某水利工程F12断层破碎带化学灌浆技术研究

2023-05-25曾礼成

河南水利与南水北调 2023年4期

曾礼成

（广东水电二局股份有限公司，广东广州 511300）

1 水利工程概况

某水利枢纽工程是广东省大埔县梅州市高陂镇下游5 km处的一座大型水利枢纽。在河床中部设一泄洪闸门，左边设船闸，右边设电厂厂房，两侧设混凝土重力坝，鱼道设在电厂厂房左边，鱼道左边设1个开口排漂孔。F12断层位于泄水闸10#、9#坝段。泄水闸F12 断层破碎带位于坝横0+287.54～坝横0+322.54，断裂最大底宽为25.00 m。断层主要为角砾岩和糜棱岩，断层侵蚀程度较高，上、中、下断层间夹杂着强风化的花岗岩，岩体破碎，强度较低。为改善F12 断裂断裂区的抗渗性和抗渗性，采取回填混凝土塞法，在破碎区及两侧先水泥加固，然后化学注浆，以改善其承载力和防渗性能。化灌孔按实际情况排列84个，43个一序孔和41个二序孔。

2 准备破碎带化学灌浆设备与材料

破碎带化学灌浆技术执行过程中需要用到的执行设备包括衆液配制与盛放装置、灌浆泵、钻机、搅拌机、止浆塞、配套仪表和灌浆数据采集装置，其浆液配制与盛放装置由电子秤、搅拌器、料筒等构成。韩江高陂水利工程F12断裂断裂段注浆所采用的注浆泵是HS-B02 型注浆泵，其灌浆压力0～2 MPa 可以连续调节。将灌浆泵与吸浆管、双液混合器等设备相连。钻孔设备包括钻机和钻头，选用76 改进的旋转振动钻机。在灌浆工程中，搅拌设备主要承担浆料的生产，为了避免浆液的沉淀，经常采取二次拌和的方法。此外，灌浆数据采集装置由比重计、耐震压力表、摄像机、秒表和电子秤等部分组成。

3 确定化学灌浆扩散机理

在流体力学理论的支持下，注入的化学浆液在断层破碎带中的剪切力分布情况可以表示为：

公式（1）中变量R为化学浆液的流动半径，S为浆液在断层破碎带的面积，y为浆液在扩散方向上的坐标。在任意时刻，化学灌浆浆液的扩散距离与时间的惯性系可以表示为：

公式（2）中x和ρ分别为浆液的移动距离和密度，Q为浆液的注入量，变量v为浆液在断层破碎带中的移动速度，该变量的计算公式如下：

公式（3）中μ（t）为浆液的黏滞力。在扩散过程中，灌浆浆液满足公式4表示的平衡条件。

公式（4）中ΔFx和ΔFy分别为断层破碎带中任意一点在水平和竖直两个方向上的应力增量。在灌浆加固过程中，水玻璃在酸性固化剂的作用下产生凝胶，其反应机理如下：

在实际的灌浆机理确定、分析过程中，需要综合考虑F12断层破碎带的实际地质条件和水文条件。

4 计算F12断层破碎带化学灌浆施工参数

F12断层破碎带化学灌浆的施工参数主要包括注浆量、注浆压力等，其中注浆量的计算公式如下：

其中κfill为灌浆浆液填充系数，Hgrouting为生成的灌浆孔深度，δ为断层破碎带的空隙率。此外，灌浆压力的计算结果为：

上式中κfocus为灌浆孔应力集中系数，Fmin和Fmid对应的是灌浆点出的中间和最小主应力，β为土体抗拉强度，C为浆液容重，Hpipe表示灌浆管高度。按照上述方式可以得出F12 断层破碎带化学灌浆所有施工参数的计算结果。

5 实现F12断层破碎带化学灌浆

按照图1表示流程执行化学灌浆操作。

图1 断层破碎带化学灌浆工艺流程图

水利工程F12 断层破碎带化学灌浆技术的执行大体可以分为6个步骤，分别为钻孔、冲洗、配浆、压水、灌浆和封孔。根据水利建设项目的实际情况，首先要根据水利建设项目的具体情况，选用适宜于韩江高陂水利工程土壤条件的开孔设备，并严格按有关的水利建设规范进行孔位计算，并确定孔向。化学灌浆的钻孔在水泥灌浆结束7 d后进行，按分序分段控制孔深，孔深不超过13 m 但进入弱风化岩的总孔深度为13 m，压入弱风化岩0.50 m。根据设计图纸或监理工程师所要求的位置进行钻孔，钻孔与设计位置的误差不得超过10 cm。注浆之前，必须对注浆孔壁进行清洗和裂缝冲刷。采用高压水洗的方式冲洗至清水清澈为止。化学灌浆之前，首先需要对生成的灌浆孔进行压水检测，采用单点法，在灌浆过程中，必须保证钻孔的数量不低于5%。压水检测通过后，利用准备的灌浆设备，依照计算的灌浆参数，按分序分段加密的原则进行灌浆，采用孔内循环式灌浆方式，精准控制每一段的浆料用量，将泥浆分层压入到了井眼的空隙里面，没有注满的泥浆可以通过回浆管回流到搅拌桶里面。采用注浆终压作为注浆终点，并根据采浆量和暴露的围岩状况进行实时调整。每次注浆后，应及时封堵，并采取全孔注浆替代，即在全孔注浆完毕后，用0.50∶1的高密度浆代替孔中的浆液进行纯压注浆，注浆压力为最大注浆压力，注浆持续60 min。

6 灌浆效果实测分析

按照上述流程，执行化学灌浆操作，并在施工过程中对各个灌浆孔的实时压力进行监测与控制。为满足F12 断层破碎带的堵水加固效果，要求化学灌浆技术执行结束后，破碎带中所有灌浆孔的透水率不得高于2 Lu，单孔涌水量不得高于0.50 L/min·m，同时化学灌浆成果的变形量不得高于0.30 mm。化学灌浆结束30天后，进行堵水效果测试，共布设7个检查孔，采用人为操作的方式在F12 断层破碎带区域喷洒1 000 ml 清水，在24 h内记录相关数据，并利用公式计算得出透水率和涌水量指标的测试结果。见表1。