岩石地基的处理方法

我国有代表性的工程之一,是黄河龙羊峡水电站坝基的4号断层(G4),系伟晶岩劈理带,在经过高压水泥灌浆处理后,又进行了环氧化学灌浆和聚氨酯灌浆处理,使劈理带变形模量达到5～7MPa,较处理前提高了70%,抗剪强度大于1.5MPa,单位吸水率小于1Lu,符合设计要求。有代表性工程之二是铜街子水电站,地质复杂,断层、层间错动发育,含有较多软弱夹层,大坝部分全部采用深孔高压喷射冲洗,再进行固结灌浆处理,喷射压力为30MPa,冲洗软弱夹层效果良好,固结灌浆压力为3MPa,水泥灌浆的水灰比为0.5～0.6。

目前国外在岩石灌浆施工中使用的冲击式灌浆钻孔机,其工效可达14m/h。在浆液制造方面已大量使用大型自动化的集中制浆站,实行浆液的工厂化生产,大大提高了工效;在灌浆施工方面,有些国家在工程中使用计算机及软件控制灌浆施工的全过程。而用灌浆自动记录仪对灌浆全过程进行监督和记录,并用计算机将大量灌浆数据进行统计、分析、整理并及时反馈以指导下一步的灌浆施工。在浆液使用方面,第十五届国际大坝会议提出在灌浆施工中使用稳定性浆液是灌浆施工的新进展。所谓稳定性浆液是其析水率在2h内不大于5%,在灌注过程中,总是当达到一个最大的有限距离后即停止扩散、因而不会造成浆液过多的损失,不会因灌好后浆液中水的析出而留下未能填满的空隙,故凝固后结石的强度稍高,且与缝壁的附着力也大,因而结石构造致密,抗化学溶蚀能力也强。这种浆液一般使用普通灌浆水泥,并在浆液中加0.2%～5%的膨润土和相应的外加剂而制成。之所以提出使用这种浆液是因为世界各国连续发现很多灌浆帷幕逐渐失效,起因于在灌浆中使用了过大水灰比的稀浆造成的。除了采用稳定性浆液以外,日本还为解决岩石微小裂隙的灌注和为加固砂层而研制了超细水泥灌浆材料,这种材料的平均粒径为3μm,比表面积达到了12700cm2/g,用它来灌注渗透系数为10-1～10-4 cm/s的细砂层获得了成功。此外,法国20世纪60年代在埃及的阿斯旺水坝下深达200m 的中粗砂、细砂和壤土中所进行的帷幕灌浆也十分成功。

我国大规模的基岩帷幕灌浆施工始于1955年官厅水库的大坝石灰岩基础帷幕灌浆,而覆盖层中的防渗帷幕灌浆则始于1958年的密云水库白河主坝。1979年在乌江渡混凝土坝岩溶地基的帷幕灌浆中成功地采用了高压灌浆技术,该技术的要点是,对钻孔不冲洗而将灌浆压力提高到6MPa,采用金刚石小口径钻孔,孔口封闭,孔内循环钻灌法,其效果十分令人满意。80年代中期,在乌江渡灌浆施工经验的基础上,结合“七五”科技攻关,又在龙羊峡水电站断层破碎带和软弱夹层的灌浆施工中发展了高压灌浆技术。由于采用了这一技术不仅在断层破碎带和软弱夹层中建成了单位吸水率ω<0.001L/min/m/m 的高质量的灌浆帷幕,而且通过高压水泥灌浆并辅以环氧灌浆使其力学指标得以提高。现场实测表明,灌浆后将地基的弹性模量由原来的3～5GPa提高到5～8GPa,断层破碎带在灌浆前根本无法取样,而在灌浆后f 值达到了1.8、c值达到了0.43MPa。此外,在龙羊峡灌浆施工中还使用了日制浆能力为360m3 的大型集中制浆站和“小口径无塞灌浆”先进工艺。在灌浆效果的检测方面则采用了地震仪和自日本引进的OYO-200型钻孔弹模计在现场测定灌浆前后的岩体的动、静弹性模量,从而可以准确地判定灌浆后岩体力学强度的改善情况。

(1)GIN(灌浆强度值)灌浆法。我国岩基防渗帷幕灌浆主要采用孔口封闭法,在许多大中型水利水电工程中成功地建造了高标准的防渗帷幕。随着二滩、小浪底工程的建设,国外常用的一些高效率的施工方法,如GIN 灌浆法、自下而上纯压式灌浆法等引起国内同行的重视,经过多项工程的试验、研究和应用,获得了很好的效果。GIN(灌浆强度值)灌浆法是前国际大坝会议主席、瑞士学者隆巴迪首先提出的,它的基本概念是最终灌浆压力p 和灌入浆液体积V 的乘积,称为灌浆强度值,即GIN。在各个灌浆段的全部灌浆过程中,都控制GIN 为一常数,就可以自动控制具有开敞的宽大裂隙地段的注入量和灌浆压力,对比较致密的可灌性差的地段则可通过提高灌浆压力增加注入量,保持能量均一,从而形成基本均一的防渗帷幕。GIN 灌浆法的要点有:①灌浆过程中仅用一种固定配比的稳定浆液;②用GIN 曲线控制灌浆压力,在需要加强的地方尽量使用较高的压力;③用电子计算机监测和控制灌浆过程,实时地控制灌浆压力和注入率,绘制p-V 过程曲线,判断灌浆结束条件。

我国于1994年引进GIN 法,曾在湖南江垭、三峡等工程中进行过灌浆试验。黄河小浪底水利枢纽在反复试验、研究的基础上,提出了以孔口封闭法为基础嫁接GIN 法,并在防渗帷幕工程中应用,完成灌浆工程量27895m,获得了满意的效果。

(2)无盖重固结灌浆。坝基固结灌浆与大坝混凝土浇筑在工期上常常存在矛盾。四川二滩工程曾经在部分坝块采取了无盖重灌浆。三峡工程在部分工期特别紧张的部位采用了在浇筑“找平混凝土”后进行固结灌浆的办法。灌浆成果表明,无盖重灌浆在技术上是可行的,可以节省工期,降低消耗,灌浆效果一般能满足设计要求,但在孔口的灌浆段效果较差,一般需要预埋灌浆管,准备以后进行补充灌浆,另外,在缓倾角裂隙发育的部位也不宜采用。

(3)岩溶灌浆。以乌江渡等岩溶坝基帷幕灌浆为标志,我国的岩溶灌浆具有很高的技术水平,现在我国正在岩溶地区修建一批大型水利枢纽,如湖北水布垭,贵州洪家渡、索风营等,其中水布垭大坝是世界最高的面板堆石坝。(https://www.xing528.com)

为了封堵岩溶洞穴中高流速的地下水,中国水利水电科学研究院和贵阳设计院共同开发了一种模袋灌浆技术。这项技术是在充分探明溶洞状态的前提下,通过向钻孔中安设特制的模袋,并向模袋中注入速凝浆液,从而达到堵塞岩溶通道的目的。这项技术已在贵州、广西的一些工程中应用,取得了良好效果。

(4)隧洞灌浆。由于一些水工隧洞需要承受较高水头的压力,隧洞围岩固结灌浆向高压力发展,继1992年天生桥二级水电站引水隧洞进行了6.0MPa高压固结灌浆、广州抽水蓄能电站输水洞进行了6.1MPa的灌浆之后,天荒坪抽水蓄能电站进行了9.5MPa高压固结灌浆,这是我国水工隧洞灌浆采用的最高灌浆压力。山西万家寨引黄工程输水隧洞大量采用了TBM 掘进成洞,隧洞衬砌采用预制混凝土管片,管片与洞壁之间充填豆砾石(细骨料),之后对豆砾石进行灌浆。

在灌浆材料方面,采用改性细水泥,改性水泥以425级普通硅酸盐水泥为基料,加入灌浆剂(有膨胀和减水作用)干磨而成。它的细度为小于6μm 颗粒大于等于40%,小于30μm 颗粒大于等于95%,比表面积5000～6000cm2/g。对于湿磨水泥,它是通过湿式磨细机将水泥浆液磨细而成。湿磨水泥浆在施工现场使用普通水泥浆现磨现灌,不存在细水泥的运输和保存问题,加工也比较方便,价格也比较低。

(5)化学灌浆。化学灌浆一方面作为水泥灌浆的补充,一方面越来越独立地成为一种地基处理技术。水泥灌浆和化学灌浆相结合的复合灌浆在长江三峡工程中获得应用,并有所发展。复合灌浆改善了岩体的力学和抗渗性能,弥补了水泥灌浆的不足。三峡工程部分坝段的帷幕灌浆,由于岩石细微裂隙发育,水泥灌浆不能满足设计要求,这些地段补充进行了丙烯酸盐浆液灌浆,取得了满意效果。江垭、小浪底水利枢纽坝基帷幕灌浆部分地段也采用了化学灌浆。灌浆材料除环氧类外,还有聚氨酯类和水玻璃类。改性水玻璃灌浆也应用到了环保工程中,作为垃圾坝、截污坝的防渗帷幕。

(6)灌浆自动记录仪。自20世纪80年代中期中国水利水电基础工程局科研所和天津大学自动化工程系联合研制了我国第一台灌浆自动记录仪以来,灌浆自动记录仪在我国逐步获得推广应用,近年发展更快且愈益普及。记录仪由初期的测记灌浆压力、注入率两项参数,发展到可以同时测记灌浆压力、注入率、浆液密度和岩体变形四项参数;由一台记录仪测记一台灌浆机作业,到一个记录系统可以同时监测8～16台灌浆机工作;由单纯测记现场施工参数,到可以利用现场采集的数据直接生成灌浆规范要求的各种灌浆成果图表。

(7)预应力锚固。长江三峡、黄河小浪底、李家峡、天生桥二级等水利水电工程都采用了大量的预应力锚索。锚固技术也有了长足的进步,青海李家峡水电站边坡单根锚索最大锚固吨位达到10MN,创造了我国水利水电工程预应力锚固的最高纪录;在锚固的形式方面,穿锚、拉力分散型、压力分散型、拉压复合型、环形预应力锚索等新型锚固形式得到了开发或推广应用。