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基礎化學灌漿設計與應用探討

發布時間：2014-08-09

摘要：通過對丹江口和龍羊峽壩基典型特殊地質問題化灌處理設計與應用的總結分析，并結合三峽工程基礎處理設計和現場灌漿試驗成果以及已有水泥灌漿施工資料，對化學灌漿處理水工建筑物基礎特殊問題的設計與應用問題、三峽工程壩基防滲帷幕和基巖固結灌漿采用化學灌漿的可能性和必要性問題進行了分析與探討，認為化學灌漿技術在地基加固處理方面有著發展和應用前景，對三峽工程特殊地質缺陷部位，采用化學灌漿進行地基加固問題值得研究。

　　關鍵詞：三峽工程；基礎；丙凝灌漿；環氧灌漿；設計；應用；分析
1 引言
　　為解決水工建筑物復雜地基的防滲、堵漏及補強加固等方面的難題，國內外大量采用了化學灌漿技術。對存在特殊問題及結構有特殊要求的地基，當采用常規方法難以處理或處理代價很大時，人們通常會考慮能否采用化學灌漿處理。
　　三峽工程設計各階段的大壩基礎處理，都根據當時的化學灌漿技術發展狀況，考慮或比較過化學灌漿處理壩基特殊地質缺陷。在國內外利用丙凝及丙烯酸鹽灌漿處理細微裂隙取得較多成功經驗后，開展了大量的漿材研究及灌漿工藝試驗。考慮當壩基防滲帷幕采用水泥灌漿不能解決細微裂隙防滲問題時，采用丙烯酸鹽做進一步的灌漿處理；在三峽工程前期設計階段，為論證弱風化花崗巖的利用及斷層破碎帶的加固處理問題，進行了環氧樹脂及甲凝(MMA)用于基巖固結灌漿的研究，并在太平溪壩址開展了野外灌漿試驗；三峽工程開工后，針對升船機上閘首揭露的P548、f215等泥化斷層的加固處理，進行了水泥與環氧樹脂材料的高壓復合固結灌漿試驗，取得了較為理想的效果，有關試驗成果擬應用于永久船閘輸水系統南五豎井f1096，斷層處理。
2 我國水工建筑物基礎化灌處理設計與應用現狀
　　我國化學灌漿技術雖然起步較晚，但發展較快，許多規模大的水電工程針對客觀存在的各種特殊基礎問題，開展了漿材研究及灌漿工藝試驗，并應用于壩基特殊地質條件的防滲、堵漏及加固。
　　目前，我國在壩基特殊地質條件的防滲、堵漏及加固均有相應基本灌漿材料及配套的灌漿工藝，但近年來化灌技術的應用相對較少(與60年代至80年代相比)，工程技術人員，特別是設計人員對化灌技術的應用表現出較為慎重的態度，在基礎處理方案論證時，多傾向采用水泥灌漿及置換回填方案。造成這一狀況的原因是多方面的，有客觀原因，也有主觀原因。客觀原因是人們環保意識的加強，以及各種細水泥與超細水泥的高壓灌漿技術的應用；主觀原因是化學灌漿技術沒有對各類特殊的地基問題形成相對完善的灌漿材料配方及相對統一的灌漿工藝，特別是在加固處理方面，對各類地質缺陷化灌處理效果沒有統一的認識。為改變這一狀況，我國的化學灌漿工作者尚需作出很大的努力，研制出毒性低(甚至無毒)、粘度小、價格低廉的化灌材料，總結國內外現有的化灌工藝及設備，制定化學灌漿規范或準則，積累更多的經驗，并開展廣泛的交流，對化學灌漿應用于加固處理效果作出客觀公證的評價，對化學灌漿應用于防滲處理，結合環保要求，制定出環境保護標準及相應的法規。
3 丹江口和龍羊峽特殊地基問題化灌處理設計與應用分析
　　為便于化學灌漿處理特殊地基問題的應用，并探討三峽工程特殊地質問題化學灌漿處理的必要性問題，對丹江口、葛洲壩、萬安、龍羊峽等60～80年代建成的大型水電工程，采用化學灌漿解決的技術問題及處理效果進行了分析與整理。
3.1 漢江丹江口水利樞紐帷幕丙凝灌漿
　　河床混凝土壩基為變質閃長巖、閃長玢巖和灰綠巖，基巖構造裂隙為細微裂隙，斷層構造巖透水性一般較小。細微裂隙及透水性較小的斷層構造巖防滲處理是該工程壩基防滲的主要問題。該工程在我國最早將丙凝灌漿應用于壩基防滲透水率q≤0.5Lu，解決了以下兩類問題：
　　(1)防止斷裂交匯區的滲透破壞(機械管涌)問題：混凝土壩9～11壩段分別有該工程規模最大的斷裂交匯區，構造粘土巖、軟弱糜棱巖分布于斷裂帶的滑動面上，貫穿壩基上下游，遇水崩解。構造巖的化學成份中，可溶巖含量較大，這些都是產生滲透破壞的內在條件。構造巖的透水性不大，透水率一般小于0.2Lu，屬相對不透水，給水泥灌漿帶來了困難。灌漿試驗表明，在1.3MPa的灌漿壓力下，水泥注入量小于0.5kg/m。曾研究過各種防滲方案，最終采用8～10m深混凝土防滲齒墻配合上游短粘土鋪蓋的防滲方案，在斷裂交匯區不設置壩基排水孔，同時對如何提高軟弱構造巖的抗滲透破壞能力進行了長時間的研究，最后決定采用丙凝灌漿進一步提高基巖及斷層構造巖的抗滲性。設計時布置了三排丙凝帷幕灌漿孔，孔距2.0m。當主付排孔施工后，發現灌漿效果良好，131段丙凝灌注段中，注入量為10～20L/m者計5段，注入量為2～10L/m者計88段，說明在相對不透水的構造巖中，丙凝漿液尚有一定的注入量，可進一步提高軟弱構造巖的抗滲性。結合中間加強排進行的8個檢查孔，33個壓水段中，除1段q=0.75Lu外，其余均小于0.5Lu，據此取消了中間加強排帷幕。混凝土壩14～16壩段存在一斷裂交匯區，地質條件類似于9～10壩段，但構造巖性質較好，交匯區規模較小，主帷幕水泥灌漿施工完畢后，水泥注入量甚少，效果極不明顯，參考9～11壩段灌注丙凝的經驗，在14～16壩段斷裂交匯區的付排帷幕布置孔距為2.0m的丙凝灌漿孔，孔深為主帷幕的1/2左右。丙凝注入量為2～10L/m者計30段，占總灌注段的69.8%，情況與9～11壩段的類似。

　　(2)水泥灌漿“失水回濃”及達不到防滲標準左部河床19～31壩段屬細微裂隙發育的微透水區弱透水區，在總共2005段水泥灌漿段中，正常結束的計909段，占44.3%，其余均在失水回濃情況下被迫結束的，灌漿結束時吸漿量在1.0L/min以上的有536段，占26.8%，說明灌漿效果不理想；該部位主付排帷幕施工完畢后鉆進的23個檢查孔186段壓水檢查資料表明，q<0.5Lu者為74段，占總段數的39.8%，其余60.2%均大于設計標準，且有的檢查孔孔段的q值比相鄰的I序孔還要大，最大增大達15倍。分析產生這種異常現象的原因，總體上是細微裂隙沒有灌好造成的。蓄水后雖壩基滲壓力未超過設計允許值，但壩基各排水孔排滲量較大，是整個壩基排水孔中排滲量最大的一區，21～23壩段單孔滲水量一般為0.3L/min，個別達4.5L/min，25～26壩段一般為2～3.2L/min，個別達5L/min。為了減少壩基滲流量，避免因長期的滲透水流沖刷影響帷幕壽命和大壩的安全運行，根據地質和灌漿資料，在21～24壩段的兩排水泥灌漿帷幕間增加一排丙凝加強灌漿帷幕，25～31壩段取消原設計的加強排水泥灌漿帷幕，而在25～28壩段的兩排水泥灌漿帷幕間增加一排丙凝加強灌漿帷幕。從施工資料來看，丙凝注入量在5L/m以上的孔段達106段，占總灌漿段數187段的55.7%，說明具有一定的可灌性。另外，丙凝加強帷幕灌漿施工完畢后，相應于上述兩部位的壩基排水孔滲水量分別減少到0.2～0.5L/min及1.5～2L/min，說明丙凝灌漿取得了一定的效果。但在26～28壩段范圍內，檢查孔中q>0.5Lu的孔段仍達32.3%，且多位于檢查孔的末幾段，分析其原因乃是設計孔距偏大、灌漿時控制膠凝時間不當及加強排帷幕深度不夠等因素造成的，故又在26～28壩段范圍內進行了第二次丙凝帷幕灌漿，加深部位的丙凝注入量較第一次已灌部分為大，壩基排水孔滲水量則較加深前降低了21.5%以上。
　　壩基丙凝灌漿段總深度為2553m，共計灌入丙凝13200L。
3.2 黃河龍羊峽水電站G4劈理帶帷幕組合化學灌漿
　　龍羊峽水電站重力拱壩左壩肩分布有偉晶巖劈理帶G4，貫穿壩肩上下游，與左岸重力墩大致平行，距上游壩面5～10m，傾向上游，傾角84°左右，分為3～5個分支，內有3～5cm厚非連續性夾泥，實測4個點的變形模量平均為2.2GPa。結構模型試驗表明，壩基進行有關加固和一般防滲處理后，在正常蓄水位條件下，G4內部受拉應力作用；天然狀態地質力學模型試驗表明，庫水位達正常蓄水位時，G4即開始出現裂縫。設計除對左壩肩及G4采取了有關結構處理措施外，對G4的防滲處理考慮過混凝土斜防滲墻方案和組合化學灌漿帷幕方案，經上級批準，采用了組合化學灌漿帷幕方案。對G4在現場進行了高壓水泥灌漿及“中化-798”(一種環氧樹脂漿與Lw(一種水溶性聚安脂)化學灌漿試驗。由于G4組合帷幕有抗拉、抗剪及提高變模的要求，設計對組合帷幕幕體灌漿試驗要求為：透水率q<0.1Lu，變模Eb=5～7CPa，抗剪強度τ>2MPa，抗壓強度σ達到0.5～1.5MPa，遇水線膨脹率2%～3%(對Lw灌漿的要求)。通過現場試驗、各項檢查測試及室內試驗，認為取得了令人滿意的成果，專家審查認為試驗成果宏觀上均可滿足設計要求。最終確定G4采用上述組合帷幕試驗方案進行處理。組合帷幕先進行最大壓力為6MPa的高壓水泥灌漿，再進行壓力為3MPa的“中化-798"灌漿，最后在上游側進行壓力為3MPa的Lw灌漿。“中化-798"灌漿完成934.56m，平均注入量46.29L/m，Lw灌漿完成1563.15平均注入量17L/m。G4組合帷幕灌漿施工完成后對“中化-798"灌漿鉆孔取樣進行了室內力學試驗，就試驗結果本身看，化學灌漿是成功的，但取樣代表性值得研究，試驗結果離差系數較大，試樣以破碎巖體為主，對泥化帶試樣較少甚至沒有。
　　4 三峽工程基礎化學灌漿必要性分析
　　三峽工程壩墓巖體為閃云斜長花崗巖，其中含有細粒閃長巖和片巖包裹體、花崗巖脈、偉晶巖脈、輝綠巖脈及閃斜斑巖脈。壩基利用巖體以微新巖石為主，部分利用了弱風化下部巖體。基巖構造裂隙屬細微裂隙，從總體看，透水性微弱，相對不透水巖體(q<1Lu)埋深為10～60m，局部達110m，在斷裂發育帶、卸荷帶及巖脈與斷裂接觸面透水性強，相對不透水巖體頂板相應下降。
　　各建筑物墓礎帷幕的防滲標準為透水率q<1Lu，一般地段布置一排孔，局部斷裂帶及強透水區布置二排孔，灌漿材料為普通水泥和濕磨普通水泥，設計最大灌漿壓力6MPa，灌漿普通水泥達不到設計防滲要求的地段，考慮采用超細水泥漿材或化學漿材灌注；基礎固結灌漿只考慮對壩踵、壩趾各四分之一左右范圍受卸荷、爆破作用使巖體完整性受到影響、透水性增大的淺部表層基巖，以及斷裂構造及其交切區基巖的淺層基巖，邊坡穩定需要充填加固的部位，進行固結灌漿處理。壩踵、壩趾各四分之一左右范圍的灌漿深5～6m，斷裂等地質缺陷部位灌漿深10～20m，主帷幕與封閉帷幕前固結兼輔助帷幕深度分別為20m和10m。視各部位的施工安排情況，采用在3～4m混凝土蓋重、基巖找平混凝土及引埋管方式進行固結灌漿，灌漿壓力一般為0.4～0.6MPa，灌漿材料為普通水泥和濕磨普通水泥。
　　三峽工程開工后進行了兩個階段的現場灌漿試驗，第一階段為水泥灌漿試驗，第二階段為泥化斷層加固的水泥化學復合灌漿(固結灌漿)試驗。針對F548選擇合適的試驗場地，最終選定在與F548性狀類似的f215進行現場試驗。設計提出疏松狀構造巖及泥化帶在飽和狀態下應達到如下要求：變形模量Eb≥15GPa，抗拉強度RL≥1.3MPa，抗剪參數C≥1.5MPa，f≥1.3，軸心抗壓強度Ra≥10.5MPa，泊松比μ≤0.25，透水率q《1Lu。現場各項檢查及取樣室內試驗結果表明，采用“長科院-CW”漿材進行水泥化學復合灌漿處理類似F215斷層破碎帶，效果明顯，整體達到了設計要求。

　　三峽工程正在進行緊張的施工，二期工程帷幕灌漿已全面展開。根據三峽工程基巖滲透特性、現場帷幕灌漿試驗成果及一期工程部分壩段帷幕灌漿施工資料，筆者認為，三峽工程壩基防滲帷幕采用“小口徑鉆孔、孔口封閉”高壓灌漿法灌注普通水泥和濕磨普通水泥，在一般部位基本能滿足設計防滲標準，但不排除局部特殊地段達不到設計防滲要求，相信通過增加水泥灌漿孔的排數、采用超細水泥等措施，進行處理后能滿足防滲要求；另外，由于三峽工程基巖為細微裂隙，按國內一些類似已建工程壩基防滲、排水設計經驗和觀測資料，三峽水庫蓄水后，局部地段出現壩基排水孔排滲量較大、揚壓力偏大甚至超過設計值問題可能會存在，到時根據實際情況，可能需要采用具有良好穿透性和可控制膠凝時間的化學材料進行處理。
　　在基巖加固方面，升船機上閘首F548斷層經計算采用掏挖回填混凝土結合水泥灌漿處理措施后，基本上能滿足設計要求，加上難以創造條件對F548進行進一步化學灌漿處理，沒有采用水泥化學復合灌漿作進一步處理。考慮到三峽工程規模巨大、戰線長，特別是永久船閘牽涉到諸多復雜的巖石力學問題。第一階段水泥灌漿試驗表明，按上述帷幕灌漿設計參數，采用“小口徑鉆孔、孔口封閉”高壓灌漿方法，灌注普通水泥和濕磨普通水泥漿所形成的幕體，滿足設計防滲要求；在有混凝土蓋重和基巖找平混凝土方式下灌注普通水泥和濕磨普通水泥漿滿足一般裂隙性巖體部位的固結灌漿要求。
　　第二階段泥化斷層加固的水泥化學復合灌漿試驗是在升船機上閘首揭露出F548等泥化斷層后開展的F548斷層有多個分支，寬0.1～1.3m不等，構造巖呈疏松狀，局部泥化，構造巖變形模量試驗最低為7.9～32.18MPa，地質建議值為200～500MPa。F548斷層的分布對上閘首結構極為不利，斜切上閘首右下角，在相鄰的左非8#壩段與F23斷層交匯。對其處理措施進行了多方案的比較，方案比較過程中對化學灌漿處理方案進行了重點考慮。參照龍羊峽G4辟理帶環氧漿液化灌經驗，并根據有關專家的建議，進行水泥化學復合灌漿試驗。其地面及地下工程開挖已揭露出數條類似F548的泥化斷層，必要時可采用水泥化學復合灌漿進行處理；此外，左廠1～5壩段壩基緩傾角裂隙對壩基穩定的影響問題，受到各方面的高度重視，是三峽工程一項重要技術課題，雖然經論證各項結構處理措施能滿足抗滑穩定要求，但是否有必要采用水泥化學復合灌漿作進一步處理，值得研究。
5 結語
　　(1)根據三峽工程現場灌漿試驗成果及一、二期工程部分壩段帷幕與固結灌漿施工資料，三峽工程帷幕灌漿需采用丙凝類材料灌漿的必要性與可能性不大；一些特殊地質缺陷部位，采用化學灌漿進行地基加固問題值得研究。
　　(2)水工建筑物對地基防滲要求雖然較高，一方面，采用普通水泥或細顆粒水泥灌漿，特別是高壓灌漿的廣泛采用，一般能滿足壩基防滲要求；另一方面，隨著壩基防滲排水設計經驗和已建工程壩基揚壓力觀測資料的不斷積累，目前，壩基防滲設計標準有放寬的趨勢，加之環境保護問題日益重要，限制了化學灌漿技術在壩基防滲中的使用。
　　(3)由于化學灌漿技術的獨特優越性，在水電行業及其它行業采用化學灌漿加固地基，已越來越多，化學灌漿技術在地基加固處理方面還是有發展與應用前途的。

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