胜利水电站库区消落带泥质砂岩区环氧树脂干预材料研究

张 伟

（辽宁润中供水有限责任公司,辽宁 沈阳 110166）

1 工程背景

胜利水电站属于浑河的重要支流苏子河梯级开发的最末一级，是一座以发电为主，兼具防洪和养殖等诸多综合性功能的大型水利枢纽工程[1]，坝址位于辽宁省新宾县胜利村境内，工程等别为Ⅳ等[2]。胜利水电站工程选定方案的水库正常蓄水位为146 m时，相应库容为356.8 万m3。水库按20年一遇洪水设计，设计洪水位为146.78 m；100 年一遇洪水校核，校核洪水位为148.07 m，水库总库容为586.7 万m3。该工程由挡水坝、翻板闸、冲沙闸、电站厂房及变电站等组成。最大坝高21.79 m，翻板闸总净宽140.0 m，翻板闸堰顶高程141 m，闸门高为5.0 m。冲沙闸闸门尺寸为7 m×6.5 m，底板高程为140.0 m，电站总装机容量14100 kW，多年平均发电量3232万 kW·h。年利用小时数2450 h，电站保证出力11250 kW[3]。在电站建成运行过程中，上游库区会因为库水位的升降变化形成落差较大的消落带。水库库区消落带内的岩体由于受到湿干交替作用的影响，有可能引起岩体本身宏观力学性质的变化，特别是力学强度的劣化，进而对边坡的稳定性和工程的安全运行造成不利影响或潜在威胁[4]。当然，不同类型的岩体受上述湿干作用的影响程度是不同的。胜利水电站坝址位于苏子河上游的峡谷段内，河道呈弯曲的“S”型，总体为右凸岸，坡度为40°～ 45°，有残存的Ⅲ级基座阶地，高程为320.00 m～341.20 m，河床覆盖层厚5 m～16 m。坝址上下游为主要为侏罗纪和三叠纪地层，出露岩层以结晶片岩为主，具有相对完整的下盘，岩层产状比较稳定。钻孔和探洞显示，坝址区岩体风化深度不大。坝址区的地下水根据埋藏条件，有裂隙潜水和局部裂隙承压水两种类型。均由大气降水补给，向河床排泄。

胜利水电站上游左岸消落带分布有面积较大的侏罗纪和三叠纪泥质砂岩，这种性质的岩体在遇水后会发生幅度较大的力学强度劣化，对其进行一定的劣化进程干预是十分必要的[5]。目前，针对软岩力学强度劣化的干预方式主要有三种，分别是锚固、电化学加固以及化学材料加固[6]。对于水库运行期间消落带长期处于“湿干”交替作用的复杂物理化学环境条件中，采用锚固方法时，由于锚杆或锚索长期置于水环境中容易发生锈蚀，致使锚固方法的耐久性无法保证，不宜使用；采用电化学加固时，由于消落带附近存在大量的可导电的库水，电化学方法的效果将明显减弱，也不宜使用。因此，采用化学材料加固就成为当前唯一可行的方法。

2 试验方案设计

2.1 干预材料的选取

泥质砂岩的遇水后力学强度劣化的主要原因有两个方面：①粘土矿物随着库水位的升降而产生的吸水膨胀与失水干燥；②砂岩岩体中存在的方解石、石英以及长石等各种硅氧化合物的遇水融蚀以及水压作用下的微裂隙扩展。上述两种作用的共同影响，最终导致岩体颗粒之间的胶结作用变弱。

基于上述劣化原因，胜利水电站库区上游消落带泥质砂岩的力学强度劣化的化学干预材料需要满足以下五个要求：①要有良好的隔水性，能够阻断水分进入岩体内部；②材料本身要具有良好的环保属性，不会对库区的水环境造成明显的污染；③材料本身要有较强的耐腐蚀性，能够经受住库水的长期侵蚀；④材料本身要与泥质砂岩有良好的亲和力，具有良好的粘结性；⑤材料要具有良好的抗老化性能。

结合上述要求，环氧树脂无疑是最适合的化学材料。但是，该类材料目前主要应用于建筑物的补强加固，尚未有消落带岩体劣化干预的研究成果。基于水库消落带特殊环境特点，结合建筑补强加固领域环氧树脂材料，特别是中国专利ZL201510081359.0 和ZL201110237103.6 中的相关成果和不足[7～8]，提出由E51 环氧树脂为主，添加不同数量的正丁基缩水甘油醚以及651 低分子聚酰胺的材料。其中，正丁基缩水甘油醚为稀释剂，以降低材料的粘度，651 低分子聚酰胺为固化剂，提高材料在岩体表面的附着力。

2.2 材料的配比方案

材料的配比对劣化干预效果存在显著影响。胜利水电站上游的消落带的泥质砂岩主要表现为中风化到强风化状态，因此，针对两种不同风化程度的岩体，提出不同的材料配比方案。以往的研究表明[9]，当E51 环氧树脂和651 低分子聚酰胺的比例为100∶（30 ～50） 时，两者反应形成的固化产物力学性能及防腐性能较好，当E51 环氧树脂和丁基缩水甘油醚混合的比例达到100∶40 时，环氧树脂几乎可以完全稀释于丁基缩水甘油醚中，流动性极好。最终，结合不同风化程度岩石的特征以及材料涂刷的易操作性和经济性，提出材料配比方案，见表1。

表1 材料配比试验方案设计

2.3 试验方案

在库区进行中风化和强风化的泥质砂岩采样，每种配比取3 组45 个使用该配比的环氧树脂材料涂抹后的中风化红砂岩和强风化红砂岩试样进行如下试验：每组的15 个样本每3 个样本分别进行0 次、1 次、4 次、8 次和16 次湿干交替作用，然后进行压缩试验。其中，对第一组按照围压0 MPa进行单轴压缩试验，第二组、第三组分别按照围压1 MPa、2 MPa进行三轴压缩试验，根据试验数据，利用公式（1）计算获取试样的峰值抗压强度值，以获得不同配比的环氧树脂材料在岸坡应力以及库水涨落条件下对泥质砂岩的力学强度的干预性能。

式中：σ为峰值抗压强度，MPa；P为破坏荷载，N；A为截面面积，m2。

3 试验结果与分析

3.1 中风化样本试验结果与分析

按照上述试验方案，对不同配比的环氧树脂材料干预下的泥质砂岩试样在不同围压和湿干交替次数下进行单轴或三轴压缩试验，并根据试验数据计算出相应的峰值抗压强度，结果见图1～图3。由试验结果可知，试验结果的数据点存在一定的离散性，究其原因，主要是天然岩石试样具有明显的非均质性特点。但是，通过试验结果仍可以看出泥质砂岩在水库消落带周期性湿干交替作用下峰值抗压强度的变化特征。

采用Z1 配比的试样，在第1 次湿干交替作用之后，就出现了十分明显的峰值抗压强度劣化，与没有经过湿干交替作用的试样相比，在0 MPa、1 MPa、2 MPa三种不同围压条件下，其峰值抗压强度分别下降了2.45%、1.68%和2.23%；同时，随着湿干交替作用次数的不断增加，试样的峰值抗压强度不断降低，但是劣化幅度不断减小，劣化速率呈现不断减慢的趋势。在试样经历4 次湿干交替作用之后，三种不同围压条件下的峰值抗压强度分别下降了7.13%、10.27%和11.87%；在试样经历8 次湿干交替作用之后，三种不同围压条件下的峰值抗压强度分别下降了5.87%、8.98%和10.49%；在试样经历16 次湿干交替作用之后，三种不同围压条件下的峰值抗压强度分别下降了6.21%、9.13%和10.50%。

采用Z2 配比的试样，在第1次湿干交替作用之后，出现了较为明显的峰值抗压强度劣化，但是与采用Z1 配比的试样相比，劣化幅度较小，与没有经过湿干交替作用的试样相比，在0 MPa、1 MPa、2 MPa三种不同围压条件下，其峰值抗压强度分别下降了1.72%、1.37%和1.30%；同时，随着湿干交替作用次数的不断增加，试样的峰值抗压强度不断降低，劣化幅度不断减小，劣化速率不断减慢。在同样次数的湿干交替作用以及同样围压条件下，采用Z2 配比的试样较采取Z1配比的试样其峰值抗压强度的下降幅度明显偏小。这说明，采用Z2 配比可以获得更好地干预效果。

采用Z3 配比的试样，在第1 次湿干交替作用之后，出现了较为明显的峰值抗压强度劣化，与采用Z2 配比的试样相比，劣化幅度有所加大。随着湿干交替作用次数的不断增加，试样的峰值抗压强度不断降低，但是劣化幅度不断减小，劣化速率不断减慢。三种不同配比的试验结果显示，采用Z2配比可以获得更好地干预效果。

图1 中风化试样0 MPa围压试验结果

图2 中风化试样1 MPa围压试验结果

3.2 强风化样本试验结果与分析

按照上述试验方案，对不同配比的环氧树脂材料干预下的强风化泥质砂岩试样在不同围压和湿干交替次数下进行单轴或三轴压缩试验，并根据试验数据计算出相应的峰值抗压强度，结果见图4～图6。通过试验结果仍可以看出泥质砂岩在水库消落带周期性湿干交替作用下峰值抗压强度的变化特征。

图3 中风化试样2 MPa围压试验结果

图4 强风化试样0 MPa围压试验结果

图5 强风化试样1 MPa围压试验结果

图6 强风化试样2 MPa围压试验结果

采用Q1 配比的试样，在第1 次湿干交替作用之后，出现明显的峰值抗压强度劣化，与没有经过湿干交替作用的试样相比，在0 MPa、1 MPa、2 MPa三种不同围压条件下，其峰值抗压强度分别下降了9.72%、2.13%和7.08%；同时，随着湿干交替作用次数的不断增加，试样的峰值抗压强度不断降低，劣化幅度不断减小，劣化速率呈现不断减慢的趋势。在试样经历4 次湿干交替作用之后，三种不同围压条件下的峰值抗压强度分别下降了17.01%、7.01%和12.55%；在试样经历8 次湿干交替作用之后，三种不同围压条件下的峰值抗压强度分别下降了21.03%、10.82 %和15.77%；在试样经历16 次湿干交替作用之后，三种不同围压条件下的峰值抗压强度分别下降了23.72%、13.29%和17.84%。

采用Q2 配比的试样，在第1 次湿干交替作用之后，出现较明显的峰值抗压强度劣化，与采用Z1 配比的试样相比，劣化幅度明显较小，与没有经过湿干交替作用的试样相比，在0 MPa、1 MPa、2 MPa三种不同围压条件下，其峰值抗压强度分别下降了2.76%、2.22%和2.09%；同时，随着湿干交替作用次数的不断增加，试样的峰值抗压强度不断降低，劣化幅度不断减小，劣化速率不断减慢，同时相同条件下Q2 配比的干预效果均优于Q1 配比。

采用Q3 配比的试样，在第1 次湿干交替作用之后，出现了较为明显的峰值抗压强度劣化，但是与采用Q1 和Q2 配比的试样相比，劣化幅度最小。同时，随着湿干交替作用次数的不断增加，也呈现出试样的峰值抗压强度不断降低，但是劣化幅度不断减小，劣化速率不断减慢的趋势。同时，在同样次数的湿干交替作用以及同样围压条件下，采用Q3 配比的试样的峰值抗压强度的下降幅度最小。因此，试验结果显示采用Q3 配比可以获得更好地干预效果。

4 结论

本次研究以辽宁省胜利水电站库区消落带泥质砂岩为例，基于水库运行期间消落带泥质砂岩力学强度劣化的物理和化学机制，提出了消落带泥质砂岩力学强度劣化环氧树脂化学干预材料，并进行了相应的配比研究，获得的主要结论如下：

（1）对于中风化岩体，采用Z2 配比，即E51 环氧树脂∶丁基缩水甘油醚∶651低分子聚酰胺=100∶20∶40的环氧树脂材料可以获得更好地干预效果。

（2）对于强风化岩体，采用Q3配比，即E51环氧树脂：丁基缩水甘油醚∶651低分子聚酰胺=100∶40∶40环氧树脂材料可以获得更好地干预效果。

（3）建议针对胜利水电站库区消落带泥质砂岩的不同风化程度，采取不同配比的环氧树脂材料进行力学强度劣化的化学干预。