锦屏一级水电站煌斑岩脉水泥化学复合灌浆试验研究

王继敏，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

王继敏，蒋学林

（二滩水电开发有限责任公司锦屏建设管理局，四川西昌 615000）

锦屏一级水电站大坝为混凝土拱坝，最大坝高305 m，为目前世界最高拱坝。坝区基础岩体中存在大量煌斑岩脉，对建筑物的稳定性、基础应力传递等极为不利，必须进行稳妥可靠的处理。因仅靠单纯的高压水泥灌浆无法使岩体的变形模量、抗压、抗拉、抗剪强度以及泊松比等物理力学指标达到设计要求，应有针对性地采用化学灌浆方法对煌斑岩脉进行加固处理。为此，采用了高渗透性的YDS环氧材料对风化后的煌斑岩脉进行纯压式灌浆试验，试验结果表明：通过YDS改性环氧浆液的“浸透”“浸渗”加固处理，风化的煌斑岩脉力学性能大幅提高，基本能满足设计的力学指标要求。

最高拱坝；煌斑岩脉；高渗透性；环氧树脂

锦屏一级水电站拱坝左岸抗力体的煌斑岩脉及F5断层距离左岸拱端较近，与拱端的变形稳定关系密切。高压固结灌浆试验成果表明：通过一般水泥灌浆难以提高其物理力学指标，因此，对抗力体范围内的煌斑岩脉及F5采用了混凝土网格进行局部置换。但置换网格开挖施工安全风险极大，且对本工程总工期目标的实现制约较大，因此，提出了选择对规模大、性状差的煌斑岩脉进行高压水泥化学复合灌浆的方案，拟通过现场灌浆试验，研究水泥化学复合灌浆在技术上的可行性、效果上的可靠性。

1 试验研究目的及条件

1.1 试验目的

本次现场化学灌浆试验研究的主要对象为煌斑岩脉软弱岩带。拟通过现场灌浆试验研究，了解经化学灌浆处理后，煌斑岩脉完整性、刚度、抗渗性和抗剪强度提高的幅度，论证经过灌浆处理后的岩体作为拱坝基础的合理性和可靠性，提出相应的岩体力学参数值，满足大坝抗力体的要求。

1.2 试验区煌斑岩脉工程地质条件

1.2.1 煌斑岩脉地质特征

试验区煌斑岩脉位于砂板岩中，煌斑岩脉厚约2.0～4.0 m，普遍呈强 －弱风化，岩体松弛，完整性差，与上下盘岩体多为断层接触。后期构造运动使煌斑岩脉与围岩接触面多发育成宽5～20 cm的小断_层，且两侧岩体同样为松弛、破碎的Ⅳ2级岩体。本次水泥化学复合灌浆试验区选择在1 885 m高程的固结灌浆平洞内。

1.2.2 煌斑岩脉物理力学性质

根据前期勘探资料，煌斑岩脉物理力学参数见表1。

1.3 要求灌后岩体技术指标

根据设计要求，经过水泥化学复合灌浆处理后，煌斑岩脉的物理力学指标拟达到表1要求。

2 试验方案

2.1 室内模拟灌浆试验

2.1.1 YDS系列化学浆材物理力学试验

YDS高渗透性环氧系列浆材主要由环氧树脂、丙酮、糠醛、二乙烯三胺和YDS添加剂组成，其中YDS在本浆液配方中起着非常重要的作用。根据煌斑岩脉特性，对不同配方进行大量室内试验后，最终选择性能较好的YDS－7，YDS－7－1和YDS－7－2这3配方进行室内模拟灌浆试验。

2.1.2 模拟化学灌浆试验

根据室内化学浆材的试验成果，选择具有代表性的煌斑岩脉原状岩块进行模拟试验，试件在常温下浸泡7 d，在空气中养护90 d后，其主要物理力学指标见表2。模拟试验岩块主要物理力学指标满足设计要求。

表1 煌斑岩脉灌前物理力学参数及灌后力学指标要求Table 1_Mechanics characteristics of lamprophyre before grouting

表2 煌斑岩脉模拟试验物理力学指标Table 2 Mechanics parameters of lamprophyre after simulating grouting

2.2 现场灌浆试验

2.2.1 灌浆现场选择

灌浆试验区选择在左岸1 885 m高程1885－2＃固结灌浆平洞内。该试区未开挖前垂直埋深120～160 m，水平埋深110～120 m；开挖后垂直埋深25～60 m，水平埋深30～50 m。

该试验区长12 m，底板浇筑混凝土厚1.00～1.25 m，混凝土底板高程1 885.5 m。

试验区位置及灌浆孔布置见图1。本次水泥化学复合灌浆试验分2个阶段进行，第一段完成所有的水泥灌浆孔15个（SK1～SK15），化学灌浆孔9个（HK1～HK9）及相关的物探检测孔。第二试区的9个化学灌浆孔（HK10～HK18）将根据第一试区的成果，对灌浆方案进行调整后实施。

2.2.2 现场试验方案

根据试验区地质条件，同时考虑到煌斑岩脉遇水易软化的特性，在化学灌浆前，拟先对试验区进行高压水泥灌浆，使试验区内岩体透水率≤1 Lu，满足化学灌浆基本条件，然后进行高压化学灌浆。

高压水泥灌浆采用P·O42.5普通硅酸盐水泥，对水泥细度的要求为通过80μm方孔筛的筛余量不大于5%；化学灌浆采用中科院广州化学研究所研究生产的YDS系列灌浆材料，该材料具有初始粘度低、对介质的渗透性高、固结性强和固化后力学性能较高等特点。

2.2.3 现场灌浆试验方法

（1）水泥灌浆：煌斑岩脉水泥灌浆采用孔口封闭、孔内循环、自上而下分段钻孔、分段灌浆、灌浆不待凝的高压灌浆方法，最大水泥灌浆压力5～6 MPa。灌浆水灰比采用 2∶1，1∶1，0.7∶1，0.5∶1，灌浆孔最大垂直深度35 m，钻孔为斜孔，沿煌斑岩脉倾向布置。

图1 煌斑岩脉试验区灌浆孔布置图Fig.1 Layout of grouting holes on lamprophyre zone

灌浆分段为第一段2 m，第二段3 m，第三段3 m，以下各段5 m。I序孔距为4 m，II序孔距为2 m。钻孔孔径为Ø76 mm。

本试验区共计完成水泥固结灌浆孔9个，进尺326 m，I序孔单位水泥耗量617 kg／m，II序孔单位水泥耗量176 kg／m。

（2）化学灌浆：化学灌浆的施工工艺流程为钻孔→钻孔冲洗→简易压水试验→配浆→孔内排水→灌浆→闭浆→孔内浆液置换→下一段钻灌至结束→封孔。

化学灌浆采用孔口封闭、自上而下分段钻孔灌浆的纯压式灌浆方法，最大化学灌浆压力3～3.5 MPa。

灌浆分段与水泥灌浆分段一致，灌浆孔最大垂直深度30 m，沿煌斑岩脉倾向布置。

开灌的浆液为YDS－7，遇上吸浆量较大孔段为YDS－0，YDS－0的粘度大于YDS－7。

I序孔距为2 m，II序孔距为1 m。钻孔孔径为Ø76 mm。

本试验区共计完成化学灌浆孔9个，进尺280 m，I序孔单位化学浆材耗量123 kg／m，II序孔单位浆材耗量40 kg／m。

孔段 不 吸 浆 或 吸 浆 量 小 于 0.01～0.05 L／min·m时，继续灌注30 min后结束该段灌浆。

3 水泥化学复合灌浆效果检查及成果分析

灌浆效果检查主要采用灌前灌后压水试验、声波测试、孔内变模、孔内电视以及钻孔取芯进行室内物理力学性能试验，其成果作为评价水泥化学复合灌浆试验效果的主要依据。

3.1 压水试验

在灌前测试孔以及水泥灌浆孔灌浆前后、化学灌浆孔灌浆前后按要求进行了压水试验，IV2煌斑岩脉各阶段压水试验成果见表3。

经过水泥化学复合灌浆处理，煌斑岩脉达到不透水。

3.2 钻孔物探检测

灌浆各阶段都进行了钻孔声波、钻孔变模检测，检测成果见表4。试验成果表明，岩体中张开的裂隙得到了水泥较为有效填充，再在化学灌浆的复合处理后，弱-强风化煌斑岩脉的物理力学性能得到了有效改善，力学指标有较大提高。

3.3 钻孔取芯室内试验

在第一试区化学灌浆完成150 d后进行了2个大口径取芯施工，取芯孔孔径280 mm，钻孔深度20.0 m／孔。化学灌浆前难以取得完整的岩芯，岩芯获得率约50%；化学灌浆后全部取得完整的岩芯，岩芯获得率约100%。

岩石磨片鉴定成果及照片表明，煌斑岩中微裂隙都具有开放性，均被浅黄色具均质性的填充剂充填，胶结良好。

灌后煌斑岩密度为2.52～2.68 g／cm3，平均值2.61 g／cm3。

灌后煌斑岩自由风干状态抗压强度为25.4～88.1 MPa，平均值47.6 MPa；湿抗压强度为15.2～72.5 MPa，平均值38.8 MPa。软化系数0.82。

灌后煌斑岩轴向拉伸法湿抗拉强度为1.61～4.26 MPa，平均值2.90 MPa。

灌后煌斑岩样单轴压缩试验统计分析结果：岩样自由风干状态变形模量为6.08～7.51GPa，弹性模量为11.2～13.2 GPa。

灌后煌斑岩样经自由浸泡48～50 h，经岩石直剪试验，采用优定斜率法得出抗剪强度指标f为0.91，c为3.03 MPa。

煌斑岩渗水时压力为0.1～1.8 MPa，平均值0.63 MPa。

3.4 现场竖井承压板试验

在第一试区化学灌浆完成170 d后，进行了现场承压板试验。竖井开挖规格为2.5 m（长）×2.0 m（宽）×2.7 m（深），试验结果：割线模量 E0为16.2 GPa，包络线模量 E0为13.0 GPa。

表3 煌斑岩脉试区岩体灌浆前后透水率对比表Table 3 Comparison of Lugeon rates of lamprophyre before and after grouting

表4 煌斑岩脉化学灌浆前后物探检测成果比较表Table 4 Comparison of physical detection results before and after groutin

4 结 论

煌斑岩脉呈强-弱风化，微裂隙发育，用普通水泥灌浆对煌斑岩脉进行灌浆，只能解决岩脉的抗渗性能，对于提高岩体声波速度和变形模量有一定的局限性。

利用低粘度高渗透性YDS系列化学浆材，对煌斑岩脉进行水泥化学复合灌浆，岩体声波速度和变形模量都有较大提高，灌浆效果明显，有关检测指标基本满足设计要求。

化学灌浆后，根据孔内电视及钻孔取芯观察，煌斑岩脉岩体张开的裂隙经水泥灌浆后得到了较为有效地填充，细微裂隙及微小孔隙被化学胶凝体充分填充。强-弱风化的煌斑岩脉得到了满意地胶结及充填，其整体性及变形模量、岩体完整性系数等都得到了较大的提高。说明本次灌浆效果明显，灌浆材料配方、灌浆工艺、施工参数基本合理。

虽然化学灌浆过程历时较长，工程成本较高，但可以避免对断层采用置换法处理带来洞群开挖及高边坡的安全风险，减少施工干扰，加快整个工程的施工进度。因此，化学灌浆在锦屏工程具有较高的应用价值。

［1］ 中国科学院广州化学研究所.高渗透性呋喃－环氧化学灌浆材料：中国，87105255.5［P］.1990－10－03（Guanzhou Chemical Graduate School.High permeable Furan-Epoxy Resin Materials：Chinese Patent，87105255.5［P］.1990－10－03（in Chinese））

［2］ 陈珙新，祝 红，熊 进.三峡工程F215断层复合灌浆处理试验研究［J］.长江科学院院报，2000，（6）：9－11，17.（CHEN Gong-xin，ZHU Hong，XIONG Jin.Experimental research on compound grouting treatment at fault F215 of TGP［J］.Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2000，（6）：9－11，17.（in Chinese））

［3］ 叶平思 .三峡水利枢纽工程F215断层现场化灌试验成果剖析［R］.武汉：武汉作舟化学灌浆研究所开发有限公司，2002.（YE Ping-si.Analysis on Results of Chemical Grouting on F215 in Three Gorges Project［R］.Wuhan：Wuhan Zuozhou Chemical Grouting Research＆Development Company，LTD.2002.（in Chinese））

［4］ 陈秋华，郑汉淮，沙 椿，等.f5断层及煌斑岩脉化学灌浆试验评价报告［R］.成都：成都勘测设计研究院，2008.（CHEN Qiu-hua，ZHENG Han-huai，SHA Chun，et al.Evaluation Reprot for Chemical Grouting on F5 and Lamprophyre［R］.Chengdu：Chengdu Hydroelectric Investigation＆Design Institute of SPC，2008.（in Chinese））

［5］ 贺如平，来结合，曾纪全，等.左岸f5断层、煌斑岩脉化学灌浆试验岩石力学试验检测报告［R］.成都：成都勘测设计研究院，2008.（HE Ru-ping，LAI Jie-he，ZENG Ji-quan，et al.Reprot of lab test of lamprophyre and f5 core sample af ter chemical grouting［R］.Chengdu：Chengdu Hydroelectric Investigation＆Design Institute of SPC，2008.（in Chinese））

Compound Cement and Chemical Grouting Trial and Study on Jinping-I Stage Hydropower Project

WANG Ji-min，JIANG Xue-lin
（EHDC Jinping Construction Management Authority，Xichang Sichuan 615000，China）

Jinping-I-Stage Hydropower Station dam is concrete arch dam with max.height of 305 m，and it is the highest arch dam in the world.Some lamprophyre existences in foundation rock will be harmful to the dam stability and foundation stress transfer，so it has to be treated for the dam safety.It was proved that deformation modulus，compression strength，tensile strength，shear strength and Poisson ratio of lamprophyre could not meet the design requirements after high pressure cement grouting，so chemical grouting was proposed to treat the lamprophyre.High permeable epoxy resin was employed to grout the weathered lamprophyre.The physical characteristic of weathered lamprophyre has impenetrability and nonhomogeneity，however，the YDS epoxy resin possesses initial viscosity，strong affinity to mediums，excellent permeability and good ageing property.After chemical grouting，the rock mechanics characteristics are improved greatly and can meet the design requirements，it indicates that lamprophyre can be grouted by YDSepoxy resin.

highest arch dam；lamprophyre；high permeability；epoxy resin

TV698.23

A

1001－5485（2010）02－0060－04

2009-01-18；

2009-02-17

王继敏（1964-），男，湖南湘潭人，教授级高级工程师，主要从事大型水电工程的管理和研究工作，（电话）0834-6768071（电子信箱）Jiangxuelin＠ehdc.com.cn。

（编辑：罗玉兰）