博瓦水电站引水隧洞富水破碎围岩治理加固技术研究

张明华

(中铁二十三局集团华东区域指挥部，浙江 杭州 310000)

引水式发电站在建设过程中往往需要开挖很长的引水隧洞，在开挖过程中会遇到各种各样的地质条件[1]，其中，富水破碎围岩是较为常见的不良地质之一，在这些围岩条件下极易发生涌水、突泥、坍塌等灾害[2]，因此必须在开挖前后采取有效的治理措施。注浆便是治理该类型不良地质的主要手段之一，然后传统的水泥基注浆材料由于凝结时间长、结石率低、强度不高、析水严重、体积收缩等问题，往往在富水破碎带很难起到很好的治理加固效果，此外水泥的大量使用对地下水环境和工程效益也不利，因此，有必要寻找一种新的注浆材料来对富水破碎围岩进行治理加固[3-5]。

氧化石墨烯是一种含有多种含氧官能团的石墨烯衍生物，具有很好的分散性，现已被广泛应用到水泥基注浆材料的改性之中，但由于其价格比较昂贵，因此不可能在工程中大量使用，因此掺量往往较少，而且单掺氧化石墨烯很多时候也不能达到最好的注浆效果。为此，提出复掺氧化石墨烯和粉煤灰的方式对传统水泥基注浆材料进行改良，一方面可降低水泥用量，另一方面提高结石体强度和抗渗性，从而达到较好的治理效果[6-7]。

1 工程概况

博瓦水电站是水洛河干流河段上“一库十一级”水电开发方案中的第八级引水式水电站，其上游为新藏水电站，下游为宁朗水电站，总装机容量为16.8万kW，工程开发任务主要为发电，兼顾下游生态环境用水要求[8-10]。博瓦水电站引水隧洞全长约为16.2km，其中第三标段引水隧洞全长3705m(隧5+585～隧9+290)，由中铁二十三局承建，在引水隧洞开挖过程中，多次出现了富水破碎围岩，给工程施工带来很大的安全隐患，在多次采用水泥基注浆材料治理效果不佳的情况下，决定采用复掺氧化石墨烯和粉煤灰的方式对传统注浆材料进行改性，从而达到期望的治理效果，为类似工程提供借鉴。

2 试验情况

2.1 试验原材料

a.水泥。P·O42.5普通硅酸盐水泥，主要矿物成分为C3S(56.5%)、C2S(16%)和C4AF(14.8%)，主要化学成分为CaO(62.5%)和SiO2(21.1%)，比表面积为380m2/kg，密度为3.1g/cm3，标准稠度用水量为25.6%，初凝和终凝时间分别为123min和178min，28天抗折和抗压强度分别为7.7MPa和46.8MPa。

b.粉煤灰。Ⅱ级粉煤灰，主要化学成分为CaO(54.8%)和Al2O3(26.8%)，比表面积为360m2/kg，需水量比为101.3%，细度(45μm)为28.8%，28天活性指数为73.2%。

c.氧化石墨烯。黑褐色，纯度为95%，厚度为3.4～7nm，片层直径为10～50nm，层数为6～10层，比表面积为100～300m2/g。

d.减水剂。高效聚羧酸减水剂，淡黄色液体，减水率为25%，泌水率为10%，固含量为19.3%，密度为1.048g/cm3，pH值为4.51，推荐掺量为0.05%～0.35%。

e.速凝剂。白色粉末，速凝率为14%，泌水率为29%，初凝和终凝时间为215s和572s，1天、3天、28天抗压强度比分别为223%、186%和94%。

f.水。实验室自来水。

2.2 试验仪器设备

主要试验仪器包括水泥净浆搅拌机、胶砂搅拌仪、混凝土养护箱、电动抗折试验机、压力试验机、砂浆抗渗仪、注浆泵、钻孔取芯机、混凝土切割机等。

2.3 试验方案

本次试验首先探讨水胶比和氧化石墨烯掺量对注浆材料固土防渗作用的影响。水胶比共设计0.6、0.8、1.0和1.5四种，氧化石墨烯掺量共设计0、0.01%、0.03%、0.05%和0.09%五种，主要探讨两者对注浆材料结石体强度的影响(见表1)。然后探讨粉煤灰和氧化石墨烯的协同效应，即进行单掺氧化石墨烯和复掺氧化石墨烯和粉煤灰时的性能对比，主要探讨协同效应下注浆材料的强度和抗渗性能(配合比方案见表2)。

表1 不同水胶比和氧化石墨烯配合比方案

表2 氧化石墨烯与粉煤灰协同效应配合比方案

3 试验结果分析

3.1 抗折强度

由不同氧化石墨烯掺量和水胶比下注浆材料结石体的抗折强度变化规律(见图1)可知：在水胶比0.6情况下，随着氧化石墨烯掺量的增加，抗折强度呈先增大后减小的变化特征，这是因为低水灰比下，浆液材料对氧化石墨烯的掺量更加敏感，当遇到高掺氧化石墨烯时，会迅速消耗浆液中的自由水分，导致后期水泥水化反应不充分，浆体出现团聚现象，故而抗折强度降低；当氧化石墨烯掺量为0.05%时，抗折强度最大，为7MPa，相比普通水泥注浆材料，抗折强度提升约27.3%；当水胶比为0.8、1.0和1.5时，随着氧化石墨烯掺量增加，抗折强度逐渐增大，但是当氧化石墨烯掺量超过0.03%后，结石体抗折强度的增幅变得很小，继续掺入氧化石墨烯对注浆材料抗折强度的贡献不大；相同氧化石墨烯掺量下，水胶比越大，抗折强度越低，这主要与单位体积内生成的结石体含量有关，水胶比越高，水泥含量越低，结石体生成量越少。

图1 水胶比和氧化石墨烯掺量对抗折强度的影响

3.2 抗压强度

由不同氧化石墨烯掺量和水胶比下注浆材料结石体的抗压强度变化规律(见图2)可知：相同水胶比下，随着氧化石墨烯掺量增加，结石体抗压强度逐渐增大，当氧化石墨烯掺量超过0.03%后，抗压强度增长出现拐点，继续掺入氧化石墨烯，结石体抗压强度增长幅度很小；相同氧化石墨烯掺量下，水胶比越大，抗压强度越低，这与抗折强度表现一致，原因在此处不再赘述。

图2 水胶比和氧化石墨烯掺量对抗压强度的影响

由不同氧化石墨烯掺量下注浆材料结石体抗折、抗压强度变化规律可知，当氧化石墨烯掺量为0.03%时，既能起到有效改善浆液力学性能的目的，还能节约能源消耗，因此，将氧化石墨烯掺量初定为0.03%。

3.3 协同效应

由氧化石墨烯和粉煤灰协同作用下注浆材料结石体的强度对比情况(见图3)可知：当不掺入氧化石墨烯时，随着粉煤灰掺量的增加，结石体的抗折、抗压强度均呈逐渐减小变化特征，当掺入0.03%氧化石墨烯后，随着粉煤灰掺量增加，抗折强度呈先增大后减小变化特征，抗压强度呈逐渐增大的变化特征，当粉煤灰掺量为10%时，结石体抗折强度最高；相同粉煤灰掺量下，掺入氧化石墨烯的试验组强度明显高于未掺入氧化石墨烯试验组，表明在氧化石墨烯和粉煤灰的协同作用下，能够显著提升浆液的力学性质，这主要是因为氧化石墨烯的比表面积很大，粉煤灰颗粒可吸附大量的氧化石墨烯在表面，从而促进粉煤灰参与二次水化反应，同时粉煤灰可以有效填充在水化产物的孔隙间隙中，提高结石体密实度，从而提升结石体强度。

图3 氧化石墨烯与粉煤灰协同作用下结石体强度特征

3.4 抗渗性

由氧化石墨烯和粉煤灰协同作用下注浆材料结石体的渗透系数试验结果(见图4)可知：当不掺入氧化石墨烯时，随着粉煤灰掺量增加，结石体的渗透系数逐渐增大，渗透性变差；当掺入0.03%氧化石墨烯后，随着粉煤灰掺量增加，结石体的渗透系数逐渐减小，渗透性逐渐变好，相比不掺入氧化石墨烯试验组，渗透系数降低约1/3，抗渗性得到明显提升，这主要是因为氧化石墨烯促进粉煤灰发生二次水化反应，同时对于微裂隙和孔隙具有很好的填充效应，而粉煤灰与水泥颗粒之间也会形成较好的级配效应，充分发挥粉煤灰的火山灰效应和填充效应，结石体的致密性显著提升，故而渗透性增强。

图4 氧化石墨烯与粉煤灰协同作用下结石体渗透性

3.5 抗离子侵蚀

地下水富含各类型离子，为了探讨新型注浆材料的抗离子侵蚀性能，将结石体浸泡在5%的NaCl溶液中，并对不同浸泡时间下的试件(单掺：氧化石墨烯0.03%；复掺：氧化石墨烯0.03%+粉煤灰20%，水胶比均为0.8)进行强度试验，结果见图5。随着浸泡时间的增加，结石体强度呈先增大后减小的变化特征，在侵蚀初期，氯离子渗透到结石体内部，参与了结石体内部的水化反应，提升了密实度，因而初期强度有所提高，随着侵蚀时间延长，结石体的结构和薄弱界面遭到破坏，孔隙间隙增多，故而强度又会逐渐降低；相同浸泡时间下，单掺氧化石墨烯试验组的强度相比复掺氧化石墨烯+粉煤灰试验组低，其中，在浸泡28天、60天、120天和180天后，单掺试验组抗折强度分别为3.7MPa、3.9MPa、3.4MPa和2.9MPa，复掺试验组分别为4.9MPa、5.3MPa、5.1MPa和4.8MPa，复掺试验组相比单掺试验组分别提升了32.4%、35.9%、50%和65.5%，单掺试验组抗压强度分别为19.8MPa、21.1MPa、18.4MPa和15.2MPa，复掺试验组分别为26.3MPa、28.9MPa、27.8MPa和26MPa，复掺试验组相比单掺试验组分别提升了32.8%、37%、51.1%和71.1%，由此可见，在氧化石墨烯和粉煤灰协同作用下，注浆材料的抗侵蚀性能得到显著提升，粉煤灰的填充效应和氧化石墨烯的层状海绵结构，可以抵御来自外部离子的入侵。

图5 离子侵蚀下结石体强度特征

4 现场应用效果

在同一洞段(隧7+685～隧7+695)左右两侧分别采用传统水泥基注浆材料和复掺氧化石墨烯+粉煤灰注浆材料进行注浆试验，待注浆结束28天后进行钻孔取芯，通过现场取芯结果对两种注浆材料的充填加固效果(见图6)进行分析，结果显示：相比传统水泥基注浆材料，复掺氧化石墨烯和粉煤灰的注浆材料芯样完整性更好，传统水泥基注浆材料的取芯率仅为52%，而复掺氧化石墨烯和粉煤灰注浆材料的取芯率达到了75%；与此同时，传统注浆芯样的平均抗压强度仅为22.3MPa，而复掺氧化石墨烯和粉煤灰注浆材料芯样的平均抗压强度达到30.8MPa，相比传统水泥基材料提高38.1%，由此可见新型注浆材料相比传统水泥基注浆材料在富水破碎带围岩加固治理中的效果是十分优异的，可运用于实际工程。

图6 现场取芯效果

5 结 论

掺入氧化石墨烯可显著提升水泥基注浆材料的强度，氧化石墨烯的最佳掺量为0.03%；复掺氧化石墨烯+粉煤灰的注浆材料相比单掺氧化石墨烯的注浆材料在强度、抗渗性和抗离子侵蚀性上均有明显提升，这主要得益于粉煤灰(填充效应)和氧化石墨烯(层状海绵结构)的协同效应，粉煤灰的最佳掺量宜控制在10%～20%，否则可能导致抗折强度过低；复掺氧化石墨烯和粉煤灰的新型注浆材料相比传统水泥基注浆材料，取芯率提升了23%，平均抗压强度提升了38.1%，加固治理效果良好。