丙烯酸盐灌浆材料在高水头帷幕补强中的应用研究

杨培洲

(雅砻江流域水电开发有限公司,成都 610051)

0 前 言

大坝基础帷幕灌浆是改善坝基地质条件的重要措施。通过帷幕灌浆的实施。可在岩石或砂砾石坝基中形成阻水帷幕，截断基础渗流，减少坝基渗漏量，降低坝基扬压力，防止产生机械或化学管涌，增强坝基渗透稳定性。灌浆材料一般采用普通水泥，有时也用磨细水泥或化学材料。工程实践证明，对水泥浆而言，最小可灌裂缝宽度在0.1～0.5 mm，小于0.1 mm的细微裂隙则无法保证灌浆效果[1]。丙烯酸盐灌浆材料黏度低可灌性好，处理细微裂隙及裂隙密集带具有良好的效果。本文针对两河口水电站大坝右岸高程2 640.00 m灌浆平洞局部帷幕灌浆在最高150 m水头条件下，采取排间复合高压化学灌浆技术，解决检查孔压水不合格，且钻孔渗水压力较大难题，为其它类似工程施工提供参考。

1 工程概况

两河口水电站位于四川省甘孜州雅江县境内的雅砻江干流上，平均海拔近3 000 m，是中国在建最高砾石土心墙坝。两河口水电站枢纽建筑物由砾石土心墙堆石坝、泄洪建筑物、发电厂房等组成，坝顶高程2 875.00 m，河床部位心墙底高程2 582.00 m，最大坝高295 m，枢纽防渗帷幕由河床基础防渗帷幕、左右岸坝肩基础防渗帷幕及右岸地下厂区防渗帷幕组成[2]。右岸布置2条初期导流洞，穿过大坝右岸高程2 640.00 m灌浆平洞帷幕。目前，第二阶段蓄水最高水位2 790.10 m，河床基础廊道水头215.1m，实测基础廊道渗水量1 L/s左右，大坝防渗体系可靠有效。大坝右坝肩边坡岩性为变质粉砂岩、粉砂质板岩及绢云母板岩与粉砂质板岩互层。岩层与河流近垂直相交，产状为N60°～75°W/SW∠60°～75°。规模较大的断层主要有f4、f8、f9、f10、f11、f12等[2]。

大坝右岸高程2 640.00 m灌浆平洞主帷幕14～17单元(纵0+510.50 m～0+638.50 m)灌浆施工过程中，水库水位高程2 682.00～2 791.00 m，钻孔裂隙承压水最大涌水压力1.25 MPa，单段最大涌水量为3 600 mL/min。高外水头条件下，Ⅰ序孔平均单位注入量16.3 kg/m，比蓄水前完成的帷幕Ⅰ序孔平均单位注入量52.32 kg/m减少68.8%，各序孔随着灌浆次序递增，单位注入量没有明显递减，灌浆成果不符合灌浆一般规律；检查孔也出现不同程度涌水现象,最大涌水压力0.92 MPa,单段最大渗水量为790 mL/min，检查孔在没有考虑扬压力的条件下，仍有3段不合格，最大透水率为2.90 Lu，不满足设计要求，说明高外水头对帷幕施工质量有较大影响。

在设计施工参数基本不变情况下，高外水头条件下帷幕平均单位注入量比蓄水前减少55.21%，帷幕灌浆成果差异较大，说明高外水头对帷幕灌浆施工质量有较大影响，需进一步研究处理措施，提高帷幕的防渗性能。具体成果差异见表1。

表1 右岸高程2 640.00 m灌浆平洞主帷幕灌浆成果

2 丙烯酸盐化学灌浆试验

大坝河床基础廊道及ZGJ6、YGJ6灌浆平洞高程为2 575.00 m，水库水位高程2 609.28 m,主帷幕钻孔多次揭示地下涌水，涌水压力0.2 MPa左右，最大涌水量110 L/min，为裂隙承压水。主帷幕灌浆完成后检查结果满足设计1 Lu防渗标准，但检查孔仍有微渗水现象，单孔最大渗水量1～2 L/min。检查孔内电视成像成果显示，微细裂隙充填效果较差，说明普通水泥无法保证微细裂隙灌浆效果。基于河床廊道在正常蓄水位时水头为290 m，帷幕在高水头长期作用下，渗流会对帷幕产生破坏作用，为此，选定在ZGJ6灌浆平洞(坝(纵)0+102.00 m～0+124.00 m洞段)开展丙烯酸盐复合化学灌浆试验。

试验成果表明，在34 m水头条件下，化灌前有39.1%的灌浆段有微渗水现象，单段最小渗水量为2 mL/min，最大渗水量为180 mL/min；单孔最小渗水量为24 mL/min，最大渗水量为309 mL/min。化灌后检查孔有24.6%的孔段有微渗水，单段最小渗水量为1 mL/min，最大渗水量为25 mL/min；单孔最小渗水量为3 mL/min，最大渗水量为71 mL/min，试验平均单位注入量0.68 kg/m，单段最大单位注入量11.9 kg/m，检查孔透水率小于1 Lu，资料显示丙烯酸盐灌浆材料处理砂板岩细微裂隙有明显效果。丙烯酸盐灌浆试验灌前灌后渗水对比成果见表2。

表2 丙烯酸盐灌浆试验灌前灌后渗水对比成果

3 初期导流洞影响范围丙烯酸盐补强帷幕设计

3.1 丙烯酸盐帷幕补强灌浆施工难点及特点

(1)受灌地层为砂岩及板岩互层，细微裂隙发育，颗粒材料可灌性差。

(2)补强灌浆部位水头150 m，钻孔扬压力较大，对灌浆压力具有对冲作用，影响地层可灌性。

(3)地层中存在一定渗流，要求灌浆材料具备快速凝结性能，防止材料被稀释或流失。

(4)丙烯酸盐灌浆材料是由一定浓度的单体、交联剂、引发剂、缓凝剂等组成的水溶液，具有黏度低、流动性好、可灌入细微裂隙、凝胶时间可控、渗透系数低、固砂体抗压强度高等特点[3]，但温度的变化对胶凝时间影响敏感。

基于以上难点特点，要求在帷幕补强灌浆工艺设计上要充分考虑。

3.2 细微裂隙灌浆材料选择

水工建筑物基础灌浆一般采用普通水泥作为灌浆材料，当基岩中细微裂隙发育，也可以采用细水泥灌浆。灌浆效果是否明显，除了与水泥颗粒的细度有关外，还与裂隙宽度、灌浆方法、灌浆压力、地下水的状态以及操作人员的熟练程度等因素相关。两河口大坝高程2 580.00～2 673.00 m三角区帷幕采用干磨细水泥灌浆，孔距加密到1 m，质量仍达不到预期，综合效益较低，采用改性环氧树脂进行复合灌浆处理，细微裂隙及裂隙密集带处理效果明显。

高外水头条件下，地下水存在渗流且有较大扬压力，对灌浆压力有消减作用，本工程的实践证明，水泥灌浆无法达到效果。同时也进行了水泥-丙烯酸盐灌浆材料复合灌浆处理细微裂隙的试验研究，通过水泥灌浆对宽大裂隙的有效充填，再用丙烯酸盐材料对细微裂隙复合灌浆，是一种行之有效的处理方法。

丙烯酸盐灌浆材料在我国长江三峡水利枢纽[1]、丹江口水利枢纽[4]、万安水电站[5]、斜卡水电站[6]、两河口水电站[7]等工程得到广泛应用，尤其在处理细微裂隙效果良好。

3.3 帷幕补强化学灌浆设计

大坝右岸2 640.00 m灌浆平洞初期导流洞影响区域帷幕补强灌浆，在水库蓄水最大水头150 m条件下进行。结合本工程丙烯酸盐灌浆试验成果，帷幕补强灌浆采用单排设计，钻孔布置于两排主帷幕中间部位，孔距3 m，孔径Ø56 mm，孔深80 m，分为两序施工，先施工Ⅰ序孔，后施工Ⅱ序孔。孔深30 m以上按照2～5 m分段，孔深30 m以下按照10 m分段，最大灌浆压力为5.0 MPa，灌浆选用丙烯酸盐灌浆材料。具体各段次灌浆压力参数见表3，丙烯酸盐灌浆钻孔布置见图1、2。

表3 右岸高程2 640.00 m灌浆平洞化学灌浆段长划分及压力参数

图1 右岸2640.00 m灌浆平洞初期导流洞影响区灌浆布置

图2 右岸2640.00 m灌浆平洞灌浆孔平面布置 单位：cm

4 丙烯酸盐灌浆性能检测及现场配比试验

4.1 丙烯酸盐材灌浆料性能检测

大坝右岸高程2 640.00 m帷幕补强灌浆采用江苏某化工厂生产的丙烯酸盐灌浆材料，其浆液性能符合JC/T 2037-2010《丙烯酸盐灌浆材料》相关指标要求。第三方检测成果见表4。依据JC/T 2037-2010《丙烯酸盐灌浆材料》各项检测结果均满足规范要求。

表4 丙烯酸盐化学灌浆材料第三方检测结果

4.2 丙烯酸盐材料现场配比试验

丙烯酸盐化学浆液胶凝时间调控的主要手段为添加缓凝剂。考虑到施工现场温度、水质与生产地存在差异，需要在化学灌浆开始前，在现场进行不同配比浆液的胶凝时间试验，根据灌浆孔渗水情况，选用胶凝时间60 min及30 min配比进行灌浆施工。丙烯酸盐灌浆材料配比试验见图3，丙烯酸盐灌浆材料胶凝状态见图4。丙烯酸盐化学灌浆材料现场温度条件下凝结时间见图5。

图3 丙烯酸盐灌浆材料配比试验

图4 丙烯酸盐灌浆材料胶凝状态

表5 丙烯酸盐化学灌浆材料现场温度条件下凝结时间

5 化学灌浆施工方法

5.1 施工方法

丙烯酸盐化学灌浆施工采用采用XY-2地质钻机钻孔，金刚石钻头钻进，自上而下分段钻孔，分段灌浆的纯压式单液灌浆方法，钻孔分二序施工，先施工Ⅰ序孔，再施工Ⅱ序孔。孔口管段钻孔孔径为Ø76 mm，镶铸Ø73 mm的孔口管，其它段的钻孔孔径为Ø56 mm。

5.2 钻孔渗水量检测

灌浆段钻孔结束，目测渗水情况并对有明显渗水的孔段进行渗水量观测，并根据渗水情况测试扬压力，以便对比分析和评价化灌效果。

5.3 化学灌浆

5.3.1灌浆一般要求及涌水处理措施

(1) 浆液置换时，灌浆泵排量宜大于5 L/min,以缩短置换用时，灌浆无异常情况时应尽快升至设计灌浆压力。

(2) 灌浆过程中每次配浆都进行留样和记录，观察胶凝时间，指导后续配浆和确定起塞时间。

(3) 丙烯酸盐材料对温度较为敏感，孔内岩体温度和施工环境温度有所差异，须待孔内浆液胶凝后再行起塞。

(4) 钻孔遇渗涌水孔段处理措施：① 各渗水孔均需测量渗水压力，并确保灌浆压力大于渗水压力0.5 MPa以上；② 当渗水量Q>10 L/min时，先采用水泥浆液灌注，再采用丙烯酸盐材料复灌；③ 当渗水量Q=5～10 L/min时，采用凝结时间为60 min左右的常规浆液开灌，填充管孔容后，改用凝结时间为30 min左右的速凝浆液，该配比浆液的单耗达到5 kg/m后,再改用凝结时间为15 min左右的速凝浆液进行灌注，总单耗达到15 kg/m左右结束灌浆(限量法)；采用限量法灌浆结束的孔段，须采取扫孔复灌措施;④ 当渗水量Q>2 L/min时，不再进行涌水置换，直接进行丙烯酸盐化学灌浆;⑤ 浅部渗水孔段的灌浆压力按“设计压力+50%～80%渗水压力”执行。

5.3.2压力与注入率关系

(1) 一般情况下注入率宜控制在0.15～0.25 L/(min·m)；当注入率≤0.15 L/(min·m)时适当升高灌浆压力；当注入率≥0.25 L/(min·m)时，适当降低灌浆压力。

(2) 灌浆过程采用最大压力时,应分级升压。

5.3.3灌浆结束标准

灌浆段达到设计压力后，连续3次记录的注入率不大于0.02 L/(min·m)且灌注至孔内最后一组浆液胶凝时方可结束灌浆，纯灌浆时间不少于60 min。

5.3.4封 孔

单孔化灌结束后，钻孔清理干净并采用灌浆法封孔，封孔时间不少于60 min，渗水孔封孔时间延长至90 min。

6 丙烯酸盐材料施工成果分析

大坝右岸高程2 640.00 m灌浆平洞初期导流洞影响区域，共布置化灌孔46个，岩石灌浆3 683.52 m，总灌注浆材10 635.95 kg，平均单位注入量2.89 kg/m。其中Ⅰ序孔23个合计1 841.26 m，灌注浆材5 690.15 kg，平均单位注入量3.09 kg/m；Ⅱ序孔23个合计1 842.26 m，灌注浆材4 945.80 kg，平均单位注入量2.68 kg/m；平均单位注入量Ⅰ序孔大于Ⅱ序孔。

化学灌浆施工过程中共出现大吸浆孔段(单耗>10 kg/m)31段，占总灌浆段数的2.38%，渗水量及扬压力较大孔段位于f4、f12断层部位，相应部位大耗浆量孔段集中，灌浆成果符合地质条件变化规律。具体大吸浆异常孔段统计占比见表6，化学灌浆渗涌水情况统计见表7。

表6 右岸高程2640.00 m灌浆平洞化学灌浆大吸浆异常孔段统计

表7 右岸高程2640.00 m灌浆平洞化学灌浆渗涌水情况统计

7 质量检查方法及成果

质量检查在相应部位化学灌浆完成14 d后进行，以分析检查孔压水成果为主，结合钻孔全景图像、钻孔取芯、灌浆前、后渗水量对比进行综合评定。

7.1 灌后压水检查

灌后完成压水检查孔4个112段，最大透水率0.17 Lu，0透水率占65.2%,压水成果满足设计要求。

7.2 孔内电视成像检查

灌后完成4个孔内全景图像检测，全景图像检测结果显示岩体内细微裂隙整体较发育，大部分裂隙内可见丙烯酸盐化学灌浆材料充填，灌浆效果良好，检查孔细微裂隙充填效果见图5。

图5 检查孔细微裂隙充填效果

7.3 灌浆前后渗水量对比检查

为了直观了解丙烯酸盐化学灌浆前后微渗水情况，在丙烯酸盐化学灌浆各段次灌浆前后，以及检查孔各段次施工后均进行了渗水观测。观测成果显示，灌后渗水孔段减少92.18%，单段最大渗水量从3 600 mL/min大幅降到28.5 mL/min，检查孔压水112段，单段最大渗水量22.5 mL/min，比灌前大幅度减小，灌浆效果良好。渗水观察成果见表8。

表8 化学灌浆前/后原位渗水观测结果

总而言之，在高外水头条件下，水泥灌浆难以达到要求，经丙烯酸盐复合灌浆后，灌浆孔段灌后原位渗水孔段大幅度减少，最大渗水量也同步大幅度减少，说明水泥-化学复合灌浆效果显著，检查孔压水成果满足设计要求。

8 结 语

两河口水电站大坝右岸初期导流洞影响区域帷幕灌浆，在第一阶段初期导流洞下闸封堵后实施，具有水头高、涌水压力大、砂板岩细微裂隙可灌性差、断层及其影响带宽度大以及水泥灌浆帷幕形成难度大等不利因素，采用排间丙烯酸盐补强灌浆，可获得良好的处理效果。丙烯酸盐水溶液黏度低，可灌性好，胶凝时间可根据需要调节，对于地下存在渗流，扬压力较高，细微裂隙发育的地质环境，操作简单可靠。