天荒坪电站上水库进出水口截水墙帷幕补强灌浆试验

2011-06-13吴宏炜

大坝与安全 2011年6期

吴宏炜，沈静

（1.国网新源华东天荒坪抽水蓄能有限责任公司，浙江安吉 313302；2.国家电力监管委员会大坝安全监察中心，浙江杭州 310014）

天荒坪电站上水库库区分布的地层主要为侏罗系上统黄尖组流纹质角砾（含砾）熔凝灰岩，上部弱风化，下部微风化，局部强风化。上水库采用沥青混凝土作为防渗结构，进出水口部位通过截水墙与库盆、库底连接，截水墙底部设置防渗帷幕。水库蓄水运行至2003年，监测发现其水平截水墙幕后测压管的测值明显偏高，幕后扬压力测值有逐年增大的趋势，采用普通水泥进行了帷幕的第一次补强。补强后效果较好，测压管测值明显下降。至2009年，幕后测压管的测值又回升到施工前水平，且逐年增长，其中UP5和UP6的最大测值达到36.04 m和35.61 m，与幕前水头基本一致，且与上库水位基本等变幅。为保证上水库的运行安全，对该防渗帷幕进行二次补强，考虑到补强的耐久性，对灌浆材料进行了调整，并首先进行了生产性试验。

为进一步摸索及调整灌浆压力、浆液比级、孔距、孔深、待凝时间、主灌材料等技术参数，更好地为设计提供帷幕补强的技术参数及施工工艺，保证帷幕补强质量的可靠性，进行了截水墙帷幕补强灌浆试验，介绍如下。

1 水泥灌浆待凝时间的选取

选择科学合理的待凝时间，避免外水压力将灌入裂隙内的水泥浆顶回钻孔内，保证灌浆质量，同时可以缩短灌浆时间，提高效率，因此进行了该项试验。

试验选择“8 h、10 h、12 h、16 h、24 h”五级标准，在达到上述待凝时间后进行扫孔，若得到的水泥结石胶结良好，整体能够成柱状，则说明水泥结石已达到一定强度，能够保证外水压力不将灌入裂隙内的水泥浆顶回钻孔内，相应的待凝时间满足设计要求。试验选择了5只Ⅰ序孔的接触段和第一段进行对比试验，待凝时间与灌入水泥、涌水压力、涌水流量的对比统计见表1。

通过表1可以看出：

（1）待凝时间与灌入水泥的关系

对于涌水压力和涌水流量均相近的孔段，分别采用超细水泥和改性水泥进行灌浆，待凝时间基本相同。如H125第1段和H113接触段，涌水压力分别为0.15 MPa和0.16 MPa，涌水流量相差不大，均为滴水，待凝时间均需要12 h。

（2）待凝时间与涌水压力的关系

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孔段涌水压力≤0.1 MPa的有两段，分别为H129第1段的0.05 MPa和H113第1段的0.07 MPa，对应待凝时间分别为10 h和12 h。说明对涌水压力≤0.1 MPa的孔段，10～12 h的待凝时间能够满足设计要求。

表1 各试验段涌水、灌浆及待凝时间情况统计表Table 1:Statistics of gush flow,grouting material and waiting duration

涌水压力在0.1～0.3 MPa的孔段有6段，涌水压力为0.14～0.20 MPa，对应待凝时间为12～24 h，随着涌水压力的增大，待凝时间基本呈增大趋势。说明涌水压力在0.1～0.3 MPa范围内的孔段，12～24 h的待凝时间能够满足设计要求。

孔段涌水压力≥0.3 MPa的孔段有2段，涌水压力分别为0.32～0.40 MPa，对应待凝时间均为24 h。说明对涌水压力≥0.3 MPa的孔段，必须待凝24 h才能满足设计要求。

（3）待凝时间与涌水流量的关系

在涌水压力相同或相近的情况下，涌水流量的大小决定了待凝时间的长短，涌水流量越大，所需待凝时间越长。如H125第1段和H129接触段，灌入材料均为超细水泥，涌水压力分别为0.15 MPa和0.17 MPa，相差不大；但涌水流量分别为滴水和0.47L/min，后者待凝时间需要24h，前者只需要12h。

综上分析，帷幕孔水泥灌浆待凝时间与两种灌入水泥无明显关系，主要受孔段涌水压力的控制，其次也随着涌水流量的增大而增加。

2 超细水泥与改性水泥灌浆对比分析

2.1 可灌性对比

本次试验主灌材料采用了超细水泥和改性水泥两种。所用超细水泥为三狮特种水泥厂生产，改性水泥为北票市三宝建工材料厂生产，两种水泥均具细度高、可灌性好、早期强度高、抗渗性好等优点。两种水泥的可灌性对比见表2。

表2 改性水泥与超细水泥可灌性对比表Table 2:Groutability comparison of modified cement and su-perfine cement

2.2 材料特性对比

超细水泥和改性水泥均在普通硅酸盐水泥的基础上加以磨细，而改性水泥又加入了适量的膨胀剂、调凝剂、分散剂和磨细矿渣。改性水泥固化的收缩性小，加入了10%高细矿渣对酸性溶液的耐蚀能力比超细水泥好。

3 AK树脂与水溶性聚氨酯化学灌浆对比分析

试验选择10只孔进行AK树脂与水溶性聚氨酯两种材料化学灌浆对比试验，其中1号区段H120、H122、H124、H126和H128 共10个段次将AK浆液作为主灌材料，2号区段H108、H110、H112、H114和H116共10个段次将水溶性聚氨酯作为主灌材料。

3.1 施工工艺对比

AK浆液化学灌浆施工工序为：孔段压水试验—→配制AK浆液—→搅拌均匀并降温（20℃以下）—→灌入AK浆液—→待凝（24 h）。

水溶性聚氨酯化学灌浆施工工序为：孔段压水试验—→配制水溶性聚氨酯浆液（HW∶LW=8∶2）—→搅拌均匀—→灌入丙酮—→灌入水溶性聚氨酯浆液—→待凝。

两种材料化灌施工工艺基本相同。但AK需要用冰块降温，控制灌入浆液的温度，灌浆所需时间较长；水溶性聚氨酯需要用丙酮开路赶水，但灌浆时间相对较短。

3.2 灌浆成果对比

（1）水溶性聚氨酯灌浆分析

H108、H110、H112、H114和H116共5个孔的接触段进行了水溶性聚氨酯化学灌浆，累计段长7.5 m，共灌入浆液91.51 kg，孔段平均单位耗浆量为12.20 kg/m。各孔段压水灌浆情况见表3。

表3 2号区段水溶性聚氨酯化灌成果统计表（生产性试验）Table 3:Productive test result of water-soluble polyurethane grouting in section 2

其中H114在待凝24 h后打开孔口时，发现孔内有浆液从孔口喷出至廊道底板、顶板及墙壁上。喷出的浆液为黑褐色，基本为原浆液，散落于廊道底板后，遇水迅速胶凝成灰白色凝胶体，有弹性，但强度较低；附着于廊道墙壁上的浆液在空气中水蒸气的缓慢作用下逐渐胶凝，形成了强度较高的凝胶体。对H114接触段扫孔后发现，孔段内仍有涌水，测得涌水压力为0.35 MPa。将H110和H112待凝48 h，H116和H108待凝72 h。上述四孔开孔后仍发现孔内浆液未凝固，扫孔后有涌水，涌水压力分别为0.25 MPa、0.45 MPa、0.06 MPa和0.25 MPa。这说明孔段内浆液在待凝24 h后未凝固，而裂隙内充填的浆液也非常少，未能将地下水通道阻断，因此，水溶性聚氨酯化学灌浆未达到设计预期的灌浆效果。分析原因，主要由于该地段岩层裂隙集中发育，较为密集，宽度普遍较窄。而水溶性聚氨酯化灌前用丙酮赶水，开路丙酮已将裂隙容积占去，浆液无法与水接触形成凝胶、固化。

（2）AK化学灌浆分析

H120、H122、H124、H126和H128共5个孔的接触段和第1段进行了AK化学灌浆，累计段长32.5 m，共灌入浆液779.13 kg，孔段平均单位耗浆量为23.97 kg/m。各孔段压水灌浆情况见表4。

该10个孔段灌浆前涌水压力为0.12～0.30 MPa不等，上述10个孔段待凝24 h后扫孔发现已基本无涌水。孔段内AK胶结质量较好，芯样能够成长柱状；基岩裂隙内可见充填的AK浆液，已固化，与基岩胶结紧密。

这说明孔段内和进入基岩裂隙内的AK浆液在待凝24 h后已固化，有效阻断了地下水活动的通道，起到了防渗的作用，因此，AK化学灌浆达到了设计预期的灌浆效果。

（3）可灌性对比分析

由灌入量分析，AK浆液的可灌性优于水溶性聚氨酯。如H114、H116接触段和H120第1段透水率均为0.44 Lu，H114和H116灌入水溶性聚氨酯，单位耗浆量分别为12.70 kg/m和9.43 kg/m；而H120灌入AK，单位耗浆量为29.80 kg/m。H112接触段透水率为2.22 Lu，水溶性聚氨酯单位耗浆量为19.10 kg/m；而H126和H128接触段透水率仅为1.33 Lu和1.11 Lu，AK单位耗浆量就分别达到了33.29 kg/m和34.82 kg/m，远大于前者。分析认为主要由于AK浆液的粘度较小，易于进入地层及岩体裂隙，延伸范围较远，且AK浆液可溶于水，遇水不会起反应，因此其可灌性受地下涌水和基岩饱和水的影响较小。