锦屏二级水电站引水隧洞岩溶洞段裸岩固结灌浆试验分析

刘健华 来记桃

（二滩水电开发有限责任公司 成都市 610051）

周立忠

（湖南省水利水电勘测设计研究总院 长沙市 410007）

1 工程概况

锦屏二级水电站位于四川省凉山彝族自治州木里、盐源、冕宁3县交界处的雅砻江干流锦屏大河弯上，是雅砻江干流上的重要梯级电站。该工程利用雅砻江下游河段150 km长大河弯的天然落差，通过长约16.7 km的引水隧洞，截弯取直，获得水头约310m，电站总装机 4 800MW（8×600MW），多年平均年发电量242.3亿kW·h。该工程枢纽主要由首部低闸、引水系统、尾部地下厂房等永久性建筑物组成，为一低闸、长隧洞、大容量引水式电站。

在工程实际开挖施工过程中，引水隧洞及厂区枢纽等施工部位陆续揭露出众多岩溶形态。其中引水隧洞末端及高压管道区域，岩溶相对较发育，并以竖直裂隙通道为主，局部小规模溶洞发育。引水隧洞洞内长期静水压力最大约0.9MPa，最大动水压力约1.2MPa。引水隧洞岩溶洞段在长期的高内水作用下，将可能引起严重的内水外渗，从而直接威胁高压管道钢衬的抗外压稳定、恶化地下厂房运行环境、影响厂区边坡的安全。因此，引水隧洞岩溶洞段必须对溶蚀空洞进行回填混凝土和充填式固结灌浆处理（即裸岩固结灌浆），在隧洞周围形成一定厚度的防渗固结灌浆圈，确保工程安全。

2 试验目的

通过引水隧洞岩溶洞段裸岩固结灌浆试验，主要有以下几个目的：

（1）了解工程区围岩灌浆特性，检验固结灌浆措施的有效性。

（2）获得合适的灌浆程序、高效的灌浆工艺以及合理的灌浆参数。

（3）通过此试验成果，作为此类洞段灌浆设计和施工的主要依据。

3 试验区选择

试验选取1#引水隧洞末端的岩溶空腔发育洞段，桩号为引（1）16+510～16+540 段，长 30m，该段主要为盐塘大理岩。

4 试验区布孔形式

按照设计图纸要求，采取环距2m，每环20布个孔，孔深20m，孔向垂直于岩石表面，沿洞周呈发射状布置，奇偶环呈梅花形布孔。

5 施工技术措施

5.1 钻孔施工

试验区布置了8个抬动观测孔，孔位分布在底板、边墙和顶拱，孔径为Φ91mm，孔深为15m，钻完后安设抬动观测装置。

在试验区引（1）16+524断面布置4个声波测试孔，孔径Φ56mm。钻孔完毕后进行全孔冲洗和灌前声波测试。

灌浆孔环距2m，每环20个灌浆孔，孔径Φ56 mm，孔向垂直于岩石表面，沿洞周呈发射状布置，奇偶环呈梅花形布置，孔深20m。

5.2 钻孔冲洗及压水试验施工

灌浆孔钻孔结束后在灌浆前应用压力水进行全孔一次冲洗,直至回水清净为止或不大于20min,冲洗压力为灌浆压力的80%，且不大于1MPa。

灌浆孔在冲洗后应进行压水试验,试验孔数为I序孔总孔数的5%,采用单点法综合压水，压水试验压力为灌浆压力的80%，且不大于1MPa。

5.3 灌浆施工方法

（1）灌浆压力。

此次灌浆试验采用的最大压力是2.5MPa，根据不同孔段采取不同的压力，试验段灌浆孔分段长度及压力对应值详见表1。灌浆压力的升幅和升速，根据孔内吸浆量的情况而定，对于注入率较大的孔段，采取限流限量的方式灌浆。

表1 试验区灌浆孔分段长度和压力列表

（2）灌浆方法及灌浆塞阻塞位置。

灌浆主要采用自下而上分段纯压式卡塞灌浆法施工，一次造孔至设计孔深，灌浆塞阻塞在该灌浆段段顶以上0.5m处。灌浆记录采用自动记录仪。

（3）灌浆次序。

试验区灌浆试验施工总体按环间分序、环内加密的原则进行。灌浆次序为：先导孔灌浆—→Ⅰ序环Ⅰ序孔灌浆—→部分Ⅱ序环Ⅰ序孔钻孔灌浆—→Ⅰ序环环间加密孔与Ⅱ序环Ⅰ序孔灌浆同步进行—→Ⅱ序环环间加密孔灌浆。

（4）浆液水灰比。

灌浆水灰比采用 2∶1、1∶1、0.8∶1、0.5∶1 四个比级。

（5）浆液变换标准。

当灌浆压力保持不变，注入率持续减少时，或当注入率保持不变而灌浆压力持续升高时，不改变水灰比；当某一比级浆液注入量已达300 L以上，或灌注时间已达30min，当注入率大于30 L/min时，而灌浆压力和注入率均无显著改变时，灌浆浆液直接采用0.5∶1纯水泥浆。

（6）屏浆及灌浆结束标准。

第二段（第三段）在设计压力下，灌浆孔吸浆量不大于1L/min，继续灌注10min结束，然后进行孔口第一段（第二段）灌浆，孔口第一段（第二段）灌浆在设计压力下，吸浆量不大于1L/min，继续灌注30 min结束。

（7）封孔。

腰线以下的孔，4m以后采用0.5∶1的纯水泥浆带压封孔，（0～4）m采用 GS50EB砂浆泵灌注 1∶0.8∶0.33（灰∶砂∶水）水泥砂浆封孔；腰线以上的上仰孔采用 GS50EB 砂浆泵灌注 1∶0.8∶0.33（灰∶砂∶水）水泥砂浆封孔。

6 灌浆资料统计分析

6.1 灌浆资料统计分析

（1）试验区各次序孔的透水率频率分析。

试验期内完成灌浆5120延米，灌浆水泥2420.9 t，水泥砂浆9.47m3，I序孔平均透水率22.97 Lu，II序孔平均透水率7.60Lu。总体平均单位注入量472.8 kg/m，总体平均透水率15.29 Lu。基本情况见表2及图1。

由表2及图1可知：Ⅰ序孔透水率大于20 Lu的孔段占Ⅰ序孔总孔数的28%，Ⅱ序孔透水率大于20 Lu的孔段为0%。随着Ⅰ序孔的灌注，大的裂隙渗漏通道和岩溶发育区均被浆液充填密实，地层逐渐被改善，故Ⅱ序孔的透水率比Ⅰ序孔大幅降低，主要集中在20 Lu以下，说明Ⅰ序孔的浆液扩散半径，在大的裂隙通道能够覆盖伸入Ⅱ序孔浆液扩散区，但仍有大量的中小裂隙或岩溶影响区，须Ⅱ序孔灌注后得以改善，加密地层，减小透水率。

（2）单位注入量与灌浆次序关系分析。

表2 试验区各次序孔灌前透水率（含简易压水）频率累计表

图1 试验区各次序孔的透水率频率累计曲线图

根据统计，各次序单位注入量区间段和频率累计情况详见表3及图2。从单位注入量统计情况看，随着灌浆次序的增加，各次序的单位注入量值分布上遵循递减的规律。灌浆孔中单位注入量≥300 kg/m的频率，I序孔为65%，II序孔为38%，说明随着灌浆次序的增进，地层逐渐被灌注密实，地层的渗透性得到明显的改善。

表3 各次序单位注入量区间段和频率累计表

6.2 围岩抬动测试成果

通过对抬动观测孔观测数据统计分析，均未发现有抬动现象。

6.3 浆液扩散半径成果分析

通过浆液扩散半径成果来看，大部分扩散半径孔均发现有水泥结石，说明设计初步确定的2m间排距和灌浆压力是基本合理的。

图2 试验区单位注灰量频率累计曲线

6.4 灌后检查孔成果

试验区灌后压水质量检查孔共35孔，105段，其中透水率（0～1）Lu 有 99 段，占 94.3%；透水率（1～1.5）Lu有6段，占5.7%。检查孔压水试验结果表明，采用试验区的布孔形式和灌浆工艺，透水率不大于2 Lu可达到85%以上。Ⅰ序、Ⅱ序和检查孔的透水率有很明显的递减趋势，I序孔平均透水率22.97 Lu，II序孔平均透水率7.60 Lu，检查孔平均透水率小于1 Lu。

6.5 灌后声波测试成果

通过对试验区灌前灌后声波测试对比发现，从波速分布情况看，灌浆后岩体波速相对灌浆前有较大提高，各波速测试值均满足设计要求 （最小值不低于4 420m/s），表明灌浆质量和灌浆效果良好，声波检测合格。

7 结 论

7.1 推荐的灌浆参数

（1）灌浆孔深、孔距。

从试验结果看，灌浆设计孔深20m，孔排（环）距2m，基本上是合理的。

（2）灌浆水灰比。

采用 2∶1、1∶1、0.8∶1、0.5∶1 四个比级水灰比，开灌水灰比视简易压水情况而定。

（3）灌浆分段及灌浆压力。

采用本试验所确定的灌浆分段和灌浆压力，最大灌浆压力为2.5MPa，既能满足扩散半径要求，又对岩层不产生抬动。

（4）屏浆时间和结束标准。

采用自下而上的方式灌浆，在孔底最后两段，吸浆量不大于1 L/min，继续灌注10min即可结束；其余各段，如不是以0.5∶1的水灰比灌注结束，则吸浆量不大于1 L/min，继续灌注30min即可结束；如以0.5：1的水灰比灌注结束，吸浆量不大于1 L/min，继续灌注10min即可结束。

（5）封孔。

对于水平孔或俯孔，推荐灌浆段（4m以后）采用0.5∶1的水泥浆封孔，封孔压力为1.5MPa，带压封孔时间为10min；未灌浆段（0～4m段）采用M25砂浆进行无压封孔。 对于仰孔，推荐灌注 1∶0.8∶0.33（抗压强度40MPa以上）干缩塑性砂浆。

7.2 推荐的灌浆工艺

采用自下而上分段纯压式卡塞灌浆工艺，小循环灌浆系统，遇成孔困难的灌浆孔，可采用自上而下和自下而上综合灌浆工艺。

7.3 推荐的灌浆方法

对于脱空深度不大于0.5m的溶洞，采用小口径固结灌浆孔（一般为¢56mm），纯水泥浆灌注。

7.4 推荐的灌浆程序

总体原则按环间分两序（即单数环为Ⅰ序，双数环为Ⅱ序）、环内加密的次序进行施工，先施工Ⅰ序孔、再施工Ⅱ序孔，同环内如相邻两孔灌浆结束，可施工两孔之间的环内加密孔。

综合本次试验成果可知，各项参数基本合理，工程质量满足规范及设计要求，可作为此类洞段裸岩固结灌浆设计和施工的主要依据。

1 DL/T 5148-2001.水工建筑物水泥灌浆施工技术要求[S].

2 DL/T 5331-2005.水电水利工程钻孔压水试验规程[S].

3 SL 264-2001.水利水电工程岩石试验规程[S].

4 DL/T 5125-2001.水电水利岩土工程施工及岩体测试造孔规程[S].

5 DL/T 5013-92.水利水电工程钻探规程[S].