杨房沟水电站f27断层蚀变带化学灌浆试验研究

谢 斌，王 灏，刘 均 峰

(中国水利水电第七工程局有限公司，四川 成都 610081)

1 概 述

杨房沟水电站拱坝左岸坝基高程1 947～1 990 m上游侧发育f27断层蚀变带，产状：N50-85°W SW∠55～65°，宽10～15 cm，最大可达20 cm。带内为碎块岩、蚀变岩、岩屑充填，面平直光滑，沿断层面两侧分布蚀变岩体，上盘蚀变岩体厚度0.2～1.5 m，下盘蚀变岩体厚0.6～2.6 m，蚀变岩体单轴饱和抗压强度20～40 MPa，属Ⅳ类岩体。f27断层蚀变带与拱坝坝基帷幕斜交，影响拱坝坝基防渗，采用常规水泥灌浆可灌性差，难以达到坝基防渗要求，须采用化学灌浆以满足坝基防渗要求。在正式化学灌浆前必须对所选灌浆材料进行室内及现场灌浆试验，对灌浆材料、灌浆参数、施工工艺、灌浆设备及灌浆效果检查等进行验证，该试验研究对于指导类似工程基础处理具有参考意义[1]。

通过现场灌浆试验研究，了解经化学灌浆处理后，f27断层蚀变带影响区的完整性、抗渗性、抗压强度和抗剪强度提高的效果，论证经过灌浆处理后的岩体作为拱坝基础的合理性和可靠性，提出相应的岩体力学参数值，满足大坝抗力体的要求[2]。

化学灌浆灌后岩体检测指标包含压水试验透水率、声波波速、钻孔变形模量、钻孔全景图像检测等。并钻取满足常规物理性质、抗渗性能、干湿抗压强度、室内变形模量及磨片鉴定等检测项目的岩芯以开展相关检测工作[3,4]。

2 室内模拟灌浆试验

2.1 化学浆材物理力学试验

该次化学浆材物理力学试验，选择了两家单位的环氧浆材进行室内试验研究。

浆材型号和配比如下：

(1)型号：CW511，配比(质量比)A∶B=5∶1、6∶1；CW512型号配比(质量比)A∶B=5∶1、6∶1。

(2)型号：PSI501，配合比(质量比)9∶1；PSI530型号，配合比(质量比)9∶1。

对不同配方进行大量室内试验后，根据设计要求和f27断层及蚀变带特性，最终选择性能较好的CW511高渗透环氧浆材和PSI501(9∶1)高渗透环氧浆材进行室内模拟灌浆试验。

2.2 室内模拟化学灌浆试验成果

根据室内化学浆材的试验成果，选择具有代表性的f27断层及蚀变带原状岩块进行室内模拟试验。CW511浸泡试验成果：吸水率为1.04%，吸浆率为1.72%，浸泡后岩样平均抗压强度为15.03 MPa；PSI501浸泡试验成果吸水率为1.49%，吸浆率为1.47%，浸泡后岩样平均抗压强度为14.36 MPa。CW511室内模拟灌浆试验成果：吸浆率为1.15%，灌后岩样抗压强度22.17 MPa；PSI501室内模拟灌浆试验成果：吸浆率为1.42%，灌后岩样抗压强度20.4 MPa。通过灌(浸泡)后切片发现环氧浆液有效灌(进)入岩样的细微裂隙中[5]。

经对上述化学浆材和室内模拟灌浆成果分析，最终选择PSI501型号，配合比(质量比)9:1进行现场化学灌浆试验。该化学灌浆浆液性能和固化物性能满足环氧树脂材料的浆液性能L(低黏度)、固化性能Ⅱ型要求，检测成果见表1。

表1 PSI501型号环氧树脂灌浆材料浆液性能检测成果

3 现场灌浆试验

3.1 灌浆试验区选择

根据f27断层及蚀变带影响区范围，并结合开挖阶段勘探资料，经现场实地考察和反复研究，化学灌浆试验区选择在8号坝段1 955 m高程基础廊道，在帷幕线以外f27断层及蚀变带区域。f27断层化学灌浆试验区桩号范围为：K0+120.78～K0+123.03，钻孔共布置两排，排距0.6 m，孔间距1 m，下游排距廊道下游边墙0.5 m。

3.2 现场灌浆试验方案

根据设计要求，化学灌浆前需进行水泥灌浆，在岩体透水率≤1 Lu时，再进行化学灌浆。

该试验区所在部位前期已完成水泥灌浆，灌后检查孔透水率均小于1 Lu，不再进行整体水泥灌浆，若化学灌浆段灌前压水试验透水率大于1 Lu，需先进行水泥浆液灌注，直至透水率小于1 Lu时，再进行化学灌浆。

化学灌浆采用PSI501低黏度改性环氧树脂灌浆材料，该材料具有强度高、黏度低、操作时间可控、收缩性小、稳定性高、耐久性好、施工简便等性能。

3.3 现场灌浆试验方法

(1)化学灌浆试验区施工顺序：施工准备→孔位放样→抬动孔施工(利用1 955 m高程基础廊道帷幕灌浆已施工的抬动孔)→先导孔施工→下游排(Ⅰ序孔→Ⅱ序孔)→上游排(Ⅰ序孔→Ⅱ序孔)→检查孔施工→质量验收。

(2)化学灌浆施工工艺流程见图1。

图1 化学灌浆试验施工工艺流程图

(3)化学灌浆采用“孔内卡塞、自上而下分段”纯压式灌浆法，最大化学灌浆压力3 MPa。

(4)灌浆段长、孔深。灌浆孔分段与钻孔分段一致，见表2。各灌浆孔段的灌浆压力为3 MPa。

(5)主灌浆材料为PSI501环氧灌浆材料，配合比为A∶B=9∶1(质量比)。

表2 化学灌浆范围和段次划分表

(6)化学灌浆遵循“长时间、慢速率、尽量达到一定的注入量”的原则，控制好灌浆压力和注入率的协调关系，一般情况下注入率控制在0.05 ～0.1 L/min·m之间。当注入率≤0.05 L/min·m时，适当升高灌浆压力，当注入率≥0.1 L/min·m时，需适当降低灌浆压力或控制注入量。

(7)Ⅰ序孔距为2 m，Ⅱ序孔距为1 m，排距0.6 m。钻孔终孔段孔径不小于φ56 mm。

(8)每段灌浆总历时达到40 h以上，在设计灌浆压力下，不吸浆或注入率≤0.01 L/(min·m)时，屏浆4 h即可结束化学灌浆。

(9)在每段灌浆结束后，关闭进、回浆阀门，待压力自然归零后，由进浆管灌注0.5∶1水泥浆，并打开回浆阀门，用水泥浆液置换出孔内化学浆液，当孔内化学浆液置换完后，屏浆30 min后待凝12 h，然后进行下一孔段钻灌施工。

4 化学灌浆成果分析

该试验区共计完成化学灌浆孔5个，化学灌浆72 m。下游排Ⅰ序孔单位化学浆材耗量37.07 kg/m，Ⅱ序孔单位化学浆材耗量9.50 kg/m，Ⅱ序孔单耗较Ⅰ序孔单耗减少74.37%；上游排Ⅰ序孔单位化学浆材耗量11.55 kg/m，Ⅱ序孔单位化学浆材耗量10.24 kg/m，Ⅱ序孔单耗较Ⅰ序孔单耗减少11.34%。

该试验区Ⅰ序孔单位化学浆材耗量18.57 kg/m，Ⅱ序孔单位化学浆材耗量9.87 kg/m，Ⅱ序孔单耗较Ⅰ序孔单耗减少46.85%，各序孔的单位注入量呈现Ⅰ序孔>Ⅱ序孔，符合一般灌浆规律。

5 化学灌浆效果检查

灌浆效果检查主要采用压水试验、声波测试、孔内电视以及钻孔取芯进行室内物理力学性能试验，其成果可作为评价灌浆试验效果的主要依据。

5.1 压水试验

化学灌浆试验区共布置1个灌前测试孔，共计进行“单点法”压水3段。灌后共布置3个检查孔，共计进行“单点法”压水7段，成果统计见表3。

表3 试验区灌前测试孔与灌后检查孔压水成果统计表

化学灌浆试验区灌前测试孔最大透水率0.36 Lu，平均透水率0.12 Lu；灌后检查孔最大透水率0.11 Lu，平均透水率0.03 Lu。灌后最大透水率较灌前减少69.44%，灌后平均透水率较灌前减少75.00%，灌后检查孔各段压水透水率均小于1 Lu，符合压水试验合格标准。

5.2 声波检测

化学灌浆试验区灌前对1孔进行了单孔声波测试，灌后14 d后对3孔进行了单孔声波测试。化学灌浆试验区灌前测试段声速范围为4 282～5 572 m/s，平均声波波速为5 070 m/s，小于3 700 m/s波速测点占比为0。灌后测试段声速范围为4 520～5 895 m/s，平均声波波速为5 137 m/s，小于3 700 m/s波速测点占比为0。灌后较灌前平均波速提高67 m/s，提高1.32%。灌后较灌前最小波速提高238 m/s，提高5.56%。

5.3 钻孔全景图像分析

化学灌浆试验灌后全景图像显示：岩体细微裂隙均得到了有效充填。

5.4 钻孔取芯室内试验

开挖阶段现场提取了f27断层及蚀变带天然岩样，进行室内物理力学性能试验。在检查孔岩芯中选取了部分代表性的芯样进行检测，灌后岩体检测的物理力学指标有：常规物理性质、抗渗性能、干湿抗压强度、室内变形模量和磨片鉴定。

(1)常规物理性质。灌前岩块干密度在2.49～2.72 g/cm3之间。含水率均值在0.29%～2.63%之间。灌后岩块的干密度在2.68～2.76 g/cm3之间，含水率在0.05%～0.38%之间。

(2)抗渗性能。灌前试验成果表明：当渗透压达到3 MPa时，蚀变岩未产生渗透变形破坏。灌后试验数据表明：灌后岩体的渗透系数在2.80×10-6mm/s～1.20×10-5mm/s之间，灌后岩体的渗透系数较低，防渗能力较高。

(3)抗压强度及室内变形模量。灌前岩石的单轴抗压强度试验成果： f27断层蚀变岩天然单轴抗压强度在7.86～59.56 MPa之间，均值为24.81 MPa，饱和单轴抗压强度在5.23～34.01 MPa，均值为18.63 MPa，略低于f27强蚀变岩，也属较软岩～软岩类。取自槽底的中等蚀变岩天然模量为17.81 GPa，饱和弹性模量为7.39 GPa；而取自建基面的强蚀变岩天然弹性模量仅为0.89～1.72 GPa，饱和弹性模量仅为0.19～0.6 GPa。灌后岩石的单轴抗压强度试验成果表明：灌后岩石的天然单轴抗压强度为136.60 MPa，饱和单轴抗压强度为103.17 MPa，灌后岩石的抗压强度处于较高的水平。对岩石的室内弹性模量进行计算，结果表明：灌后干燥岩体的变形模量为21.74 GPa，饱和岩体的变形模量为16.40 GPa。灌后较灌前干燥岩体、饱和岩体的变形模量均有较大程度提高。

(4)室内抗剪强度。灌前岩石天然摩擦角均值为51.23°，黏聚力均值为9.72 MPa；饱和内摩擦角均值为41.45°，黏聚力为13.37 MPa。饱和条件下，蚀变岩内摩擦角较天然条件下降低约10°，而黏聚力较接近。由于灌后岩石完整性较好，内摩擦角折减系数取0.87，黏聚力折减系数取0.25。灌后天然岩体的黏聚力为3.82 MPa，内摩擦角为41.75°；灌后饱和岩体的黏聚力为2.905 MPa，内摩擦角为40.79°。

(5)微观结构与化学组成。灌前岩石微观结构显示，f27断层蚀变岩破碎程度较高，微观裂隙相对发育，且通常填充针叶状绿泥石，长石边缘可见伊利石化。坝基f27断层蚀变带的蚀变类型以矿物颗粒的机械破碎以及暗色矿物的绿泥石化为主，伴有少量的斜长石组云母化蚀变，部分样品中可见斜长石进一步蚀变为绿泥石。受风化卸荷等因素影响，建基面处的强蚀变岩微裂隙大多张开，矿物颗粒间或矿物碎片间接触松散。

灌后岩石微观结构呈现出典型的花岗岩特征，结构较为致密。化学灌浆处理后存在少量微裂缝，大部分裂缝中充填有颗粒状物质。浆液对节理裂隙的充填较为充分。化学浆液能够有效地进入岩石内部，浆液颗粒有效地充填了结构面，并且和岩石表面产生了较好的连接，对岩石的完整性、强度及抗渗性能有较大程度的提高。岩石颗粒和浆液颗粒之间形成了良好的连接，有效地提高了岩石的完整性和强度，对岩石的抗压和抗剪强度指标有较大的提高。

6 结 语

利用PSI501低黏度改性环氧树脂灌浆材料，对f27断层及蚀变带进行化学灌浆，岩石颗粒和浆液颗粒之间形成了良好的连接，有效地提高了岩石的完整性和强度，对岩石的抗压和抗剪强度指标有较大的提高，灌浆效果明显。

化学灌浆后，根据孔内电视和钻孔取芯观察及室内试验成果，f27断层及蚀变带岩体张开的裂隙经水泥灌浆后得到了较为有效的填充，细微裂隙及微小孔隙被化学胶凝体充分填充，抗渗性能有较大程度的提高。

f27断层及蚀变带得到了有效的胶结及充填，其整体性及变形模量、岩体完整性系数等都有较大的提高。说明该次灌浆效果明显，灌浆材料配方、灌浆工艺、施工参数合理。