中梁一级电站库区防渗帷幕灌浆试验效果分析

2011-09-06彭第,王伟

水利水电科技进展 2011年5期

彭第,王伟

(1.吉林大学建设工程学院,吉林长春 130026;2.长春工程学院岩土工程研究所,吉林长春 130021;3.中国水电基础工程局有限公司,天津 301700)

1 工程概况及试验区工程地质条件

1.1 工程概况

中梁水电站位于重庆市巫溪县境内大宁河干流西溪河上,由中梁一级电站、中梁二级电站和中梁三级电站3个梯级电站组成。中梁一级电站坝址位于中梁乡青岩洞桥上游约 200 m处,距巫溪县城49.0km。坝址控制流域面积为525km2,多年平均流量为17.1m3/s,多年平均径流量为5.39亿m3。

中梁一级电站库区防渗工程防渗轴线位于坝址上游6.4km的星溪沟下游约200m处,平行于星溪沟布置,灌浆平洞分上下2层,上层灌浆平洞为PD7勘探平洞扩挖而成;下层灌浆平洞可以通过星溪沟出口附近212m长的斜洞进入,斜洞洞口高程为585.00m。上层灌浆平洞底板高程为626.00m,全长517.00m,设计帷幕灌浆桩号范围为0+101.00～0+513.00m,帷幕底线高程为535.00m。

1.2 试验区工程地质条件

防渗区位于天元背斜北翼(倒转翼),岩层走向为280°～ 285°,倾向 SW,倾角为 65°～88°。背斜核部地层为志留系砂页岩,南翼岩层倾向SW,倾角约为45°。防渗不涉及南翼地层。防渗勘探洞(PD7号平洞)洞向约189°,与河岸及岩层走向近垂直,平洞洞长552m。

灌浆试验地段的地质情况应具有代表性[1]。试验区布置在帷幕桩号0+191.00～0+200.00m,试验区为长兴组与吴家坪组灰色厚层含燧石灰岩,底部王坡段为3m黑色炭质页岩、铝土岩夹煤层。岩层倾角由67°逐渐过渡到80°,倾向 SW。试验段揭露2个溶洞。

在施工下游排SX5孔(0+200.00m)时,孔深20.0m钻孔开始漏水,20.0～20.5m进尺快,起钻后钻具带有少许黄泥,岩芯呈溶蚀状。通过15.5～20.5m灌浆段注浆,浆液可自流孔内但孔内无残留,孔内伴有上窜气流,初步断定与溶洞相通。该孔钻孔加深10cm左右即脱空至24.0m深度,钻具下压1.0m(至25.0m深度)取出黄泥。30.5～34.1m为黄泥,34.1～34.6m取上岩芯,岩芯破碎。40.5～47.0m处有多层夹泥层,风化严重。钻进时,有明显失水现象(返水小),返水呈黄色或铁红色。

在施工下游排SX3孔(0+196.00m)时,孔深10.7m钻孔开始漏水,13.5m脱空至18.0m(10.7～13.5m进尺快,起钻后钻具带有黄泥),18.0m以下充填黄泥,孔内伴有上窜气流,初步断定该部位所遇溶洞与SX5溶洞相连通,为半充填型无水溶洞。

在施工上游排SX5孔(0+199.00m)时,孔深25.5～30.5m有多层夹泥砂,返水正常,水色呈鹅黄色或铁红色。30.5～45.5m属强风化层,岩性较软,并伴有夹泥,返水正常,水色为铁红色。此两部位应与溶洞相通。

在施工上游排SX4孔(0+197.00m)时,孔深25.5～28.0m有多层夹泥层,返水为黄色,水中夹有少量泥砂。

2 试验目的及灌浆孔布置

防渗区域工程地质复杂,现场帷幕灌浆试验的目的是:①论证灌浆材料可灌性和浆液配合比的可行性,确定防渗区岩溶、大裂隙和泥砂碎石层灌浆材料和灌浆方式。②通过灌浆试验,验证设计提供的灌浆孔排数、孔距、灌浆材料、浆液配合比、灌浆压力等能否达到灌浆效果,从而选择符合工程地质条件的灌浆工艺和灌浆技术措施。③研究岩溶处理程序材料配比、工艺方法,并验证其处理后灌浆帷幕防渗的可行性和可靠性。

帷幕灌浆试验段布设双排帷幕灌浆孔,分3序钻灌,如图1所示。

图1 帷幕灌浆试验孔布置(单位:mm)

3 灌浆试验

3.1 灌浆浆液

灌浆水泥采用P.O42.5级普通硅酸盐水泥,根据现场地层条件,灌浆浆液水灰比采用3,2,1,0.8,0.5共5个等级,开灌水灰比采用3。灌浆浆液由稀至浓逐级变化,在灌浆过程变化水灰比时,以测定回浆管的水灰比为准。当某一级浆液注入量达300L以上,或灌注时间已达30min,而灌浆压力和注入率均无改变或改变不明显时,换浓一级水灰比浆液灌注。

3.2 灌浆方法

由于裂隙较为发育,灌浆采用孔口封闭、自上而下分段灌浆方法[2-6]。浆液拌制采用集中制浆方式,灌浆采用自动记录仪记录。

3.3 灌浆压力

灌浆分段及灌浆压力按照表1执行。第4段及以下各段遇特殊情况时可适当缩短或加长灌浆段长度,但最大段长不得超过8m。灌浆压力控制采用一次升压法,即尽快达到设计压力,但灌浆过程中注入率较大时采用分级升压法或间歇升压法,并使灌浆压力与注入率相适应。

表1 灌浆分段及灌浆压力

灌浆过程中灌浆压力应根据浆液注入率与实际情况及时进行调整。当浆液注入率 η＞30 L/min时,灌浆压力P控制在 1～2 MPa之间;η=20～30L/min时,P控制在 2～3MPa之间;η=10～20L/min时,P控制在3～4MPa之间;η＜10L/min时,P＞4MPa。

3.4 灌浆施工工艺

帷幕灌浆按分序加密的原则进行施工,并按先B排、后 A排,每排先施工Ⅰ序孔,然后Ⅱ序孔,再Ⅲ序孔的施工顺序进行[7]。

帷幕灌浆孔采用金刚石钻头钻进成孔,终孔孔径为∅76mm。灌浆开始前,对灌浆孔段进行裂隙冲洗和简易压水试验,灌浆孔段的冲洗采用大流量水冲洗,裂隙采用压力水冲洗,冲洗压力为灌浆压力的80%,但小于或等于1MPa。

压水试验在裂隙冲洗后进行,一般灌浆孔采用简易压水试验,SX5先导孔采用自上而下单点法压水,压水试验压力为灌浆压力的80%,并小于或等于1MPa。

3.5 特殊情况处理

3.5.1 溶洞处理

在施工B排SX5孔、SX3孔时,遇到2个半充填型溶洞,溶洞脱空4.0m和6.0m,其中SX3孔的溶洞竖向发育很深(现场用90m长的管子探测,未到底),现场采用泵送混凝土进行灌注施工。混凝土强度等级为C20,坍落度为18～22cm。

3.5.2 大裂隙处理

为确保溶洞混凝土灌注后能尽快开展灌浆施工,需灌注水泥砂浆充填较大缝隙,水泥砂浆配合比为∶水灰比0.7,灰砂比 1∶1,膨润土掺量 4%。在灌浆过程中,若纯水泥浆灌注量过大则采用水泥砂浆先行灌注,待灌注压力增大后再用纯水泥浆进行复灌。

通过现场实际施工情况看,经过混凝土回填后的溶洞必须用砂浆进行细部充填。多次灌注水泥砂浆能有效堵住大的渗漏通道,效果很好。

3.5.3 泥砂碎石层注浆

3.5.3.1 水泥-水玻璃浆液的应用

水泥-水玻璃浆液可注性较好,可渗透注入裂隙为0.2mm以上的岩体;其凝胶时间短且容易控制,具有早强的特点,且浆液配制容易,使用方便[8]。试验采用的水泥浆水灰比为0.5,水玻璃波美度为40,浆液试验在借鉴其他工程的基础上[9-11],通过室内和现场实验,选定了水泥-水玻璃浆液配比,在施工中根据现场情况选用。水泥-水玻璃浆液性能参数见表2。

表2 水泥-水玻璃浆液性能参数

共选择3种灌浆方式进行试验:第1种是在浆液灌注的同时在孔口向孔内灌入水玻璃;第2种孔内下入注浆管和水玻璃灌注管,孔口利用手压泵向孔内压水玻璃,相当于双液灌浆;第3种是将水玻璃直接加入搅拌槽内,随浆液一起灌入地层中。在施工过程中,第1种方式容易造成假堵现象,灌注量较大,效果不是很好。第2种方式是先灌一定量的水泥浆,停泵后立即用手压泵向孔内通过PVC管压入水玻璃,试验表明这种方式效果也不好,容易将PVC管铸死,处理起来比较费时。第3种方式有一定的风险,需要控制好加量,否则会把灌浆泵铸死,损坏设备。但只要控制好加量和加入的时机,效果还是很好的。

通过灌注水泥-水玻璃浆液,可有效减少水泥浆的灌注量,使水泥浆不至于扩散太远,但又能形成可靠的帷幕体。同时,灌注水泥-水玻璃浆液可以大幅度减少复灌次数。通过在SX3,SX5和SS5孔中试验,灌注水泥-水玻璃浆液效果很好,尤其是在SS5孔中灌注效果明显。

3.5.3.2 水泥-粉煤灰浆液的应用

在水泥浆液中加入粉煤灰,改善了搅拌浆液的稠度、和易性、均匀性、泌水性和可灌性,同时也减少了用水量,提高了后期强度[12]。试验区中应用水泥-粉煤灰浆液主要是针对灌水泥浆吸浆量大、灌浓水泥浆容易堵管、而灌砂浆灌不进的泥砂碎石层,如SS5孔。

粉煤灰的品质必须符合要求,粉煤灰采用Ⅱ级粉煤灰,其性能参数如下:细度为15%(45μ m方孔筛筛余量),烧失量为7.8%,含水量为0.3%[13]。浆液水固比(水∶(水泥+粉煤灰))为0.5。水泥-粉煤灰浆液性能参数如表3所示。

表3 水泥-粉煤灰浆液性能参数

水泥-粉煤灰浆液初凝时间的延长对防止灌浆管路的堵塞有利,浆液黏度大对于泥砂层与岩石层接触面充填有一定的效果。但从施工情况看,实际效果没有预期的理想。

3.5.3.3 水泥-氯化钙浆液

采用水泥-水玻璃浆液的第1种和第2种方式灌注时效果不理想,而采取直接将水玻璃加入搅拌槽中又怕引起铸泵。氯化钙可以直接加入水泥浆中利用泵灌注,水泥水化加快,但早期强度上升较快[14]。

选定2种掺量的水泥-氯化钙浆液进行对比试验,当氯化钙掺量为3%时,初凝时间为15min;掺量为5%～7%时,初凝时间为7.5min。为安全起见,最终选用氯化钙掺量3%进行施工。从灌浆试验区SS5孔应用的情况来看,对于泥砂碎石层灌注有一定的效果,但不如水泥-水玻璃浆效果好。

4 灌浆质量检查与效果分析

4.1 灌浆质量检查及标准

灌浆检测项目主要为钻孔取芯和压水试验,并结合灌浆成果资料进行综合分析。检查孔压水试验合格标准为:帷幕灌浆的质量要求透水率q≤3Lu;检查孔第1段和第2段的合格率为100%,以下段的合格率在90%以上;透水率不得超过设计值的100%,且为不集中,认为合格。

4.2 单位耗灰量分析

一般情况下,单位注入量应具有随孔序逐序递减的规律。从表4可看出:B排Ⅰ序孔单位注灰量为763.4kg/m,Ⅱ序孔和Ⅲ序孔单位注灰量分别为200.9kg/m和162.9kg/m,灌浆试验区各序孔的单位注入量遵循逐序递减的规律,说明灌浆效果较好。

注浆过程中总体上注入量递减,说明随着灌浆次序的增进,地层逐渐被灌注密实。Ⅰ序孔施工时很多孔段不返水,灌注完Ⅰ序孔后大的孔隙已基本被充填,中小孔隙仍存在,并成为主要渗水通道。Ⅱ序孔和Ⅲ序孔钻孔时返水已经很正常,说明中等以上孔隙已被充填,透水率随着灌浆次序的增加逐渐减小;但A排因SS4孔、SS5孔为溶洞发育带,局部段灌浆注入量大,导致Ⅲ序孔注入量比Ⅱ序孔注入量大。

表4 水泥注入量统计

试验段平均注灰量为430.94 kg/m,注浆量较大。从地质资料来看,本灌浆区岩层为直立岩层,倾角很陡,渗漏通道大部分是沿着帷幕轴线的纵向方向发育,试验布孔形式很难保证把所有的渗漏通道全部堵住,为取得更好的灌浆效果,形成较好的防渗帷幕体,建议在吃浆量大的地方和地层破碎带进行加密灌浆处理。

4.3 压水试验

压水试验的压力为灌浆压力的80%,但最大压力不超过1MPa,在保持稳定的压力下,每3～5min测读流量1次,连续5次读数,其最大值与最小值之差小于最终值的10%;或最大值与最小值之差小于1L/min时,可结束压水试验[15]。

灌浆前地层的透水性参数如表5和表6所示。

灌浆试验结束14d后钻进质量检查孔,检查孔按自上而下分段进行压水试验,段长与灌浆分段一致。灌浆后地层的透水性参数如表7所示。

从表7中可以看出:灌浆处理后,灌浆试验区检查孔的平均透水率为0.83Lu,SJ-01孔有3段透水率大于3Lu,SJ-02孔也有3段透水率大于3Lu,且有2段集中,最大值为3.90Lu,最小透水率为 0.07Lu,平均透水率为0.83Lu。从压水结果看,虽然试验区地层透水性大幅度减小,但部分透水率超过设计要求,此试验结果为不合格,究其原因,水泥-水玻璃浆液凝结时间过快,堵塞裂隙,在地层中造成“假堵”现象。

表5 灌浆孔灌前各段压水透水率区间

表6 灌浆孔灌前各序孔透水率汇总

经灌浆处理后,坝体在设计深度以内的原始渗透条件得到明显改善,溶洞充填较密实,部分地段能够满足设计防渗要求,但部分地段还需要加强。

表7 检查孔压水试验结果

表8 灌浆前后单位透水率区间频率对比

4.4 灌浆前后透水率比较

灌浆前后单位透水率区间频率对比如表8所示。从表5和表8中可以看出:灌浆前后透水率降低明显,灌浆效果较明显,但并不能满足设计要求,说明在直立岩层中布孔的孔排距偏大。

灌浆过程中,随着灌浆次序变化,Ⅱ,Ⅲ序孔的透水率比Ⅰ序孔有明显减少,但由于试验区地层复杂,发现上游A排Ⅲ序孔的透水率大于Ⅱ序孔,主要因为SX4,SX5孔为溶洞发育带,局部段透水率较大。

4.5 耐久性压水分析

试验区检查孔压水结束后,为了验证幕体的可靠性,分别对2个孔进行了耐久性压水试验,历时2d。各孔耐久性压水试验统计数据见表9。

表9 检查孔耐久性压水试验统计结果

从压水情况看,压力和压入流量在全过程中均比较稳定,没有出现大的异常,说明帷幕体在高压力水头的长期作用下是稳定的。

4.6 钻孔取芯检查

从先导孔SX5孔的取芯情况看,岩芯较破碎,很难取出完整的岩芯,岩芯采取率只有50%～60%;从检查孔SJ-01和SJ-02孔的岩芯情况看,岩芯采取率可达到90%左右,岩芯中可以见到少量水泥结石,如图2所示。在钻孔过程中回水中有很多类似米粒大小、强度很低的水泥结石,说明地层孔隙被水泥结石充填,灌浆效果良好。