锦屏一级水电站f2断层化学灌浆施工质量控制探讨

2019-12-23刘超李俊涛

中小企业管理与科技 2019年34期

刘超，李俊涛

（中国水电第七工程局有限公司成都水电工程建设有限公司，成都611730）

1 引言

在我国，化学灌浆技术已经走过了几十年的发展历史，其中的灌注工艺和浆材也随着不断地发展而得以逐步改善[1]。近年来，化学灌浆在软弱岩带、断层处理中的应用越来越广泛，灌注效果也十分显著，发展前景十分广阔。作为一项复杂的工程技术，目前并无有关化学灌浆在施工过程中如何有效控制质量的工法[2]。

不管是施工准备阶段还是施工阶段，均存在影响化学灌浆灌注效果的因素。在施工准备阶段，工程项目所处的地质环境、所选浆材的性能、即将应用的灌注机具均会影响化学灌浆灌注效果，因此，技术人员和施工人员需在此阶段重点考虑上述问题。而在施工过程中，各施工工序相互联系、相互制约，相互之间的影响也会改变化学灌浆的最终灌注效果[3]。通过实地调查了解到，施工人员在施工现场应密切关注化学灌浆时的孔内排水情况与浆液胶凝时间。此外，在化学灌浆施工时，浆液返渗情况较易出现，因此，施工人员应确保灌注过程具有合理性。

2 施工准备阶段的控制

2.1 工程地质的掌握

在施工准备阶段，施工方对工程地质资料的掌握非常关键，因为基岩的结构、走向与分布的状况是施工的重要依据。对于化学灌浆施工阶段而言，浆液的凝固很大程度上取决于基岩的成分、颗粒、含水状况与化学成分。工程施工的推进也必须参照岩层的实际走向。因此，在进行化学灌浆之前，必须要首先做好岩体地质资料的处理工作[4]。

在锦屏一级水电站f2断层的化学灌浆施工开始之前，经过初步勘察，断层具有一定的复杂性，因此，研究组拟以其为研究工程，准确勘察该层出露的各断面的地质情况，依据这些勘察文件，同设计人员、物探人员展开综合讨论，由此完成对该工程地质状况的界定工作。表1 为本次会审的结果。

上述数据是对于该处地质情况的概括，令断层露出的情况更为明晰，能够作为现场施工的有力指导依据，保障施工的质量与安全性。对于化学灌浆施工而言，地质资料是极为重要的，在勘测分析阶段就必须严谨认真地进行，确保资料的准确性。

表1 锦屏一级水电站左岸1670m 层4#固结灌浆洞的f2断层揭示情况统计

2.2 灌注机具的选择

化学灌浆过程中的原则就是以较缓的速率、较长的历时周期，确保达到既定注入量。因此，为了保证灌浆工程质量，灌浆泵的选择也非常重要。灌浆泵的性能参数也是决定工程质量和工期的关键。在锦屏一级f2断层进行化学灌浆时，由于该处断层地质状况非常复杂，所以灌浆泵始终要处于较低流量的状态，并且流量也应视工程推进情况而不断调节。灌浆泵还需要具有较强的抗腐蚀性和能够做到长时间无故障运行。在对多款国内外品牌型号的灌浆泵产品进行分析对比之后，本次工程选择了以下两款灌浆泵。第一是深圳帕斯卡公司的DMIX-C300 型；第二是天津机械厂生产的JDB-1250/1 型[5]。表2 列出了上述两款产品的具体参数。

表2 化学灌浆泵性能参数表

灌浆泵的选择对于化学灌浆工程的质量与工期也有着显著的影响。上述两款灌浆泵产品在性能方面的优势就是对灌浆速率的控制较好，能够比较理想地满足本次工程的灌注要求，是对灌浆质量的有力保障。上述两款产品在工作的故障率、持久性方面也不低于国外同类产品，同时，经济性也较为理想。因此，对于本次锦屏一级f2断层化学灌浆施工而言是理想的选择。

3 灌浆施工阶段的控制

3.1 灌注历时的控制

在化学灌浆的实践操作中，需要严格把控好灌浆历时设置。如果历时设置不合理可能直接导致灌浆施工失败或者质量达不到预期效果。

图1 PSI-501（6:1）：η-t 曲线

从图1 的锦屏一级水电站f2断层化学灌浆灌注浆液PSI（配合比为6：1）的η-t 曲线中可以看出，具有低粘度特点的环氧浆材的粘度与其灌浆历时呈正相关。这意味着灌注时间越长，其粘度也会逐渐增大。一旦其粘度达到一定数值，浆材必然会出现可灌性差乃至失去可灌性等问题。基于此，可在浆材粘度达到可灌性的临界点时及时停止灌注，这一操作可起到有效缩短灌注历时、保证灌注质量的目的。在化学灌浆中，有效灌注历时就是从起灌至粘度达到临界点的时间段。从图1 的η-t 曲线图来看，本次化学灌浆施工中的环氧浆液粘度达到100MPa·s 时，灌注历时为28h；当粘度达到300MPa·s 时，灌注历时则高达48h。这些数据证明，环氧浆液粘度达到100MPa·s 时，其有效可灌性呈明显下降趋势，而达到300MPa·s 时，浆液有效可灌性基本失去，灌注历时越来越长，化学灌浆质量难以保证[6]。

3.2 孔内余水的排除

施灌前，施工人员首先需将孔内积水排除，这样才能避免后灌入的浆液同积水融合而形成乳浊液。除此以外，不及时排除孔内积水还会遭压力挤压并停留于裂隙中，导致浆液被水稀释。被水稀释后的浆液在进行胶凝操作后，附近岩体的物理力学性能将大大降低，具体表现为声波值和变模降低。总之，不排除积水后的浆液难以达到相应的设计指标，甚至还会导致孔隙率低的被灌体尤其是孔隙率≤10%的被灌体无法进行纯浆液填充，化学灌浆质量也将受到严重影响。因此，有效控制施灌前的孔内排水过程，在很大程度上有力地保障了施工质量[7]。

在本项目中，施工人员主要采用风、浆联合排水进

行孔内排水操作。为确保灌注质量，开灌一定时间内还应不定时开启回浆阀进行排水，具体操作如下：通过射浆管，应用高压风排除大部分的水，然后再以浆排水。

图2 孔内余水的排除

3.3 施灌中注入率的控制

在化学灌浆施工过程中，控制注入率是重要的施工步骤，能否实现控制注入率对工程整体灌浆质量有着很大影响。为提高岩层力学性能，施工人员在处理地层基础时不仅要对细微的裂隙进行填充，还需渗透进岩层中，因此，通常在化学灌浆的地层基础处理时会使用一种“浸润式”灌注的岩层处理方法。此外，为保证化学浆液对岩层的有效渗透，在“浸润式”灌注过程中还应遵循“低速率、慢浸润”的原则。锦屏一级水电站左岸近坝区f2断层的空间走向十分复杂，因此，施工人员在进行化学灌浆时需采取一定的措施来控制施灌过程中的注入率，如此才能确保化学浆液对岩层的有效浸润。一般而言，注入率应控制在0.05～0.1L/min·m。当注入率≤0.05L/min·m 时，应适当升高灌浆压力（以设计灌浆压力为参考），当注入率≥0.1L/min·m 时，需适当降低灌浆压力（以设计灌浆压力为参考）或控制注入量，即控制好灌浆压力和注入速率的协调关系，使灌浆过程达到长历时、慢速率的目的，尽量达到一定的注入量，从而保证灌浆质量[8]。

3.4 浆液返渗的控制

作为施工过程中至关重要的一环，闭浆、待凝可避免已灌浆液出现返渗，同时，还可确保浆液的充分胶凝与固化，避免浆液在岩层裂隙与缝隙中出现灌注不饱满的现象，并达到补强防渗的目的。

在具体施工过程中，技术人员发现，锦屏一级水电站f2断层化学灌浆施工的处理难度极大，施工周期也比较紧张。如果按照上述DL/T 5406—2010 化学灌浆规范中所提出的闭浆方式来施工显然是不可行的，这样是无法有效保证施工节点的[9]。在此背景下，施工部门具体分析了锦屏化学灌浆的特点和工期要求，针对情况相对特殊的f2断层化学灌浆后的闭浆操作采取了如下处理措施，即闭浆完成后，使用0.5：1 的水泥浓浆来置换孔内的化学浆液[10]，待其初凝后再实施下一段的钻灌。这一操作的原理主要是基于水泥浓浆密度大于化学浆液，而水泥浆液的初凝时间通常为4～8h，如此也就可发挥封闭、阻断孔内裂隙的作用。通过上述一系列施工步骤，f2断层灌浆施工工程按期完工，并有效避免了浆液返渗，灌浆质量也得到了保障。

图3 浆液返渗的控制

4 锦屏一级水电站左岸1670m 近坝区f2断层带化学灌注效果

从锦屏一级水电站左岸1670m 近坝区f2断层带化学灌注效果来看，其透水率均小于0.5Lu，单孔声波波速在4600～4900m/s，岩体变形模量在5.1～7.7GPa，岩体抗剪强度在3.6～4.9MPa。之所以能够达到这些效果，与技术人员科学分析地质情况、合理选择灌浆机具以及合理控制灌浆过程中的关键工序有关。而在对f2断层带进行灌浆施工中所使用的PSI 系列环氧浆材，还起到了改善岩体渗透性和物理力学参数的重要作用。