唐 斌,李仁鸿

(1.二滩国际工程咨询有限责任公司,四川 成都 610072;2.中国水电顾问集团成都勘测设计研究院,四川 成都 610072)

1 前 言

构皮滩水电站是乌江干流中游河段的梯级电站,是贵州省和乌江干流最大的水电站,是“西电东送”南部通道中承东启西、承南启北的骨干支撑电源点。经勘察查明,右岸泄洪雾化区高程 575～620m范围内的山坡体,地质条件极为复杂,断层密布,且有滑移迹象,故定名为松动体,需做稳定处理,以防电站蓄水后造成大面积滑坡,危害大坝的安全运行。

2 松动体的整治处理设计

在对松动体实施处理方案时,从施工难易程度、处理效果、经济等方面进行综合分析、计算比较后,优先选取了预应力锚索加地基梁、固结灌浆、挡墙等综合治理方案。

2.1 预应力锚索及地基梁的设计布置

松动体沿滑移面的稳定安全系数小于 1,下滑力为 2.38×104kN。由于松动体岩石破碎、完整性差,宜采用小吨位级的预应力锚索,经计算比较采用38根 1200kN级预应力锚索加固处理较为合宜。预应力锚索集中布置在松动体中部的 575～620m高程之间,呈梅花形分布,间、排距均为 8m。锚根进入 FⅡ -35断层下盘 7m,各锚索孔深及倾角不尽相同,最大深度约 50m,最小倾角 29°。松动体表面为第四纪残坡积覆盖层,无岩体裸露,在地表布置断面尺寸为 100cm×60cm的网格形钢筋混凝土地基梁。在钢筋混凝土地基梁的节点上布置预应力锚索。网格形钢筋混凝土地基梁主要是用于增大受力面积,防止锚头因应力过大而下陷,且可兜住松散岩体,使松动体在特殊工作壮态下保持稳定,确保工程安全。

2.2 固结灌浆孔的布置

为提高松散岩体的抗剪强度指标、增强其均质性及整体性,在大坝上游距坝轴线 15～102.5m、高程 525～620m的范围内布置了 19排 339个固结灌浆孔作为对松散岩体的补强措施,孔、排距为 4m×4m,呈交错布置;各孔孔深不尽相同,最大孔深深入岩石 25m。各固结孔均为铅直孔。

2.3 各工程项目施工顺序

首先集中力量实施布置有锚索部位的固结灌浆,之后一部分力量施工锚索,另一部分力量施工锚索孔范围以外的固结灌浆孔。由于先行做了固结灌浆,极大地提高了锚索孔的成孔率,减小了锚索孔的造孔难度,使锚索施工得以顺利进行,确保了电站按期下闸蓄水。

3 固结灌浆施工

3.1 固结灌浆施工次序

固结灌浆按分序加密的原则,分两个次序施工,通过围挤压达到提高固结效果的目的。

3.2 造 孔

使用 SGZ-150型回转式地质钻机配金刚石钻头钻孔,开孔孔径 φ73mm,钻至深入岩石 0.4m,以下孔径改为 φ56mm直至终孔。开孔结束之后,镶嵌 φ73mm孔口管穿过覆盖层并深入岩石 0.4m。

3.3 灌浆工艺

由于松动体上部为第四纪残坡积覆盖层及强风化岩层,造孔时因塌孔较为严重而难以成孔,无法实现孔内分段卡塞灌浆,故采取“镶孔口管,小口径钻进,自上而下分段钻灌,不待凝,不做裂隙冲洗,孔口封闭,孔内循环式”的灌浆工艺。该种灌浆工艺对处理复杂地层比较有效。镶孔口管既可起到对上部覆盖层段的保护、防止塌孔作用,又可实现孔内分段做循环式有压灌浆,下部灌浆时,上部已灌段可得到重复灌浆,有利于提高松动体的固结灌浆质量。

4 预应力锚索施工

4.1 造 孔

采用风动冲击钻造孔,孔径为 φ110mm,直至终孔。造孔过程中经常发生塌孔埋钻、掉块卡钻等各类事故。孔内事故主要集中出现在混凝土地基梁以下的残坡积覆盖层、强风化层及深部断层破碎带范围内,各类孔内事故的频繁发生对造孔施工造成了极大的困难,需对锚孔进行固结灌浆方可成孔。

4.2 编索、下索及锚根生成

锚索均由 9根强度为 1570MPa级的钢铰线编织而成,在锚根段 5m范围内用隔离环,自由段用隔离架组装,隔离环及隔离架间距均为 2m。锚索编好并经检查验收后下入孔内,因孔内极易出现塌孔掉块,故采取先下锚后注浆的施工措施。在下锚过程中当遇到塌孔、掉块而不到孔底时,通过采取冲洗措施下入到孔底。锚索下入孔底后再对锚根段注浆,锚根段内注入水灰比为 0.4∶1的 525号普通硅酸盐水泥浆液,注浆七天后即可张拉。由于从编索至张拉的时间较短,无需对锚索采取防锈保护措施。

4.3 锚索张拉

锚索张拉施工流程:安装测力计→安装工作锚具及夹片→使用 YC-200D小型千斤顶将钢铰线逐根张拉绷直→安装限位板→安装 YCW 250型千斤顶→安装工具锚及夹片→张拉→锁定→注浆封孔做永久防锈→切除工作锚以上超长部分钢铰线→浇筑锚头混凝土。

每根锚索的设计锚固力为 120t。因松动体上部为残坡积覆盖层及强风化岩层,节理、裂隙发育,断层密布,地层受压变形、孔壁摩阻及钢铰线松弛徐变,导致锚索的预应力损失较大。为补偿和抵消部分预应力损失,采取两次张拉措施,即采取补偿张拉加超载安装的张拉措施,以补偿和抵消锚索的部分预应力损失,确保锚索的永存锚固力。第一次分为300kN、600kN、900kN、1200kN四级张拉,七天后再进行补偿张拉,补偿张拉力分为 900kN、1200kN、1300kN三级,最后达到 1300kN,在 1300kN的拉力下安装锁定。超设计张拉力 100kN,超张拉力系数为 1.08。

锚索的张拉力以安装在油泵上的压力表指针所指示的中值为准。张拉过程中,在每级拉力下持荷稳定时,用钢板尺量测钢铰线的实际伸长值,校核张拉力。实际量测的钢铰线的伸长值须与理论计算的伸长值基本相符,当实际量测的伸长值大于理论计算值的 10%或小于理论计算值的 5%时,应暂停张拉,待查明原因并采取相应措施予以调整后方可恢复张拉。采用虎克定律计算钢铰线的理论伸长值。

4.4 锚索永久防护

预应力锚索张拉完毕,验收合格并经监理工程师同意之后,即往锚索孔内注浆做永久防护。注浆材料为 525R水泥、水灰比(重量比)为 0.4∶1的浓水泥浆液。待排气管管口排出的浆液比重达到 1.9时间歇 10min再次注浆,孔内积水及空气充分排除后即可停止注浆。待凝 24h之后,即待锚索孔内的水泥浆液干缩之后,再将孔口不满部分填满,注浆工作即可结束。

各锚索孔注浆结束 24h之后即可使用切割机将工作锚具外的超长部分钢铰线切除,切除超长部分后的钢铰线在锚具外的外露长度不小于 20mm。切除超长部分钢铰线后浇筑混凝土做永久防护。

5 固结灌浆成果资料分析

5.1 单位注入量与孔序间的关系分析

单位注入量与孔序间的关系分析见表1。

由表1可以看出,先施工的Ⅰ序孔平均单位注入量为 86.35kg/m,后施工的Ⅱ序孔平均单位注入量为 49.1kg/m,占Ⅰ序孔的 56.9%,即随着孔序的加密,单位注入量呈现出逐序减小的变化趋势,符合一般灌浆统计规律,由此表明灌浆效果极为明显。Ⅱ序孔仍具有较好的可灌性,表明松动体内的岩石裂隙及断层极为发育,在较低的压力下即可获得显著的可灌性,同时也表明 4m×4m的孔排距偏稀。

5.2 单位注入量大于 50kg/m的孔段统计

单位注入量大于 50kg/m的孔段统计见表2。

表1 单位注入量与孔序间的关系

表2 单位注入量大于 50kg/m的孔段统计

由表2可看出:

(1)随着灌浆孔序的加密,对于大单位注入量,后序孔的孔段数及其所占比例呈现出明显降低的趋势,符合一般灌浆统计规律,表明灌浆情况正常。

(2)各序孔单位注入量较大的孔段所占比例相对较小,而其所灌入的水泥量所占比例却相对较大,达到 80%以上,表明松动体内岩石极为破碎,裂隙发育,连通性好,浆液扩散范围较大,先施工的少数孔段灌入的浆液已将大范围内的岩石裂隙充填满,灌浆起到了显著的效果,后施工的大部分孔段的可灌性已显著下降,所灌入的水泥浆液起到了将松动体进一步挤密压实的作用。

6 固结灌浆效果检查

6.1 固结灌浆检查孔的布置和声波测试成果

松动体共有 19排固结灌浆孔,每排随机布置一个检查孔,检查孔孔深为与其相邻两个固结孔的最小孔深。检测孔采用单孔声波检测方法,使用 SD—1型声波检测仪,探头为单孔一发双收探头,以清水为耦合剂,探头放到孔底,从下往上逐点检测,测点间距为 0.2m,声波测试特征参数综合成果见表3。

6.2 对灌浆效果及灌浆质量的评述

6.2.1 灌浆效果评述

(1)强风化岩体(β3)范围内的波速提高率一般为 2.67%～22.14%,最大值为 26.34%,最小值为0.38%,加权平均值为12.22%,大于设计值的11.43%;岩体完整性系数提高率一般为 5.26%～47.37%,最大值为 57.89%,最小值为 0.00%,加权平均值为 26.95%,大于设计值的 24.77%,表明对强风化岩体(β3)的灌浆效果优于设计要求。

表3 灌浆效果及灌浆质量特征参数综合成果

(2)弱风化岩体(β2)范围内的波速提高率一般为 1.83%～18.04%,最大值为 21.41%,最小值为0.92%,加权平均值为 10.69%,略小于设计值的12.17%;岩体完整性系数提高率一般为 2.5%～40.0%,最大值为 46.67%,最小值为 0.00%,加权平均值为 22.51%,略小于设计值的 25.83%,表明对弱风化岩体(β2)的灌浆效果略低于设计要求。

(3)微风化～新鲜岩体(β1)范围内的波速提高率一般为 1.11%～6.83%,最大值为 7.43%,最小值为 0.0%,加权平均值为 4.60%,略大于设计值的3.9%;岩体完整性系数提高率一般为 2.47%～14.49%,最大值为 15.9%,最小值为 0.00%,加权平均值为 9.82%,略大于设计值的 7.9%,表明对微风化～新鲜岩体(β1)的灌浆效果优于设计要求。

(4)由表3可以看出,除对弱风化岩体(β2)的灌浆效果较设计值略小外,对强风化岩体(β3)及微风化～新鲜岩体(β1)的灌浆效果均优于设计值。从提高率的绝对值来看,对这三类岩体的灌浆处理效果由好到差依次是 β3→β2→β1,规律性很明显,表明三类岩体内的裂隙抗劈裂强度不同,可灌性亦不相同,进而灌浆效果也就不同。强风化岩体(β3)内的裂隙抗劈裂强度较低,在 0.3MPa压力下即可取得较好的可灌性;弱风化岩体(β2)内的裂隙抗劈裂强度介于强风化岩体(β3)与微风化～新鲜岩体(β1)之间,其灌浆效果也介于强风化岩体(β3)与微风化～新鲜岩体(β1)之间;而微风化～新鲜岩体(β1)内的的裂隙抗劈裂强度较高且相对较为完整,在 0.5MPa压力下的可灌性较差。总体而言,三类岩体的灌浆效果和设计要求较为一致。

6.2.2 灌浆质量评述

(1)强风化岩体(β3)经过灌浆处理之后,波速加权值为 2.94km/s,大于设计值的 2.92km/s,由此表明强风化岩体(β3)的灌浆质量满足设计要求。

(2)弱风化岩体(β2)的设计波速要求每段的Vpmin值为 3.38km/s,在所测试的 28段中仅有 2段小于 3.38km/s,分别为 3.33km/s和 3.30km/s,其他各段均大于设计值,合格率为 92.86%。波速加权值为 3.83,略小于设计值的 3.91km/s。

(3)微风化～新鲜岩体(β1)的设计波速要求每段的 Vpmin值为 4.73km/s,在所测试的 24段中仅有一段为 4.62km/s略小于设计值之外,其他各段均大于设计值,合格率为 95.84%。波速加权值为5.34km/s,大于设计值的 5.07km/s,表明微风化～新鲜岩体(β1)灌后质量满足设计要求。

6.2.3 灌浆质量综合评述

由表3可以看出,除弱风化岩体(β2)灌浆后的波速略小于设计值之外,强风化岩体(β3)和微风化～新鲜岩体(β1)的灌浆质量均优于设计要求。经分析认为,弱风化岩体(β2)裂隙内充填的泥质物较多,在 0.5MPa的压力下存在局部盲区,孔、排距 4m×4m又过于偏大,根据国家规范(SDJ210-83)中第 3.6.8条的要求,三类岩体小于设计值的最大百分数为 7.14%,小于规范要求,故不影响对整个灌浆工程的评价。固结灌浆达到了设计目的,灌浆效果及质量均满足设计要求。

7 结束语

(1)对松动体处理采用预应力锚索加地基梁、固结灌浆、挡墙等综合治理方案是切实可行的,达到了对松动体处理的预期效果。

(2)灌浆成果资料显示,随着灌浆孔序的加密,后序孔的单位注入量呈现出明显的递减变化趋势,符合一般灌浆统计规律,表明灌浆效果明显。

(3)检查孔测试的声波资料较客观地反映了松动体的地质情况及其可灌性,松动体的可灌性与其地质条件相吻合。

(4)对松动体实施预应力锚固处理时为减少预应力损失确保永存锚固力,宜采用补偿张拉加超载安装相结合的张拉施工措施。