任躍勤，路 威，李正兵，趙衛(wèi)全

(1.中國水利水電第七工程局有限公司成水公司，成都，611130；2.中國水利水電科學(xué)研究院，北京，100044)

0 引言

固結(jié)灌漿是水利水電工程中常用的巖體加固手段。利用鉆孔將水泥或化學(xué)漿液灌入到巖體或破碎帶中，達(dá)到封閉裂隙，提高巖體整體性和抗變形能力的目的。

灌漿壓力是固結(jié)灌漿設(shè)計(jì)和施工中的關(guān)鍵參數(shù)，直接影響漿液的擴(kuò)散情況，灌漿速率和灌漿加固效果，應(yīng)根據(jù)工程等級(jí)，灌漿部位的地質(zhì)條件和承受水頭等情況綜合擬定，重要工程還應(yīng)通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)論證。我國?水工建筑物水泥灌漿施工技術(shù)規(guī)范?(DL/T 5148－2021)規(guī)定，大于3MPa的水泥灌漿為高壓水泥灌漿[1]。美國灌漿規(guī)范?Grouting Technology?(EM1110－2－3506，2017)沒有對(duì)高壓灌漿進(jìn)行明確界定，但是指出采用較高的灌漿壓力有助于增大灌漿處理范圍，縮短灌漿時(shí)間，為了避免出現(xiàn)抬動(dòng)，灌漿時(shí)應(yīng)采用安全灌漿壓力，并提出了采用有效壓力和經(jīng)驗(yàn)準(zhǔn)則來判斷灌漿壓力安全性的方法[2]。

隨著灌漿技術(shù)的進(jìn)步，國內(nèi)外許多工程均采用了高壓灌漿技術(shù)。根據(jù)已收集的資料，除瑞士Gotthar基線鐵路隧洞工程的最高灌漿壓力達(dá)到15MPa[3]外，絕大部分工程的最高灌漿壓力在10MPa以下。水利水電工程方面，灌漿壓力在5MPa～7.5MPa之間的工程較多，如巴基斯坦的Neelum Jhelum水電站[4]，菲律賓的Ambuklao水電站等[5]，國內(nèi)的三峽、烏江渡、龍羊峽水電站，廣州、惠州和深圳抽水蓄能電站等[1，6－8]，最高為坦桑尼亞的Lower Kihansi水電站，達(dá)到9.6MPa[9]，國內(nèi)的錦屏二級(jí)水電站和天荒坪抽水蓄能電站，也分別進(jìn)行了9.5MPa和9.0MP[10－12]相關(guān)試驗(yàn)。灌漿壓力采用10MPa以上的水利水電工程則未見報(bào)道。

陽江抽水蓄能電站水道下平洞承受8MPa靜水壓力，初擬采用10MPa高壓固結(jié)灌漿加固圍巖。鑒于灌漿壓力大幅提高后，超出國內(nèi)已有工程范圍，無成熟經(jīng)驗(yàn)借鑒，同時(shí)，灌漿參數(shù)的選擇與工程地質(zhì)條件密切相關(guān)。因此，選擇試驗(yàn)洞開展水泥灌漿現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，初步分析Ⅱ～Ⅲ類圍巖、10MPa級(jí)高壓固結(jié)灌漿條件下的漿液灌入情況，比較灌漿孔深度和灌漿漿材等對(duì)灌漿量的影響，探討試驗(yàn)過程中的異常數(shù)據(jù)及特殊情況處理措施，為確定合理灌漿參數(shù)和施工工藝提供參考，并指導(dǎo)后續(xù)Ⅳ類圍巖和斷層帶高壓灌漿試驗(yàn)。

1 工程概況

1.1 工程概況

陽江抽水蓄能電站位于廣東省陽春市與電白縣交界處的八甲山區(qū)，距陽江市60km。規(guī)劃裝機(jī)容量2400MW，分兩期建設(shè)，為Ⅰ等大(1)型水電工程。

電站上水庫大壩采用碾壓混凝土重力壩，壩高101m，正常蓄水位高程773.7m；下庫大壩采用瀝青混凝土心墻堆石壩，壩高55.9m，正常蓄水位高程103.7m，上、下水庫落差約670m。輸水發(fā)電系統(tǒng)中水道下平洞內(nèi)徑7.5m，采用鋼筋混凝土襯砌，襯砌厚度800mm，最大靜水壓力為8MPa，最大動(dòng)水壓力11.08MPa。

1.2 工程地質(zhì)條件

陽江抽水蓄能電站輸水發(fā)電系統(tǒng)呈近南北向布置，水平長度約2800m，大部分埋藏于燕山期花崗巖體中，主要發(fā)育有北西、北東和南北向3組斷裂構(gòu)造，巖體具有塊狀或整體狀結(jié)構(gòu)，工程地質(zhì)條件較好。其中，水道下平洞和高壓岔管段位于微風(fēng)化～新鮮花崗巖體中，滲透性微弱，透水率<1Lu，附近裂隙不發(fā)育，僅f747和f720兩條斷層帶從南側(cè)通過，斷層為硅化碎裂巖，膠結(jié)較好，局部滲水；影響帶為弱硅化碎裂花崗巖，寬0.2m～1.1m。圍巖主要為Ⅰ～Ⅱ類，局部不良地質(zhì)段為Ⅲ～Ⅳ類。

1.3 高壓水道設(shè)計(jì)理念

陽江抽水蓄能電站工程下平洞采用透水隧洞設(shè)計(jì)理論，即考慮襯砌混凝土開裂后成為透水體，隧洞發(fā)生內(nèi)水外滲，圍巖承擔(dān)絕大部分內(nèi)水壓力荷載。為保證電站運(yùn)行安全，需要對(duì)圍巖進(jìn)行高壓固結(jié)灌漿加固，提高其物理力學(xué)特性、抗內(nèi)水壓力和抗?jié)B能力，初擬灌漿壓力10MPa。

2 初步試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)場(chǎng)地選擇

選擇已完工的地質(zhì)探洞PD01作為試驗(yàn)洞，開展灌漿試驗(yàn)。探洞洞口高程155m，主洞長1038m，試驗(yàn)洞平面布置如圖1所示。為保證試驗(yàn)更符合實(shí)際情況，獲取的參數(shù)對(duì)電站下平洞有較強(qiáng)的適應(yīng)性，洞內(nèi)試驗(yàn)段的選取應(yīng)滿足:①包括Ⅰ～Ⅱ類、Ⅲ類和Ⅳ類圍巖；②有代表性斷層通過；③有足夠埋深；④隧洞走向與電站下平洞一致。經(jīng)過踏勘，比選，最終選擇樁號(hào)0＋890m～1＋030.5m段為試驗(yàn)段，并按照電站下平洞標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行開挖和襯砌。

圖1 灌漿試驗(yàn)洞平面布置

2.2 試驗(yàn)段地質(zhì)條件

灌漿試驗(yàn)段圍巖以Ⅱ、Ⅲ類粗?；◢弾r為主，分布在樁號(hào)0＋890m～0＋904m、0＋906m～0＋909.5m、0＋913m～980m和0＋985m～1030.5m之間，Ⅳ類圍巖段為f751、f752和f718三條斷層帶。其中，f751在樁號(hào)0＋907m出露，寬1.0m～1.5m，為弱風(fēng)化碎裂巖、碎粉巖，膠結(jié)一般～較差，影響帶0.5m～1.0m，片狀滴水～股狀涌水，滲漏量10L/min；f752在樁號(hào)0＋912m出露，寬1.0m～2.0m，為弱風(fēng)化碎裂巖、碎粉巖，膠結(jié)一般～較差，影響帶0.5m～1.0m，片狀滴水～股狀涌水，滲漏量20L/min～25L/min；f718在樁號(hào)0＋980m～0＋985m揭露，寬3.5m～5.0m，為碎裂巖、碎粉巖、局部夾斷層泥，滲滴水，滲漏量0.5L/min～1.0L/min。

2.3 初步試驗(yàn)方案

由于灌漿試驗(yàn)段的實(shí)際工程地質(zhì)條件不斷變化，為便于試驗(yàn)開展，按樁號(hào)劃分施工單元，試驗(yàn)結(jié)束后，根據(jù)圍巖條件和試驗(yàn)?zāi)康闹匦路纸M編號(hào)。

初步灌漿試驗(yàn)在試驗(yàn)洞開挖揭露的Ⅱ～Ⅲ類圍巖段開展，共進(jìn)行四組不同工況試驗(yàn)。其中，第一組(編號(hào)1～3)為基準(zhǔn)試驗(yàn)，采用普通水泥漿液灌漿，研究初擬高壓灌漿參數(shù)在Ⅱ類圍巖條件下的適用性；第二組(編號(hào)4)改變?cè)囼?yàn)段的灌漿孔深度，研究增大灌漿孔深對(duì)Ⅱ類圍巖的改善效果，為后期尋求合理的灌漿孔深提供參考；第三組(編號(hào)5)采用濕磨細(xì)水泥漿液灌漿，研究改進(jìn)灌漿材料對(duì)Ⅱ類圍巖的改善效果，為后期灌漿材料的選擇提供參考；第四組(編號(hào)6，7)以前三組為基礎(chǔ)，研究高壓灌漿參數(shù)和材料在Ⅲ類圍巖條件下的適用性，試驗(yàn)段樁號(hào)和具體試驗(yàn)參數(shù)詳見表1。試驗(yàn)段灌漿孔呈梅花形布置，每個(gè)斷面環(huán)向布置12個(gè)孔，分兩序進(jìn)行灌漿施工，灌漿孔布置典型斷面見圖2。

表1 初步試驗(yàn)方案統(tǒng)計(jì)

圖2 典型斷面灌漿孔布置

3 灌漿試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 Ⅱ類圍巖普通水泥漿灌漿分析

第一組試驗(yàn)(試驗(yàn)段1～3)為Ⅱ類圍巖普通水泥灌漿試驗(yàn)，灌漿孔深6m，孔排距2.5m。為便于分析，將試驗(yàn)結(jié)果按照材料單位注入量變化進(jìn)行區(qū)分統(tǒng)計(jì)，分為<1kg/m、1kg/m～5kg/m、5kg/m～10kg/m、10kg/m～20kg/m、20kg/m～50kg/m和>50kg/m六個(gè)級(jí)別。

圖3和圖4分別為不同試驗(yàn)段Ⅰ、Ⅱ序孔材料單位灌入量分布情況，整體上看，雖然灌漿材料單位灌入量分布存在明顯差異，但是大部分灌漿段的材料單位注入量在5kg/m以下，出現(xiàn)頻率Ⅰ序孔略低于Ⅱ序孔；偶爾出現(xiàn)部分灌漿段的材料單位注入量大于20kg/m。這主要是由于雖然試驗(yàn)段1～3的圍巖類別均為Ⅱ類，但是巖體內(nèi)部孔隙的幾何形狀、大小、分布和相互連通情況和結(jié)構(gòu)面的發(fā)育情況、結(jié)合程度等特征并不相同。初步分析，對(duì)于Ⅱ類圍巖，由于巖體完整性好，結(jié)構(gòu)面結(jié)合程度高，即使采用10MPa壓力進(jìn)行固結(jié)灌漿，大部分孔段的單位注入量也較小，偶爾出現(xiàn)的材料單位注入量顯著增加很可能是灌漿孔段穿過巖體中孔隙連通較好或結(jié)構(gòu)面結(jié)合程度稍差的相對(duì)薄弱部位。

圖3 Ⅱ類圍巖Ⅰ序孔單位灌入量分布

圖4 Ⅱ類圍巖Ⅱ序孔單位灌入量分布

圖5為Ⅱ類圍巖不同試驗(yàn)段的平均材料單位灌入量。由圖5可見，試驗(yàn)段1～3的單位材料注入量平均值在0.35kg/m～6.12kg/m之間，差異較大，無明顯規(guī)律，且Ⅰ、Ⅱ序孔之間的區(qū)分也不明顯。若考慮偶爾出現(xiàn)的材料單位注入量大于20kg/m是由于灌漿孔穿過薄弱部位引起的數(shù)據(jù)異常，進(jìn)行剔除并后期單獨(dú)分析，同時(shí)根據(jù)不同級(jí)別的材料單位注入量的出現(xiàn)頻率、段數(shù)進(jìn)行中值加權(quán)平均，則Ⅰ、Ⅱ序孔的平均單位材料注入量?jī)H約為1kg/m～2kg/m。初步預(yù)測(cè)，整體上，對(duì)于Ⅱ類圍巖，即使采用10MPa壓力進(jìn)行灌漿，材料的單位注入量也較低，基本符合Ⅱ類圍巖的灌漿特點(diǎn)。

圖5 Ⅱ類圍巖不同試驗(yàn)段平均單位灌入量

3.2 灌漿孔深對(duì)Ⅱ類圍巖灌漿量影響

第二組試驗(yàn)(試驗(yàn)段4)與試驗(yàn)段3的灌漿施工單元相同，分左右側(cè)分別設(shè)定灌漿孔深度為6m和8m，進(jìn)行灌漿試驗(yàn)。

圖6為不同試驗(yàn)段Ⅰ、Ⅱ序孔平均材料單位灌入量分布情況。由圖6可見，對(duì)于Ⅱ類圍巖的同一地質(zhì)單元，不同灌漿深度下的灌漿材料單位灌入量分布基本一致，仍以材料單位注入量小于5kg/m為主。初步分析，對(duì)于Ⅱ類圍巖，整體上，灌漿材料的單位灌入量與灌漿孔深度相關(guān)性不大。雖然增大灌漿孔深度有助于改善圍巖深部結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)并加固可能存在的深部巖體薄弱部位，但是較大的灌漿深度必然會(huì)導(dǎo)致投資增大、工期延長。因此，對(duì)于灌漿孔深度，可根據(jù)透水設(shè)計(jì)理念和防止水力劈裂所需的圍巖灌漿加固圈厚度擬定，施工中發(fā)現(xiàn)薄弱部位，特殊處理。

圖6 Ⅱ類圍巖不同孔深單位灌入量分布

3.3 灌漿材料對(duì)Ⅱ類圍巖灌漿量影響

第三組試驗(yàn)(試驗(yàn)段5)針對(duì)Ⅱ類圍巖采用濕磨細(xì)水泥進(jìn)行灌漿試驗(yàn)，并與第一組試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，分析灌漿材料的影響。

圖7和圖8分別為采用不同灌漿材料時(shí)，Ⅰ、Ⅱ序孔材料單位灌入量分布情況和平均值。可見，與普通水泥灌漿相比，采用濕磨細(xì)水泥灌漿后，雖然Ⅰ、Ⅱ序孔的單位灌入量仍以小于5kg/m為主，但是灌入量為1kg/m～5kg/m的出現(xiàn)頻率明顯升高，占比分別達(dá)到69%和58%，高于普通水泥灌漿的38%和46%。同時(shí)，采用濕磨細(xì)水泥灌漿，仍偶爾出現(xiàn)部分灌漿段的單位注入量大于20kg/m，同樣將其視為異常數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除并單獨(dú)分析，中值加權(quán)平均后，可以發(fā)現(xiàn)，濕磨細(xì)水泥灌漿的材料單位灌入量較普通水泥明顯升高。其中Ⅰ序孔由1.47kg/m增加至3.33kg/m，Ⅱ序孔由1.29kg/m增加至1.90kg/m，Ⅰ、Ⅱ序孔的灌漿量區(qū)分較為明顯。初步分析，Ⅱ類圍巖中，10MPa灌漿壓力下，濕磨細(xì)水泥的可灌性略好于普通水泥，但是整體量級(jí)較小，Ⅱ類圍巖的單位灌入量較小。

圖7 Ⅱ類圍巖I序孔不同灌漿材料單位灌入量分布

圖8 Ⅱ類圍巖Ⅱ序孔不同灌漿材料單位灌入量分布

3.4 灌漿參數(shù)和材料對(duì)Ⅲ類圍巖適用性

第四組試驗(yàn)(試驗(yàn)段6、7)針對(duì)Ⅲ類圍巖開展灌漿試驗(yàn)，研究10MPa壓力下，普通水泥和濕磨細(xì)水泥漿液的灌入情況，灌漿孔深6m，孔排距2m。

圖9和圖10分別為試驗(yàn)段Ⅰ、Ⅱ序孔普通水泥和濕磨細(xì)水泥單位灌入量分布情況和平均值。整體上看，與Ⅱ類圍巖灌漿相比，Ⅲ類圍巖灌漿材料的單位灌入量分布呈明顯分散趨勢(shì)，單位灌入量>20kg/m的出現(xiàn)頻率顯著增加。其中，對(duì)于Ⅰ序孔，兩種材料單位灌入量分布情況不同，普通水泥單位灌入量以1kg/m～5kg/m和5kg/m～10kg/m量級(jí)為主，累計(jì)出現(xiàn)頻率約為78%，而濕磨細(xì)水泥以<1kg/m和1kg/m～5kg/m量級(jí)為主，累計(jì)出現(xiàn)頻率約為65%；對(duì)于Ⅱ序孔，兩種材料單位灌入量分布情況相似，以1kg/m～5kg/m為主，出現(xiàn)頻率分別為42%和45%，其他各量級(jí)分散分布。仍以出現(xiàn)頻率較低的灌漿段單位注入量大于20kg/m為界，將異常數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除并單獨(dú)分析，加權(quán)平均計(jì)算各試驗(yàn)段的單位灌入量平均值，可以看出，雖然普通水泥的灌入量略大于濕磨細(xì)水泥，但是整體上不同灌漿孔序、采用不同灌漿材料，平均單位灌入量相差較小，均在7kg/m～9kg/m之間，材料平均單位灌入量較Ⅱ類圍巖大幅增加，符合灌漿規(guī)律。初步分析，10MPa灌漿壓力下，Ⅲ類圍巖比Ⅱ類圍巖更具可灌性，但是采用濕磨細(xì)水泥灌漿優(yōu)勢(shì)不明顯。同時(shí)，采用普通水泥和濕磨細(xì)水泥，Ⅰ、Ⅱ序孔的單位灌入量無明顯差異。相較于Ⅱ類圍巖，Ⅲ類圍巖中的孔隙連通更好，結(jié)構(gòu)面結(jié)合較差的薄弱部位更多，灌漿孔穿過這些部位的幾率提高，材料單位注入量提高。

圖9 Ⅲ類圍巖Ⅰ序孔不同灌漿材料單位灌入量分布

圖10 Ⅲ類圍巖Ⅱ序孔不同灌漿材料單位灌入量分布

4 較大耗量孔段情況及處理探討

圖11為各試驗(yàn)段不同工況下灌漿材料單位灌入量大于20kg/m的分布情況。由圖11可見，較大耗量的出現(xiàn)頻率在3%～17%之間，分布不均。但是可明顯看出，其與灌漿孔序和灌漿材料無關(guān)，僅與圍巖等級(jí)有關(guān)，即Ⅲ類圍巖的較大耗量孔段出現(xiàn)頻率高于Ⅱ類圍巖。

圖11 不同試驗(yàn)工況下材料單位灌入量異常數(shù)據(jù)分布

可見，雖然Ⅱ、Ⅲ類圍巖的完整程度較高，結(jié)構(gòu)面的結(jié)合程度較好，但是深部巖體也可能存在影響灌漿量和灌漿效果的孔隙連通性較好，結(jié)構(gòu)面結(jié)合程度較差的薄弱部位，采用超高壓力灌漿時(shí)，這些特殊部位可能是制約灌漿成敗的關(guān)鍵，應(yīng)引起足夠重視，并在灌漿前制定針對(duì)措施。可通過灌前壓水試驗(yàn)，分析灌漿孔段的孔隙連通情況，查找潛在薄弱段；對(duì)于薄弱段的灌漿，采用壓力～灌漿量雙限控制，采用較稀的漿液低壓漫灌等措施。鑒于整體上較大耗量孔段的出現(xiàn)頻率不高，為了防止由于超高壓灌漿導(dǎo)致的薄弱段巖體劈裂、抬動(dòng)，以及孔間串漿，可考慮采用適當(dāng)縮短孔排距、逐級(jí)升壓、嚴(yán)格控制注入率等措施。

5 結(jié)論

通過開展Ⅱ、Ⅲ類圍巖中10MPa級(jí)超高壓固結(jié)灌漿現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，初步分析試驗(yàn)結(jié)果，得到如下結(jié)論:

(1)對(duì)于Ⅱ類圍巖，10MPa級(jí)超高壓固結(jié)灌漿時(shí)的材料平均單位灌入量較低，濕磨細(xì)水泥的可灌性略優(yōu)于普通水泥。

(2)Ⅱ類圍巖中灌漿孔深對(duì)灌漿材料的平均單位注入量影響較小。可根據(jù)透水設(shè)計(jì)理念和防止水力劈裂所需的圍巖灌漿加固圈厚度擬定灌漿孔深，施工中發(fā)現(xiàn)薄弱部位，采取針對(duì)性處理。

(3)Ⅲ類圍巖比Ⅱ類圍巖可灌性好，但是采用濕磨細(xì)水泥灌漿優(yōu)勢(shì)不明顯。

(4)Ⅱ、Ⅲ類圍巖中均存在孔隙連通較好或結(jié)構(gòu)面結(jié)合程度較差的薄弱部位，灌漿孔穿過薄弱部位時(shí)，會(huì)導(dǎo)致材料單位灌入量顯著增加，應(yīng)制定針對(duì)性處理措施。