锦屏一级水电站水泥化学复合灌浆技术

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(1.长江工程职业技术学院，武汉 430212；2.长江水利委员会工程建设局，武汉 430010)

锦屏一级水电站水泥化学复合灌浆技术

何向红1,管仕军2

(1.长江工程职业技术学院，武汉 430212；2.长江水利委员会工程建设局，武汉 430010)

锦屏一级水电站大坝左岸断层较发育且规模较大，其深部裂缝、裂隙卸荷带及其它软弱带广泛分布。工程施工中创造性采用水泥—化学复合灌浆技术：即利用湿磨细水泥浆液对地层内较大裂隙进行封堵、充填，达到封闭目的后，再采用化学灌浆对软弱破碎带实行进一步固结补强。实践证明，其效果良好。

锦屏一级水电站；左岸断层；软弱破碎带；复合灌浆技术

1 工程概况

锦屏一级水电站位于四川省凉山彝族自治州木里县和盐源县交界处的大河湾干流河段上，是雅砻江下游从卡拉至河口河段水电规划梯级开发的龙头电站。大坝设计坝高305m。

锦屏一级水电站大坝左岸断层较发育且规模较大，其深部裂缝、裂隙卸荷带及其他软弱带广泛分布。在不同岩性、不同部位具明显的差异，以规模较小的Ⅲ、Ⅳ级深部裂缝为主，主要沿长大软弱结构面两侧分布，在完整岩体中分布较为随机，局部呈带状分布，深部裂缝发育段岩体松弛，声波、变模值低，岩体质量差；其软弱低渗透破碎带岩层挤压致密，且渗透系数较小，可灌性差。采用复合灌浆技术对地层内较大裂隙进行封闭，并对软弱低渗透破碎带实行进一步固结补强；保证坝基满足工程要求。

2 复合灌浆技术研究

锦屏一级水电站工程施工中，依据科学理念[1]，结合工程特点，创造性采用水泥—化学复合灌浆技术：即利用湿磨细水泥浆液对地层内较大裂隙进行封堵、充填，达到封闭目的后，再采用化学灌浆对软弱低渗透破碎带实行进一步固结补强。

2.1 复合灌浆机理实践表明，常规的水泥灌浆浆液仅能对地层较宽大的裂隙(水泥灌浆一般对0.2mm以上的裂隙有效)进行充填。当遇到软弱低渗透地层，无法达到有效处理。软弱低渗透破碎带不仅岩层挤压致密，其渗透系数约在K=n×10-5cm/s左右，一般认为，岩体渗透系数为K=n×10-4cm/s以下的地层，灌浆效果差。

室内模拟试验研究表明：高渗透的环氧树脂灌浆材料，能有效充填岩层中细微裂隙，且对软弱、致密、渗透性极低断层带能有效的灌注，大幅度提高其力学性能和防渗性能，但该材料成本过高。

根据以上研究，综合制定水泥—化学复合灌浆施工界限准则：

岩层透水率大于1Lu，先对地层进行湿磨细水泥灌浆处理，对较大裂隙进行充填，起一般固结防渗的目的；再进行化学灌浆，起到补强防渗的目的。

岩层透水率小于1Lu，直接对地层进行化学灌浆处理，起到补强防渗的目的。

通过引入杨氏方程和马格理论研究，总结出了在灌浆浆材确定情况下的灌浆特点：灌注历时越长，浆液扩撒半径越大，灌注质量将越好；浆材的润湿铺展能力越好，对岩石的渗灌效果越佳。从而建立了本次化学灌浆的施灌原则：即“长历时、低速率、浸润渗灌”。并指导浆材的室内试验和现场的施工。

2.2 复合灌浆材料

灌浆材料的研究采用两种步骤：一方面通过室内模拟灌浆试验检测浆材性能，对浆材配比进行优化，通过生产试验验证后应用于现场施工；另一方面应用有机化学原理机理，通过试验检测结果与常规检测结果的对比检查该方法的可靠性，从而建立快检制度，解决常规检测周期长而带来的诸多问题。

(1) 水泥—化学复合灌浆材料性能研究

锦屏一级水电站软弱低渗透地层的化学灌浆，有很大一部分工作是要进行地层的驱水工作，即环氧树脂灌浆材料要渗入岩体内，在岩体这个固相介质—孔隙面以化学浆液取代岩体水，胶凝固化后起到补强与防渗的作用。因此，环氧树脂灌浆材料要有较强的展铺润湿能力，液体的接触角要小，表面张力要适宜，要能够在岩体中充分的展铺排水、穿透进占孔隙，固化后起到补强防渗的作用。

根据杨氏方程原理总结出科学的浆材选择方法：浆液接触角θ宜小于90°。

(2)首次利用化学浆液的η-t双对数变化曲线，分析浆材的可操作时间及可灌性。

开展对相同的及不同配比的环氧树脂灌浆浆材在相同及不同的环境条件下的η-t双对数变化曲线走势情况分析(如图1)，为现场化学灌浆提供筛选浆材技术数据。

研究表明：在新型固化体系下，环氧浆材的初始黏度约为14mPa.s，可操作时间(达到黏度100mPa.s时)约为30h，当浆材黏度达到100mPa.s时，浆材的可灌性就大大降低，不能很好的对断层及层间挤压错动带进行浸润渗灌。(图中数据为化学灌浆浆材质量比)

图1η-t双对数曲线

(3)化学灌浆材料现场快速检测

施工中，利用灌浆材料化学反应速率与反应温度成正相关特点，建立与之适应的反应温度环境，找到化学浆材固化反应的最短时间，制定出相适应的快速检测规程(图2)，10天内可检测出化学浆液的各项性能指标。有效解决了因化学灌浆材料检测周期长而带来的材料囤积、资金周转等困难。

图2浆材快速检测操作流程

2.3 复合灌浆工艺

考虑到灌浆工程断层带分布不均，规模大、强度高、工序复杂等特点，在借鉴类似工程的施工工艺基础上，对水泥—化学复合灌浆施工工艺进行优化设计，保证工程质量。具体见图3。

图3水泥—化学复合灌浆施工工艺流程图

3 复合灌浆技术应用

仅取左岸坝基1 601m高程和左岸抗力体1 670m高程断层及层间挤压带复合灌浆作为实例，介绍复合灌浆技术应用。

3.1 左岸1 601m高程大坝防渗帷幕复合灌浆

左岸大坝1 601m高程防渗帷幕分布有规模较大的f2、f5断层[2]，同时靠近山体侧，其中：f2断层组成物质主要为片状岩、少量糜棱岩及强风化绿片岩，局部炭化呈黑色，天然状态下挤压紧密，遇水易软化、泥化。f5断层主要由强风化的黑色炭化断层泥、糜棱岩及角砾岩、碎裂岩组成，局部风化成黄褐色，散体结构，但破碎带挤压较紧密。

2010年1月开始该高程段帷幕灌浆施工，水泥灌浆后部分检查孔仍存在涌水情况。经研究决定采用水泥—化学复合灌浆技术进行针对性的补强(2011年7月开始施工)。

(1)水泥、化学复合灌浆设计[3]

灌浆孔布置两排，排距2.6m、孔距1.0m。排内分两序施工，先施工下游排再施工上游排，按逐序加密的顺序进行灌浆施工(图4)。

图4水泥—化学复合灌浆孔典型布置图

(2)施工工艺流程

抬动观测孔→灌前测试孔→下游排Ⅰ序灌浆孔→下游排Ⅱ序灌浆孔→上游排Ⅰ序灌浆孔→上游排Ⅱ序灌浆孔→灌后检查孔。当灌前压水试验透水率小于1.0Lu时，直接进行化学灌浆；当灌前压水试验透水率大于1.0Lu时，先进行湿磨细水泥灌浆，当透水率达到小于1.0Lu后，方可进行化学灌浆。其施工工艺流程见图3。

(3)钻孔及孔口管镶筑

采用地质回转钻机钻孔。非化学灌浆段钻进采用φ91mm孔径，钻进至非化学灌浆段底部以下采用φ56mm。

孔口管采用φ73mm钢管；有非化学灌浆段的灌浆孔从孔口镶铸至非灌段底部，并外露20cm，无非化学灌浆段的灌浆孔从孔口镶铸入岩3m，并外露20cm；孔口灌浆镶铸后待凝24h，方可进行下一段钻孔及灌浆。

(4)钻孔冲洗及压水试验对浅孔段或大理岩孔段采用通过钻杆进行大流量水冲洗至澄清，对于深孔段或f5断层及其影响带采用卡塞方法，射浆管下至孔底，从回浆管进风或大流量水，也可接三通采用风水联合冲洗，进浆管排渣。

每一段钻孔冲洗干净后进行压水试验，压水采用单点法压水试验。

(5)湿磨细水泥灌浆方法

湿磨细水泥制浆工艺流程见图5。

图5湿磨细水泥制浆工艺图

湿磨细水泥浆液灌浆采用“自上而下、孔口封闭、孔内循环”灌浆法。水灰比：采用4级水灰比进行灌注2：1、1：1、0.7：1、0.5：1。

(6)化学灌浆

①化学灌浆：全孔进行化学灌浆的灌浆孔采用孔口封闭、纯压式灌浆法；有非化学灌浆段的灌浆孔采用孔内卡塞、自上而下分段、纯压式灌浆，灌浆塞卡在孔口管底部。化学灌浆遵循“长时间、慢速率、尽量达到一定的注入量”的原则，一般情况下注入率应控制在0.05L/min.m～0.10L/min.m之间。当注入率≤0.05L/min.m时，应适当提高灌浆压力，当注入率≥0.10L/min.m时，可适当降低灌浆压力或控制注入量。灌浆开始后持续测读注入率，在设计灌浆压力下，每10min测读一次，1h内连续4次读数注入率均不大于0.01L/min.m后，变换为速凝化学浆液配方持续灌浆4h，可结束灌浆。每个灌浆段灌浆时间不得小于40h。如注入率不满足上述条件，应延长灌浆时间至满足结束标准，但每段灌浆时间不宜超过72h。

②水泥浆液置换及闭浆

孔段化学灌浆结束后，采用0.5：1水泥浆置换孔内化学浆液。置换结束后应待凝，“置换+待凝”时间应大于速凝化学浆液的胶凝时间。

③封孔

全孔化学灌浆完成后，用0.5:1浓浆进行纯压式灌浆封孔，灌浆压力采用最大灌浆压力，封孔持续时间不小于1h。待孔口段浆液凝固后，对孔上部剩余空隙使用干硬性水泥砂浆人工封填捣实。

④特殊情况处理

在化学灌浆过程中，若灌浆单耗量达到60kg/m而灌浆压力达不到设计压力的80%时，换用PSI-501(配比5:1)材料限量灌注，注入量为孔管容量+L*10kg/m(L=对应段长)，然后限量注入PSI-501(配比6:1)浆材(注入量为对应孔深孔占)，待凝24h后采用PSI-501(配比6:1)恢复灌浆。

3.2 左岸1 670m高程抗力体断层及层间挤压带复合灌浆

左岸抗力体部位主要断层及层间挤压错动带特征见表1。

表1 左岸抗力体部位主要断层及层间挤压错动带特征表

工程施工中采用非化学灌浆段阻塞灌浆及镶管隔离、风—浆联合排除孔内积水、水泥浓浆置换、浆材配比控制等施工措施，提高综合工效，确保了灌浆效果。[6]

(1)非化学灌浆断隔离

化学灌浆非灌段隔离主要采用0.5:1的水泥浆液从孔口至非灌段段顶镶铸φ73mm无缝钢管，化学灌浆时可采用孔口封闭法或直接将阻塞器下卡至钢管底部进行。

(2)孔内排水

现场孔内排水采用以压缩空气、化学浆液联合排水技术，该方法摒弃了以往预灌丙酮的施工工艺，不仅提高了现场生产的安全性，同时还大幅降低了化学灌浆的材料成本及环境污染风险。

排水原理：孔口卡塞，安设进浆管和回浆管，进浆管下至孔底。先用压缩空气从回浆管进风，将孔内大部分水由孔底进浆管反排出孔内，再以化学浆液赶水。

(3)水泥浓浆置换屏浆

在施工中为缩短灌段间的钻孔间隔时间，防止孔内化学浆液的返渗，在闭浆完成后，采用0.5：1的水泥浓浆置换孔内化学浆液。待水泥浆液初凝后，即可进行扫孔及其下一段钻孔及灌浆工作。

(4)对不同地层采取不同配比进行控制灌注

根据不同地层的吸浆情况，采取了不同的配比及不同进浆控制速率，既能保证吸浆率较小的地层的灌浆效果和质量，又避免了吸浆率较大的地层浆液在岩层中的无谓流失。参考值见表2。

表2 环氧树脂材料灌浆配比及进浆速率

若遇特殊情况吸浆量较大(超过1.0L/min.m)时，可使用PSI-530(5:1)型速凝浆液，提高进浆速率至0.4～0.8 L/min.m(5m段长)迅速灌注后待凝，以控制浆液的扩散范围，保证灌浆质量。

4 复合灌浆效果检测及分析

锦屏工程在地质缺陷部位f2、f5各高程段灌浆处理后，通过灌后压水试验、声波测试、变模测试等技术手段对复合灌浆效果检测及分析[5]，并进行质量评价。各项控制指标见表3。

表3 化学灌浆灌后检测控制指标

注：①声波速度测点以每个检查孔为单位进行统计。 ②压水试验孔段合格率在90%以上，不合格孔段的透水率不超过设计规定的150%，且不集中。

根据设计化学灌浆质量检查标准，综合分析可知：左岸1 601m高程帷幕灌浆f2、f5断层；1 670m高程f5、f2断层层间挤压带化学灌浆，灌后孔压水试验透水率、声波检测、变模测试各测试指标全部满足设计要求[6]。检查成果见表4、表5、表6。

表4 左岸1601m高程复合灌浆灌后平均透水率检查统计

表5 左岸1601m高程化学灌浆声波平均波速检查统计

表6 左岸1601m高程复合灌浆变模值检查统计(GPa)

另据钻孔全景图像解译资料表明：左岸1 670m高程帷幕洞f5、f2断层及层间挤压带化学灌浆后检测孔除部分孔段岩体裂隙发育，局部存在少量掉块、部分裂隙面锈染外，其它孔段孔壁较光滑，灌后岩体总体完整[7]。

5 结 论

锦屏一级水电站通过工程实践成功运用和创新了复杂地质条件下水泥化学复合灌浆技术，主要表现在：(1)采取 “长历时、低速率、浸润渗灌”的特殊处理方法，为工程的顺利实施提供了科学依据。(2)引入浆液“黏度—时间”曲线(η-t双对数曲线)，对现场施灌浆液进行定时更换，以保持其高渗透性。(3)总结了环氧浆材现场快速检测法。节约工时，降低成本。(4)在施工中首创将灌浆段与非灌浆段有效隔离措施、采用“水泥置换”技术和新型“风—浆”联合赶水技术。

锦屏工程是目前国内外最大的低渗透地层化学灌浆区域，水泥—化学复合灌浆方法的采用对改善工程地质条件起到了良好作用，由此形成的系统工艺和方法能给同类工程提供一定的借鉴作用。

[1] DL/T 5148-2001，水工建筑物水泥灌浆施工技术规范[S].北京:中国标准出版社，2001.

[2] 石 军，韦尚伟. 锦屏一级水电站左岸1 670m层f2断层化学灌浆现场质量管理与控制[J].中国高新技术企业,2014(28):108-109.

[3] 范光华. 化学灌浆技术在锦屏一级电站工程中的实验研究[J]. 广西水利水电技术,2008(3):8-11.

[4] 王 胜，黄润秋，祝华平. 锦屏一级水电站坝f5断层、基煌斑岩脉复合灌浆技术研究[J].工程地质学报,2012(03):440-446.

[5] 王纪敏，蒋学林. 锦屏一级水电站煌斑岩脉水泥化学复合灌浆试验研究[J].长江科学院学报,2010(2):60-63.

[6] 郝明辉，党玉辉，姚 欣. 水泥—化学复合灌浆在断层补强中的应用效果评价[J].岩石力学与工程学报,2013(11):2268-2274.

[7] 舒建平，李小波，杨静熙. 锦屏一级水电站坝基煌斑岩脉及f18断层水泥—化学复合灌浆效果综合评价[J].水电站设计,2015(6):53-56.

Abstract：The faults of the left bank of the Jinping I Hydropower Station are becoming larger and larger and their deep fractures, fissures, unloading zones and other weak zones are widely distributed. The cement-chemical composite grouting technology is creatively adopted in the construction, that is, the use of fine wet grinding cement to seal and fill the larger cracks in the stratum to achieve the purpose of sealing, and then chemical grouting is used to further consolidate and reinforce the weak fracture zone. Practice has proved that the effect is good.

Keywords：Jinping I Hydropower Station; left bank faults; weak fracture zone; cement-chemical composite grouting technology

Cement-chemical Composite Grouting Technology of Jinping I Hydropower Station

He Xiang-hong1, Guan Shi-jun2

(1. Changjiang Institute of Technology, Wuhan, Hubei, 430212; 2. Engineering Construction Bureau of Changjiang Water Conservancy Commission, Wuhan, 430010)

TV543+.2

B

1673-0496(2017)03-0011-05

2017-04-29

何向红(1962-)，女，湖北黄梅人，副教授，大学，研究方向：水利与土木工程施工。

10.14079/j.cnki.cn42-1745/tv.2017.03.004