水泥－化学复合灌浆工艺在向家坝水电站坝基处理中的应用

陈 亮1，2，3，汪在芹1，2，3，魏 涛1，2，3，李 珍1，2，3，肖承京1，2，3

(1.长江科学院，湖北武汉，430010; 2.国家大坝安全工程技术研究中心，湖北武汉，430010;3.水利部水工程安全与病害防治工程技术研究中心，湖北武汉，430010)

基金项目: 国家自然科学基金资助项目(51378078)。

作者简介: 陈亮(1981—)，男，湖北保康人，博士，高级工程师，主要从事水利新材料研发与应用。

【摘 要】 根据灌浆材料和工艺的不同，水泥－化学复合灌浆可以分为三类: 浆材复合灌浆、异孔复合灌浆和同孔复合灌浆。向家坝水电站坝基自右岸往左岸分布有埋深较深的挠曲核部破碎带和挤压破碎带，它们的存在对坝基渗透稳定性极为不利，用水泥浆液处理无法达到设计要求。长江科学院采用同孔复合灌浆工艺在不同的阶段分别开展了水泥－化学复合灌浆试验、挤压破碎带复合灌浆施工以及蓄水后高水头下挠曲核部破碎带复合灌浆试验，浆材以及灌浆工艺针对不同的地质特点和外界条件进行了调整，经灌后检验均达到设计指标，取得了成功。

【关键词】 化学灌浆; 复合灌浆; 环氧树脂; 不良地质体; 向家坝水电站

1 概述

水泥－化学复合灌浆以组成帷幕为特点，曾在龙羊峡重力拱坝、三峡工程等工程中得到成功应用［1］。根据灌浆材料和灌浆工艺，大致可以分为三类，一类是将水泥浆液和化学浆材按一定比例混合，组成复合浆材，主要是利用化学浆材的优点对水泥浆液进行改性，如利用化学浆材的柔韧性改善水泥浆液的脆性，改善水泥浆液的固化性能特点等; 二类是先灌水泥浆液，然后在水泥浆形成的帷幕区内，重新钻孔灌注化学浆材，即异孔复合灌浆; 三类是先灌水泥浆液，然后对该孔扩孔，在同一个孔再灌化学浆材，即同孔复合灌浆。选用哪种复合灌浆方式需针对具体工程，根据设计目的、工程地质条件、前期灌浆成果等因素综合考虑。

金沙江向家坝水电站坝址岩性岩相多变、构造上处在背斜倾伏段、发育有膝状挠曲等，地质条件非常复杂，在对坝基挠曲核部破碎带和挤压破碎带中粉砂岩层及泥质粉砂岩等地质缺陷进行水泥灌浆处理后，无法达到设计对渗透稳定性的要求。为此，受中国长江三峡集团公司委托长江水利委员会长江科学院开展了向家坝工程坝基不良地质体复合灌浆试验，试验成功通过验收评审，将水泥－化学复合灌浆作为向家坝水电站坝基不良地质体处理的基本方案，在左岸对挤压破碎带以及河床坝段孔口接触段开展了复合灌浆施工; 蓄水后又开展了高水头条件下的挠曲核部破碎带复合灌浆试验并取得成功。

2 不良地质体复合灌浆试验

向家坝水电站坝基不良地质体复合灌浆试验包括右岸257m平台挠曲核部破碎带复合灌浆试验和左非9坝段复合灌浆试验，均采用湿磨细水泥－化学“同孔复合”的灌浆工艺，是在前期水泥帷幕灌浆的基础上在水泥灌浆区内重新布孔，先灌注湿磨细水泥待达到结束标准后，间歇12h左右再扩孔灌注环氧树脂化学浆液。图1是帷幕灌浆试验前挠曲核部破碎带地质勘查阶段取芯的芯样照片，芯样中破碎带部位主要呈碎块状和碎屑状，并含有泥层。复合灌浆处理后的岩芯照片如图2所示，芯样破碎带胶结良好。进一步的检测结果表明，采用CW510系环氧树脂灌浆材料试验区水力破坏比降达263.29，比灌前提高了11.54倍; 声波测试结果显示，挠曲核部破碎带部位复合灌浆后平均波速2862m/s，比灌前提高16.8%，且低波速段的改善明显。CW510系环氧树脂灌浆材料对Ⅲ2～Ⅳ类岩体的充填和浸润效果较好，对保持原岩结构的Ⅴ类岩体的浸润、充填效果较好，对夹泥层和碎屑状岩体有一定的处理效果。左非9坝段复合灌浆结果表明，CW环氧树脂灌浆材料能对挤压破碎带中细粒砂岩有较好的处理效果，能对泥质粉砂岩、粉砂质泥岩进行浸润，岩芯呈柱状，可见环氧树脂胶结的泥层能对岩层中破碎的岩石固结。灌后检查五点压水和72h疲劳压水试验，结果表明，1m孔距试区的长期抗渗稳定性较好，能完全满足设计要求。

图1 帷幕灌浆试验前挠曲核部破碎带地质勘查阶段取芯的芯样照片

图2 环氧化灌检查孔J1(左图)和J2(右图)孔深65m～70m的芯样

试验结果表明CW510系环氧树脂灌浆材料对挠曲核部破碎带具有很好的浸润性，对于受灌岩体裂隙发育，渗漏通道较多，而破碎带渗透性较差且不均匀的情况下，先用湿磨细水泥封堵大的岩体裂隙和渗漏通道，然后采用化学浆材对渗透性较差的砂层进行长期浸润渗透，该方案是合理的，是处理向家坝水电站挠曲核部破碎带和挤压破碎带的有效工艺。

3 挤压破碎带复合灌浆

按设计文件要求需采取水泥－化学复合灌浆的部位主要包括以下几个部分:

(1)左非9～左非12坝段坝基上游帷幕穿过挤压破碎带范围。

(2)泄8坝段中线～泄13坝段坝基上游帷幕穿过挠曲破碎带上分支范围，以及泄6坝基防渗墙底部。

(3)泄7～泄8坝段中线坝基上游帷幕穿过挠曲破碎带下分支范围深度较大，可考虑适当优化。

(4)河床坝段(左非8～右非5，坝高100m以上)上游帷幕接触段(孔口5m范围)。

由于设计变更的原因，泄水坝段先进行帷幕普通水泥灌浆加深，挠曲核部破碎带延至蓄水后处理。因此，蓄水前的水泥－化学复合灌浆施工部位主要包括孔口接触段和挤压破碎带。

左岸挤压破碎带有一部分在建基面开挖时已经置换，左岸的挤压破碎带主要分布在左非8～左非12坝段，复合灌浆时在原普通水泥灌浆帷幕完成后的基础上开展，左非8～左非9坝段在原三排帷幕水泥灌浆中间排布单排化学灌浆孔，孔距1m; 左非10～左非12坝段在原两排帷幕中间布单排化学灌浆孔，孔距1m，共有孔66个，化学灌浆工程量535.4m，灌前透水率大于1Lu则先灌湿磨细水泥浆达到结束标准后，扩孔开始灌注CW510系环氧化学浆液;小于1Lu则直接灌注CW510系环氧化学浆液。

灌后检测主要是以钻孔取芯和压水透水率为主，辅以孔内摄像和芯样破坏比降测试。灌后经取芯检查，芯样较为完整，透水率均小于0.5Lu。

4 高水头条件下挠曲破碎带复合灌浆试验

向家坝水电站于2012年10月下闸蓄水，蓄水后对泄8～泄13坝段帷幕灌浆灌后检查发现，在核部破碎带上、下分支及其影响带附近不合格孔段分布较为集中，且检查孔涌水量和涌水压力均较大。根据有关要求，长江科学院在泄9坝段开展了高水头条件下水泥－化学复合灌浆试验。泄9坝段化学灌浆试验是在帷幕水泥灌浆完成的基础上，蓄水位从高程353m逐渐抬高至370m、379.7m，化学灌浆工作区水头高达200m以上，灌浆孔存在较大涌水的风险下，在高水头条件下对挠曲核部破碎带开展进一步补强加固处理，试验目的为:

(1)论证高水头、大涌水条件下开展化学灌浆对挠曲核部破碎带补强加固处理的可行性和有效性，为设计参数如排距、孔距等提供依据。

(2)形成高水头条件下化学灌浆施工工艺，为编制高水头条件下向家坝水电站挠曲核部破碎带基础帷幕灌浆施工技术要求提供依据。

(3)选定并优选出适合向家坝水电站挠曲核部破碎带帷幕灌浆的化学灌浆材料，验证化学灌浆质量检查方法及评判标准的合理性。

泄9坝段化学灌浆试验区分为两个试区，即试验一区包括一排3个丙烯酸盐灌浆孔和一排3个环氧树脂灌浆孔; 试验二区为双排共5个环氧树脂灌浆孔，排距0.75m、孔距1m，布于原帷幕中游和下游排之间。环氧树脂灌浆材料是针对该破碎带特点开发的适合水中固化的CW513高渗透性环氧树脂化学灌浆材料。

灌浆结束后，由业主委托中水顾问集团中南勘测设计研究院有限公司中南物探测试中心负责灌后效果检测。图3为检查孔芯样。检测结果表明，一区检查孔J1和检查孔J2分别有1段和3段透水率大于0.5Lu; 二区双排环氧树脂灌浆区检查孔J4最大透水率0.32Lu、J3检查孔最大透水率0.26Lu，J3、J4无涌水。芯样结果显示，CW510系环氧树脂灌浆材料对高水头条件下挠曲核部破碎带碎屑状和碎块状结构砂岩处理效果较好，对低渗透性泥岩等有一定的渗透和固结效果，可取出柱状岩芯，检查孔岩芯获得率较高; 单排丙烯酸盐灌浆区检查孔中未见丙烯酸盐胶结的岩芯。芯样微观测试分析结果表明，二区检查孔J4芯样中环氧树脂约占20%，一区检查孔J2孔中环氧树脂约占10%。试验结果表明，CW513高渗透性环氧树脂化学灌浆材料适合在高水头和涌水条件下对向家坝水电站挠曲核部破碎带进行处理，所采用的同孔复合灌浆工艺以及灌浆参数是合理的，试验对挠曲核部破碎带处理效果是有效的，高水头条件下可以采用这种工艺及材料进行处理。

图3 蓄水后挠曲核部破碎带检查孔芯样照片

5 结语

复合灌浆三种具体方式的选用需根据设计目的、工程地质条件、前期灌浆成果等因素综合考虑。经过向家坝水电站前后三年多的实践证明，该电站坝基帷幕采用同孔复合灌浆工艺是正确的，也是有效的，其原因主要是因为坝址岩性岩相多变，地质条件复杂，挠曲核部破碎带中碎屑状风化砂层夹有泥层，而破碎带的影响带裂隙发育，受灌体渗透系数多变，对浆液的渗透和吸收能力差异较大。前期采用水泥灌浆形成帷幕区，在区内布置复合灌浆孔，有利于限制化学浆液扩散，同时在一个孔先灌注水泥浆封堵该孔周围大的裂隙，将进一步限制化学浆液的流动，可使浆液在较高的压力下实现对破碎带缓慢浸润渗透。而对于左岸岸坡坝段而言，该部位基岩条件较差，岩石无法承受较大灌浆压力，而且挤压破碎带及其影响带中以碎块状和碎屑状为主，破碎带较为松散，在水泥帷幕区内先灌注水泥浆封堵大的裂隙，再灌注化学浆液则有其必要性和合理性。至于高水头下复合灌浆，适合水中固化甚至可在涌水下固化的化学灌浆材料以及精细的施工工艺则显得至关重要。

参考文献

［1］熊厚金. 国际岩土锚固与灌浆新进展［M］. 北京: 中国建筑工程出版社，1996.