓄能电站水道系统沿线为中低山，山体较完整，植被发育。水道厂房系统主要分布在北西—南东向，山体浑圆，山顶较平坦。在北东和南东两侧各发育一条北西向冲沟，两冲沟间距约900m，均发源于上水库副坝2下游处，并在下水库库尾处交汇。整体上，除中平洞段和尾水洞段经过冲沟外，水道线路其他部位冲沟并不太发育，地形较完整。

水道系统线路除上、下进出水口及上平洞部分为寒武系石英砂岩外，其余大部分均为燕山三期中粗粒黑云母花岗岩。整体而言，引水隧洞除断层破碎带处为弱风化岩体外，其余绝大部分深埋于微风化—新鲜的岩体内。除断层破碎带属于Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ类围岩外，其余地段以Ⅰ～Ⅱ类围岩为主。围岩初步分类结果Ⅰ～Ⅱ类围岩约占80%，其余围岩约占20%。

引水隧洞中平洞主要有3条断层通过，分别为f24、f80、f20。

f24断层：走向N70°W/SW∠75°～80°，由三条平行的断层组成，b1=1.5m，b2=2m，b3=1m，断层带为全风化构造角砾岩，围岩见高岭土化蚀变，沿断层带有地下水渗滴～线流状出露，有股状水Q=5～6L/min，受断层f20及其平行裂隙的相互切割，此断层的围岩极不稳定，开挖时出现塌方现象；

f80断层：走向 EW，倾 S，倾角 80°，b=2m，其与隧洞交角70～75°，对中平洞的围岩稳定有一定影响；

f20断层：走向 N24°E/NW∠85°，b=1m，断层带为全风化构造角砾岩，围岩见高岭土蚀变，沿断层带有地下水渗滴状出露，与f80、f24断层相互切割，造成围岩不稳定；

裂隙：零星分布，陡倾角，闭合～微张状，充填钙质，裂隙走向基本与断层f24、f80走向垂直。

3 .复合灌浆施工工艺

为使中平段不良地质段的断层和细微裂隙可以充分充填固结，该段的固结灌浆选用水泥—化学复合灌浆的方法。化学灌浆是以高分子有机化合物为主体材料的灌浆方法，其化学浆液的渗透系数（10-6～10-8cm/s）远远小于水泥浆液，低于0.1mm以下的裂隙也可以有效灌入[1]。

3.1 化学浆液的选择

目前化学浆液品种繁多，通常按其用途可分为防渗型、补强型、防渗补强型三类。

化学浆液可注性好，浆液粘度低，能注入到细微裂隙中，但是一般的化学浆液都具有毒性并价格昂贵，且结石体强度比水泥浆液的结石体强度低等缺点[2]。化学浆液大体分类见表1。

表1 化学浆液分类

环氧树脂类浆液常温下具有固化强、聚合体强度高、粘结力大、化学稳定性好的特点,一般多用于岩体固结补强灌浆中。考虑到高效实用、经济环保，选用CW系材料作为化学灌浆材料。CW系化学灌浆材料主要是由新型环氧树脂、稀释剂、表面活性剂等组成的双组份灌浆材料[3]。其选用的是CYD型环氧树脂，它除了能保持E-44环氧树脂的优点外，还具有低温条件下粘度相对较低、操作简单、价格适中的特点。其固化剂选用的是CD固化剂，CD固化剂是一种高分子固化剂，能在低温和水中固化，能在一定程度上改善环氧树脂的脆性，且气味小、毒性低。

3.2 孔位布置

中平洞与竖井、斜井上/下弯段相连，与2号施工支洞相交于桩号Y0+946.811。中平洞衬砌后直径为9.2m，衬砌厚度为60cm，坡比为0.04。中平洞V类围岩固结灌浆处理段位于中平洞上游（Y0+606～Y0+654），处理长度为48m，相应增加的水泥—化学灌浆长度1672.5m。根据设计要求，灌浆段共布置17排灌浆孔，其中有2排，每排布置5个孔；有2排，每排布置9个孔；其余13排，每排布置15个孔。为防止灌浆过程浆液扩散范围过大，进行复合灌浆前，在不良地质段上、下游各布设1排加密水泥灌浆，完成后在进行复合灌浆。

3.3 钻孔及冲洗

钻孔时先采用XY-2型75mm地质钻开孔，开孔深度为入岩0.5～1m，然后采用Φ48mm的手风钻钻至入岩7.5m，孔排距为3m，孔深误差10cm。钻孔结束之后，用水或者风对注浆孔内的岩粉等杂质进行冲洗，直到回水清净为止，孔底内的沉积厚度不得超过200mm。

3.4 灌前压水

为了解岩体裂隙发育情况和透水性，在灌浆之前需要对待灌孔做灌前压水试验。压水试验压力为设计灌浆压力的80%，且不超过1.0MPa，中平洞化学灌浆压力为4MPa，因此压水试验选取1MPa的压力。采用外径58mm，即65型的灌浆塞入岩1m左右，塞入时，应使灌浆塞充分膨胀，以防止施压时灌浆塞冲出。压水试验过程中，应每5min测读一次压入流量，当连续4个读数相对稳定后即可结束，取最后的流量值计算其透水率。当透水率≧2Lu时应先采用水泥灌浆，若水泥灌浆达到正常结束标准后待凝8～10h，采用地质钻扫孔后进行压水试验，若透水率≧2Lu，重复水泥灌浆流程。只有当透水率＜2Lu时，进行化学灌浆。

3.5 灌浆

中平洞不良地质段化学灌浆分为3个单元，分别为第一单元Y0+606～Y0+621.5,第二单元Y0+621.5～Y0+635.5，第三单元 Y0+635.5～Y0+654。现场施工时，顺序为第三单元、第一单元、第二单元。

当透水率≧2Lu时，采用水泥灌浆。灌浆压力达到4.5MPa，为防止混凝土衬砌劈裂，将三通灌浆塞入岩0.5m阻塞待灌孔，连接灌浆管路，通水检查管路通畅。水泥灌浆采用孔内循环式灌浆法，以5:1的水泥浆液灌注，流量小于2.5L/min，压力达到4.5MPa结束灌浆。

当透水率＜2Lu时，采用化学灌浆。待灌孔预埋进浆管和回浆管，埋入深度为入岩1m，化灌前进行密闭、耐压、耐渗试验，以确保灌浆管路安全密封性能。化学灌浆采用纯压式全孔一次灌浆法施工，按照先施工Ⅰ序孔，再施工Ⅱ序孔（见图2），从低处往高处灌注、环内从底孔到顶孔的顺序灌注。化灌过程应以“逐级升压、缓慢浸润”为原则，初始压力不得大于设计压力的1/3。当注入率小于0.05L/min，压力达到设计压力4MPa，再继续灌注30mim或达到胶凝时间，即可进行闭浆。

图2 灌浆孔位布置图

3.6 施工注意事项

（1）化学灌浆应连续进行，不得无故中段灌浆。如因不可避免因素中断时，应遵照尽可能缩短中断时间、及早恢复化学灌浆、应在浆液胶凝时间以前且不影响灌浆质量时恢复灌浆，否则应当扫孔和冲洗，再重新灌浆的原则进行处理。

（2）化学灌浆过程中如发现冒浆、漏浆时，应及时处理。一般原则为采用低压、低流量的方法进行处理。如果效果不明显，应及时停止灌浆，待浆液达到初凝时间后进行扫孔复灌。

（3）灌浆过程中，邻近孔发生串浆时，如果串浆孔满足化灌要求，可以同时化灌，但应严格控制化灌压力，防止混凝土或者岩体抬动。若不满足化灌要求，则应及时用快干水泥外加膨胀剂、速凝剂阻塞串浆孔。

（4）化学灌浆时，化学浆液容易从混凝土衬砌施工冷缝及细小裂缝中渗出，化灌施工前及化灌过程中应及时对裂缝进行处理。具体措施为清洁混凝土表面，用手工钻凿槽，若裂缝较长，则应间隔1m距离在槽内钻孔，孔深10～20cm，埋管，以快干水泥封槽，按照化灌要求进行灌注。

（5）为了使化学浆液得到充分有效地利用，避免浆液远远超出有效固结灌浆圈，当灌孔的化学浆液耗量超过250kg时，采取改变浆液配比的方法，即将化灌配比6:1改为5:1，且采取限流的控制。当灌孔的耗量超过350kg且无结束迹象，应采取待凝措施，间歇灌注，其间歇时间不应少于6小时。

4 可灌性分析

可灌性分析是推断研究岩层裂隙的重要指标之一，主要通过对灌孔的注入量和单耗等数据指标的分析，反映该化灌段的可灌性。

中平洞V类围岩不良地质段耗量分析如表2所示。

表2 不良地质段分单元灌浆耗量分析表

通过分析可以看出，第一单元与第三单元位于化学灌浆区域的两侧，每排灌浆孔位的平均单耗略高于第二单元。而每排孔位的最高单耗则明显第一、三单元远远大于第二单元。从侧面反映第一、三单元的灌浆效果良好，较好的阻断了中间第二单元的裂隙通道。

第一单元中Y0+615.082的6号孔共计耗浆3592.75kg，单耗达到了479.03kg/min，纯灌浆时间达到173h，无论时间还是耗量均为该段之最。6号孔的透水率为0.43Lu，采用6：1化学浆液灌注，耗量达到250kg时，采用5:1配比灌注；耗量达到350 kg时，采用间歇待凝、低压慢灌、控制流量等方式，使浆液灌注范围控制在有效范围之内。在6号孔化灌过程中，邻近多孔发生不同程度的串浆现象，6号孔所处位置及地质构造如图3所示。

图3 Y0+615.082的6号孔地质构造示意图

由图3可知，Y0+615.082的6号孔穿过f80、N70、f24三条断层，这三条断层为全风化角砾岩，并有蚀变现象，三条断层之间相互切割、相互影响，裂隙发育。分析认为，该孔周围岩体裂隙发育，化学浆液粘度低，流动性好，在化灌高压作用下，浆液沿围岩裂隙渗透扩散，从而导致该孔岩脉化灌可灌性强。由于6号孔的化灌范围扩散较大，对周围的裂隙、渗漏通道形成有效地灌注阻塞。以理论化学浆液扩散半径公式计算[4]：

R——有效扩散半径,m；

Q——单位时间内的注浆量,kg/min；

t——注浆持续时间,min；

h——一次注入岩层深度,m；

n——岩层孔隙率。

显然6号孔的理论化灌范围已经超过有效化灌范围，因此采取合理有效的手段减少化灌量，加快浆液凝固是合理的。6号孔完成化学灌浆之后，邻近的化灌孔吃浆量均有明显大幅回落，单耗均在50 kg/min之内，其中4号、8号孔单耗分别为8.32 kg/min和 5.03kg/min。

引水中平洞固结化学灌浆分序统计见表3。尽管第二单元没有高单耗（＞100kg/m）孔位，但是较高单耗孔位（50～100kg/m）占比仍然较高，说明该段风化破碎的花岗岩围岩可灌性好，破碎带裂隙发育，化学浆液沿细小裂隙及岩石矿物间扩散充填。灌浆量处于正常水平，说明孔位灌浆处于有效灌注范围之内。

表3 引水中平洞固结化学灌浆分序统计表

5 灌浆效果

5.1 压水检查

对比灌浆前后透水率，是评价灌浆效果的重要指标之一。

中平洞不良地质段复合灌浆之前，三个单元分别布置8个、7个、17个压水检查孔，最大透水率为6.51Lu，平均透水率为1.25Lu。

复合灌浆结束后，三个单元布置15个检查孔，最大透水率为1.3Lu，平均透水率0.75Lu。化学灌浆检查孔合格的标准为85%以上孔段的透水率小于1Lu，其余孔段的透水率小于1.5Lu，且分布不集中。根据灌前灌后压水资料，中平洞不良地质段灌浆质量达到设计防渗要求。

5.2 取芯

灌浆后对中平洞不良地质段取岩芯观察，取出的岩芯有明显的水泥浆液结石和化学浆液胶凝体，裂隙灌填密实，这表明化学浆液对围岩起到了良好的浸渗作用，反映本次复合灌浆对围岩的完整性、防渗性、强度有明显改善，效果显著。

5.3 声波检测

混凝土强度与波速参数之间具有直接的相关性。一般来讲，混凝土强度越高，完整性越好，声波波速越高；混凝土强度越低，完整性越差（如混凝土存在架空或不密实体等），声波波速越低。因此，通过测试混凝土波速值可以反映水道衬砌体及围岩质量优劣[5]。

通过对比不良地质段围岩段灌浆前后声波检测结果不难发现，该段声速由最低1510m/s提高到了最低3076m/s，按照隧道设计规范波速与围岩性质关系，该部位围岩等级已由原V类提升至III类[6]。这表明衬砌体及围岩的完整性在灌浆之后得到了有效提高。与所取岩芯反映结果一致。

表4 Ⅴ类围岩不良地质洞段固结灌浆前声波检测成果

表5 Ⅴ类围岩不良地质洞段固结灌浆后声波检测成果

6 结论

清蓄电站中平洞不良地质段V类围岩段复合灌浆结果证明该种方法对于不良地质段围岩完整性及强度提高的作用是显著的。V类围岩段在经过系统水泥固结灌浆之后仍然可以灌注大量的化学浆液，这也表明了单一的水泥灌浆并不能充填满围岩裂隙、节理。清蓄电站引水水道充水试验一次成功，各项检测指标和数据均优于设计和规范要求。

6.1 灌浆材料的选择

在不良地质段水泥灌浆可以采用超细水泥，尽可能以相对化学浆液低廉的材料充填大部分的裂隙、节理，其对破碎地带的效果尤为明显。硅酸盐水泥在灌浆之前加入5%～10%的硅粉，对于抑制混凝土析钙有所抑制[7]。灌浆结束之后，对水道环氧喷涂可有效防止淡水壳菜对水道的侵蚀，提高水道的使用寿命。

6.2 灌浆参数的选择

对于可灌性好的洞段适当加密灌浆孔距，提高封闭效果。可以使洞段内裂隙节理得到充分的填充，对深层发育的裂隙效果更为显著。

6.3 施工缝的处理

电站引水道混凝土衬砌由于自身收缩、浇筑质量等因素必然是有施工缝的，往往施工缝会成为渗水通道，容易造成内水外渗。处理施工缝如果仅仅采用沿缝刻槽处理实际上只是外观的美化，在洞内高水压的作用下很容易被破坏，刻槽处理甚至会成为更大的缺陷。对于渗水明显的施工缝，在其左右布置两排灌浆孔，阻断其渗水通道，既不会对混凝土的完整性造成损坏，又能从根本上解决施工缝渗水的问题。