长江三峡水利枢纽F23、F215断层复合灌浆施工

曲卫国  王玉龙
(葛洲坝集团基础工程有限公司   湖北宜昌  443002 )
 
摘要:本文详细介绍了长江三峡水利枢纽F23、F215断层CW环氧树脂—水泥复合灌浆的施工及灌浆效果分析,
关键词:F23、F215断层  CW型环氧树脂  湿磨水泥灌浆  临船坝段       

1  工程概况

长江三峡帷幕轴线布置在大坝基础廊道上游侧,距上游侧迎水面4~6m,大坝基岩呈阶梯开挖,基岩面高程59.2m~185.0m,帷幕灌浆施工部位高程66.0m~185.0m,帷幕底线高程15.0m~145.0m;帷幕钻孔孔深一般70~90m,最大深度110m,断层发育缺陷部位局部加深。
大坝基岩以前震旦纪火成岩、微风化闪云斜长花岗岩为主中粗粒结构、块状构造,岩石完整性较好,局部属弱风化带下部、全强风化带,岩石裂隙以陡倾角发育为主;构造断层主要发育有NNE向F23、NEE向F215、F548、F603等,其中F23、F215是三峡坝址揭露的第一、第三大断层。
升船机上闸首、ZF8#坝段、临船1#坝段F23、F215断层发育,与左岸 “185平台”,连接断层带岩石性状差,多为毛细裂隙发育,为增加帷幕幕体抗渗透破坏能力,设计增加帷幕水泥灌浆、CW环氧灌浆共计5485.2m。
2  工程施工

2.1  钻孔灌浆施工

2.1.1  钻孔

帷幕钻孔采用XY-2、XU-300型地质钻机、金刚石钻头钻进。灌浆孔间排距测量放样主要依据长江水利委员会第十工程勘测院清江项目部提供的控制点坐标参数,并结合设计图纸中钻孔与平洞相对尺寸进行放样。主要控制点的施测均经监理工程师旁站或校测确认,再由现场施工技术或质检人员根据各控制点拉尺放线吊垂球定出各个孔位。开孔偏差小于10cm。
钻孔过程中及终孔后,采用KCP–Ⅰ型钻孔测斜仪测试验收。钻孔孔底偏差不得大于表2-1规定。
 
表2-1  钻孔孔底允许偏差值
孔深(m)
20
30
40
50
60
>60
允许偏差值(m)
0.25
0.5
0.8
1.15
1.5
<2.0
 
对于顶角大于5°的斜孔,其方位角偏差值不得大于5°。
开孔前,认真校对孔位,以保证开孔误差在±10cm范围内。
灌浆孔间排距测量放样主要依据长江水利委员会第十工程勘测院清江项目部提供的控制点坐标参数,并结合设计图纸中钻孔与平洞相对尺寸进行放样。主要控制点的施测均经监理工程师旁站或校测确认,再由现场施工技术或质检人员根据各控制点拉尺放线吊垂球定出各个孔位。
钻机立轴采用角度尺和地质罗盘校正。正常钻进后应尽力避免再次搬动钻机,钻孔过程按每5~10m测一次孔斜,发现问题及时纠偏,严格控制开孔至20m~30m深度以内的造孔精度,灌浆孔移位时再循环上述方法。首段灌浆完成后,测量预埋孔口管的长度(进基岩2m),采用0.5:1的浓浆封孔预埋,控制待凝时间不少于3天。
此外,为确保钻孔的垂直度符合要求,每台钻机还配备两套2.5m左右的岩心管,在开孔以后改用较长岩心管钻进。钻杆、岩心管须平直,丝扣完好,磨损较大的钻杆、岩心管须及时更换,以防孔内事故。

2.1.2  水泥及化学灌浆

帷幕灌浆材料主要采用525#普通硅酸盐水泥和CW型环氧树脂材料,对于灌前压水漏水率<10L/min的孔段采用CW型环氧树脂材料灌注;灌前压水漏水率≥10L/min的孔段,先采用湿磨水泥浆液灌注,再进行CW型环氧树脂材料灌注。
(1)水泥灌浆
1)按照“配浆→高速搅拌→湿磨(循环湿磨3遍)→普通搅拌→灌浆”的程序进行湿磨水泥浆的拌制。首先,在集中制浆站拌制0.5:1原浆并添加UNF-5型高效减水剂,经中转站送到各灌浆作业点进行湿磨。湿磨后要求95%以上的水泥颗粒最大粒径小于40um。
2)灌浆分段。水泥灌浆段长第一段2m,第二段1m,第三段2m,第四段及以下各段为5m。第一段钻孔、压水、灌浆结束后埋设孔口管,孔口管采用ф76mm无缝钢管。
3)灌浆方法。第一段采用常规灌浆法阻塞灌浆,阻塞器阻塞在基岩面以上20cm混凝土内。第二段及以下各段采用“小口径钻孔、孔口封闭、自上而下分段、孔内循环法”灌注。
4)灌浆压力。各灌浆孔段的灌浆压力按表2-2采用。
 
表2-2        灌浆压力表(MPa)
部    位
第一段
第二段
第三段
第四段及以下各段
上覆砼大于30cm
1.5
3.0
4.5
6.0
上覆砼小于30cm
1.0
1.5
2.0
4.0
 
5)浆液水灰比及变浆标准。湿磨水泥浆液水灰比(重量比)采用3:1、2:1、0.8:1、0.6:1四个比级,开灌水灰比为3:1。灌浆过程中,当灌浆压力保持不变,注入率持续减小,或当注入率不变,压力持续升高但不超过规定压力时,不得改变水灰比;当注入率大于30L/min时,视具体情况可越级变浆;当某一级浆液注入量达300L以上或灌注时间达1h以上,灌浆压力和注入率均无明显改变时,可改浓一级水灰比的浆液灌注。
6)灌浆结束标准。在设计灌浆压力下,灌浆孔第1~3段吸浆率小于0.4L/min,第四段及以下各灌浆段吸浆率小于1.0L/min,延灌90min,且总的灌浆时间不少于120min,即可结束灌浆。
7)封孔。帷幕灌浆结束后,用0.5:1浓浆置换孔内稀浆,采用“置换和压力灌浆封孔法”封孔。封孔时间不少于60min,封孔压力采用相应灌浆孔最大灌浆压力。
(2)化学灌浆
1)CW型浆材为双组份环氧系列材料,A液为环氧基液,B液为改性固化剂。灌浆时可根据吸浆量大小将A液和B液按体积比并加入表面活性剂混合均匀后进行灌浆,一般按6:1的比例进行混合;灌浆浆液温度应低于30℃。
2)灌浆分段。第一段2m,第二段1m,第三段2m,第四段及以下各段一般为3m,待先导孔及先行施工的Ⅰ序孔完成,基本确定断层位置后,非断层带部位的水泥灌浆孔段段长在第四段及以下各段段长可采用5m。化灌孔孔口管埋设要求与水泥帷幕灌浆孔相同。
3)灌浆方法。采用自上而下分段钻进,自上而下分段压水、灌浆的纯压式灌注方法施工,段顶阻塞。孔内积水采用“以浆赶水”的方法排除。
4)灌浆压力。灌浆压力采用第一段2.0MPa,第二段3.0MPa,第三段4.5MPa,以下各段5~6.0MPa。
5)结束标准。在设计压力下,灌浆吸浆率为零后即可结束灌浆,灌浆结束后采用压力闭浆30min,于浆液胶凝前卸除阻塞器并进行无压闭浆24h。
(3)特殊情况处理
1)串通孔。钻灌过程中发生串通时,对串通孔作阻塞处理,待灌浆结束后,再对串通孔进行扫孔、冲洗、钻灌。
2)外漏。灌浆过程中发生外漏时,采用嵌缝、表面封堵、低压、浓浆、限流、限量、间歇灌注等方法处理。
3)灌浆中断。对因停水、停电、机械故障等原因造成的灌浆不连续又无法及时恢复灌浆的孔段,采用冲孔、扫孔、复灌的方法处理。
4)对于吸浆量较大的孔段,在维护好灌浆设备的前提下,保证连续灌浆。同时,对少数难以正常结束的灌段,采用低压、限流、缩短胶凝时间和间歇灌注的方法进行综合处理。
 

2.2  抬动观测

灌浆孔在裂隙冲洗、压水试验及灌浆过程中,抬动观测孔应对周边10m范围内连续进行抬动变形观测,每10min测读一次读数,抬动变形允许值200um。

3  水泥及化学灌浆效果分析

3.1  灌浆成果分析

CW环氧—水泥复合灌浆,灌前压水共计1147段,其中透水率小于1Lu的有1126段,占压水总段数的98.17%,透水率1~5Lu的有20段,占压水总段数的0.09%。灌浆效果分析如下:
(1)CW环氧灌浆成果分析
CW环氧树脂灌浆共计733段,灌浆总进尺2918.45m,见表3-1。
表3-1 CW环氧树脂灌浆成果统计表
部位
灌浆总段长(m)
总注入量(L)
灌浆单耗(kg/m)区间及段数
平均单位注入量(L/m)
Ⅰ、Ⅱ序孔注入量降幅(%)
<1
1~50
50~100
>100
临船1#坝段
30
93.75
7265.42
1
20
2
7
77.5
68.53
26
103.3
2519.20
1
19
4
2
24.39
左非8#坝段
88
320.0
6324.04
11
65
7
5
19.74
72.14
72
298.7
1642.33
11
60
1
 
5.5
升船机坝段上游排
211
807.3
5075.70
18
190
1
2
6.29
22.42
186
814.0
3993.90
43
138
4
2
4.88
升船机坝段下游排
60
240.9
432.0
13
47
 
 
1.79
 
60
240.2
760.4
16
43
1
 
3.17
合    计
733
2918.5
27992.99
114
581
21
17
9.59
 
 
表3-1表明,F23、F215断层经CW灌浆后,后序孔的灌入量较前序孔明显减少,符合灌浆递减规律,表明灌浆效果明显。
(2)湿磨细水泥灌浆成果分析
湿磨水泥灌浆共计378段,灌浆总进尺为2124m,见表3-2。
 
表3-2  湿磨细水泥灌浆成果统计表
部位
灌浆总段长(m)
总注入量(L)
灌浆单耗(kg/m)区间及段数
平均单位注入量(L/m)
Ⅰ、Ⅱ序孔注入量降幅(%)
<1
1~50
50~100
>100
临船1#坝段
30
103.7
985.5
12
17
1
 
9.5
74.42
10
67.6
164.2
7
3
 
 
2.43
左非8#坝段
76
352.2
2208.42
31
43
1
1
6.27
83.89
44
346.0
349.87
28
16
 
 
1.01
升船机坝段上游排
164
808.4
2904.7
86
79
 
 
3.59
4.74
54
447.1
1527.4
26
28
 
 
3.42
合    计
378
2125
8140.09
189
186
2
1
3.83
 
表3-2表明,F23、F215断层部分裂隙发育地层,经湿磨水泥灌浆后,后序孔较前序孔的灌入量明显减小,减幅最大83.89%,最小为4.74%,符合灌浆递减规律,表明灌浆效果明显。

3.2  灌浆质量检查成果分析

灌浆结束后在本施工段共布置质量检查孔5个,进行单点法压水62段,透水率最大0.29Lu;在断层带内进行五点法压水共3段,最大透水率0.42 Lu,均满足设计要求,合格率达到100%。
检查孔取芯芯样完整,水泥和化学浆液充填较多,多处发现水泥结石或环氧树脂浆材,水泥结石或环氧树脂凝固后强度较高,与岩石胶结较好。
左非8#坝段布置的4个物探孔,灌前声波波速在4000~6500m/s之间,平均波速5350/s;灌后声波在4100~6500m/s之间,平均波速5800m/s,比灌前波速提高8.2%,并且波速变化较小,岩体完整性提高,灌浆效果明显。

4  结论

从灌后的各项检查结果可以看出,采用CW化学灌浆处理F23、F215断层是很成功的施工案例,灌浆材料与岩石能够较好的胶结,断层部分岩石完整性有较大的提高。同时综合三峡工程其他坝基部位实施CW环氧树脂化学灌浆的情况,该灌浆材料和灌浆方法对处理提高防渗要求的同时能大幅提高基岩整体性的地段,是非常适宜的。但由于施工中需用到易燃、有毒的高分子材料,因此施工中需注意现场的通风和作业人员的个人防护,并且要及时收集废浆,进行集中处理,避免污染周边环境。
 

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