張 偉

（遼寧潤中供水有限責(zé)任公司,遼寧 沈陽 110166）

1 工程背景

勝利水電站屬于渾河的重要支流蘇子河梯級(jí)開發(fā)的最末一級(jí)，是一座以發(fā)電為主，兼具防洪和養(yǎng)殖等諸多綜合性功能的大型水利樞紐工程[1]，壩址位于遼寧省新賓縣勝利村境內(nèi)，工程等別為Ⅳ等[2]。勝利水電站工程選定方案的水庫正常蓄水位為146 m時(shí)，相應(yīng)庫容為356.8 萬m3。水庫按20年一遇洪水設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)洪水位為146.78 m；100 年一遇洪水校核，校核洪水位為148.07 m，水庫總庫容為586.7 萬m3。該工程由擋水壩、翻板閘、沖沙閘、電站廠房及變電站等組成。最大壩高21.79 m，翻板閘總凈寬140.0 m，翻板閘堰頂高程141 m，閘門高為5.0 m。沖沙閘閘門尺寸為7 m×6.5 m，底板高程為140.0 m，電站總裝機(jī)容量14100 kW，多年平均發(fā)電量3232萬 kW·h。年利用小時(shí)數(shù)2450 h，電站保證出力11250 kW[3]。在電站建成運(yùn)行過程中，上游庫區(qū)會(huì)因?yàn)閹焖坏纳底兓纬陕洳钶^大的消落帶。水庫庫區(qū)消落帶內(nèi)的巖體由于受到濕干交替作用的影響，有可能引起巖體本身宏觀力學(xué)性質(zhì)的變化，特別是力學(xué)強(qiáng)度的劣化，進(jìn)而對(duì)邊坡的穩(wěn)定性和工程的安全運(yùn)行造成不利影響或潛在威脅[4]。當(dāng)然，不同類型的巖體受上述濕干作用的影響程度是不同的。勝利水電站壩址位于蘇子河上游的峽谷段內(nèi)，河道呈彎曲的“S”型，總體為右凸岸，坡度為40°～ 45°，有殘存的Ⅲ級(jí)基座階地，高程為320.00 m～341.20 m，河床覆蓋層厚5 m～16 m。壩址上下游為主要為侏羅紀(jì)和三疊紀(jì)地層，出露巖層以結(jié)晶片巖為主，具有相對(duì)完整的下盤，巖層產(chǎn)狀比較穩(wěn)定。鉆孔和探洞顯示，壩址區(qū)巖體風(fēng)化深度不大。壩址區(qū)的地下水根據(jù)埋藏條件，有裂隙潛水和局部裂隙承壓水兩種類型。均由大氣降水補(bǔ)給，向河床排泄。

勝利水電站上游左岸消落帶分布有面積較大的侏羅紀(jì)和三疊紀(jì)泥質(zhì)砂巖，這種性質(zhì)的巖體在遇水后會(huì)發(fā)生幅度較大的力學(xué)強(qiáng)度劣化，對(duì)其進(jìn)行一定的劣化進(jìn)程干預(yù)是十分必要的[5]。目前，針對(duì)軟巖力學(xué)強(qiáng)度劣化的干預(yù)方式主要有三種，分別是錨固、電化學(xué)加固以及化學(xué)材料加固[6]。對(duì)于水庫運(yùn)行期間消落帶長期處于“濕干”交替作用的復(fù)雜物理化學(xué)環(huán)境條件中，采用錨固方法時(shí)，由于錨桿或錨索長期置于水環(huán)境中容易發(fā)生銹蝕，致使錨固方法的耐久性無法保證，不宜使用；采用電化學(xué)加固時(shí)，由于消落帶附近存在大量的可導(dǎo)電的庫水，電化學(xué)方法的效果將明顯減弱，也不宜使用。因此，采用化學(xué)材料加固就成為當(dāng)前唯一可行的方法。

2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

2.1 干預(yù)材料的選取

泥質(zhì)砂巖的遇水后力學(xué)強(qiáng)度劣化的主要原因有兩個(gè)方面：①粘土礦物隨著庫水位的升降而產(chǎn)生的吸水膨脹與失水干燥；②砂巖巖體中存在的方解石、石英以及長石等各種硅氧化合物的遇水融蝕以及水壓作用下的微裂隙擴(kuò)展。上述兩種作用的共同影響，最終導(dǎo)致巖體顆粒之間的膠結(jié)作用變?nèi)酢?/p>

基于上述劣化原因，勝利水電站庫區(qū)上游消落帶泥質(zhì)砂巖的力學(xué)強(qiáng)度劣化的化學(xué)干預(yù)材料需要滿足以下五個(gè)要求：①要有良好的隔水性，能夠阻斷水分進(jìn)入巖體內(nèi)部；②材料本身要具有良好的環(huán)保屬性，不會(huì)對(duì)庫區(qū)的水環(huán)境造成明顯的污染；③材料本身要有較強(qiáng)的耐腐蝕性，能夠經(jīng)受住庫水的長期侵蝕；④材料本身要與泥質(zhì)砂巖有良好的親和力，具有良好的粘結(jié)性；⑤材料要具有良好的抗老化性能。

結(jié)合上述要求，環(huán)氧樹脂無疑是最適合的化學(xué)材料。但是，該類材料目前主要應(yīng)用于建筑物的補(bǔ)強(qiáng)加固，尚未有消落帶巖體劣化干預(yù)的研究成果。基于水庫消落帶特殊環(huán)境特點(diǎn)，結(jié)合建筑補(bǔ)強(qiáng)加固領(lǐng)域環(huán)氧樹脂材料，特別是中國專利ZL201510081359.0 和ZL201110237103.6 中的相關(guān)成果和不足[7～8]，提出由E51 環(huán)氧樹脂為主，添加不同數(shù)量的正丁基縮水甘油醚以及651 低分子聚酰胺的材料。其中，正丁基縮水甘油醚為稀釋劑，以降低材料的粘度，651 低分子聚酰胺為固化劑，提高材料在巖體表面的附著力。

2.2 材料的配比方案

材料的配比對(duì)劣化干預(yù)效果存在顯著影響。勝利水電站上游的消落帶的泥質(zhì)砂巖主要表現(xiàn)為中風(fēng)化到強(qiáng)風(fēng)化狀態(tài)，因此，針對(duì)兩種不同風(fēng)化程度的巖體，提出不同的材料配比方案。以往的研究表明[9]，當(dāng)E51 環(huán)氧樹脂和651 低分子聚酰胺的比例為100∶（30 ～50） 時(shí)，兩者反應(yīng)形成的固化產(chǎn)物力學(xué)性能及防腐性能較好，當(dāng)E51 環(huán)氧樹脂和丁基縮水甘油醚混合的比例達(dá)到100∶40 時(shí)，環(huán)氧樹脂幾乎可以完全稀釋于丁基縮水甘油醚中，流動(dòng)性極好。最終，結(jié)合不同風(fēng)化程度巖石的特征以及材料涂刷的易操作性和經(jīng)濟(jì)性，提出材料配比方案，見表1。

表1 材料配比試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

2.3 試驗(yàn)方案

在庫區(qū)進(jìn)行中風(fēng)化和強(qiáng)風(fēng)化的泥質(zhì)砂巖采樣，每種配比取3 組45 個(gè)使用該配比的環(huán)氧樹脂材料涂抹后的中風(fēng)化紅砂巖和強(qiáng)風(fēng)化紅砂巖試樣進(jìn)行如下試驗(yàn)：每組的15 個(gè)樣本每3 個(gè)樣本分別進(jìn)行0 次、1 次、4 次、8 次和16 次濕干交替作用，然后進(jìn)行壓縮試驗(yàn)。其中，對(duì)第一組按照圍壓0 MPa進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，第二組、第三組分別按照圍壓1 MPa、2 MPa進(jìn)行三軸壓縮試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用公式（1）計(jì)算獲取試樣的峰值抗壓強(qiáng)度值，以獲得不同配比的環(huán)氧樹脂材料在岸坡應(yīng)力以及庫水漲落條件下對(duì)泥質(zhì)砂巖的力學(xué)強(qiáng)度的干預(yù)性能。

式中：σ為峰值抗壓強(qiáng)度，MPa；P為破壞荷載，N；A為截面面積，m2。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 中風(fēng)化樣本試驗(yàn)結(jié)果與分析

按照上述試驗(yàn)方案，對(duì)不同配比的環(huán)氧樹脂材料干預(yù)下的泥質(zhì)砂巖試樣在不同圍壓和濕干交替次數(shù)下進(jìn)行單軸或三軸壓縮試驗(yàn)，并根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算出相應(yīng)的峰值抗壓強(qiáng)度，結(jié)果見圖1～圖3。由試驗(yàn)結(jié)果可知，試驗(yàn)結(jié)果的數(shù)據(jù)點(diǎn)存在一定的離散性，究其原因，主要是天然巖石試樣具有明顯的非均質(zhì)性特點(diǎn)。但是，通過試驗(yàn)結(jié)果仍可以看出泥質(zhì)砂巖在水庫消落帶周期性濕干交替作用下峰值抗壓強(qiáng)度的變化特征。

采用Z1 配比的試樣，在第1 次濕干交替作用之后，就出現(xiàn)了十分明顯的峰值抗壓強(qiáng)度劣化，與沒有經(jīng)過濕干交替作用的試樣相比，在0 MPa、1 MPa、2 MPa三種不同圍壓條件下，其峰值抗壓強(qiáng)度分別下降了2.45%、1.68%和2.23%；同時(shí)，隨著濕干交替作用次數(shù)的不斷增加，試樣的峰值抗壓強(qiáng)度不斷降低，但是劣化幅度不斷減小，劣化速率呈現(xiàn)不斷減慢的趨勢(shì)。在試樣經(jīng)歷4 次濕干交替作用之后，三種不同圍壓條件下的峰值抗壓強(qiáng)度分別下降了7.13%、10.27%和11.87%；在試樣經(jīng)歷8 次濕干交替作用之后，三種不同圍壓條件下的峰值抗壓強(qiáng)度分別下降了5.87%、8.98%和10.49%；在試樣經(jīng)歷16 次濕干交替作用之后，三種不同圍壓條件下的峰值抗壓強(qiáng)度分別下降了6.21%、9.13%和10.50%。

采用Z2 配比的試樣，在第1次濕干交替作用之后，出現(xiàn)了較為明顯的峰值抗壓強(qiáng)度劣化，但是與采用Z1 配比的試樣相比，劣化幅度較小，與沒有經(jīng)過濕干交替作用的試樣相比，在0 MPa、1 MPa、2 MPa三種不同圍壓條件下，其峰值抗壓強(qiáng)度分別下降了1.72%、1.37%和1.30%；同時(shí)，隨著濕干交替作用次數(shù)的不斷增加，試樣的峰值抗壓強(qiáng)度不斷降低，劣化幅度不斷減小，劣化速率不斷減慢。在同樣次數(shù)的濕干交替作用以及同樣圍壓條件下，采用Z2 配比的試樣較采取Z1配比的試樣其峰值抗壓強(qiáng)度的下降幅度明顯偏小。這說明，采用Z2 配比可以獲得更好地干預(yù)效果。

采用Z3 配比的試樣，在第1 次濕干交替作用之后，出現(xiàn)了較為明顯的峰值抗壓強(qiáng)度劣化，與采用Z2 配比的試樣相比，劣化幅度有所加大。隨著濕干交替作用次數(shù)的不斷增加，試樣的峰值抗壓強(qiáng)度不斷降低，但是劣化幅度不斷減小，劣化速率不斷減慢。三種不同配比的試驗(yàn)結(jié)果顯示，采用Z2配比可以獲得更好地干預(yù)效果。

圖1 中風(fēng)化試樣0 MPa圍壓試驗(yàn)結(jié)果

圖2 中風(fēng)化試樣1 MPa圍壓試驗(yàn)結(jié)果

3.2 強(qiáng)風(fēng)化樣本試驗(yàn)結(jié)果與分析

按照上述試驗(yàn)方案，對(duì)不同配比的環(huán)氧樹脂材料干預(yù)下的強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖試樣在不同圍壓和濕干交替次數(shù)下進(jìn)行單軸或三軸壓縮試驗(yàn)，并根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算出相應(yīng)的峰值抗壓強(qiáng)度，結(jié)果見圖4～圖6。通過試驗(yàn)結(jié)果仍可以看出泥質(zhì)砂巖在水庫消落帶周期性濕干交替作用下峰值抗壓強(qiáng)度的變化特征。

圖3 中風(fēng)化試樣2 MPa圍壓試驗(yàn)結(jié)果

圖4 強(qiáng)風(fēng)化試樣0 MPa圍壓試驗(yàn)結(jié)果

圖5 強(qiáng)風(fēng)化試樣1 MPa圍壓試驗(yàn)結(jié)果

圖6 強(qiáng)風(fēng)化試樣2 MPa圍壓試驗(yàn)結(jié)果

采用Q1 配比的試樣，在第1 次濕干交替作用之后，出現(xiàn)明顯的峰值抗壓強(qiáng)度劣化，與沒有經(jīng)過濕干交替作用的試樣相比，在0 MPa、1 MPa、2 MPa三種不同圍壓條件下，其峰值抗壓強(qiáng)度分別下降了9.72%、2.13%和7.08%；同時(shí)，隨著濕干交替作用次數(shù)的不斷增加，試樣的峰值抗壓強(qiáng)度不斷降低，劣化幅度不斷減小，劣化速率呈現(xiàn)不斷減慢的趨勢(shì)。在試樣經(jīng)歷4 次濕干交替作用之后，三種不同圍壓條件下的峰值抗壓強(qiáng)度分別下降了17.01%、7.01%和12.55%；在試樣經(jīng)歷8 次濕干交替作用之后，三種不同圍壓條件下的峰值抗壓強(qiáng)度分別下降了21.03%、10.82 %和15.77%；在試樣經(jīng)歷16 次濕干交替作用之后，三種不同圍壓條件下的峰值抗壓強(qiáng)度分別下降了23.72%、13.29%和17.84%。

采用Q2 配比的試樣，在第1 次濕干交替作用之后，出現(xiàn)較明顯的峰值抗壓強(qiáng)度劣化，與采用Z1 配比的試樣相比，劣化幅度明顯較小，與沒有經(jīng)過濕干交替作用的試樣相比，在0 MPa、1 MPa、2 MPa三種不同圍壓條件下，其峰值抗壓強(qiáng)度分別下降了2.76%、2.22%和2.09%；同時(shí)，隨著濕干交替作用次數(shù)的不斷增加，試樣的峰值抗壓強(qiáng)度不斷降低，劣化幅度不斷減小，劣化速率不斷減慢，同時(shí)相同條件下Q2 配比的干預(yù)效果均優(yōu)于Q1 配比。

采用Q3 配比的試樣，在第1 次濕干交替作用之后，出現(xiàn)了較為明顯的峰值抗壓強(qiáng)度劣化，但是與采用Q1 和Q2 配比的試樣相比，劣化幅度最小。同時(shí)，隨著濕干交替作用次數(shù)的不斷增加，也呈現(xiàn)出試樣的峰值抗壓強(qiáng)度不斷降低，但是劣化幅度不斷減小，劣化速率不斷減慢的趨勢(shì)。同時(shí)，在同樣次數(shù)的濕干交替作用以及同樣圍壓條件下，采用Q3 配比的試樣的峰值抗壓強(qiáng)度的下降幅度最小。因此，試驗(yàn)結(jié)果顯示采用Q3 配比可以獲得更好地干預(yù)效果。

4 結(jié)論

本次研究以遼寧省勝利水電站庫區(qū)消落帶泥質(zhì)砂巖為例，基于水庫運(yùn)行期間消落帶泥質(zhì)砂巖力學(xué)強(qiáng)度劣化的物理和化學(xué)機(jī)制，提出了消落帶泥質(zhì)砂巖力學(xué)強(qiáng)度劣化環(huán)氧樹脂化學(xué)干預(yù)材料，并進(jìn)行了相應(yīng)的配比研究，獲得的主要結(jié)論如下：

（1）對(duì)于中風(fēng)化巖體，采用Z2 配比，即E51 環(huán)氧樹脂∶丁基縮水甘油醚∶651低分子聚酰胺=100∶20∶40的環(huán)氧樹脂材料可以獲得更好地干預(yù)效果。

（2）對(duì)于強(qiáng)風(fēng)化巖體，采用Q3配比，即E51環(huán)氧樹脂：丁基縮水甘油醚∶651低分子聚酰胺=100∶40∶40環(huán)氧樹脂材料可以獲得更好地干預(yù)效果。

（3）建議針對(duì)勝利水電站庫區(qū)消落帶泥質(zhì)砂巖的不同風(fēng)化程度，采取不同配比的環(huán)氧樹脂材料進(jìn)行力學(xué)強(qiáng)度劣化的化學(xué)干預(yù)。