软弱岩带水泥化学复合灌浆后的性能检测

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论文摘要

  1 前言

  锦屏一级水电站大坝为混凝土双曲拱坝,最大坝高 305m,装机容量 3600MW,是目前坝高居世界第一的特大型工程。该电站大坝正常蓄水位时,坝体承受总水推力近 1200 万 t。因此,要求坝基及两岸抗力体一定要具有足够的强度和刚度,满足拱座抗滑稳定和拱坝整体稳定。同时,要具有抗渗性和渗透稳定性,以及在水长期作用下的耐久性。经对左岸抗力体 f5 断层及煌斑岩脉采用一般水泥高压固结灌浆试验证明,其岩体物理力学指标难以达到设计指标要求。若对抗力体范围内的 f5 断层及煌斑岩脉采用混凝土网格进行局部置换,其置换开挖施工安全风险极大,对本工程的总工期目标实现有较大的制约。
  因此,设计提出选择规模大、性状差的 f5 断层及煌斑岩脉进行高压水泥-化学复合灌浆试验研究的方案。拟通过现场灌浆试验,研究水泥-化学灌浆在技术上的可行性、效果上的可靠性、经济上的合理性。本次试验于 2007 年 9 月底开始,于 2008 年 3 月中旬结束,历时 160 多天。
  在整个化学复合灌浆试验过程中,分别对各试验区灌前、水泥灌浆后和化学灌浆后开展了压水试验、声波测试、钻孔变形模量和钻孔全景图像等综合检测手段进行了系统检测,为灌浆效果评价发挥了重要作用。为进一步开展坝址区 f2、f5、f13、f14、f18 断层、煌斑岩脉、层间挤压错动带等软弱岩带处理方案的制定及优化提供了基础资料。

  2 试验研究目的及要求

  2.1 试验目的

  本次现场化学固结灌浆试验研究的主要对象为 f5 断层及煌斑岩脉软弱岩带。以提高 f5 断层及煌斑岩脉的抗压、变形模量、抗拉、抗剪强度、抗渗性和泊松比等物理力学指标。拟通过现场灌浆试验研究,了解经化学灌浆处理后,其整体性、刚度、防渗性、抗剪强度和泊松比等物理力学指标的提高幅度,论证经过灌浆处理后的岩体做为拱坝基础的合理性、耐久性和可靠性,提出相应的岩体力学参数值,在经济合理的前提下满足大坝建基面的要求,改善拱坝基础的适应性和安全性。

  2.2 灌后岩体技术指标要求

  经过水泥-化学复合灌浆处理后的 f5 断层及煌斑岩脉物理力学指标拟达到表 1 要求。
f5 断层及煌斑岩脉灌后物理力学指标表
   3 试验区工程地质特征

  3.1 f5 断层工程地质特征

  f5 断层试验区选择在左岸基础处理工程1730m 高程 1730m-2#排水洞 0+081~0+087 洞段上游侧施工供风洞内。试验区岩性为 2(6)层薄层大理岩,层面裂隙发育,该部位 f5 断层带宽 1.0~1.5m,主要由碎裂碎块岩夹少量糜棱角砾岩条带组成.上盘影响带宽 1.0~1.5m,下盘影响带宽 1.5~2.0m,影响带岩体破碎,影响带及附近岩体裂隙密集发育且松弛,以碎裂结构为主。该试验区内破碎带为 V 级岩体,影响带及附近岩体为 IV2 级岩体。

  3.2 煌斑岩脉工程地质特征

  煌斑岩脉试验区选择在左岸基础处理工程1885m 高程 1885-2#固结灌浆平洞 0+045~0+50洞段向上游开挖的支洞内。岩脉位于砂板岩中。一般厚约 2.0~2.5m,弱-强风化,脉体走向裂隙发育。试区底板部位两侧为断层接触,上盘断层带宽 20~50cm,局部 70~90cm,由碎裂岩组成且松弛。下盘断层带宽 2.0~2.5m,主要由碎裂岩、角砾岩组成,风化较强,平行煌斑岩脉的裂隙密集发育。煌斑岩脉两侧的砂板岩较破碎,裂隙发育,松弛,呈碎裂-镶嵌结构。与煌斑岩脉接触处 1.0~2.0m 范围内岩体多破碎,呈碎裂结构。该试验区内砂板岩和煌斑岩脉主要为 IV2级岩体,少量砂板岩为Ⅲ2 级岩体。

  4 检测孔布置及检测方法

  4.1 检测孔布置

  为检测 f5 断层及煌斑岩脉化学灌浆试验效果,分别在 f5 断层试验区灌前布置了 4 个检测孔,水泥灌浆后布置 2 个检测孔,化学灌浆后布置 5 个检测孔。在煌斑岩脉试验区灌前布置了 4个检测孔,水泥灌浆后布置 3 个检测孔,化学灌浆后布置 5 个检测孔,孔深为 30~35m 不等。

  4.2 检测方法

  为了检测 f5 断层及煌斑岩脉水泥灌浆和化学灌浆后岩体的渗透性能及岩体物理力学性质的改善程度,在试区开展灌前、水泥灌浆和化学灌浆后除对检查孔进行钻孔取芯外,且均采用压水试验、单孔声波、钻孔变模、钻孔全景图象测试等综合检测手段进行检查,对水泥灌浆和化学灌浆后岩体灌浆效果进行综合评价,以评价灌浆效果。

  5 检测成果分析

  5.1 压水试验成果

  f5 断层及煌斑岩脉试验区在灌前、水泥灌浆和化学灌浆后按设计要求进行了压水试验。
  f5 断层试验区,V 级岩体灌前透水率多为30~100Lu,少量大于 100Lu,属中等透水为主。水泥灌浆及化学灌浆后,岩体透水率均小于 1Lu。煌斑岩脉试验区Ⅳ2 级岩体灌前透水率q=30~100Lu,部分大于 100Lu,属中等~强透水,水泥灌浆后透水率多小于 1Lu,少量 1~3Lu,属微透水,化学灌浆后透水率 q=0Lu,岩体透水率均小于 1Lu。
  压水试验成果表明,f5 断层试验区随灌序增进及加密补强灌浆、化学灌浆后,透水率均小于 1Lu。通过水泥-化学的复合灌浆能改善f5 断层 V 级岩体渗透性能。煌斑岩脉试验区经过水泥-化学复合灌浆处理,煌斑岩脉达到不透水,对改善该试验区Ⅳ2 级岩体渗透性能效果显着。

  5.2 物探检测成果

  f5 断层及煌斑岩脉水泥-化学复合灌浆试验过程中,分别在灌浆各阶段均进行了钻孔声波、钻孔变模和钻孔全景图像检测。

  5.2.1 f5 断 试验区物探检 成果

  (1)分析 f5 断层水泥灌浆后及化学灌浆后30 天单孔声波波速统计分析表明,f5 断层破碎带水泥灌浆后较灌前岩体声波波速平均值变化较大,由灌前的 2664m/s 提高到灌后的 4789m/s,提高幅度接近 80%。但破碎带化灌后比水泥灌后声波波速提高幅度较小,即由水泥灌后平均声波波速 4789m/s 提高到化灌后的 4858m/s,仅提高 1.44%。由此表明,水泥灌浆使得碎裂岩、角砾岩、碎块岩空隙间得到水泥的有效充填,对 f5断层破碎带声波波速提高较大;而化学灌浆对 f5断层(碎裂角砾岩夹碎块岩)物理力学性能改变较小。即水泥灌浆能有效地充填于碎块间,提高破碎带的密实度,而化学浆液仅充填、胶结于岩块角砾间,未能渗透于岩石中,对改善 f5 断层破碎带的性状作用不大。
  (2)f5 断层试验区灌前断层破碎带未获得变模数据,水泥灌浆后在破碎带部位仅测得 1 个数据,其钻孔变模值为 2.67GPa,且对比性不强,不具备统计规律。主要原因在于水泥灌浆前、后检测孔孔壁岩体破碎、较软等,导致无法获得岩体变模值。说明 f5 断层破碎带灌浆前及水泥灌浆后变形模量均较小。化灌后在 f5 断层破碎带部位仅测得到 3 个有效钻孔变模数据,其变化范围为 1.6~3.1GPa,平均钻孔变模值为 2.6GPa,与水泥灌后相比无提高。
  (3)f5 断层试验区钻孔全景图像测试成果表明,f5 断层破碎带孔段灌前孔壁粗糙,凹凸不平,岩体破碎,呈碎块状,结构松弛,局部呈空腔。水泥灌后破碎带孔段碎块间明显充填水泥结石,松散、破碎带岩体得以固结,但水泥灌后破碎带孔段孔壁仍粗糙。化灌后破碎带孔段孔壁较粗糙,碎块间见明显充填水泥结石及化学胶结物,但化学胶结物未渗透入岩块中。

  5.2.2 煌斑岩脉试验区物探检 成果

  (1)煌斑岩脉灌前、水泥灌后单孔声波波速平均值变化较小,由灌前的 3262m/s 提高到灌后的 3388m/s,提高幅度仅 4%,表明水泥灌浆对提高煌斑岩脉的声波作用不大。化灌后与灌前原岩体相比,声波波速平均值变化较大,由灌前的3262m/s 提高到化灌后的 4322m/s,提高幅度达32%,且声波波速主要集中在 3000~5000m/s,消除了小于 3000m/s 的低波速带,局部高达5000m/s 以上。
  (2)煌斑岩脉水泥灌浆前、后钻孔变模提高幅度较大,由灌前的 0.72GPa 提高到灌后的1.44Gpa,提高幅度达 100%,表明经水泥灌浆后,煌斑岩脉及周边岩体裂隙得到了水泥的有效充填。煌斑岩脉的抗变形能力增加较多,但仍然不满足设计指标要求。化灌后与灌前相比,钻孔变模平均值变化更大,由灌前的 0.72GPa 提高到灌后的 3.52GPa,提高幅度达 390%,表明化学灌浆对煌斑岩脉的物理力学性能改变较大。
  (3)煌斑岩脉试验区钻孔全景图象测试成果表明,灌前孔壁粗糙,局部呈空穴状,裂隙张开明显。水泥灌浆后裂隙明显充填水泥结石,但孔壁仍较为粗糙,化灌后检测孔孔壁光滑,煌斑岩脉岩体张开裂隙充填较密实,部分被充填的裂隙明显呈黄色。表明煌斑岩脉经化灌后其完整性得到了较大的改善。

  6 结论

  通过对锦屏一级水电站左岸抗力体 f5 断层及煌斑岩脉开展的水泥-化学复合灌浆试验研究取得的丰富研究成果及大量综合检测成果资料表明:f5 断层和煌斑岩脉经水泥-化学复合灌浆处理后,岩体透水性得到了大大改善,灌后透水率均能达到试验预期要求。化学灌浆对 f5 断层破碎带物理性能改善效果较差,对风化煌斑岩脉软弱岩带物理性能改善效果较好。该试验研究成果,为优化建基岩体中的断层、煌斑岩脉、层间挤压错动带等软弱岩带的处理设计,提供了基础资料。
  (1)f5 断层破碎带灌前透水率多为 30~90Lu,随水泥灌序增进及水泥加密补强灌浆、化学灌浆后,透水率均小于 1Lu,灌后透水率达到试验预期要求。经水泥灌后破碎带平均声波波速已达到 4789m/s,其声波波速达到设计要求,水泥灌浆后碎块间明显充填水泥结石,松散、破碎带岩体得以固结,对 f5 断层破碎带声波波速提高较大。但再经化学灌浆处理后破碎带平均声波波速仅为 4858m/s,与水泥灌浆后相比其声波波速提高不明显,表明化学浆液仅充填、胶结于岩块角砾间,未能渗透于岩石中,虽然使得破碎带岩体得到进一步充填胶结强化,但对改善 f5 断层破碎带的性状作用不大。无论是水泥灌后还是再经化灌处理后 f5 断层破碎带平均钻孔变模值均不满足设计指标。
  (2)煌斑岩脉灌前透水率 q=30~100Lu,部分大于 100Lu。水泥灌后透水率多小于 1Lu,少量 1~3Lu,再经化学灌浆处理后岩体透水率均小于 1Lu,透水率满足试验预期指标要求,显着降低了煌斑岩脉岩体的渗透性能。水泥灌浆使得煌斑岩脉中的张开裂隙得到了较为有效的填充,水泥灌浆后煌斑岩脉平均声波波速仅为 3390m/s,平均钻孔变模为 1.44GPa,水泥灌浆后煌斑岩脉物理力学性未达到设计指标要求,再经化学灌浆处理后,煌斑岩脉完整性得到了较大的改善,物理力学指标得到了大幅度的提高,煌斑岩脉平均声波波速达到 4322m/s,平均钻孔变模值为3.52GPa。可见,化灌后声波波速达到设计要求,但其钻孔变模值仍未能达到试验预期要求。
  为此,设计根据上述试验研究成果,并结合工程地质条件及结构设计要求,拟对锦屏一级水电站大坝右岸 1730~1670m 高程间 f14 断层、左岸 1885~1829m 高程间防渗帷幕煌斑岩脉原防渗设计混凝土置换斜井方案,改为水泥-化学复合灌浆方案;对 1670m 高程以下防渗帷幕 f5 断层采用水泥加密灌浆处理,若仍达不到设计要求,可进一步采用化学灌浆进行补强.大坝左岸防渗帷幕线上 f2 断层及层间挤压错动带、大坝右岸防渗帷幕线上 f13、f18 断层等,在常规水泥灌浆后仍难以达到设计要求时,再次进行化学复合灌浆补强处理设计,对加快工程进展,提高整体工程质量和安全是十分重要的。
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