向家坝水电站左岸挤压带环氧补强灌浆试验研究

陈安重1，王 毅2，刘良平1，黄灿新2，卢贤伟1，范 明1，樊 凯2，王留涛2

(1.中南勘测设计研究院有限公司，湖南长沙，410014;2.三峡集团公司向家坝工程建设部，四川宜宾，644600)

作者简介: 陈安重(1956—)，男，湖南沅陵人，教授级高工，主要从事水泥与化学灌浆及施工技术研究。

【摘 要】 在向家坝水电站高水头运行条件下，针对左岸挤压带不良地质体工程特性，进行了左岸挤压带补强灌浆试验研究，推出了水泥浆材“自下而上，下塞分段，高压冲挤”灌浆，及环氧浆材“自下而上，双塞小段，微渗浸润”灌浆新工艺。现场工艺试验研究与试验成果表明，两种工艺方法试验均取得了较好的效果。本文主要对其中环氧浆材补强灌浆试验研究有关的材料性能、工艺技术、灌浆效果等方面，进行详细的介绍与研究分析。

【关键词】 挤压带; 碎屑结构; 固孔止水; 高压冲挤; 双塞小段; 微渗浸润; 复合结构

1 引言

坝基挠曲核部破碎带与左岸挤压带是向家坝水电站主要工程地质问题。随着向家坝水电站蓄水至正常水位380m，长期高水头作用下左岸挤压带渗流稳定与帷幕耐久性问题研究，是一项重要的工程技术课题。向家坝左岸挤压带先后开展了多排水泥浆材帷幕灌浆，以及细水泥浆材与化学浆材复合补强灌浆，灌后帷幕透水率已减小到0.5Lu以下。为了进一步提高挤压带岩体的长期渗流稳定性，需开展新的补强灌浆工艺与材料试验研究工作。现场试验共进行了水泥浆材“自下而上，下塞分段，高压冲挤”灌浆与环氧浆材“自下而上，双塞小段，微渗浸润”灌浆两组试验。目前两组试验均已完成，本文将对其中环氧浆材补强灌浆试验研究情况，分别就环氧浆材性能验证、工艺方法选择、工艺参数确定、灌浆试验控制等进行简述，并对试验过程成果与试验检测成果进行分析与研究。

2 试验条件

现场试验场地选择在左非9与左非10坝段接缝两侧，底板高程302m。试验孔布置在原帷幕下游侧，每个试验区分别布置单排3个试验孔，孔间距1.0m，灌浆深度范围为挤压带(层厚约3～4m)及其上下影响带各2m区段，单孔灌浆长度7m，灌浆孔深约50m。

试验区地层挤压带分布高程约在257m上下。前期钻孔取芯与试验揭示，典型挤压带芯样多为碎屑结构(图1)，干密度大于2.1g/cm3，孔隙比小于0.25，渗透系数10－5～10－6cm/s，波速小于2500m/s，整体性状密实而强度较低，用手轻捏即呈散沙状，遇水后即崩解分散。

图1 碎屑结构典型芯样断面

3 工艺选择

3．1 工艺难点分析

根据左岸坝肩挤压带兼有埋藏深、分布厚、碎屑状、高密度、低强度、微渗透等特性，以及上游高水头作用下坝肩渗压条件，初步分析左岸坝肩挤压带环氧浆材补强灌浆主要技术难点有以下几个方面:

(1)挤压带多为碎屑结构，灌浆钻孔清水冲蚀与机械振扰，孔壁容易出现失稳坍塌，造成灌浆成孔困难，下塞分段封闭无法实施。

(2)受上游高水头渗压作用，灌浆孔段有可能出现外涌内渗，一定程度上会影响到浆液渗润与固化效果。

(3)挤压带层厚约3～4m，若灌浆分段过长，容易产生小应力面局部劈裂，环氧浆液渗润扩散不均，整体处理效果差。

(4)左岸坝肩地质结构极为复杂，前期帷幕灌浆及复合补强灌浆过程显示，左岸坝肩灌浆抬动极为敏感，试验灌浆注入率与灌入量控制稍有不慎，就会引起灌浆抬动。

3．2 工艺方法确定

基于上述所分析的几方面技术难点，经研究决定，左岸坝肩挤压带环氧浆材补强灌浆试验分两个阶段复合进行，即先进行水泥浆材固孔止水灌浆，并通过压水试验、孔内录像等对固孔止水效果确认后，再进行环氧浆材补强灌浆。

(1)水泥浆材固孔止水灌浆采用“自上而下，钻灌一体、间隔屏灌”灌浆工艺，主要解决挤压带灌浆钻孔坍塌、涌水等问题，并钻塑出一个孔壁稳定、完整、光滑灌浆孔段，为环氧浆材补强灌浆下塞分段封闭创造条件。

(2)环氧浆材补强灌浆采用“自下而上、双塞小段、微渗浸润”灌浆工艺，借以对挤压带实施小段长高压渗润控制性灌注，确保试验灌浆有效性与零抬动。

4 设备、机具、材料

4．1 设备、机具

按照组合工艺技术要求对灌浆设备机具进行选型与研制配套，其中化学灌浆泵采用一种微型灌浆泵(图2)，主要技术参数为: ①泵量: 0.6L/min; ②泵压: 22MPa; ③重量:6.5kg; ④电机功率:500W，单相交流220V/50Hz。

按照“自下而上，双塞小段，微渗浸润”工艺要求，在环氧浆材灌浆机具方面，研制出了一种水压双栓塞(见图3)，该栓塞膨胀收缩可靠，整体抗拉、抗压强度高，上下栓塞缩胀独立，栓塞段长为0.5m且可调。

图2 微型灌浆泵

图3 水压双栓塞实物照片

4．2 化学浆材

4.2.1 材料选型

根据左岸挤压带补强灌浆试验区岩体灌浆特性与渗压条件，挤压带环氧浆材补强灌浆试验对环氧浆液性能要求主要有: ①满足“自下而上、双塞小段、微渗浸润”灌浆工艺所要求的浆液可操作时间; ②对微渗透致密岩体具有良好的渗透与浸润能力; ③饱水渗压条件下对渗润灌浆体具有良好的固化性能及固结强度。

依据所要求的浆液性能要求，对选用的水下高渗环氧浆液进行了适当改性，改性后的浆液不同配比可操作时间见图4，根据工艺要求选定浆液配比A(环氧组分) B(固化组分) =5 1，其浆液性能委托第三方检测单位检测后主要性能技术指标见表1。

图4 不同配比浆液可操作时间与胶凝时间曲线图

表1 MS－1086E1(A B=5 1)水下高渗环氧灌浆材料主要性能指标

4.2.2 性能验证

为进一步验证浆液对兼有致密、饱水、微渗等特性的挤压带是否具有良好的灌浆处理能力，现场专门进行了简易浆液性能验证试验。

(1)水下固化剂性能影响试验

即先将选用的水下高渗环氧浆液固化剂组分置入水中浸泡7d，而后再将环氧组分同水中浸泡的固化剂组分进行搅拌混合均匀，再倒入装有标准砂样的水杯中，静放14d后观测其水下标准砂固结情况(见图5)。试验结果可见，水下标准砂全部固结，固结体略带弹性，各项力学性能完全满足水下灌浆要求。

图5 水下固化剂性能试验

(2)挤压带水下环氧浸润试验

即现场选用左非10先导孔取出的典型挤压带芯样，将其置入φ90mm规格的PVC管中，高度500mm，管道底部进行密封，倒入清水完全浸没，而后再倒入配置好的水下高渗环氧浆液，28d后锯开芯样断面检查可见，所选水下高渗环氧浆液在无压条件下对饱水典型挤压带密实芯样具有良好的浸润性能(见图6)。

图6 挤压带芯样中部明显见浸润痕迹(润深15～20mm)

5 “固孔止水”灌浆

5．1 灌浆分段与压力

“固孔止水”灌浆采用“自上而下，钻灌一体，间隔灌浆”工艺，间隔灌浆分段与压力控制参照表2进行。

表2 “固孔止水”阶段灌浆间隔分段、压力控制表

5．2 浆液配比

“固孔止水”灌浆采用纯水泥稳定浆液，配比与性能见表3。

表3 固孔止水阶段水泥稳定浆液主要性能参数表

5．3 灌浆控制

“自上而下，钻灌一体，间隔灌浆”间隔段灌浆控制标准为: 冲挤灌浆压力大于设计最小冲挤灌浆压力，注入率小于0.5L/min，继续灌注90min，结束本间隔段灌注。

5．4 固孔止水效果分析

“固孔止水”灌浆完成后，进行钻孔扫孔、孔内录像、涌水观测与压水试验。结果显示，经过“固孔止水”灌浆处理后，所有试验孔段孔壁完整稳定(见图7)，涌水量均小于0.3L/min，涌水压力均小于0.2MPa，透水率均小于0.5Lu。说明“固孔止水”效果完全满足后续环氧浆材补强灌浆实施“自下而上，双塞小段，微渗浸润”工艺要求。

图7 孔内录像

6 化学补强灌浆

6．1 灌浆工艺流程

环氧浆材“自下而上，双塞小段，微渗浸润”灌浆工艺，其工艺流程如下:

6．2 灌浆参数确定

6.2.1 灌浆分段

为避免过长的灌浆段长产生灌浆小应力面局部劈裂无效灌注，左坝肩挤压带环氧浆材补强灌浆试验段长选定为0.5m小段长，以便实施可控与有效灌注。

6.2.2 灌浆注入率

灌浆注入率作为“微渗浸润”灌浆工艺关键技术参数，直接关系到左坝肩挤压带环氧浆材补强灌浆效果。注入率过大会产生灌浆劈裂无效灌注，且因此而有可能引起变形抬动; 而取值过小则会造成每段灌浆时间过长，“双塞小段”工艺难以实施。结合“固孔止水”灌浆后压水试验成果，挤压带透水率约0.5Lu，即每米段长1MPa水压渗水量为0.5L/min，假定环氧浆液的渗透性与水基本等同，依此，按照灌浆段长0.5m计算，初步确定环氧浆材“微渗浸润”灌浆控制注入率≤0.2L/min。

6.2.3 灌浆压力

按照“微渗浸润”技术思路，灌浆压力主要为恒定注入率相匹配的调控压力。根据左坝肩挤压带补强灌浆试验零抬动要求，本次环氧浆材补强灌浆试验压力控制原则为: 依据压力与注入率线性关系，严格控制0.5m小段长注入率≤0.2L/min，确保环氧浆液沿挤压带孔隙或细微裂隙均匀有效渗透，并设定最大灌浆压力不超过5MPa。

6.2.4 灌入量

“微渗浸润”工艺灌入量主要依据挤压带及其上下影响带孔隙率与浆液扩散半径进行估算确定。比照挤压带天然孔隙比及其试验孔间距，初步研究确定最大单位灌入量为: Ⅰ序孔180kg/m，Ⅱ序孔150kg/m。

6．3 灌浆试验控制

6.3.1 浆液配制

为确保环氧浆液以最佳性能对挤压带实施有效的渗透与浸润灌注，依据“微渗浸润”灌浆工艺要求，现场环氧浆液配置严格按照A B=5 1配比，每6kg(5+1)小量随配随用，并按照每桶(25kg)现场分批取样进行水下养护，对浆液可操作时间、凝胶与固结变化等实时进行观测记录与分析。

6.3.2 注入率、压力、灌入量

挤压带环氧浆材补强灌浆试验过程中，灌浆注入率、压力、灌入量严格按照表4进行控制。

表4 挤压带化学补强灌浆试验注入率、压力与灌入量控制表

6.3.3 灌浆结束标准

“自下而上，双塞小段，微渗浸润”灌浆结束标准为: 灌浆注入率≤0.2L/min(Ⅰ序孔)或≤0.15L/min(Ⅱ序孔)条件下，灌浆压力Pmin≥2.0MPa，灌入量达到最大单位灌入量; 或灌浆压力Pmax≥5.0MPa，灌入量达到最小单位灌入量，结束本灌浆段灌浆。

7 试验成果分析

7．1 注入率控制分析

挤压带环氧浆材补强灌浆试验注入率成果统计分析结果表明，平均注入率为0.177L/min，其中Ⅰ序孔为0.200L/min; Ⅱ序孔为0.151L/min。可见，本次挤压带化学补强灌浆试验，采用一种微型高压化学灌浆泵，通过适时压力微调，基本实现了恒定微小注入率控制性灌注。

7．2 单位灌入量分析

挤压带环氧浆材补强灌浆试验，单位灌入量基本按照现场试验之前研究决定的灌入量标准进行控制。单位灌入量成果统计分析结果表明，平均单位注入量约170kg/m，其中Ⅰ序孔为180kg/m，Ⅱ序孔为150kg/m。

7．3 灌浆压力分析

(1)试验各孔段灌浆压力历时曲线显示(见图8)，随着恒定注入率控制，压力逐渐上升至一个稳定值，直至本段试验灌浆结束，灌浆压力基本维持稳定或略有上升。说明本次挤压带环氧浆材补强灌浆采用“自下而上，下塞小段，微渗浸润”灌浆新工艺，所选定的注入率控制值基本合理，试验过程中没有出现因注入率过大而产生劈裂降压现象。

(2)挤压带化学补强灌浆试验分Ⅱ序进行(见图9)，施工顺序为S3→S1→S2。试验各孔序(顺序)灌浆压力递增直方图显示，随着试验灌浆孔序(顺序)变化，等值注入率相对应的控制压力呈明显上升趋势，特别是S2Ⅱ序孔，在降低注入率控制值的情况下，相对应的控制压力仍然较前一试验孔提高近30%，充分说明前2个先序试验孔灌浆完成后，挤压带已经形成了透水性极小的灌浆复合结构体。

7．4 浆液扩散(影响)范围分析

挤压带环氧浆材补强灌浆试验S3首号孔灌浆试验时，S1、S2两孔进行了扫孔并对应S3号灌浆孔段同步下塞封闭隔离，根据S3号孔第5段(挤压带段)试验灌浆过程后期观测结果显示，S3号孔稳定灌浆压力约2.2MPa，观测到S2号孔渗压约1.4MPa，S1号孔渗压约0.4MPa。可见，本次挤压带化学浆液补强灌浆试验，浆液渗透压力影响半径超过2m，压力扩散基本呈线性衰减(见图10)。

7．5 浆液渗流特性分析

挤压带环氧浆材补强灌浆试验过程中，每一小段灌浆试验至中后期均进行了两次升压试验，借以分析环氧浆液渗透特性。升压试验注入率按照0→0.2L/min→0.4L/min→0.6L/min分级控制，对应测定压力变化值。根据所有孔段升压试验成果统计分析结果表明(见图11)，本次挤压带环氧浆材补强灌浆试验注入率与压力基本呈正比线性关系。

图8 试验孔挤压带典型灌浆段灌浆压力历时曲线图

图9 挤压带环氧浆材补强灌浆试验孔序(顺序)灌浆压力递增直方图

图10 化学浆材灌浆试验压力扩散(影响)范围观测试验示意图

图11 升压试验P－Q曲线汇总图

7．6 抬动观测分析

基于左坝肩挤压带地层特性，前期施工阶段帷幕灌浆施工过程中均不同程度地出现过灌浆抬动。考虑到大坝已经蓄水，为确保大坝安全运行，试验区共布置了3个抬动观测孔，分别控制3个重要方向的灌浆变形。本次试验过程中，安排专人专职进行了灌浆试验全程抬动观测，观测结果表明，试验区上、下、内外3个方向均未出现变形抬动迹象。

7．7 钻孔取样检查

左坝肩挤压带环氧浆材补强灌浆试验结束15d后进行了钻孔取样检查，检查结果表明:

(1)检查孔钻孔孔壁光滑、稳定，检查钻孔穿过挤压带孔底干净无崩解沉砂，压水试验封闭可靠。全孔取样RQD大于95%，完全达到设计规定指标(参见图12钻孔录像展示图)。

(2)检查孔取出的芯样完全成型，芯样层面、裂隙、孔隙明显见环氧胶结，挤压带结构基本改性为脉状或斑状环氧渗润复合体(参见图13、图14)。

图12 钻孔录像展示图

7．8 钻孔压水试验

J1、J2两个检查孔压水试验结果显示，透水率均为0。可见，左坝肩挤压带通过环氧浆材“自下而上，双塞小段，微渗浸润”灌浆处理后，挤压带结构发生了本质改变，渗透性极小。

图13 影响带细微裂隙环氧“微渗浸润”灌浆芯样图

图14 典型挤压带环氧“微渗浸润”灌浆芯样图

为进一步验证环氧浆材补强灌浆试验后挤压带帷幕体抗渗强度，两个检查孔专门进行了历时72h对穿疲劳压水试验，试验压力1.0MPa，压水流量始终稳定为0，分析计算渗透破坏坡降远大于100。

8 问题与探讨

向家坝水电站左坝肩挤压带补强灌浆分别进行了水泥浆材与环氧浆材两组材料与工艺试验。两组试验结果显示，透水率、RQD值、渗透破坏坡降等各项技术指标均达到了设计提出的要求。尽管如此，根据专家们的意见，仍然有许多问题值得我们进一步探讨与研究。

问题一: 补强灌浆防渗体结构性状改变与耐久性问题

根据两组试验工艺灌浆机理可知，水泥浆材“高压冲挤”灌浆主要为高压挤密、劈楔、压渗灌注，形成的补强灌浆防渗体主要为挤密、劈楔复合体，挤压带除有少量C－S－H钙矾石胶凝参入复合体固结外，其挤压带结构本质改变有限; 而环氧浆材“微渗浸润”灌浆主要为渗透、劈楔、浸润灌注，形成的补强灌浆防渗体为脉、斑状环氧渗润固结复合体，挤压带结构基本发生了本质性变化。故此，两组试验成果单从防渗体耐久性而言，环氧浆材“微渗浸润”补强灌浆明显要优于水泥浆材“高压冲挤”补强灌浆。

问题二: 环氧浆材单位灌入量问题

环氧浆材价格昂贵，补强灌浆单位灌入量直接关系到工程造价。本次左坝肩挤压带环氧浆材补强灌浆按照“微渗浸润”工艺要求，依据挤压带孔隙比估算出单位灌入量进行控制。根据试验过程渗透扩散影响范围研究成果，以及试验研究后成果取样观测分析，挤压带单位灌入量明显偏高，尤其是上下影响带多为细微裂隙，且单位体积岩体裂隙比较小，即使采用“微渗浸润”灌注工艺，浆液裂隙渗入也十分有限。故此，完全可以结合挤压带及其影响带结构特征分类，进一步采用更微小的注入率进行控制性灌注。初步分析判断，左坝肩挤压带环氧浆材补强灌浆，经过“固孔止水”灌浆处理后，环氧浆材“自下而上，双塞小段，微渗浸润”灌注，其单位灌入量挤压带80kg/m、影响带50kg/m应是可行的。

图15 小部分致密均质挤压带碎屑结构芯样环氧固结强度偏低

问题三: 部分致密挤压带固结强度问题

根据环氧浆材“自下而上，双塞小段，微渗浸润”试验灌浆取样结果，取出的芯样挤压带岩体均不同程度地含有环氧成分，然而仍有小部分致密均质挤压带碎屑结构芯样固结强度偏低(见图15)，也就是说，固结效果尚不如之前进行的“挤压带水下环氧浸润试验”效果。初步分析其原因，可能是由于挤压带碎屑结构岩体过于致密，环氧浆液即使借助比水更好的渗透性能压渗进入细微孔隙，然而，在高水头全封闭渗流条件下，挤压带孔隙水依托岩体固体颗粒吸附作用，环氧浆液很难对孔隙水进行干净置换，从而形成环氧浆液与残留水分子混合体，一定程度上会影响到环氧浆液固化性能。对此，在研究改性水下高渗环氧浆液性能同时，有必要进一步研究“微渗浸润”灌浆过程中辅助进行孔隙排水、排气的方法与措施。

9 后语

向家坝左坝肩挤压带化学补强灌浆，首次采用环氧浆液“自下而上，双塞小段，微渗浸润”灌浆新工艺并取得较好效果。但作为一种新的工艺或工法，还有待于进行更深入广泛的试验研究与工程实践，特别针对高水头全封闭渗流条件下，在实施小段长高压渗润灌浆过程中如何辅以有效的孔隙排水、排气措施，以便尽可能减少孔隙残留水占位而影响挤压带环氧浆材补强灌浆固结强度。总之，环氧浆材“自下而上，双塞小段，微渗浸润”作为一种新的化学浆材小段长高压渗润控制性灌浆工艺，不仅可作为向家坝泄水坝段挠曲核部破碎带与左岸挤压带补强灌浆的一种工艺技术储备，同时，也可为其他类似工程的不良地质体进行化学灌浆处理提供一种全新的技术借鉴。