向家坝水电站挠曲核部破碎带高水头条件下化学灌浆试验研究

肖承京1，2，3，陈 亮1，2，3，魏 涛1，2，3，李 珍1，2，3，汪在芹1，2，3，闫小虎1，2，3

(1.长江科学院，湖北武汉，430010; 2.国家大坝安全工程技术研究中心，湖北武汉，430010;3.水利部水工程安全与病害防治工程技术研究中心，湖北武汉，430010)

作者简介: 肖承京(1983.2—)，男，江西万安人，高级工程师，主要从事水工新材料研发与应用工作。

【摘 要】 向家坝水电站坝基帷幕中分布的核部破碎带及其影响带由于地质条件复杂，普通帷幕灌浆技术难以达到处理效果。长江科学院在泄9坝段开展了高水头条件下化学灌浆试验，发现丙烯酸盐灌浆及环氧树脂灌浆材料对高水头下挠曲核部破碎带的防渗处理都有一定效果，双排环氧灌浆方式对破碎带抗渗稳定性和岩体完整性的提高效果更佳，灌后检查孔未出现涌水现象。试验给出了向家坝水电站高水头条件下挠曲核部破碎带化学灌浆的布孔方式、灌浆压力及过程控制参数，该试验成果可应用于大规模工程施工。

【关键词】 化学灌浆; CW环氧树脂; 丙烯酸盐; 挠曲核部破碎带; 高水头条件

1 引言

向家坝水电站是金沙江下游河段规划的最后一个梯级电站，坝址位于四川省宜宾县和云南省水富县交界处。工程的开发任务以发电为主，同时改善航运条件，兼顾防洪、灌溉，并具有拦沙和对上游溪洛渡水电站进行反调节等作用。工程于2004年7月开始筹建，2006年11月26日正式开工，2008年12月截流，2012年10月10日下闸蓄水。

向家坝水电站坝址区地质条件复杂，坝基自左非坝段至泄洪坝段不同程度分布有以挤压破碎带和挠曲核部破碎带为代表的不良地质体。不良地质体中的碎屑结构物质具有颗粒细、在原位条件下较密实、强度低、透水率小、遇水易塌孔、可灌性差等特点，虽经深大齿槽开挖置换，但坝基以下仍有残余，其渗透稳定问题尤为突出。坝基挠曲核部破碎带主要分布在泄水坝段，走向NW、倾向SW、宽度30～70m。从泄7坝段开始，挠曲核部破碎带分为上、下两支，上支厚度10～20m，下支厚度20m左右。挠曲核部破碎带主要由碎裂结构和碎屑结构的砂岩组成，其中碎裂结构砂岩占60.7%，碎屑结构砂岩(砂土状)占39.3%。中国水电顾问集团中南勘测设计研究院对挠曲核部破碎带原状样现场渗透变形试验表明(见表1)，破损带渗透系数低，但抗渗透破坏能力弱，长期高水头作用下的渗透稳定性差。

受中国长江三峡集团公司向家坝工程建设部委托，长江科学院在泄9坝段开展挠曲核部破碎带化学灌浆试验施工，此时坝前水位已从高程353m逐渐抬高至370m，破碎带的实际承压水头达200m以上，灌浆孔存在涌水、涌沙的风险，因此试验具有一定的工程难度。

表1 向家坝水电站挠曲核部破碎带岩体渗透变形特征

图1 向家坝水电站坝基帷幕线上分布挠曲核部破碎带分布情况

2 试验目的、设计思路

本试验的主要目的是通过化学灌浆试验选定和优化化学灌浆材料，使之适应高水头、有涌水的特殊灌浆条件; 通过工艺试验，为制定高水头条件下挠曲核部破碎带的处理要求提供现场试验成果依据; 验证挠曲核部破碎带高水头条件下化学灌浆帷幕防渗的可行性和可靠性。

针对挠曲核部破碎带的岩体及渗透特征，试验方案的设计思路为利用水泥浆液或化学浆液先进行固水或止水灌浆以封堵涌水，然后通过化学灌浆重点对挠曲核破碎带进行补强处理。化学灌浆遵循“低压慢灌，缓慢浸润渗透”的原则，以实现对低渗透性破碎带岩体的有效处理。

3 化学灌浆材料

试验采用的灌浆材料主要有高抗硫酸盐超细水泥浆、丙烯酸盐化学浆、改性环氧树脂化学浆。其中超细水泥浆和丙烯酸盐化学浆主要用于堵水、止水并充填大裂隙，限制后续化学灌浆中浆液的扩散范围，改性环氧树脂化学浆主要对破碎带岩体进行浸润、固结补强，提高破碎带岩体在高水头作用下的抗渗性和耐久性。

试验中采用的环氧灌浆材料为长江科学院生产的CW510系改性环氧灌浆材料，为双组分灌浆材料，具有配制简单，可灌性好，力学强度高，在干燥及潮湿条件和水中都能很好地固化的特点，在前期向家坝水电站化学灌浆试验应用中取得良好效果［1，2］，并开展了大规模工程应用。该材料体系中主要包括CW511慢反应浆材和CW512快反应浆材，针对高水头下化学灌浆的工况需求，长江科学院研发出渗透性更强、可操作时间和胶凝时间更短的CW513特快反应型环氧树脂化学灌浆材料，CW510系改性环氧灌浆材料主要性能见表2。

表2 CW510系化学灌浆材料的主要性能

试验中采用的丙烯酸盐灌浆材料为北京朗巍时代科技有限责任公司生产的AC－Ⅱ丙烯酸盐，材料性能见表3。

表3 AC－Ⅱ丙烯酸盐灌浆材料主要性能试验结果

4 试验过程

泄9坝段化学灌浆试验区作业面位于坝基主帷幕廊道，廊道底板高程245m，挠曲核部破碎带上分支顶高程180m，厚度约15m，下分支顶高程125.2m，厚11.8m，本试验只处理上分支。为验证不同灌浆材料及灌浆工艺对高水头条件下破碎带灌浆处理的有效性，试验中设置了两排化学灌浆孔，上游排主要用于止水防涌沙，下游排用于加固破碎带。采用了水泥－化学同孔复合工艺［1，3］，即对透水率大的灌浆孔段先进行超细水泥灌浆，然后扩孔进行化学灌浆。

4．1 灌浆孔布置

试验区分为两个试区，试验一区包括上游排3个丙烯酸盐灌浆孔B1、B2、B3和下游排3个环氧灌浆孔C4、C5、C6，构成“一排丙烯酸盐灌浆孔+一排环氧树脂灌浆孔”的方案; 试验二区为双排共5个环氧树脂灌浆孔，上游排C1、C2、C3以及下游排C7、C8，构成“两排环氧树脂灌浆孔”的方案。布置灌后检查孔4个，为检查孔J1～J4，所有孔都位于廊道原帷幕灌浆孔中游排与下游排之间，具体布孔位置见图2。

图2 泄9坝段化学灌浆布孔图

4．2 高水头下灌浆工艺

化学灌浆采用“自上而下”纯压式分段阻塞方式，分两序施工。超细水泥灌浆范围为挠曲核部破碎带区域，段长5m左右，最大设计灌浆压力3.5MPa，后调整为3.0MPa。化学灌浆范围为挠曲核部破碎带及其影响带，化学灌浆段长4.1～4.5m，设计压力2.0～3.0MPa，实际结束压力多控制在3.0MPa。详细工艺流程可参考文献［1，2］。

(1)丙烯酸盐灌浆

丙烯酸盐灌浆采用双液灌浆和单液灌浆工艺。浆液配比(A B体积比)为1 1，加入适量缓凝剂。采用逐级升压法灌注，灌浆压力应与注入率相适应，灌浆压力与注入率的对应关系参照表4。正常情况下当灌浆压力升到设计压力，灌浆注入率≤0.02kg/min后继续灌注30min或达到浆液胶凝时间即可结束。

表4 丙烯酸盐灌浆压力与注入率的对应关系

(2)CW510系环氧灌浆

CW510系环氧浆液采用单液灌注方式灌浆，根据灌浆时的注入率、涌水情况选择灌注浆液的种类和配比以控制浆液的固化速率。一般而言，CW511的6 1浆材用于灌浆开始时充填管容，CW511的5 1和4 1浆液用于正常灌浆，CW512和CW513快凝型浆液用于大注入量和对涌水条件进行处理。

CW510系环氧树脂灌浆采用逐级缓慢升压的工艺进行灌浆，灌浆时注入量与灌浆压力控制关系见表5。出现注入率突然增大、回浆压力变小等情况时要采取降压限流措施，有涌水的孔段应根据涌水压力将灌注压力适当提高。应严密关注注入率的变化，及时采取稳压、稳流、间歇等控制措施。

灌浆结束标准原则上按达到注入率≤0.01kg/min时再屏浆1h的标准控制，根据灌浆情况，当持续灌注时间超过72h，可将灌浆结束标准适当放宽至注入率小于0.05kg/min。

表5 CW510系环氧树脂化学灌浆压力与注入率关系表

(3)孔内涌水的处理

孔口有涌水的灌浆孔段，灌浆前应测量涌水压力和涌水量，根据涌水情况可选用下列处理措施: 提高灌浆压力，缩短浆液胶凝时间，延长闭浆时间，水泥、化学浆液混合使用等，以保证在规定的结束标准下结束灌浆。

灌浆孔涌水统计表明，已测定的64个涌水孔段中涌水流量小于3L/min占85%，流量3～5L/min占22%，大于5L/min占13%，其中涌水流量最大为7.5L/min，对应涌水压力为0.35MPa。试验中采用的主要处理措施为提高灌浆压力和使用快凝浆液，可以有效解决涌水问题。

4．3 灌浆成果

根据设计要求，对灌前透水率大于1Lu的孔段先进行超细水泥灌浆，共实施36段，平均单位注入量为26.9kg/m，Ⅰ序孔平均单位注入量为34.2kg/m，Ⅱ序孔平均单位注入量为15.7kg/m，Ⅲ序孔平均单位注入量为3.8kg/m。

一区丙烯酸盐灌浆共完成3孔15段，灌浆67.8m，总注入量2932.18kg，平均单位注入量为43.25kg/m。一区CW灌浆孔是在丙烯酸盐灌浆孔完成后实施的，并与二区共同分序施工，共3孔15段，灌浆67.4m，总注入量4976.5kg，平均单位注入量为73.84kg/m。

二区CW灌浆共完成5孔25段，灌浆104.7m，总注入量10584kg，平均单位注入量为101.09kg/m。各孔平均单位注入量按序递减规律明显，Ⅰ序孔单位注入量117.51kg/m，Ⅱ序孔84.52kg/m、Ⅲ序孔69.15kg/m。

4．4 试验效果检测

(1)灌后透水率

灌后检查工作向家坝工程建设部委托中水顾问集团中南勘测设计研究院中南物探测试中心实施，完成J1～J4孔检查，检查孔压水压力为2.0MPa，灌后检查孔未发现涌水孔段。

一区丙烯酸盐灌浆检查孔透水率最大为0.67Lu，最小为0.08Lu; 一区环氧灌后检查孔最大透水率为0.9Lu，最小为0.01Lu; 一区平均透水率0.25Lu。

二区双排环氧灌浆孔区域，位于双排孔中间的J4孔透水率最大值0.32Lu，全部小于0.5Lu，位于下游排的检查孔J3透水率最大值0.26Lu，全部小于0.5Lu，达到设计要求指标(小于0.5Lu)。

(2)检查孔疲劳压水

双排环氧灌浆孔区域检查孔J4在2.0MPa下进行疲劳压水检测，疲劳压水透水率最小值0.001Lu，最大值0.005Lu，平均透水率0.0017Lu，2.0MPa压力下72h不透水。

(3)检查孔取芯及孔内摄像

图3为灌前先导孔破碎带区域的岩石取芯情况，发现孔深52～57m为砂层，岩芯获得率较低; 57～60m左右为碎块状岩体，裂隙较发育; 60～68.8m为砂层，钻孔过程中返砂严重。

图3 先导孔破碎带区域岩石芯样照片

灌后检查孔取芯发现，一区丙烯酸盐区J1孔岩芯在破碎带区段检查孔芯样完整性有显著提高，可见较多黄色物质，未见明显的丙烯酸盐胶凝物质(图4)，J1孔的孔内摄像(图5)也可见黄色环氧树脂胶结物，这是附近的环氧灌浆孔扩散到该区的环氧浆液，而丙烯酸盐凝胶可能在钻孔过程中被高压水冲蚀。

二区检查孔J4的取芯及孔内摄像效果与J1类似。岩芯获得率较高，碎块状岩体、碎屑状岩体以及泥化夹层等挠曲核部破碎带被环氧浸润渗透后形成了有一定强度的柱状岩芯固结体。另外还发现，CW环氧浆材对低渗透性泥岩有一定的渗透和固结效果，可取出柱状岩芯(图6)。J4检查孔的孔内摄像也发现孔壁布满黄色环氧树脂，破碎带区域形成了较好的固结体，孔壁清晰。

图4 一区丙烯酸盐区灌后检查孔J1在破碎带部位的岩芯

图5 灌后检查孔J1在破碎带部位的孔内摄像图

图6 CW环氧浆材对泥质岩体的浸润固结效果

5 结语

(1)泄9坝段挠曲核破碎带化学灌浆试验是在高水头、有涌水条件下开展的，试验区的选择具有代表性，包括了挠曲核部破碎带及其影响带中具有代表性的碎屑结构和碎块结构砂岩以及密实的碎屑状结构的砂岩及泥岩。

(2)从灌浆前后涌水和透水率情况看，试验所设置的两个区域的灌浆方式都能有效提高挠曲核部破碎带的抗渗性能。但从检查结果看，二区灌浆效果较好，检查孔透水率及72h疲劳压水结果表明破碎带的抗渗性和抗渗稳定性都满足设计要求。4个检查孔都无涌水。

(3)试验证实，CW510系环氧树脂灌浆材料对微细裂隙充填和固结效果良好，可对挠曲核部破碎带中碎块状岩体以及碎屑状岩体进行浸润和固结，对低渗透性泥岩有一定的渗透和固结效果，可取出柱状岩芯，检查孔岩芯总体获得率较高。

从试验结果来看，在高水头条件下采用CW环氧树脂化学灌浆处理挠曲核部破碎带的工艺是有效的。采用两排CW510系环氧树脂的布孔方式，在检查孔芯样外观和完整性，对破碎带的浸润和固结程度，岩体防渗效果以及抗疲劳破坏的耐久性和稳定性等方面，比丙烯酸盐+环氧树脂双排布置的灌浆效果好。

参考文献

［1］肖承京，魏涛.向家坝水电站挤压破碎带水泥－化学复合灌浆试验研究［C］.第十四次全国化学灌浆学术交流会论文集，2012: 67－72.

［2］魏涛，陈亮.向家坝水电站挠曲核部破碎带水泥化学复合灌浆试验成果研究剖析［C］.第十四次全国化学灌浆学术交流会论文集，2012: 73－78.

［3］尹作仿，董建军.三峡工程F215断层化学灌浆现场试验研究［J］.长江科学院院报，2000(6): 12－14.