金沟河一级水电站隧洞围岩高压固结灌浆处理

唐 军，张亚智

（1.新疆金沟河流域管理局，新疆 沙湾 832100；2.洋县引酉工程灌溉管理局，陕西 洋县 723300）

1 工程概况

金沟河一级水电站工程位于新疆维吾尔自治区塔城地区沙湾县内，水电站工程旨在通过自身15.64 m高的拦河坝的实现对金沟河流域集水面积1265.17 km2河川径流的截引，通过长度5.74 m的φ3.8 m压力隧洞以及φ2.8 m的系统管道完成流域至水电站厂房的引流。金沟河一级水电站厂房位于金沟河河道右岸岸台，离沙湾县县城74 km。工程装机总容量34 MW，年均供电量5533.5万kW·h，装机耗费小时数2231.1 h，所使用装机水轮机为15 MW×2台+10 MW×1台，工程为小（Ⅰ）型，等级四级，水电站工程主要包括主流拦河坝、支流引水坝、进水口、引水隧洞、压力管道、升降压泵、厂房、尾水渠等建筑物。

2 水文地质条件

2.1 水文地质条件试验成果

2.1.1 压水试验和水力劈裂试验

金沟河一级水电站隧洞区域地下水主要是基岩裂隙水，储存在断层裂隙及孔洞内，依靠环境降水和重构地表水的下渗完成补给。常规压水试验在水电站地下厂房进行，在243段试验段中有242段透水率低于8.9 Lu，均值0.89 Lu，围岩岩体弱透水性。其余一段则位于断层破碎带，透水率为25 Lu，岩体中透水性。高压压水试验结果表明，金沟河一级水电站隧洞内个别断层破碎带存在一定透水性外，其余试验段均属于弱透水性。

为分析工程区水文地质情况，还需进行水力劈裂试验。对于隧洞内两段裂隙密集带其劈裂压力较低，分别为4.5 MPa和5.3 MPa；另一陡峭发育张性裂隙劈裂压力仅有4.1 MPa，其余试验段劈裂压力均在6.8 MPa～11.5 MPa范围。水力劈裂试验结果显示，对于埋深55 m以下的弱风化混合岩层劈裂压力最小为4.8 MPa，工程区隧洞围岩岩体属微透水性，此性能及透水率并不受地层压力条件不同的影响，围岩岩体完全能承受高内水压力的影响，不会发生渗透破坏[1]。

以上压水试验和水力劈裂试验结果表明，金沟河一级水电站隧洞地层水文地质条件完全适合钢筋混凝土衬砌及高压固结灌浆的实施。

2.1.2 断裂透水性

通过围岩岩层开挖发现断层涌水、滴水现象存在，NE向断层用水量较大，通过主探洞进行断层揭露发现大规模突发性涌水，地下水由掌子面距离探洞底板1 m、直径25 cm的孔内喷射而出，初始单位流量1.5 m3/s，历时5 h的累计涌水量多达2.55万m3，此后涌水逐渐减小，10 d后单位流量降至0.0269 m3/s。探洞断层涌水发生后导致中平洞水位分别降低285 m和115 m，下平洞和高压岔管水位分别降低240.49 m和156.95 m；中斜井处地下水位埋深本身不大，所以断层涌水后地下水位并无明显变化。上述结果表明，金沟河一级水电站隧洞断层属储水-导水构造，储水孔洞和透水裂隙断层网络[2]普遍存在，在隧洞围岩开挖时所有断层必将出现渗水和滴水现象，部分裂隙也会出现，地下水资源丰富，断层透水性强、水渗透性能良好。

2.2 主要水文地质问题

隧洞施工开挖主要揭示西北向断层并传统中下斜井、中平洞，断层透水性能良好，开挖后将发生渗水、滴水及股状水，下斜井NW向断层内渗水较多，连通NE向断层后同时穿过高压隧洞，加之断层属张性和张拗性，透水性强，断层网络及水文地质条件复杂。高压隧洞出现内水外渗后经由NW向渗入断层、高压隧洞及厂房，将对混凝土衬砌施工造成不利影响，甚至随着引水钢管外水压力的不断升高而引发钢管内鼓、围岩失稳。

3 隧洞围岩高压固结灌浆处理

3.1 灌浆设计

按照透水衬砌理论进行高压隧洞设计，充水将引起隧洞围岩混凝土开裂，高压内水出现外渗，为了减轻内水外渗所引起水量损失并控制可能引发的围岩失稳，必须进行水电站隧洞围岩高压水道固结灌浆处理。

3.1.1 水泥固结灌浆

水泥固结灌浆通常按隧洞静力水头的1.3～1.6倍设置灌浆压力，压力值最大不能超过7.0 MPa，本工程隧洞围岩高压固结灌浆上中下斜井灌浆压力分别为3.5 MPa、4.5 MPa和7.0 MPa。中平洞和下平洞灌浆压力分别为5.0 MPa和7.5 MPa。除下斜井、下平洞灌浆孔深4.5 m外，其余洞段内Ⅰ～Ⅱ类围岩灌浆孔深3.5 m、Ⅲ～Ⅳ类围岩灌浆孔深5.5 m。下平洞和高压岔管灌浆孔距1.5 m，下斜井孔距2 m，其余洞段灌浆孔距3.0 m。对于特殊的地质构造区域或灌浆存在异常的特殊孔段必须做加密或加深灌浆处理，此外，对于下平洞和高压岔管内的断层还必须增设20 m孔深，单排通常布设2～4个深孔。

3.1.2 化学固结灌浆

在水电站隧洞围岩下平洞和高压岔管还需实施系统性化学灌浆，孔深7.5 m，孔距1.5 m，每排布设10孔，对于断层及透水性较大的特殊围岩应增加孔洞布设。同时，对于中斜井、下斜井和中平洞特殊地质构造围岩也必须进行化学固结灌浆，根据断层产状进行孔距、孔深、孔数等的确定。化学固结灌浆压力与相同部位水利固结灌浆压力相同。固结灌浆孔选择径向孔，孔向主要依据隧洞围岩断层、结构面等进行调整，以确保灌浆孔多穿过结构面。

3.2 灌浆材料

除使用普通的硅酸盐水泥外，还包括JD-1改性环氧防水补强剂和改性环氧树脂，此种型式的抗渗剂力学性能优良，具有抗老化、无毒副、抗渗等优势[3]。主剂、固化剂和促进剂按100∶7∶1的比例完成配比，并结合固结灌浆实际进行浆液配置，由人工均匀拌和，拌和时间≥10min，浆液初凝时间保持在10 h左右。

3.3 固结灌浆施工

3.3.1 造孔与洗孔

固结灌浆造孔对于孔深不足7.5 m的情况采用φ42 mm或φ50 mm钻头的手风钻一次性完孔，而对于孔深超过7.5 m的深孔则采用圆盘钻。造孔前掌握好钻孔角度，避免孔向偏离，影响灌浆圈封闭性能。钻孔完毕后，使用大流量水按低于1 MPa的冲洗压力冲洗孔壁，待孔壁内盐粉和泥渣等彻底冲净，回水清澈后结束。

3.3.2 灌浆过程控制

（1）水泥灌浆。按照环间分序、环内加密、孔内分段的顺序进行高压岔管浆液灌注，首段段长分别为2.5 m、3.5 m或3.0 m，次段段长为2.5 m或5.5 m。由于中下斜井借助爬升器牵引作用完成灌浆，其操作平台通常只能上而不能下，所以，灌浆应从低至高逐排进行，同排内则从底孔至顶孔逐孔完成。剩余洞段则按环间分序和环内加密完成全孔一次性灌注。

（2）化学灌浆。实行纯压式全孔一次性灌注，在衬砌混凝土内接近围岩与混凝土的接触面安装阻塞器，并防止高压化学灌浆过程可能对混衬砌凝土产生高压劈裂的不利影响。初灌环节实行低压慢灌，并逐步升压，每次压力提升幅度≤0.1 MPa，直至达到设计要求则结束升压。之后按照灌浆范围及孔洞布设，从隧洞底部开始向两侧逐次灌浆，并通过邻孔排水排气，一旦出现邻孔冒浆现象，必须尽快排出积水、堵塞邻孔。

3.3.3 固结灌浆控制

（1）水泥灌浆。当灌浆压力不足4.5 MPa时，应根据设计压力待注入率低于1 L/min之时，持续灌注30 min就可结束灌浆；当灌浆压力超过4.5 MPa时，待注入率低于2 L/min时持续灌浆20 min便可结束灌注。灌浆完毕后为了防止泄压导致灌入浆液的流失，应先关闭灌浆阀门，再停止灌浆泵。

（2）化学灌浆。待灌浆压力符合设计要求且进浆量不足0.05 L/min时持续压浆10 min后便可闭浆结束化学灌浆过程。结束后还要拔塞并在浆孔卡塞段按水∶灰∶砂=0.5∶1.0∶1.0的比例配比封闭液，同时掺入水泥用量3.5%轻烧MgO水泥砂浆封闭灌浆孔，由于封闭液具有微膨胀作用，故应预防干缩裂缝的形成。

3.4 灌浆效果检查

检查方式以压水试验为主，声波值比对为辅。经检查，水泥固结灌浆透水率低于2.0 Lu，化学固结灌浆透水率低于1.5 Lu，合格率达到100%。对上中下平洞、高压岔管等进行灌浆前后声波比对测试，结果表明，上平洞灌浆前声波波速均值3687 m/s～4260 m/s，中下平洞灌浆前后声波波速均值低于4000 m/s，灌浆结束后声波波速均值在4894 m/s～4926 m/s范围内。高压岔管灌浆前波速均值3172 m/s～3284 m/s，灌浆后均值4700 m/s～4725 m/s，可见，固结灌浆使隧洞围岩整体稳定性提升。

4 结论及讨论

结合所进行的常规压水试验、水压劈裂试验成果及工程区水文地质调查资料，金沟河流域一级水电站高压隧洞部分围岩呈弱渗透性，内水压力构成围岩主要应力，抗水力劈裂压力不高，下平洞及高压岔管在内水压力下发生水力劈裂可能性很小，适宜限裂钢筋混凝土衬砌施工。工程区张拗性断裂发育，透水性良好，区域NW向发育断层形成强透水性网络，容易引发高压内水外渗，且增加了水文地质条件的复杂性。对于本工程较为复杂的水文地质条件，应实施隧洞系统性高压水泥固结灌浆及局部化学灌浆的防渗措施，针对灌浆异常等特殊洞段则实行深孔加密固结灌浆强化防渗，灌浆处理效果明显，且灌浆措施的实施并不影响围岩岩体的完整性及不透水性。