三峽工程無混凝土蓋重固結(jié)灌漿的可行性論文
摘要：三峽二期工程工期緊、任務(wù)重，固結(jié)灌漿工程量大，大倉面混凝土澆筑與灌漿在一定條件下是可行的，對固結(jié)灌漿進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)是必要的。
關(guān)鍵詞：三峽工程無混凝土固結(jié)灌漿可行性必要性
1壩址工程地質(zhì)特征
壩址區(qū)基巖以中粗粒花崗巖為主，細(xì)粒閃長巖次之。建基巖面利用巖體為微新巖石，局部為弱風(fēng)化下部巖體。建基巖體工程地質(zhì)條件較好，優(yōu)質(zhì)、良質(zhì)巖體約占98%。RQD值一般70%～90%，變形模量一般為20—30Gpa，縱波速度4300～5500m/s，透水性弱，透水率小于lLU約占80%。
壩區(qū)經(jīng)歷多次構(gòu)造變動(dòng)，斷層構(gòu)造巖出露面積約占建基面積的2%。以F2、F9、F23為代表的壓性斷層為主，構(gòu)造巖石多為碎裂巖，一般膠結(jié)良好；以F215、F548、F65為代表的張性斷層次之，構(gòu)造巖膠結(jié)較差，風(fēng)化較強(qiáng)，少數(shù)呈松散狀態(tài)。
裂隙以傾角大于60°的陡傾角為主，占75%以上；傾角30°～60°的中傾角裂隙占10%；緩傾角裂隙占13%。裂面以壓扭性為主，裂面平直，閉合狀、無充填、膠良好，裂隙長度一般2～5m，規(guī)模大者10～20m，極少數(shù)長度超過30m，間距一般2.5～3.5m，張性裂隙不發(fā)育、裂隙粗糙、微張開狀，長度多小于10m。
此外，由于壩基開挖，建基面淺部巖體受卸荷及爆破影響，不同程度的損傷，局部巖塊松動(dòng)。
從總體上看，三峽大壩基礎(chǔ)工程地質(zhì)優(yōu)良，大壩基礎(chǔ)設(shè)計(jì)及基礎(chǔ)處理中，一方面應(yīng)考慮如何充分利用壩址優(yōu)良的地質(zhì)條件，盡量節(jié)約工程投資；另一方面要對地質(zhì)缺陷部位、裂隙發(fā)育部位的不良巖體進(jìn)行妥善處理。
2大壩基礎(chǔ)固結(jié)灌漿設(shè)計(jì)簡述
設(shè)計(jì)采用常規(guī)布孔與重點(diǎn)加固相結(jié)合的原則。
2.1固結(jié)灌漿的范圍
一般范圍為壩踵、壩址各l/4壩基寬度，并對主體防滲帳幕迎水側(cè)的一排或兩排固結(jié)孔適當(dāng)加深；對壩基范圍內(nèi)出露的規(guī)模較大、性狀較差的斷層、巖脈、裂隙密集發(fā)育帶等缺陷部位采用重點(diǎn)加固處理；對壩基特殊部位、高陡邊坡部位視實(shí)際情況布孔。
2.2設(shè)計(jì)參數(shù)
一般部位孔距2.5×2.5m，孔深入基巖；5～6m；主帷幕前的兩排孔距2.0×2.0m，孔深入基巖10～20m；地質(zhì)缺陷部位或有特殊要求的部位孔排距2.0×2.0m，孔深入基巖8～15m。灌漿壓力一般0.3～0.5Mpa。
2.3施工方案
以常規(guī)有混凝土蓋重灌漿方式為主，對具備采用無混凝土蓋重方式施工條件的部位，可采用無混凝土蓋重方式施工。有混凝土蓋重方式施工一般要求混凝土厚度不少于3.0m。采用分序加密，自上而下分段鉆灌。
3 無混凝土蓋重固結(jié)灌漿的可行性及其實(shí)施
3.1 無混凝土蓋重固結(jié)灌漿的可行性
本次共做了三組無蓋重固結(jié)灌漿試驗(yàn)，第一組位于臨船上航道F7斷層出露部位，第二組位于右岸導(dǎo)流明渠三期下游橫向圍堰處，第三組為左廠4—1乙塊生產(chǎn)性試驗(yàn)。三組試驗(yàn)分別代表不同的地質(zhì)條件：斷層破碎帶、裂隙發(fā)育帶及一般地段。盡管所處地質(zhì)條件不同，巖石透水性、吸漿量差別較大，但通過無混凝土蓋重固結(jié)灌漿試驗(yàn)之后，巖體的強(qiáng)度，整體性得到了較大的改善，具有如下特點(diǎn)：
1)單位透水率和單位注入量，隨著灌漿次序的增加，均有顯著的降低(見表1)；單位注入量和單位透水率較大的段數(shù)頻率隨著灌漿次序增加而減少；斷層帶、裂隙發(fā)育帶遞減幅度相對較大。灌漿后檢查孔的單位透水率小于3Lu占90%以上，透水宰大于3Lu的孔段均位于試驗(yàn)區(qū)的`邊緣。
表l
灌漿次序
單位入注量/kg·m-1
單位透水率/Lu
第—組
第二組
第三組
第一組
第二組
第三組
Ⅰ
175.2
23.50
14.04
668.67
17.82
0.68
Ⅱ
66.8
8.51
9.83
96.82
3.0
0.37
Ⅲ
O
3.70
2.18
0.28
檢查孔
1.465～1.985
0.28
2)灌后巖體整體性、均質(zhì)性得到加強(qiáng)，力學(xué)性質(zhì)得到改善。單孔聲波波速值均能達(dá)到5000～5500m/s，跨孔地震波值4500m/s，聲波值提高3%～45%不等。灌前聲波值在5100～5500m/s，灌后提高3%；灌前聲波值在4500～5000m/s，灌后可提高5%～12%；灌前聲波值小于4500m/s。灌后均能提高10%以上；灌前聲波值越低提高幅度越大。灌后巖體的彈性模量，除個(gè)別幾段外，可達(dá)20GPa以上，一般提高3～10Gpa。
3)無混凝土蓋重固結(jié)灌漿過程中有時(shí)發(fā)生串、冒、漏漿現(xiàn)象，但經(jīng)過濃漿封堵、降壓、間歇、待凝等措施后，均達(dá)到了結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)，符合技術(shù)要求。
4)在灌漿過程中不同程度地產(chǎn)生水力壓裂、抬動(dòng)。但抬動(dòng) 值不大于200UM，在設(shè)計(jì)允許值范圍之內(nèi)。少數(shù)裂隙即使在壓水、灌漿過程中產(chǎn)生水力壓裂，但最后能得到較好的灌注。
5)第一組、第二組無混凝土蓋重固結(jié)灌漿試驗(yàn)，基巖面未達(dá)到大壩建基面要求，淺層巖石較破碎，清基不徹底，找平混凝土沒經(jīng)過嚴(yán)格振搗，混凝土與基巖面膠結(jié)較差，這些都是第一段單位透水率、注入量偏大及蓋板裂縫抬動(dòng)的主要原因。
綜上所述，經(jīng)過無混凝土蓋重固結(jié)灌漿后，巖石得到了較大的改善，單位透水率、縱波速度、彈性模量都能達(dá)到設(shè)計(jì)要求值。因此，我們認(rèn)為無混凝土蓋重固結(jié)灌漿，除有特殊要求的部位外，在技術(shù)上是可行的。
3.2 無混凝土蓋重固結(jié)灌漿的優(yōu)缺點(diǎn)
本次試驗(yàn)無混凝土蓋重是在找平混凝土上進(jìn)行的，有蓋重是在3m厚的混凝土上進(jìn)行的。從試驗(yàn)資料分析，基巖的灌漿效果及是否抬裂主要與巖石本身的工程地質(zhì)條件和灌漿壓力有關(guān)，而與有無混凝土蓋重關(guān)系不明顯。3m左右的混凝土蓋重板真正起的作用不大，阻止水力壓裂和控制抬動(dòng)是有限的，并且發(fā)生抬動(dòng)后處理是很困難的。3m厚混凝土與找平混凝土所起的主要作用都是嵌縫堵漏，約束巖面表面裂隙張開。與有混凝土蓋重固結(jié)灌漿比較，無混凝土蓋重固結(jié)灌漿有如下優(yōu)缺點(diǎn)。
主要優(yōu)點(diǎn)：
1)解決了澆筑與固結(jié)灌漿相互干擾的矛盾，加快施工進(jìn)度。
2)避免了有混凝土蓋重固結(jié)灌漿蓋板的抬動(dòng)與處理困難。
3)避免了有混凝土蓋重固結(jié)灌漿蓋板混凝土層面長時(shí)間暴露而產(chǎn)生溫度裂縫及繼續(xù)澆筑時(shí)新老混凝土變形不一致的問題。
4)易于觀察巖石表面的串、冒漿等問題，便于及時(shí)處理。
5)避免鉆壞混凝土內(nèi)埋設(shè)的冷卻水管、受力鋼筋、測試儀器等構(gòu)件。
6)節(jié)省直接鉆混凝土或預(yù)埋導(dǎo)管的費(fèi)用。
主要缺點(diǎn)：
1)由于巖石表面無蓋重，不能采用大的灌漿壓力，致使一部分需要較大壓力才能灌漿的細(xì)小閉合裂隙，沒有得到很好的灌注。
2)在裂隙發(fā)育地段，易產(chǎn)生冒漿、串漿尤其是周邊孔段，需采取一些封堵措施才能完成灌漿工作。
3)找平混凝土不易震搗、質(zhì)量難以保證。因此找平混凝土的質(zhì)量和與基巖的膠結(jié)緊密程度是進(jìn)行無混凝土蓋重固結(jié)灌漿首先要解決的問題。
3.3 無混凝土蓋重固結(jié)灌漿的實(shí)施
無混凝土蓋重固結(jié)灌漿的優(yōu)越性是顯而易見的，其不足是可以通過一些措施克服的，下面就怎樣實(shí)施提出建議。
3.3.1 無混凝土蓋重固結(jié)灌漿部位的選定
按設(shè)計(jì)要求兼輔助帷幕防滲的固結(jié)灌漿部位，地質(zhì)缺陷部位，陡直立邊坡部位要求采用有蓋重固結(jié)灌漿，但混凝土澆筑是按塊劃分，兼輔助帷幕防滲的固結(jié)灌漿孔與一般固結(jié)灌漿孔位于同一壩塊，地質(zhì)缺陷部位是局部的，所以在兼輔助帷幕防滲的固結(jié)灌漿孔，地質(zhì)缺陷部位采用有蓋重，其他部位采用無蓋重是難以操作的。為解決這一矛盾，在今后施工中可以兼輔助帷幕防滲的固結(jié)灌漿孔移到帷幕灌漿廊道內(nèi)施工，對地質(zhì)缺陷進(jìn)行妥善處理后，再進(jìn)行無混凝土蓋重固結(jié)灌漿。
壩址基巖優(yōu)良巖體占98%以上，斷層碎裂巖體不足2%，所以大面積地進(jìn)行無混凝土蓋重固結(jié)灌漿是有條件的。
3.3.2 關(guān)于無混凝土蓋重固結(jié)灌漿的壓力
灌漿壓力的使用至關(guān)重要。壓力偏小，巖體得不到很好的灌注；壓力偏大，會(huì)引起水力壓裂和抬動(dòng)。因此應(yīng)在不引起水力壓裂和抬動(dòng)的原則下，盡量使用較大的灌漿壓力，即最佳灌漿壓力，這個(gè)最佳灌漿壓力往往是由巖體本身工程地質(zhì)特性確定，不是由巖體的上覆壓力確定。
根據(jù)巖體裂隙的大小，張開程度、滲透性、可灌性，三峽壩基巖體大致可以分為Ⅳ類。
I類是寬大裂隙。裂面張開，伸延一般大于10m，透水性強(qiáng)、大于101u可灌性好、注入量大于20～15kg/m，在低壓力下(0.1Mpa)吸漿量很大，此類裂隙不發(fā)育，起著導(dǎo)水作用，是首要灌注對象，不需用多大壓力(0.1～0.3Mpa)就能取得良好的灌注效果。
Ⅱ類是較大的無充填閉合裂隙，因卸貨、爆破影響后張開的閉合裂隙，短小的張性裂隙。透水性中等，透水率3～101u，注入量5～20kg/m，一般在小區(qū)域內(nèi)自行封閉，開始吸漿中等，吸漿量逐漸減少，較快地達(dá)到結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。此類裂隙，在淺部較發(fā)育，一般在0.3～0.5Mpa壓力下就能得到較好的灌注，超過此壓力值，可能發(fā)生初步的水力壓裂和抬動(dòng)。
Ⅲ類是細(xì)小的致密裂隙。充填膠結(jié)好，巖石原本不透水和透水輕微，透水率1～3Lu，吸漿量小，單位注入率小于5kg/m。
此裂隙較發(fā)育，在吸漿量較小的情況下，可以提高灌漿壓力到0.5～1.0MPa，一旦達(dá)到此壓力值而吸漿量仍不大，再進(jìn)一步提高灌漿壓力，使原本閉合的裂隙張開，雖然灌了一些水泥，但要承受發(fā)生水力壓裂和提高滲透性的風(fēng)險(xiǎn)。
Ⅳ類裂隙是極致密的裂隙。原本不透水、不吸漿，能承受較高的灌漿壓力，極限壓力可能達(dá)到5Mpa，此類裂隙是不需要做灌漿處理的。
灌漿壓力應(yīng)根據(jù)巖體的裂隙發(fā)育特征確定，而裂隙發(fā)育特征主要反映在巖體的單位吸漿量上，可以根據(jù)吸漿量確定灌漿壓力，在無混凝土蓋重固結(jié)灌漿時(shí)壓力與吸漿量關(guān)系如表2
在實(shí)際操作過程中，第1序孔的第一段，往往吸漿量較大，首先應(yīng)采用低壓0.1～0.3Mp，；使第Ⅱ序孔第一灌漿壓力可以適當(dāng)提高，漸漸達(dá)到設(shè)計(jì)壓力值0.3～0.5Mpa；第二段最終灌漿壓力0.5～1.0Mpa，最大壓力不應(yīng)大于1.0Mpa，見表3。
表2
單位吸漿量/L/M
>50
10～50
5～10
<5
壓力Mpa
0～0.1
0.1～0.3
0.3～0.5
0.5～1.0
表3
灌段
第Ⅰ序孔
第Ⅱ序孔
一段
二段
一段
二段
壓力/Mpa
>0.3
0.3～0.5
0.3～0.5
0.5～1.0
3.3.3 防止水力壓裂與抬動(dòng)
①防止抬裂最關(guān)鍵的問題是壓力的使用，除上述根據(jù)巖體工程地質(zhì)特性控制灌漿壓力外，更應(yīng)注意壓水試驗(yàn)時(shí)，壓水壓力的控制，試驗(yàn)表明壓水比灌漿更易造成水力壓裂與抬動(dòng)，因?yàn)樗桥ｎD液體，能等值傳遞液體內(nèi)壓力，漿液是賓漢液體，不能等值傳遞液體內(nèi)壓力，隨漿液濃度的增加，壓力傳遞呈非線性遞
減規(guī)律，且漿液在流動(dòng)過程中能量損失比水要大得多。本次灌漿試驗(yàn)，產(chǎn)生抬動(dòng)的壓水壓力值為0.15～0.5Mpa，灌漿壓力0.3～1.0Mpa，一般是壓水產(chǎn)生抬動(dòng)在先。壓水試驗(yàn)只是測試巖體滲透性的一種方法，本身不能改善巖體滲透性，灌前壓水試驗(yàn)壓力應(yīng)降一級，按巖體透水率調(diào)整壓水壓力(見表4)。壓水與灌漿時(shí)，升壓過程應(yīng)緩慢，應(yīng)分級調(diào)升。
表4
單位透水率/Lu
>50
10～50
3～10
<3
壓水壓力/Mpa
0.1
0.1～0.3
0.5
0.5
②為了防止找平混凝土和蓋板的抬裂，第—段壓水與灌漿時(shí)，阻塞在混凝土上，應(yīng)縱跨混凝土與基巖的接觸面阻塞，這樣，水與漿液是間接進(jìn)入接觸面，可避免接觸面的張開。在緩傾角裂隙發(fā)育部位，可預(yù)先進(jìn)行錨固處理。
③三峽壩基花崗巖強(qiáng)度高，彈性模量大，巖體抬裂在一定范圍內(nèi)(一般不大于200um)是可恢復(fù)的，且最終還是能得到較好的灌注密實(shí)，只要不造成混凝土與基巖接觸面、緩傾角裂面大面積地壓裂、抬動(dòng)。輕微的抬、裂是不可避免的，也是允許的。
3.3.4 關(guān)于找平混凝土
本次所謂無混凝土蓋重灌漿都是在找平混凝土上進(jìn)行的，找平混凝土的主要作用是阻塞基巖表面裂隙，防止?jié){液串冒，保證灌漿質(zhì)量，創(chuàng)造施工環(huán)境，免除廢棄漿液對建基巖面的污染，減少建基面清除難度。考慮到建基面有起伏差，找平混凝土的澆筑，原則上是填平低凹的坑槽，對凸出的完整巖體應(yīng)外露。找平混凝土可不分縫，但澆筑時(shí)應(yīng)振搗密實(shí)，嚴(yán)格控制施工質(zhì)量。本次三組無混凝土蓋重灌漿試驗(yàn)，找平混凝土全都出現(xiàn)了裂縫，裂縫的主要原因是找平混凝土厚薄不一，變形不—致，混凝土的質(zhì)量又沒有嚴(yán)格控制。在灌漿過程中，沿裂縫有冒、漏漿現(xiàn)象，使裂縫進(jìn)一步擴(kuò)寬。對出現(xiàn)裂縫的部位必須進(jìn)行處理。對怎樣保證找平混凝土的質(zhì)量，須進(jìn)一步研究，制定出具體切實(shí)可行的措施。
3.3.5 關(guān)于群孔灌漿
群孔灌漿可以進(jìn)一步提高工效，加快施工進(jìn)度，保證灌漿質(zhì)量，建議有條件的部位。采取群孔灌漿。
4 大壩基礎(chǔ)固結(jié)灌漿的優(yōu)化設(shè)計(jì)
三峽大壩基礎(chǔ)巖體本身力學(xué)性質(zhì)很好，可灌性差，按常規(guī)布置固結(jié)灌漿所起作用不大。據(jù)原勘測資料，臨船壩段、左廠壩段已收集到的固結(jié)灌漿資料初步統(tǒng)計(jì)，建基巖體70%以上聲波值大于5000m/s，地震波值大于4000m/s，壓水試驗(yàn)呂榮值小于1Lu，單位注入量小于1～3kg/m，根據(jù)三峽大壩基礎(chǔ)巖體的工程地質(zhì)特性，直接利用優(yōu)、良巖體，盡量減少固結(jié)灌漿工作量，在最小費(fèi)用下，最短的時(shí)期內(nèi)獲得最佳的灌漿效果，是三峽大壩基礎(chǔ)固結(jié)灌漿優(yōu)化設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)，現(xiàn)就怎樣有效地進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)提出幾點(diǎn)建議：
1)基礎(chǔ)固結(jié)灌漿設(shè)計(jì)工作，應(yīng)在大的原則下，作為動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)工程項(xiàng)目予以安排。
2)固結(jié)灌漿的布置應(yīng)針對開挖揭露建基面的地質(zhì)情況確定，施工地質(zhì)編錄的巖體彈性波檢測資料是優(yōu)化設(shè)計(jì)的重要依據(jù)，通過試驗(yàn)可以歸納幾種布孔方案。
①對巖體完整性好，強(qiáng)度高，變形模量和彈性波速度達(dá)到設(shè)計(jì)要求的部位盡量減少或不布孔，重點(diǎn)布于固結(jié)兼輔助帷幕部位、斷層裂隙發(fā)育部位及對基礎(chǔ)有特殊要求的部位。
②對一般地段采取隨機(jī)布孔方式，即根據(jù)裂隙發(fā)育情況，把鉆孔有意地布置在裂隙上；裂隙發(fā)育部位孔距加密，否則相反；對大的陡傾角裂隙，可考慮調(diào)整鉆孔方向，利于鉆孔有效地穿透裂面。
③地質(zhì)缺陷部位(特別是長大緩傾角結(jié)構(gòu)面)是處理的重點(diǎn)，應(yīng)采用綜合處理措施。
3)在施工過程中應(yīng)進(jìn)行分序優(yōu)化，根據(jù)I序孔的壓水、灌漿情況來確定優(yōu)化Ⅱ序孔的施工，根據(jù)Ⅱ序孔的壓水、灌漿情況來確定是否減掉檢查孔，把Ⅱ序孔的壓水試驗(yàn)作為檢查孔。
4)重視、加強(qiáng)施工質(zhì)量、基礎(chǔ)驗(yàn)收工作。
5 結(jié)語
經(jīng)前期勘測，灌漿試驗(yàn)和灌漿施工資料綜合分析，考慮大壩基礎(chǔ)地質(zhì)條件與固結(jié)灌漿的施工條件，可以確認(rèn)無混凝土蓋重固結(jié)灌漿優(yōu)于有混凝土蓋重因結(jié)灌漿，只要能保證找平混凝土的質(zhì)量，大范圍地進(jìn)行無混凝土蓋重固結(jié)灌漿在技術(shù)上是可行的。但還需要制定具體的施工技術(shù)要求。根據(jù)建基巖面的工程地質(zhì)情況，動(dòng)態(tài)優(yōu)化固結(jié)灌漿是一項(xiàng)省錢、省時(shí)又能獲得良好灌漿效果的工作，是十分必要的。
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