672-高摩赞大坝枢纽工程坝基坝肩生产性固结灌浆试验施工

高摩赞大坝枢纽工程坝基坝肩生产性固结灌浆试验施工张开军（中国水利水电第七工程局成都水电建设工程有限公司，四川成都，611130）【摘要】高摩赞大坝枢纽工程地质条件复杂，大坝固结灌浆对于大坝安全有重要影响。本文对该项目固结灌浆试验进行了全面、完整的分析、阐述。【关键词】灌浆试验单位耗灰量压水试验体声波地震波1.工程概况高摩赞大坝枢纽工程是以农业灌溉为主兼顾防洪和发电的综合利用工程。挡水建筑物为碾压式混凝土曲线形重力坝。大坝高约133m，总库容14亿m3，总装机容量为17MW。坝址区基岩主要为灰岩夹泥质灰岩、砂质页岩，以薄层状为主，局部夹极薄层状、中厚层状灰岩。受构造、卸荷及风化作用的影响，岩体破碎，完整性差。2.试验目的通过勘察，发现坝址区的岩体质量在天然条件下不能满足作为混凝土坝的要求，需要采取固结灌浆措施，故结合生产进行本次固结灌浆试验。针对坝址区工程地质条件和主要工程地质问题，本次生产性固结灌浆试验的主要目的有：（1）论证坝基岩体采用水泥固结灌浆处理方法的可行性和可靠性。（2）为灌浆施工提供合理的施工程序、施工工艺；选择适宜的灌浆材料和浆液配合比。（3）对灌浆施工所需的主要技术参数，如：灌浆孔的间排距、孔深、灌浆压力等，提出合理的建议，为灌浆设计和施工技术要求提供依据。（4）通过对灌浆后岩体的地球物理测试、孔内压水试验、灌浆后岩体的平板载荷试验等，了解经灌浆处理后岩体质量的改善程度、均一性及变形特性，为优化设计提供依据。（5）通过灌浆，提高岩体的均一性和完整性，提高岩体模量。3.灌浆试验场地选择本次生产性固结灌浆试验区的选择主要考虑以下因素：试验区地质条件应具有一定的代表性，其岩体特征与坝基岩体特征相似或接近，在此基础上，根据现场的实际情况，综合考虑了供水、供电、交通、场地施工条件等因素。因左、右岸岩体结构类型、特性基本一致，所以，此次灌浆试验选定了A、B两个试验区。A试验区被灌岩体为侏罗系地层，岩性为薄层灰岩夹少量中厚层灰岩和极薄层灰岩，深灰色，微～隐晶结构，岩石结构较致密，岩层间错动痕迹明显，层与层之间挤压相对较紧密。试验区受灌岩体位于坝址岩体质量分区的中下部，岩体处在强卸荷带与弱卸荷带的接壤部位，岩体呈弱风化状，岩块自身强度较高。因构造及卸荷作用，岩体质量较差，灌前地震波测试成果显示，A试验区对穿孔孔间岩体纵波速度平均值为2520m/s，动弹性模量平均值为12.36GPa。B试验区被灌岩体为侏罗系地层，岩性以薄层灰岩为主，夹少量中厚层灰岩、极薄层泥灰岩及砂质页岩。灰岩为灰～深灰色，隐晶结构。薄层泥质灰岩，黑灰色，粉砂质结构，层间揉皱现象较明显，该岩层所占份额很小；页岩为紫灰色，粉砂质结构，页岩多被挤压呈碎片或鳞片状，层间错动痕迹明显。受卸荷影响，局部层面呈松弛状。试验区位于坝址岩体质量分区的中上部，处在强卸荷带的下限部位，岩体呈弱风化状，岩块自身强度较高。因构造及卸荷作用，岩体质量差，根据地震波测试资料，试验区对穿孔孔间岩体的纵波速度平均值为1810m/s，动弹性模量均值为5.97GPa。1灌浆试验施工1.1施工程序为保证灌浆试验顺利进行，现场灌浆试验施工程序为：施钻物探测试孔（进行钻孔编录、压水试验、物探对穿测试及声波测试）→施钻抬动观测孔(安装抬动观测孔装置)→分序灌浆（造孔、钻孔声波测试、裂隙冲洗、压水试验、灌浆及抬动观测、封孔）→待凝14天→清扫物探测试孔（做物探对穿测试）→施钻灌后检查孔（进行钻孔编录、压水试验、声波测试）→开挖检查竖井（地质编录、目检、试验部位物探测试、岩体变形试验）→整理分析灌浆成果和试验资料、灌浆效果评价。1.2钻孔布置根据试验目的，综合考虑被灌岩体的地质条件、岩体结构特征、场地条件、施工工期等因素，两试验区灌浆孔均采用正方形网格式布置，按Ⅲ序次施工。根据试验、观测、测试、检查等项目的需要，每个试区均采用一组19个孔和一个检查竖井进行布置，各种技术参数见表1。表1试验区钻孔各种技术参数一览表位置序次钻孔代号孔数(个)终孔孔径（mm）单孔孔深（m）钻孔间距（m）备注A试验区测试孔AP1、AP2、AT313035/ⅠA1、A2、A3、A4475305ⅡA5、A6、A7、A8、A9575302.5ⅢA10、A11、A12、A13475301.77检查孔AJ1、AJ2、AJ3313030/B试验区测试孔BP1、BP2、BT313035/ⅠB1、B2、B3、B4475304ⅡB5、B6、B7、B8、B9575302ⅢB10、B11、B12、B13475301.41检查孔BJ1、BJ2、BJ3313030/1.3造孔钻孔采用双管单动钻具金刚石钻头清水钻进，钻孔均为铅直孔向。钻孔岩芯取出后进行地质编录和照相，每序各选一个具有代表性的钻孔，待地质编录后，岩芯装箱封存。1.4冲洗钻孔与压水试验（1）钻孔冲洗：每个灌浆段造孔完成后，采用大流量敞口式洗孔，直至回水变清且孔底沉积物厚度小于20cm时，结束钻孔冲洗。（2）压水试验：在灌浆孔的每个试段灌浆前和检查孔中均做压水试验，压水试验采用“五点法”。1.5灌浆灌浆采用“孔口封闭灌浆法”，按照先Ⅰ序后Ⅱ序再Ⅲ序的顺序进行。各段灌浆施工程序为：造孔→声波测试→洗孔→压水试验→灌浆→进入下一段灌浆循环。1.5.1制浆（1）依据被灌岩体的地质特征及设计要求，灌浆试验使用纯水泥浆液。浆液配合比选用2:1、1:1、0.8:1、0.6:1（或0.5:1）四个比级。（2）根据试验场地分布和条件，采用集中制浆方式。（3）制浆材料：选用D.G.H-SRC抗硫酸硅酸盐水泥；拌合水选用经沉淀处理后的高摩赞河水。1.5.2灌浆段划分及灌浆压力灌浆段划分自孔口以下起算，第一段段长为2m，第二段段长为3m，第三段及其以下各段段长均为5m。灌浆压力第一段为0.2MPa，第二段为0.5MPa，第三段为1MPa，第四段及以下为3MPa.灌浆时，尤其是升压过程中，随时进行地面抬动观测，以地面抬动不超过0.2mm为限，否则，及时调低灌浆压力或注入率。1.5.3灌浆浆液变换本次生产性固结灌浆试验浆液的水灰比采用2:1、1:1、0.8:1、0.6:1（或0.5:1）四个比级。为了增强细小裂隙灌浆效果，灌浆水灰比一般采用逐级变浓的方法进行灌注。当某一比级浆液的注入量已达到300L，而灌浆压力和注入量均无改变或改变不显著时，变浓一级。当注入量大于30L／min时，采用越级变浓。1.5.4灌浆结束标准在该灌浆段最大设计压力下，当注入率不大于1L/min后，继续灌注30min，即可结束灌浆。1.5.5特殊情况处理在灌浆过程中，Ⅰ序孔和部分Ⅱ、Ⅲ序孔段吃浆量较大，以大泵量灌注不起压。为防止浆液流失过远，分别采用浓浆灌注、限流和间歇灌浆等措施。1.5.6封孔采用全孔灌浆封孔法，在该灌浆段的最大压力下，灌注0.5:1的浓浆，置换出孔内稀浆后，继续灌注30min，即可结束该项工作。2灌浆效果检查、测试与分析2.1单位耗灰量分析根据统计资料分析，两试验区水泥注入量相差很大，其成果分别见表、表。从表中统计数据分析可知，两试验区岩体可灌性均较好，但均一性很差，说明试验区岩体质量和结构特征具明显的差异性。对比而言，B试验区岩体较A试验区岩体吃浆量大，平均值约为2.5倍，这与被灌岩体的结构特征相吻合。2.1.1单位耗灰量分析与灌浆序次的关系单位耗灰量与灌浆序次的关系较为密切，其成果见表、错误!未找到引用源。。从表中数据可以看出：两试验区各序灌浆孔的单位耗灰量随灌浆序次的增加而迅速递减。其中：A试验区Ⅱ序孔比Ⅰ序孔递减了64％，Ⅲ序孔比Ⅱ序孔递减了30％、比Ⅰ序孔递减了75％。B试验区Ⅱ序孔比Ⅰ序孔递减了50％，Ⅲ序孔比Ⅱ序孔递减了48％、比Ⅰ序孔递减了74％。上述统计分析表明，在Ⅰ序孔灌浆完成后，大部分裂隙就得到了灌注充填，且有一定的延伸和扩散范围，Ⅱ序孔灌浆完成后又加强了灌注效果。这从各序灌浆孔的单位注灰量递减情况得到了证实。表2A试验区各序次灌浆孔灌浆成果统计表序次孔数钻孔总深度(m)基岩段总长度(m)总耗灰量(kg)平均单位耗灰量(kg/m)I4120.00118.6048287382II5150.00148.4522514138III4120.00118.751303896合计13390.00385.8083838200表3B试验区各序次灌浆孔灌浆成果统计表序次孔数钻孔总深度(m)基岩段总长度(m)总耗灰量(kg)平均单位耗灰量(kg/m)I4120.00118.93106397850II5150.00148.567453429III4120.00118.9728863224总计13390.00386.402027124962.1.2耗灰量与结构面的关系根据钻孔编录资料，一般单位注灰量大的试段岩体中构造形迹都比较发育，如：断层、挤压破碎带和陡倾角裂隙等，以上结构面是受灌岩体中的主要耗灰结构面。两试区相比，B试验区岩体中结构面的发育程度比A试验区的高。其主要原因是，B试验区岩体中发育有小断层，受其影响岩体中次一级构造结构面较发育，且B试验区分布位置较高，岩体的卸荷程度较A试验区高。这与勘察期坝址区岩体质量分区是一致的。此外，由于钻孔岩芯获得率、RQD值偏低，较难分析对应某个结构面的注灰量大小及其随灌浆序次增加的变化情况，只能从整体上进行分析评价。分布于B试验区浅部的小断层（灌浆区域埋藏深度在10m范围内）尽管灌浆压力较小，但小断层所处位置平均单位注灰量均较大，并且越靠近上部越大，从上往下介于1520～537kg/m，说明断层带的可灌性较好，采用灌浆的方法来处理是可行的。综上所述，试验区注灰量与结构面的关系有如下特征：（1）试验区岩体中的断层、挤压破碎带和陡倾角裂隙是主要耗灰结构面，B试验区的结构面比A试验区发育，B试验区的注灰量比A试验区大。（2）同一孔中，凡是陡倾角裂隙发育的上下两段，上一段岩体的单位注灰量多大于下一段岩体的单位注灰量，这说明陡倾角裂隙连通性较好，上段灌浆时其下部的结构面就已得到了一定的灌注与充填。（3）不同序次同类结构面所在孔段，前序次孔段的岩体单位注灰量大于后序次孔段的岩体单位注灰量，这说明岩体中主要结构面在前序次灌浆后就已得到了较为充分的灌注。2.2灌后岩体透水率检查灌浆完成后，在每个试验区分别布置了3个检查孔，检查孔的压水试验成果见4。表4灌后压水试验成果汇总表部位孔数段数区间段数（Lu）＜33～66～10＞10A区32018110B区31804410从错误!未找到引用源。中可以看出，A试验区灌后检查孔岩体透水率值小于3Lu的段次占90％，介于3～6Lu的段次占10％，满足灌浆试验技术要求的规定；B试验区灌后检查孔岩体透水率值较大，没有达到灌浆试验技术要求的试验目标。2.3岩体声波、地震波测试及灌浆质量分析2.3.1岩体声波、地震波测试为检查灌浆效果及岩体质量的改善情况，本次灌浆试验利用地球物理测试手段进行检测，采用CE-9201型声波测试仪和DZQ24型地震仪，在水耦合下进行单孔的声波测试和两孔之间岩体的地震波CT测试。单孔声波测试采用自下而上逐点检测，点间距为20cm，测试探头采用一发双收装置，发射与接收换能器均在同一孔中。地震波CT测试采用12道串状检波器，测试时，在一孔不同位置设置检波器，其间距为1.0m；在另一孔不同位置设置激发点，其间距为2.0m。完成一侧孔激发后，两孔互换。单孔声波成果基本反映测试孔附近的岩体质量，并能较好地反映出测试孔周边岩体内结构面的分布状况。灌浆试验施工中，分别于两试验区灌前测试孔和Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ序灌浆孔中进行了单孔声波测试（部分孔段因岩体渗漏量大，声波无法测试）；分别于两试验区物探对穿孔中在灌前和Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ序灌浆后进行了地震波CT测试。两试验区岩体的单孔声波速度及孔间岩体的地震波速度均随灌浆序次的增高而逐渐提高。A试验区测试孔、Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ序孔和检查孔岩体声波速度平均值分别为3470m/s、3650m/s、4320m/s、4490m/s和4660m/s；Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ序孔和检查孔与测试孔相比分别提高了5.2％、24.5％、29.4%和34.29%，Ⅱ