某抽水蓄能电站在对引水系统进行排空检查过程中, 发现引水洞存在较为严重的渗漏现象, 渗漏量达到3 200~3 600m³/d。设计允许渗漏量为1 200m³/d, 与4年前冲水试验时渗漏量465.2m³/d比较, 渗漏量明显增大, 严重影响了建筑物的安全及经济效益。拟采用水泥化学复合灌浆技术进行处理, 使渗漏量减少到合理范围。

引水隧洞在开挖完成后, 对洞壁进行详细的地质素描, 共存在6条较大的构造 (节理密集带和断层) 与隧洞走向相交 (见图1) 。除这些大的构造之外, 节理不发育, 岩体完整或较完整, 大多数洞段属Ⅰ类围岩。

根据洞室开挖过程中围岩渗水情况, 引水洞段的地下水主要受较大构造的控制, 形成脉状地下水。从洞室开挖过程中地下水的储存与排泄特征看, 深部新鲜完整的岩体不存在地下水, 岩体的透水性非常微弱, 地下水呈带状分布于断层、节理带及其分支构造中, 并通过这些构造带和地表风化壳中的地下水或沟道地表水相连通。在地下洞室未开挖时, 地下水的交替循环很差, 断层被揭穿后, 这些被埋藏很久的地下水被释放。宽度相对较大, 且延伸较远的构造带储水量较丰富, 得到较多的补给, 地下水排泄时间长, 有时形成相对稳定的渗流。例如, L14和L15初始流量均>10m³/h, 稳定渗流量分别为1m³/h和3m³/h。两构造带之间较完整的岩体基本上无地下水, 仅沿极少数大节理有滴水现象。从本次引水洞检测的渗水情况看, L15和L14不存在严重的渗漏, 断层f和L36, L51构造带通过波速测试和放水试验, 发现回渗明显, 呈喷射状向外渗水。这说明在L36, L51和f断层处, 存在明显的渗漏通道。

本次工程中的渗漏处理部位为引水洞的下平段, 由于引水洞的混凝土壁上存在裂隙, 该段与3条断层 (f断层、L51断层、L36断层) 的相交部位便形成主要的渗漏通道源。一方面, 在引水系统运行 (即引水发电) 时, 水流从上库经竖井流下, 形成高动水头的水流 (最大动水头达568m) , 经下平段时将对洞壁产生高压作用 (压力可达5.7MPa) , 并通过引水洞混凝土壁上的裂隙, 强力渗透到山体基岩中的断层裂隙带中, 从而导致引水过程中的渗漏损失, 影响电站运行时的经济效益。另一方面, 在引水系统停止运行的过程中, 由于引水洞下平段与上库水位间的巨大海拔高差形成的高静水头作用 (最大静水头达461m) , 上库库区水经地层渗漏, 经3条断层渗漏至引水洞混凝土壁周围时, 由于其极高的渗水压力 (压力可达4.6MPa) , 将沿混凝土壁上的裂隙部位向洞内渗漏, 从而导致库区静水的渗漏损失。在引水系统运行与停止运行的交替过程中, 上述2种方式也交替起着作用。随着裂隙增大, 其渗漏流速、流量越大, 从而导致高达3 200~3 600m³/d的渗漏量。从上述内容可看出, 引水洞混凝土壁上裂隙的存在和断层渗漏带的相交是渗漏的根本原因所在。同时, 由于混凝土壁的基岩一侧的断层裂隙导致的真空作用, 引水系统在长期运行过程中, 其混凝土壁上的裂隙部位也极易逐步扩张而受到破坏。

因此, 本次灌浆处理的主要目的, 即通过对引水洞混凝土壁附近区域的断层裂隙带进行封堵处理, 使其与周围的完整岩体最终形成一个致密非渗透体, 对混凝土壁形成一个有机的保护体, 从而保障引水系统的正常运行, 保护混凝土壁的稳定和完整。

鉴于此次f断层、L51和L36构造裂隙破碎带的规模及其处于高压力段的重要位置, 其渗漏量的大小和渗透稳定性都将直接影响到电站的经济效益及运行安全。因此, 其处理必须彻底, 以确保引水系统的安全。

由于电站在建设时已经考虑到这些构造裂隙破碎带的影响, 对其做了防渗灌浆处理, 采用的是普通水泥材料。工程完工之后, 经检测, 满足了防渗设计的要求。但是经过几年的运行之后, 防渗处理已基本失去效果。所以此次处理若还是单地采用水泥材料, 还很难保证处理效果的长期有效性。这主要是由于普通水泥颗粒粒径大, 不能满足一些细微裂缝的灌注要求。参照小浪底及三峡大坝在处理断层破碎带方面的成功案例, 决定在本工程中引入化学灌浆材料。但是化学材料过于昂贵, 考虑到工程造价的因素, 不能全部采用化学材料。所以防渗处理采用了水泥-化学复合灌浆的技术方案, 先用水泥材料施灌, 后用化学材料施灌, 既充分利用水泥材料的高强度、无毒性、低廉广材等优点, 又充分发挥化学灌浆材料可灌入微细裂隙、凝固时间可控制、固结体可满足多种要求的特点, 从而达到理想的灌浆效果。

防渗处理采用水泥-化学复合灌浆的技术方案, 于引水洞下平段内进行。L51和L36构造裂隙破碎带均布置9排 (每排即1环) 灌浆孔, 每环均匀布置10个灌浆孔, 其中, 水泥灌浆5排, 化学灌浆4排, 孔深为8m;f断层布置7排环向灌浆孔, 每环均匀布置10个灌浆孔, 其中, 水泥灌浆4排, 化学灌浆3排, 孔深为8m。根据处理效果再决定是否增加灌浆孔。

根据压水试验结果的不同, 采用普通水泥浆液灌注和超细水泥浆液灌注, 加上化学灌浆材料, 涉及3种材料的选取, 而材料的优劣是工程成败的前提, 因此要对灌浆浆液进行必要的研究。

目前灌浆材料品种很多, 但主要分为2大类:水泥浆材和化学浆材。

水泥浆材具有结石体强度高、耐久性好、材料来源丰富、浆液配制方便、操作简单、成本较低等优点, 所以在各类工程中应用广泛。水工建筑物水泥灌浆施工技术规范中规定:灌浆浆液的浓度应由稀到浓, 逐级变换。帷幕灌浆浆液水灰比可采用5∶1, 3∶1, 2∶1, 1∶1, 0.8∶1, 0.5∶1等6个比级。这种水灰比的变化使得灌浆前期浆液含水量过高、析水率过大, 灌浆后期流动性差。

针对水泥浆材的缺点, 世界各国先后研究了很多新的灌浆材料和改进现有的灌浆材料。其成就之一就是超细水泥浆材的研制成功, 这种材料改进了普通水泥浆材的可注性和稳定性。该材料配制的浆液灌浆效果和结石的力学性能均较好, 但该浆液成本高, 1t超细水泥成本在3 000元以上, 由于水利水电工程规模都较大, 高成本使得超细水泥的应用受到严重制约。

19世纪后期, 灌浆材料从水泥发展到以水玻璃类浆材为主的化学浆材。尤其是近50年来, 有机高分子灌浆材料发展迅速。化学浆液可注性好, 浆液黏度低, 能注入到细微裂隙中, 但是一般的化学浆液都具有毒性并价格高昂。因此, 化学浆液的应用范围受到限制。

综上所述, 水泥浆液虽然有很多缺点, 但我国的水利水电工程灌浆目前仍几乎都是使用普通水泥浆液。这主要是水泥浆材具有材料来源丰富、配制方便等优点。特别是水泥材料在价格上有绝对优势:1t普通水泥价格在400元左右, 1t超细水泥大概4 000元, 1t化学材料价格在40 000元以上。虽然普通水泥颗粒粒径大, 只有直径或宽度>0.2mm的孔隙或裂隙才能注入。但是一般的防渗要求, 只要在施工环节把好关, 水泥材料还是能满足。但在特殊地带, 如断层破碎带等防渗要求较高时, 只用水泥浆液难以满足防渗要求, 单使用超细水泥或化学材料造价又会过高。这就需要考虑在一项工程中组合使用多种材料以达到最优效果。

本次灌浆处理的材料主要包括水泥灌浆材料 (包括普通硅酸盐水泥和超细水泥材料) 和化学灌浆材料2大类。

从防渗设计要求、地质条件及合理降低工程成本等方面考虑, 灌浆水泥材料采用P·O52.5普通硅酸盐水泥与P·O52.5超细硅酸盐水泥相结合的办法。当孔段透水率≥3Lu时, 采用普通水泥浆液灌注;当孔段透水率<3Lu时, 直接用超细水泥浆液灌注。

其有利之处为, 对于裂隙较大的部位, 采用P·O52.5普通水泥浆液即可予以良好地灌注;而对于裂隙较小、普通水泥颗粒不易进入岩缝间隙中的超细水泥则可起到良好效果。从而充分利用了二者各自的优势 (成本优势和性能优势) , 达到整体考虑的最佳效果。根据处理部位的强透水性, 以及灌浆施工的条件, 水泥灌浆宜尽量采用较浓比级、较少级配的浆液进行灌注。根据工程经验及规范, 水灰比选用2∶1, 1∶1, 0.6∶1这3个比级。

化学灌浆材料的种类繁多, 在对微细裂缝的灌注中, 已成熟应用的系列有:丙烯酸盐材料、环氧树脂、甲凝材料、聚氨酯等材料。

经综合分析和选择, 在本工程中, 环氧树脂类材料具有最适宜的性价比和适用性。该型材料目前在国内水电工程中应用也较多, 有成功的案例可以借鉴。

本工程采用了高渗透环氧灌浆材料, 该材料以环氧树脂为主剂, 配以稀释剂、促进剂、固化剂等制成, 是一种具有补强、加固、堵漏和防腐功能的灌浆材料。具有室温固化、黏度小、渗透性能良好、黏结能力强、固结体机械强度高、化学稳定性高等优点。

本次灌浆最大压力高达5~6MPa, 在灌浆过程中, 灌注浆液的极高压力将对洞体产生挤压作用, 当最大的挤压力超过洞体的允许变形范围时, 必然对洞体造成破坏性影响。一般的灌浆过程中, 都是习惯性地按序递次推进施工, 在每环10个孔的施工安排中, 即从某一个孔开始, 从两侧或一侧向周围的同序孔逐次作业, 直至最后一个孔。由于工期的要求, 本次水泥灌浆和化学灌浆施工均采取以“群孔灌注”的方式进行, 即将每序的5个灌浆孔按角度分布均匀原则分为2组, 一组为2个孔, 一组为3个孔。按组同时进行灌浆。采用数值模拟软件对单孔灌浆, 2个孔同时灌浆的情况下, 对混凝土洞壁的应力情况及变形情况进行了分析。

由于灌浆过程的复杂性, 对其进行模拟很困难。本次模拟的目的只考虑在灌浆压力作用下对混凝土洞壁稳定性的影响, 所以对其进行了一定简化。在灌浆初期, 由于岩层裂隙及洞壁与围岩间空隙的存在, 吃浆量较大, 此时, 反作用于洞壁的压力相对较小, 本次模拟不予考虑。当灌浆进入后期, 裂隙已被填充, 压力也达到设计压力6MPa, 此时对洞壁的压力达到最大。不考虑压力在灌浆孔内的损耗, 假设反作用于洞壁上的压力为6MPa。

定义材料属性时, 为了简化计算, 假定围岩与引水洞为同一种材料, 即混凝土强度等级C40, 其弹性模量E_s=3.0×10⁴MPa, 泊松比为0.2。

在CAD中建立引水洞混凝土壁三维模型, 生成SAT格式文件, 导入软件中。分析时, 忽略了围岩与洞壁的渗透性及摩擦情况。网格划分时, 选用自由网格划分功能。划分网格后的引水洞与围岩如图2, 3所示。

通过软件模拟得出1个及2个孔灌浆时应力及应变等值线如图4, 5所示。

分析以上等值线图可以得出以下结论。

从图4可以看出, 与单孔灌浆比较2个孔同时灌浆时, 洞壁所承受的应力范围有所增大, 应力大小也有一定的增加, 但增加的幅度不大。

从图5可以看出, 与单孔灌浆比较2个孔同时灌浆时, 洞壁的变形范围增大, 但更为均匀, 最大的变形量也有增加, 但幅度较小。

从以上可以得出, 单孔灌浆时, 洞壁所承受的应变较小, 按照一般的灌浆过程, 依次推进施工并不会对洞壁造成破坏。2个孔同时灌浆时, 洞壁所承受的应力及应变都有所增加, 但增加幅度都不大, 在洞壁的可承受范围之内。施工中对洞壁的变形情况也进行了观测, 此种方法并没有对洞壁造成破坏。采用双孔灌浆减少了施工的时间, 增加效率, 同时也保证了洞壁的安全。

通过对本次工程采用的水泥-化学复合灌浆方案的关键技术进行分析研究, 主要获得了以下几点结论。

1) 本次工程灌浆施工时针对环形灌浆孔, 在同序孔的施工中采用“群孔灌注”的方式。该种灌浆方式具有一定的创新性, 对类似的洞室灌浆工程可起到借鉴作用。是否可以在普通帷幕灌浆及固结灌浆中也采用此项技术还需进行试验。

2) 目前的灌浆材料主要为水泥和化学材料。这2种材料都存在不同的缺点, 因此, 改进现有的灌浆材料或研制新的灌浆材料将是今后灌浆技术研究的重要课题。

本次工程处理部位特征复杂, 采用新技术;技术要求高, 施工难度大;化学灌浆施工方面的技术标准尚未完善成熟。对其采用的关键技术进行总结, 从而对类似工程起到借鉴作用。