银盘水电站现场灌浆试验技术创新

银盘水电站现场灌浆试验技术创新〔邹德兵徐年丰李洪斌施华堂陈志杰〕摘要:乌江银盘水电站坝基岩体主要由页岩、砂岩及灰岩等软、硬岩相间组成,且受众多泥化夹层、破碎夹泥层及破碎剪切带分割,构成了基岩不均匀变形加剧、软弱夹泥层抗渗透变形能力降低等问题。现场灌浆试验围绕上述亟待解决的工程问题,对夹泥层冲洗设备的研制与应用、夹泥层帷幕幕体的耐压评价、软岩薄混凝土封闭无盖重固结灌浆等技术进行了创新研究,取得了丰富的资料和较好的效果,为银盘水电站的渗控工程设计与施工提供了强有力的技术支撑。关键词:泥化夹层;灌浆;耐压评价;无盖重固结灌浆;银盘水电站中图分类号:TV543.5 文献标识码:A 文章编号:1001-4179(2021)23-0068-03混凝土坝根底应具有足够的强度、整体性、均匀性、耐久性及抗渗性。坝基一般需进行固结灌浆与帷幕灌浆防渗处理。乌江银盘水电站坝基岩体软硬相间、软弱夹泥层发育、溶蚀渗漏等问题同时存在,构成根底处理主要难点。常规冲洗技术+普通水泥固结灌浆手段对提高软弱夹泥层可灌性作用有限。假设采用化学灌浆材料[1],对坝基大面积使用而言,投资巨大,根本不可行(只能针对特殊地质部位如大断层局部采用)。假设采用非常规大型冲洗设备(进行高压旋喷冲洗),尽管效果良好,但设备庞大、技术复杂、本钱高昂、难以大面积推广使用。因此,高效小型化冲洗设备的研制和应用即成为本次试验创新研究的重点内容之一。帷幕灌浆中过高的灌浆压力容易造成击穿和外漏,一定程度上影响帷幕成幕质量。因此,对经过高压灌浆处理后的帷幕幕体特别是夹泥层帷幕幕体的耐压性进行定量评价,防止以往偏重于定性评价的缺乏,也是本次试验研究的技术创新点所在。常规有盖重固结灌浆施工与根底强约束区混凝土的均衡上升、温控、防裂等方面矛盾突出,假设干工程尝试采用了不同形式的无盖重固结灌浆施工工艺[2～4]。针对银盘水电站不具备文献[2～4 ]中各工程坝基岩体为硬岩、陡倾等先决条件的实际情况,在缓倾软岩中进行无盖重固结灌浆的可行性研究也是本次试验技术创新点之一。1　工程概况银盘水电站位于乌江干流下游河段,地处重庆市武隆县境内。设计坝型为混凝土重力坝,最大坝高78.5m,装机容量600MW(4×150MW)。该工程具有洪水流量大,电站发电水头低的特点。坝址区地形开阔,为斜向河谷,河流与岩层走向交角为25°,岩层倾向右岸偏下游,倾角为40°。坝基岩体主要由页岩、砂岩和灰岩相间组成。主要出露基岩有奥陶系分乡组(O1f)、红花园组(O1h)、大湾组(O1d)、十字铺组(O2s)、宝塔组(O2b)、临湘组(O3L)和五峰组(O3w)及志留系龙马溪组(S1Ln)地层。主要地质问题为:①坝基岩体软硬相间,其中软岩(O1d1-1、O1d1-3、O1d3-1、O3w及S1Ln)约占大坝长度的63%,其强度和变形模量均较低,基岩不均匀变形问题突出。②坝基岩体中软弱夹层发育,据统计,Ⅰ类泥化剪切带11条,Ⅱ1类破碎夹泥剪切带27条,Ⅱ2类破碎剪切带32条。受夹层分割的岩体及软弱夹泥层的可灌性差,常规固结灌浆手段对改善坝基软岩及软弱夹层物理力学性能的作用有限。③坝基存在O1h、O1d1-2、O1d2、O2+3等岩溶透水层,溶洞及溶蚀裂隙发育,溶蚀部位多充泥,是坝基防渗处理的重点部位。2　冲洗设备研制与应用2.1　高压喷头结构设计针对银盘水电站坝基软弱(剪切)夹泥层的特点,基于采用高效冲洗设备将孔段内夹泥物质挟带出来,然后利用固结灌浆的手段加固的根本思路,考虑利用固结灌浆钻灌施工的常规设备,加工制成高压喷头,简化冲洗设备及工艺,提高工作效率。初步确定在钻管端头开设3～4个孔口,利用孔口高压水流冲击切削含夹层破碎岩体。根据式(1)～(3)孔口恒定出流及恒定总流的动量公式[5]可估算不同孔数、孔径的孔口流速及高速水流对岩壁的切削力。 计算分析说明,喷嘴直径φ1=2.6mm,在4.5MPa的压力水头下孔口流速可达56m/s,高速水流对灌浆孔岩壁的冲击压强可达3.2MPa,岩体软弱夹泥及碎裂岩体均可被此高速水流切削脱离母岩而冲洗携带出孔口。经过现场屡次高压冲洗切削试验,最终确定采用的高压喷射冲洗喷头结构为:利用101.6mm钻管在端头开设3个带丝牙的小孔,高差2.5cm,夹角120°,小孔上安装高压喷射专用喷头,喷嘴直径φ2=2.6mm,厚约1cm。为防止在高压喷射旋转和提升过程中岩石孔壁碰撞磨损喷头,于钻管端部焊接保护套筒。2.2　应用效果现场灌浆试验应用说明,高压喷射冲洗效果显著,较标准推荐的钻孔冲洗方式及风水联合冲洗方式的冲洗效果明显要好。对于夹层发育的孔段,经过高压喷射冲洗后,夹泥层张口明显变大,夹层附近孔壁上孔洞的数量和面积明显加大,孔洞深度亦显著增加。图1为典型孔段采用高压喷射冲洗前后的效果比照图。采用高压喷射冲洗的灌浆孔的灌浆单耗远大于采用风水联合冲洗的灌浆孔的灌浆单耗,前者灌浆单耗平均值为72.32kg/m,后者为37.72kg/m。 图1　典型孔段冲洗前后效果比照3　夹泥层帷幕幕体的耐压评价3.1　耐压试验方案设计软弱夹泥层、岩溶充泥层岩体经过高压灌浆后,帷幕幕体成幕质量及耐压性能成为工程关心的重点问题之一。在帷幕灌前、单排灌后及双排灌后分别 选取有代表性的常规灌浆孔和压水检查孔,进行耐久性压水试验(疲劳压水试验)。试验孔段主要针对钻孔取芯及孔内电视录像揭示的软弱夹层进行。段长5～10m,压水起始压力0.5MPa,目标压力1.0MPa,升压步长0.1MPa,每级压力稳定时间1h,纯压式压水持续72h,获取帷幕耐久性参数。抗击出性压水试验(破坏性压水试验)是在疲劳压水试验的根底上,继续逐级提高压水压力,每级增加0.1MPa,每级压力持续10min,至夹泥层幕体有破坏迹象时,再逐级降低压力至起始值,推求帷幕幕体破坏性参数。3.2　耐压试验成果图2给出了帷幕灌浆试验区灌前B1-2-Ⅰ-1号孔、单排灌后J-1、J-8号孔及双排灌后J-2、J-5、J-7号检查孔共6个典型孔段的耐久性压水试验流量—时间曲线成果。图2　耐久性压水试验流量—历时曲线抗击出性压水试验分别在上述各孔耐久性压水试验完成后紧接着进行。限于篇幅文中仅给出了典型孔段B1-2-Ⅰ-1号孔、J-2、J-5及J-7号孔的破坏性压水压力—流量曲线成果,见图3。3.3　帷幕幕体耐压评价由图2比照可看出,灌前剪切夹泥带岩体流量—时间曲线中的稳定平台呈“振荡〞状态,且持续时间相对较短,说明天然情况有外水头压力作用下其耐 久性缺乏,不排除在压力为1.0MPa、时间更长的压力水头作用下被击穿破坏的可能性;单、双排灌浆后流量—时间曲线在疲劳压水结束阶段趋于收敛稳定状态,透水率均稳定在3.0Lu(防渗标准)以内,耐久性明显增强,可以满足设计要求,单排灌浆后帷幕的耐久性比双排灌浆后略差。根据上述耐久性压水试验流量—时间曲线成果可以得出夹泥层孔段防渗幕体耐压指标详见表1所示。分析认为,单排灌后帷幕幕体的破坏压力最小为1.79MPa,双排灌后有所提高,帷幕幕体的破坏压力最小为2.00MPa;在坝前最大水头作用下,单、双排灌后夹泥层幕体的渗透破坏水力比降较实际渗透比降有一定的平安裕度。4　软岩薄混凝土封闭无盖重固结灌浆为解决银盘水电站软岩开挖后需及时封闭的问题,在合理利用高温季节基坑开挖后至根底混凝土浇筑前的间歇期以缩短直线工期的根底上,创造性地提出了采用薄层混凝土(8～15cm)封闭,进行无盖重固结灌浆试验的方法。4.1　试验目的(1)分区比拟采用不同的分段灌浆工法及相应的灌浆效果,以确定适合银盘水电站坝基软岩固结灌浆的分段灌浆工法。(2)通过分段灌浆,探索提升灌浆压力的可能性及可升压的幅度,比拟不同压力下的灌浆效果。(3)探索不同阻塞位置与压力提升的关系。(4)对软岩无盖重固结灌浆过程进行实时监控,研究在薄混凝土封闭条件下压力与变形的关系及变形量控制标准。(5)通过物探声波波速成果,分析研究页岩的各向异性特点,得出不同方向的声波波速与页岩层理面夹角大小之间的关系,并提出灌后岩体波速评定标准。 图3　耐久性压水试验流量—历时曲线表1　防渗幕体耐压指标 4.2　抬动变形观测无盖重固结灌浆抬动变形观测试验采用改良(埋设充填材料改为粘土球)的抬动变形观测装置(见图4),并配合使用具有自动报警和计算机数据采集功能的报警系统,对软岩无盖重固结灌浆进行全过程实时监控。试验证明,经改良的抬动变形装置本钱低廉,施工方便,精度高,性能可靠,适用面广。4.3　试验结果(1)对岩体裂隙不发育、地质条件较好的河床坝段,在采用薄层混凝土(8～15cm)进行外表封闭的条件下进行无盖重固结灌浆是根本可行的。(2)采用梅花形、孔排距为2.5m×2.5m的布孔方式根本可以满足工程要求,灌浆压力为0.20～0.25MPa。(3)分段灌浆法对提高软岩灌浆注入率、增强灌浆效果、提升灌浆压力等无明显作用,从方便施工的角度考虑,推荐采用全孔一次灌注法进行无盖重固结灌浆。(4)阻塞位置一般为混凝土与基岩接触面处,特殊情况下可适当下移,下移深度一般不超过0.8m。(5)灌浆压水过程中的抬动变形控制值可按300μm控制。 图4　抬动变形观测装置(尺寸单位:cm)5　结论(1)针对基岩固结灌浆特点,结合银盘工程实际,利用钻灌施工的常规设备,专门研制的高效小型化冲洗设备并辅以科学的冲洗工艺,对夹泥层冲洗效果显著。该设备具有结构简单,施工方便,使用本钱低廉,冲洗效果显著等特点,适合推广使用。(2)合理设计了夹泥层帷幕幕体耐压试验方案,对其耐压性能进行了定量评价,克服了以往仅能进行定性评价的缺乏,给出了帷幕平安度,为帷幕工程设计提供了理论依据。(3)结合银盘水电站工程特点,对在软岩、缓倾、薄混凝土封闭条件下的无盖重固结灌浆的可行性进行了试验研究,为该本工程固结灌浆实施方案的 选择提供了科学依据。参考文献:[1]　祝红,陈珙新,倪锦初.三峡永久船闸f1096断层处理设计与施工主要技术.人民长江,2004,(12):10～12.[2]　于习军,徐年丰.找平混凝土封闭灌浆法在三峡工程固结灌浆中的应用.地下工程技术,2000,(1):12～15.[3]　杨光伟.无盖重纯压式灌浆在二滩水电站坝基固结灌浆中的应用.水电站设计,2002,(3):27～31.[4]　长江勘测规划设计研究院.乌江构皮滩水电站岸坡坝段无盖重固结灌浆试验报告.武汉:长江勘测规划设计研究院,2007.[5]　孙钊.大坝基岩灌浆.北京:中国水利水电出版社,2004作者简介:邹德兵,男,长江水利委员会设计院枢纽处,工程师。