锦屏二级水电站引水洞绿片岩段灌浆试验研究

杨 进 忠

(雅砻江流域水电开发有限公司，四川 成都 610051)

1 概 述

锦屏二级水电站利用四川雅砻江锦屏大河弯天然落差，通过单洞长约16.7 km的4条引水隧洞截弯取直引水发电。引水隧洞沿线锦屏山覆岩体埋深主要处于1 500～2 000 m，最大埋深达2 525 m，隧洞埋深大、洞线长、洞径大，是世界上最大规模的水工洞室群工程[1]。

电站引水洞沿线地应力高、地下水丰富、地质条件复杂，隧洞设计支护体系和周边围岩共同组成承载结构和防渗主体。为了提高围岩自身的整体稳定性，确保绿片岩洞段支护体系和围岩的共同承载能力，隧洞周边围岩固结灌浆效果至关重要，甚至高于普通岩层洞段要求。绿片岩岩体特性和实际施工情况表明，绿片岩地层裂隙不发育、相对隔水、可灌性差，围岩普通固结灌浆无法达到设计要求。为了解决该项技术难题，施工期间及时开展了加强固结灌浆试验研究，即在普通固结灌浆完成的基础上，分段进行细水泥灌浆和化学灌浆试验，并分析对比两种方案处理效果，选定技术可行、经济合理的加强固结灌浆方案，以解决绿片岩地质洞段围岩抗变形稳定问题。

2 基本岩层条件及岩性分析

锦屏二级水电站1号引水洞K1+470～2+000 m段岩体主要为绿泥石片岩，局部洞段夹有少量透镜体或大理岩条带，埋深普遍处于1 550～1 850 m，实测最大地应力为30.45 MPa。该洞段岩体自身性质差，并受褶皱构造挤压和高地应力作用影响，围岩较破碎且较为软弱，综合评价为Ⅳ类[1]。

绿片岩是一种区域变质岩，其主要矿物成分为绿泥石，呈片理构造，普遍为鳞片变晶结构。电站引水洞绿片岩经取样试验测试，单轴干抗压强度为38.8 MPa，饱和抗压强度为19.47 MPa，强度软化系数约0.5；干燥岩石弹模为13.18 GPa，饱和弹模约3.54 GPa，弹模软化系数约0.27，可见绿片岩遇水软化效应十分突出[2-3]。

电站引水洞围岩开挖松动圈测试表明，绿片岩洞段松弛范围普遍处于3～6 m间，局部达6.6 m。施工期变形监测表明，绿片岩洞段实测收敛值较大，最大收敛值累计可达31 cm，最大收敛速率为0.197 cm/d。收敛基本稳定后，经断面扫描检测，围岩变形量普遍处于20～60 cm间，局部竟然可超过100 cm[4]。

3 普通固结灌浆效果分析

为解决绿片岩洞段围岩松散软弱问题，隧洞衬砌和周边围岩形成整体受力结构和防渗体系，设计针对隧洞围岩固结灌浆提出了严格的技术要求。

普通固结灌浆试验在电站1号引水隧洞K1+566～606 m段实施。灌浆孔入岩深度9 m，灌浆压力3～6 MPa，间排距2 m，梅花型布置。隧洞边顶拱范围灌浆分两段实施，系统先完成整个试验洞段浅层4 m范围灌浆(灌浆压力控制为3 MPa)，7～14 d后再进行深部4～9 m范围灌浆施工(灌浆压力控制为6 MPa)。隧洞底拱范围内固结灌浆采用单孔由浅入深分两段一次性灌浆方法。

普通固结灌浆后围岩声波测试，波速平均提高了6%，但普遍存在孔口0～3 m范围内波速值低且集中的现象，无法满足灌浆设计要求。为了尽可能减小灌浆施工用水对绿片岩的软化影响，采用水泥浆(水灰比2∶1)进行灌浆质量压浆检查(压力控制为1 MPa)。检查过程中最大耗浆率为40.7 L/m，经过分析，普通固结灌浆质量压水检查不满足设计要求[1]。灌浆前后各进行了6个钻孔变形模量测试，灌前变模平均值0.44～3.54 GPa，测值全距(即最大值和最小值之差)0.53～3.89 GPa，灌后变模平均值2.65～4.57 GPa，测值全距3.1～5.38 GPa，灌后变模平均值较灌前有所提高，但孔内测值全距较大，尤其浅表孔段变模值较低，经过分析无法满足设计要求。

4 加强固结灌浆试验

普通固结灌浆灌后岩体质量无法完全达到设计要求，灌后变模平均值和测值全距，与设计要求存在差距，且全孔段变模差异明显，尤其浅表段灌浆效果很难满足设计要求。为了选择合适的加强固结灌浆材料、灌浆工艺和参数，使灌浆设计和施工更符合实际情况，以确保灌浆质量，现场及时开展了化学灌浆和细水泥灌浆对比试验。

4.1 化学灌浆

化学灌浆试验采用HK-G和PSI两种系列环氧树脂类灌浆材料。主要灌浆配合比为HK-G-2系列8.5∶1和PSI-502-1系列6∶1，同时备用HK-G-2系列5∶1和PSI-530系列6∶1两种速凝浆材以供特殊情况使用。

化学灌浆试验在1号引水隧洞K1+586～606 m洞段边顶拱范围实施。灌浆孔排距2 m(共10排)，每环15/16孔，前5排钻孔在普通固结灌浆原孔施工，后5排钻孔在普通固结灌浆孔中间梅花形布置；灌浆孔孔径φ56 mm，入岩深度6 m，成孔后使用压力风进行孔段冲洗，直至孔口返风无岩屑或冲洗20 min。灌浆压力为2～3 MPa，灌浆采用环间分两序、环内加密，孔口封闭、全孔一段纯压式灌浆方法，遵照“长时间、小速率、尽量达到一定注入量”原则。在设计灌浆压力下，当吸浆量不大于0.02 L/(min·m)，继续灌注30 min或达到胶凝时间即结束灌浆；且每孔段灌浆持续最短时间控制在16～28 h内，最长时间不超过40 h。试验表明，主要灌浆配合比和速凝浆材配合比的浆液初凝时间均较长(大于3 d)，变浆效果不显著，故化学灌浆不变浆。

化学灌浆灌后7～14 d质量检查，压水检查透水率均值0.23 Lu，最大值0.32 Lu，所有试段透水率均小于0.5 Lu；声波测试85%检测值大于基准值(4 500 m/s)，无小于设计标准(3 850 m/s)的测试值；变模测试最小值1.02 GPa，平均值4.45 GPa。由此可见，化学灌浆后压水检查和声波测试满足设计要求，但变模测试未完全满足设计要求，初步分析原因为岩体的不均匀性及化学浆液龄期较短等所致。灌后3个月，重新对该试验段进行了物探检查，灌后变模平均值6 GPa，最小值4.08 GPa，满足设计要求。

4.2 细水泥灌浆

细水泥灌浆试验在1号引水隧洞K1+606～626 m段边顶拱范围实施。灌浆孔排距2 m，每环15/16孔，在普通固结灌浆孔中间梅花形布置；灌浆孔孔径φ50 mm，入岩深度4 m，成孔后使用压力风进行冲洗，直至孔口返风无岩屑或冲洗20 min，然后利用模袋技术埋设两根φ20 mm孔口管(即进、回浆管)。灌浆压力为3～5 MPa，水灰比采用1∶1、0.6∶1两种，采用环间分两序、环内加密，孔口封闭、孔内循环、全孔一段式灌浆方法。细水泥浆液制浆采用高速搅拌机搅拌时间不少于180 s。在设计灌浆压力下，当灌浆孔吸浆量每分钟不大于1 L，继续灌注30 min后结束灌浆。由于普通固结灌浆后围岩已充填较为密实，细水泥灌浆过程中达不到规范规定浆液变换标准，故细水泥灌浆不变浆。

试验成果显示，灌前波速平均值4 766 m/s，灌后波速平均值4 968 m/s；灌前透水率平均值0.82 Lu，灌后透水率平均值0.5 Lu；灌前变模平均值3.57 GPa，最小值1.25 GPa，灌后变模平均值6.02 GPa，最小值4.07 GPa，均满足设计要求。

4.3 技术经济分析

由上述试验成果分析，化学灌浆具有强度高、渗透性好、对岩层微裂隙充填胶结较好等特点，3个月后各项质量检查指标满足设计要求；细水泥利用其超微粒特点，比普通水泥具有更好的渗透性，在一定压力下具备良好可灌性，灌浆质量检查指标满足设计要求，故两种加强固结灌浆方案在技术上均能满足工程需要。

从灌浆试验具体实施过程分析，细水泥灌浆工艺与普通固结灌浆基本一致，除了灌浆基材外，其他临建设施、设备和人力资源等与正在大规模进行的普通固结灌浆施工可以通用；而化学灌浆相对水泥固结灌浆专业性要求更高，为了确保环保及作业人员职业健康要求，在设备和人力资源引进、灌浆基材调制使用及回收处理等全过程均须严加管控，否则，与现场实际施工条件的适宜性不足。从施工工效分析，细水泥灌浆与普通水泥灌浆施工基本一致；而化学灌浆每孔段灌注时间较长，浆材强度上升慢、待凝时间长，工效不高。另外，根据现场实际消耗统计数据分析，单位长度孔段灌浆处理所需的化学浆材费用明显高于细水泥材料费用。故在工程实施阶段补充加强固结灌浆施工，细水泥灌浆比化学灌浆更具经济合理性、可操作性和环保优势。

通过细水泥灌浆和化学灌浆试验对比，两种加强固结灌浆方案技术均可行，在施工工效、便利、投入等经济性以及环保性方面，细水泥灌浆更具优势，经过统筹分析论证，锦屏二级水电站1号引水隧洞绿片岩洞段加强固结灌浆最终选定细水泥固结灌浆方案。

5 实际应用及监测成果分析

锦屏二级水电站1号引水洞绿片岩洞段在普通固结灌浆的基础上采用细水泥实施加强固结灌浆，波速大于4 500 m/s的围岩测试范围占比96.6%，没有小于3 850 m/s测试值；压浆检查共71段，透水率小于0.5 Lu试验段占比为89%，处于0.5～0.75 Lu间的试验段占比为8%，剩余两个试验段透水率为0.77、0.79 Lu，略大于0.75 Lu；钻孔变摸测试最小值4.07 GPa，平均值6.02 GPa，可见声波和变模测试满足设计要求，压水检查经综合分析，总体满足工程处理要求[5-7]。

锦屏二级水电站1号引水隧洞绿片岩洞段埋设多点位移计、锚杆应力计、锚筋桩应力计、锚索应力计、钢筋应力计、无应力计、测缝计等多种监测仪器，历史监测数据变幅较大情况主要发生在工程施工和隧洞充放水试验期间，多点位移计实测位移典型过程线，见图1。截至2020年2月，电站1号引水隧洞已充水投运7年有余，围岩变形、围岩支护应力、衬砌混凝土应力应变、衬砌与围岩接触应力等各项监测数据已长时间保持基本稳定，表明隧洞绿片岩洞段围岩处于稳定状态，细水泥加强固结灌浆处理方法选择合理。

6 结 语

绿泥石片岩岩体质地软弱、自稳性差、徐变突出、遇水软化明显、相对隔水且灌浆可灌性差，是工程建设尤其水利隧洞工程建设的一大难题。为了在普通水泥固结灌浆的基础上补充加强灌浆以有效解决绿泥石片岩质引水隧洞长期安全稳定和防渗问题，经过经济技术比较，细水泥加强固结灌浆比化学灌浆方法更为优秀，且实际应用效果较好，为类似项目提供成功经验。