微风化至新鲜节理岩体成幕试验研究

刘超杨,张 毅,赵代尧,左周昌

(1中国水电顾问集团贵阳勘测设计研究院岩土工程有限公司,贵州 贵阳 550081;2中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司,贵州 贵阳 550081)

0 引言

防渗帷幕是在大坝地基进行灌浆形成的一道一定深度的具有降低地下水渗透和降低大坝扬压力的止水幕,对保障工程蓄水和水工建筑物运行安全有着极其重要的作用。

人类有记录的工程灌浆历史最早可追溯到1802年的英国,当时人们用活塞将粘性土注入冲积层,用以修复木质围堰和水闸。1802—1850年工程灌浆开始广泛应用于船闸和砌体结构修复,1850—1890年随着机械设备的不断创新,灌浆技术也迎来大爆发,出现了利用空气压缩设备的高压注浆。20世纪30年代随着美国胡佛大坝的竣工,现代系统性灌浆工艺技术基本形成[1]。20世纪60年代开始,我国也不断兴修水利,1960年北京密云水库竣工,并于1963年发布了第一本“水工建筑物砂砾石基础帷幕灌浆工程施工技术试行规范”,之后数十年对工艺进行不断更新,也逐渐掌握并形成了一套特有的灌浆施工工艺体系[2]。

灌浆工程为地下隐蔽工程,地质条件对现场施工材料、施工工艺及优化设计起着决定作用,为防止施工期间产生大的不确定性风险,需在大规模帷幕工程实施前通过灌浆试验,获得包括浆液材料、浆液配比、灌浆孔布置、浆液有效扩散半径、灌浆压力等施工信息,同时通过试验孔检验获得灌浆质量的指标,评价成幕有效性。

由于专业划分帷幕施工一般为施工专业的工作,国内外的相关研究多注重施工工艺方法的研究,目前可查找的相关资料仅为一些工程资料汇编[3],鲜有文献对岩体成幕条件进行研究,仅存的少量文献也存在较大的分歧,如王东升(2021)、Kayabasi,Ali,and Candan Gokceoglu(2019)认为岩体单位注灰量与岩体透水率存在较好相关关系,而美标《Engineering geology field manual second editional》认为两者间无相关关系[4-6],前后两者的差异其根源在于前者研究没有系统地将一些异常与工程地质、水文地质条件相结合分析,而后者是在考虑诸多因素后下的结论且比较模糊,导致以后的研究者无从着手,以至于可参考的文献资料十分稀缺。同时实践过程中,工程师们更多地关心成幕的最终结果,忽略了岩体成幕过程的一些现象应该从工程地质、水文地质方面系统地解释。本文以非洲JN水电工程项目帷幕灌浆试验为例,通过分析岩体质量、节理发育特征、水文地质特征以及灌浆工艺等因素对微风化至新鲜砂岩、砂质泥岩成幕的影响,对灌浆过程出现的一些现象进行系统解释,并对试验帷幕进行评估,为大坝帷幕设计和后期大规模帷幕实施提供参考。

1 工程概况

JN水电站为以发电为主,总装机容量2115 MW,年发电量6307 GWh,水库正常运行水位为184.0 m,库容大于300 亿m3的水电工程[7]。拦河主坝为碾压混凝土重力坝,大体分为两岸翼坝及河谷(床)中高坝,河床建基面高程53.0～ 56.5 m、坝顶高程190 m、最大坝高131 m,两岸台地翼坝最低建基面高程154 m,最大坝高约36 m。

为防止库水大量渗漏,降低坝基扬压力,大坝防渗帷幕平面布置为沿轴线延伸,两岸翼坝按照1倍坝高控制,河床坝段采用新鲜泥岩(Lu<3)作为相对隔水层,帷幕底界深入该层5～10 m,岸坡坝段及两岸翼坝由于相对稳定,隔水层埋藏深,按照0.5～1倍坝高设计悬挂式帷幕。帷幕施工前进行灌浆试验,分别为河床坝段A区、岸坡坝段B区以及翼坝C区,如图1,本文研究区域为标识A区。

图1 大坝地质平面图及灌浆试验区位置展示

2 研究区基本地质条件

2.1 地形地貌

坝址位于峡谷北东向谷段,谷底高程66.0 m,两岸为侵蚀谷坡,谷坡高程为60～160 m,坡度40°～50°,谷坡之上为缓坡平台,整体坡度为3°～5°,高程160～240 m,整体表现为上部开阔,下部陡窄的 “U”型河谷地貌,如图2所示。

图2 大坝区域地形地貌

2.2 地层岩性

研究区地层为Karro序列Hatanbulo组潘加尼(pangani)段砂岩、砂质泥岩、泥岩地层[8],处在东非大裂谷坦桑尼亚东西分支裂谷之间,沉积过程受控于断裂活动引起的梯度变化,常见不同岩相单元相互穿插[5]。基岩整体为砂岩、砂质泥岩及其互层。研究区岩性展布如图3所示。

图3 大坝区近河谷段地层岩性分布

图4 L1R1坝段典型节理裂隙素描

2.3 地质构造

坝址河谷为走向谷,整体为单斜构造,岩层倾向左岸略偏上游,产状300°～330°∠3°～10°,透镜体和渐变夹层产状略有变化,同时受断层影响,局部产状也略变化。

(1)断层

坝址区主要发育NW向断层(图1),自上游至下游,依次发育有F1、F2、F3、F4、f1、f2、f3、f4、f5、f6、f7、f9断层,NE向断层只有f8,其中F1～F4为规模较大的区域性断层,其特征为断层带宽度较大,错距明显,“f”编号的断层为坝址区局部规模较小断层,断层近地表出露明显,但是随着开挖深度加深,断层带变窄,破碎带已经不明显,新鲜岩体内通常表现为一条贯通性破裂面。

(2)节理

坝址区构造裂隙普遍发育,根据勘察测绘和现场开挖隧洞和坝基以及勘察阶段揭示裂隙,对坝址区1154条裂隙进行统计,裂隙主要分三组,第一组代号“bd”为层面,产状为300°～330°∠3°～10°,第二组代号“J1”,产状10°～65°∠65°～90°,第三组代号“J2”,产状95°～170°∠65°～90°。

bd:坝址区层面整体为倾NW的近水平单斜地层,产状300°～330°∠3°～5°,层面延伸长度几米到几十米,中等粗糙-粗糙,同岩性层面多为闭合状态,砂岩泥岩接触层面多呈现差异性风化,中风化及以上岩体岩性分界层面多为强风化至中风化状态。

J1:为横河向裂隙,该裂隙在坝址区发育明显,坝基及隧洞开挖过程中,显示裂隙整体延伸较长,间距0.2～2.0 m,延伸长度一般为3～20 m甚至更长,张开宽度0.1～1 mm,裂隙面稍粗糙,中等风化至新鲜,局部充填石英。

J2:为顺河向裂隙,裂隙间距10～60 cm,裂隙多呈闭合状态,尤其在新鲜泥岩中,表观裂隙非常少,裂隙延伸长度一般为1～3.0 m。

J1组裂隙在整个大坝区域为主导型裂隙,与J2构成的共轭裂隙组中该组裂隙常切断J2裂隙,而J2组裂隙多表现为阶梯状延伸,这一现象在细砂岩和泥质砂岩中表现尤其明显。

2.4 水文地质条件

除强风化岩层外,强风化及弱风化砂岩压水透水性较大,整体数据较为离散,多在8 Lu以上,局部也有透水性较小岩段;微新岩体透水性相对较小,但整体数据较离散,40 m高程以上没有稳定的<3 Lu的岩段。泥岩透水性相对砂岩较小,除强风化、弱风化层及砂泥岩接触界面透水性较大外,微新岩层透水性整体较小。整体上大坝的相对隔水层即<3 Lu岩层较深,基本在40 m高程以下,以上部位没有稳定相对隔水层,如图5。

图5 研究区坝基岩体水文地质(岩体透水率)剖面

研究区地下水与河水属于季节性动态互补,左岸地下水位较稳定,整体水力坡降6.4‰,右岸由于受到断层阻断地下水影响,整体水力坡降4.61%。

3 试验方案布置、浆液配比及工艺

3.1 试验布置

本文研究选区为A区,自桩号DC0-18.25—DC0+11.75共30 m段,待灌岩体为微风化—新鲜砂岩、砂质泥岩,设计为单排,由1序—3序三个序列灌浆孔,分3.0 m、2.5 m及2.0 m三个不同间距试验段,并在不同间距试验段设计一个检查孔,以检查灌浆质量,如图6。

图6 试验区A灌浆孔布置示意图

3.2 浆液配比

试验区采用Type II 42.5波特兰水泥搭配拉法基天然火山灰(lafarge raw nature pozzolana),水泥细度为通过45 μm直径孔筛余9.5%,火山灰细度为通过45 μm直径孔筛余19%。结合现场材料供给状况,实验室配比采用40%及65%两种火山灰掺量,按照0.5～0.9水灰比测定浆液密度、马氏粘度、以及析水率。

3.3 施工工艺及技术要求

试验为单排孔直线式,灌浆工艺采用“自上而下分段灌浆”法中压灌浆,除第一段RCC与基岩接触位2.0 m,其余段长均为5.0 m。灌浆压力按深度0～2.0 m:1 MPa、2.0～5.0 m:1.5 MPa、5～10 m:2.0 MPa、>10 m:3.0 MPa,浆液采用由稀至浓,逐级变浆。灌前采用单点法压水,以备后续帷幕质量检验参考。检查孔采用5点法(压力梯度:0.3 MPa、0.6 MPa、1.0 MPa)压水,以检验灌浆效果及帷幕质量。

4 试验成果分析

4.1 浆液配比试验结果分析

据表1及表2在不同火山灰掺量下进行浆液配比试验的结果可以看出,火山灰掺量增加,会显著降低浆液密度;水灰比在0.65以下时火山灰掺量增加,浆液马氏粘度增大明显,说明在低水灰比情况下火山灰能显著降低浆液流动性。65%掺量火山灰和40%掺量火山灰对浆液析水率的影响不明显,但是随着水的比例增加,浆液析水率呈线性增加关系。由线性插值关系可知,40%火山灰掺量情况下,水灰比>0.8,浆液析水率大于5%;65%火山灰掺量下,水灰比>0.85,浆液析水率>5%。由于拉法基天然火山灰细度略大于水泥,为保障帷幕具有良好抗渗及压力过滤能力,选用40%火山灰配比的稳定浆液进行试验。

表1 火山灰65%掺量下不同水灰比浆液特性试验成果

表2 火山灰40%掺量下不同水灰比浆液特性试验成果

4.2 岩体质量分析

研究区为河床坝段为微风化—新鲜砂岩、砂质泥岩,建基面以下砂岩厚度13.5～19.2 m,泥岩厚度50 m左右。试验孔为地质钻机钻进取芯,统计岩心获取率,获取率范围40%～100%,均值89%。

岩体层面及陡倾节理发育,段发育裂隙0～8条,均段1.5条,获取岩心呈短柱状—长柱状居多,柱状岩心长度0.06～2.0 m,均长15.2 cm,计算RQD值范围15%～99%,砂岩均值73.6%,泥岩均值63.4%,如图7(b),岩体RQD指标评价为中等。

图7 岩体质量曲线

结合岩体嵌锁、节理面风化特征及粗糙度特征,试验段岩体分段GSI指标范围50～80,其中砂岩均值68.6,泥岩均值65.6,试验区岩体为块状嵌锁良好未扰动岩体。

依据RMR73计算无产状调整值,试验段岩体分段RMR值40～69,其中砂岩50～69,泥岩41～66,均值分别为61.5和56.6,岩体为一般—好。

图7为RQD与RMR及GSI关系曲线,RQD与GSI及RMR两种岩体分类有较好的相关性。

4.3 地质特性与单位耗灰相关讨论

分段压水数据显示(图8(a)),研究区岩体透水率离散性较大,数据范围0.2～655 Lu,均值17 Lu,众数3.0,中位数5.2,变异系数0.3。众数3.0说明成幕岩体整体透水性满足≤3.0 Lu的设计条件,中位数大于3.0 Lu说明需对较大透水率段进行灌浆处理,同时某些岩段裂隙联通性较好,在进阶灌浆过程中可采用间歇式灌浆法,以起到帷幕设计厚度范围内裂隙充分填充[2]。

图8 岩体透水率及单位耗灰量

同样岩体单位耗灰数据离散性大(图8(b)),耗灰范围为0～444 kg/m,均值32.6 kg/m,中位数12.2,众数0.0,变异系数0.5。众数0.0说明对于一些较小透水率岩段(<1 Lu),浆液入渗受到限制。

图9(a)-图9(c)为岩体质量指标RQD、GSI、RMR与单位耗灰的关系曲线,由图可知,岩体质量相关指标与单位耗灰无显著关系,浆液入渗能力和扩散范围受节理张开宽度、充填物性状、裂隙面粗糙状态、裂隙联通情况等诸多因素控制。图9(d)显示岩体透水率与单位耗灰也无明显的相关关系。图10为试验孔单位耗灰与分段透水率对比图,也显示了某些区域(GS20第2段、GS24第1、2段等)透水率较大而单位吸浆量较小,彼此无对应相关关系,说明浆液只有在具有一定张开宽度的裂隙(文献表明浆液固体颗粒在大于颗粒直径1/3～1/5倍时极难灌入,这里对应的最小可灌裂隙宽度为0.14～0.23 mm),且裂隙联通条件下才能较好的注入岩体,而具有一定压力的水体在裂隙岩体中渗透则受裂隙张开宽度的影响较小。

图9 岩体质量指标与透水率与单位耗灰

图10 A区灌浆试验孔分段透水率及单位吸浆量展示图

图10还显示一些区域(如GS14第6段、GS16第5段、GS17第8段、GS18第5段、GS19第6段、GS20第7段)透水率小而单位吸浆量极大,这些异常区段均在第5段以下,灌浆压力均在3.0 MPa以上,现场地应力测试结果显示最大应力为2.3 MPa,3.0 MPa灌浆压力超过地应力最大值,会产生水力劈裂,高压浆体冲蚀裂隙中充填物,裂隙连通性进一步加强,总吸浆量明显增大,如图11所示。

图11 J5号检查孔50～51m段岩心展示灌浆典型水力劈裂

4.4 灌浆效果及帷幕质量讨论

研究区采用由上至下自上而下分段、段口封闭、段内循环高压灌浆,每段灌前简易压水,每段灌后继续向下钻进。图12各序孔压水成果显示,一序孔岩体透水率0.2～655 Lu,均值54.8 Lu;二序孔岩体透水率3.3～100 Lu,均值14.7 Lu;三序孔岩体透水率2.4～39.5 Lu,均值8.4 Lu。各序孔透水率曲线整体呈现递减趋势,说明随着前一序列灌浆活动的实施,岩体渗透通道得到一定充填。

图12 各序灌浆孔压水试验岩体吕荣值

耗灰对比图(图13)显示,三序孔除个别灌浆段外整体单位耗灰小于一序、二序,其中第8段三序孔单位耗灰较大,其原因可能是顺河向裂隙发育,一序、二序孔浆液扩散范围无法有效覆盖。分序单位耗灰总平均图显示,一序孔平均耗灰41.7 kg/m,二序孔单位耗灰总体平均32.7 kg/m,三序孔单位耗灰总体平均28.5 kg/m,随着灌浆活动的实施,各序孔耗灰逐渐降低,这一现象说明浆液沿钻孔布置轴线得到有效的扩散。

图13 各序孔单位耗灰对比

孔间距为3.0 m时各序孔单位耗灰(图14(a))无明显变化规律,压水成果(图14(d))显示岩体分段透水率也无明显按序降低特征。2.5 m试验间距时,(图14(b))二序孔、三序孔较一序孔单位耗灰在吸浆量较大段显著降低,岩体透水率(图14(e))也呈现相同变化趋势。2.0 m间距时(图14(c))除个别段外,二序号、三序孔单位耗灰逐序降低,压水试验(图14(f))也显示二序、三序孔在较大透水岩段较一序孔显著降低。检查孔(图14(d)、(e)、(f))压水成果显示岩段吕荣值均<3.0 Lu,满足设计需求。

图14 不同间距分序压水岩体透水率及分序灌浆单位耗灰分析

不同间距分序分段试验成果说明,伴随灌浆工作的进行,岩体止水性能得到改善,3.0 m间距试验段成果说明浆液扩散范围不能够有效改善对应间距的岩体止水性能;2.5 m试验间距成果说明灌浆活动能够影响对应间距范围岩体渗流环境;2.0 m试验间距成果进一步说明灌浆活动显著改善了对应距离范围的岩体。

现场各试验孔均未在岩心裂隙中观察到水泥结石,检查孔J4、J5、J6岩心裂隙中均观察到水泥结石,充填比例评估分别为10%、20%、30%,检查孔压水试验成果均合格,表明在布孔轴线方向J1组裂隙中浆液有效扩散,其可行范围为1.0～1.5 m。

3.0 m、2.5 m及2.0 m间距试验段均存在二序、三序孔单位耗灰和透水率显著高于一序孔的孔段,说明一序、二序孔未能有效改善J2组裂隙透水性状,影响单排帷幕可靠性。

5 结论

研究区微风化至新鲜节理岩体裂隙多为微张开至闭合,岩体可灌条件较好。对比40%和65%两种火山灰掺量下不同水灰比浆液特征指标,40%火山灰掺量的稳定浆液更适合作为试验浆液。采用“自上而下分段灌浆”法中压灌浆施工工艺,浆液由稀至浓,逐级变浆,配合单点法压水检测成幕质量。

岩体条件和质量差别较小,岩体质量指标和水文地质指标与灌浆浆液吸收量(灰耗)间无法形成典型规律[1,5],浆液中悬浮颗粒在直径在大于裂隙张开宽度1/3～1/5时无法灌入[2];灌浆压力大于原始地应力时,产生水力劈裂,会产生大量吸浆现象。

不同间距及不同段序压水及灌浆试验结果显示,随着灌浆活动的实施,岩体透水率及浆液消耗显著降低,孔内裂隙充填结石状况随间距降低而增加。通过检查孔压水验证,浆液沿布孔轴线的扩散半径为1.0～1.5 m,单排帷幕成幕可靠孔间距为1.0 m。

分序分析成果显示后序孔出现透水率和单位耗灰显著高于前序孔的试验段,说明与灌浆孔分布轴线垂直J2组裂隙在顺序灌浆过程中难以有效充填,单排帷幕可靠性需进一步论证,必要时需增加灌浆孔排数。建议在成幕过程中,增设倾斜钻孔,以有效穿越幕区陡倾裂隙,增加帷幕可靠性。