三峡工程无混凝土盖重固结灌浆的可行性

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1 坝址工程地质特征

　　坝址区基岩以中粗粒花岗岩为主，细粒闪长岩次之。建基岩面利用岩体为微新岩石，局部为弱风化下部岩体。建基岩体工程地质条件较好，优质、良质岩体约占98%.RQD值一般70%～90%，变形模量一般为20—30Gpa，纵波速度4300～5500m/s，透水性弱，透水率小于lLU约占80%.

　　坝区经历多次构造变动，断层构造岩出露面积约占建基面积的2%.以F2、F9、F23为代表的压性断层为主，构造岩石多为碎裂岩，一般胶结良好；以F215、F548、F65为代表的张性断层次之，构造岩胶结较差，风化较强，少数呈松散状态。

　　裂隙以倾角大于60°的陡倾角为主，占75%以上；倾角30°～60°的中倾角裂隙占10%；缓倾角裂隙占13%.裂面以压扭性为主，裂面平直，闭合状、无充填、胶良好，裂隙长度一般2～5m，规模大者10～20m，极少数长度超过30m，间距一般2.5～3.5m，张性裂隙不发育、裂隙粗糙、微张开状，长度多小于10m.

　　此外，由于坝基开挖，建基面浅部岩体受卸荷及爆破影响，不同程度的损伤，局部岩块松动。

　　从总体上看，三峡大坝基础工程地质优良，大坝基础设计及基础处理中，一方面应考虑如何充分利用坝址优良的地质条件，尽量节约工程投资；另一方面要对地质缺陷部位、裂隙发育部位的不良岩体进行妥善处理。

　　2 大坝基础固结灌浆设计简述

　　设计采用常规布孔与重点加固相结合的原则。

　　2.1 固结灌浆的范围

　　一般范围为坝踵、坝址各l/4坝基宽度，并对主体防渗帐幕迎水侧的一排或两排固结孔适当加深；对坝基范围内出露的规模较大、性状较差的断层、岩脉、裂隙密集发育带等缺陷部位采用重点加固处理；对坝基特殊部位、高陡边坡部位视实际情况布孔。

　　2.2 设计参数

　　一般部位孔距2.5×2.5m，孔深入基岩；5～6m；主帷幕前的两排孔距2.0×2.0m，孔深入基岩10～20m；地质缺陷部位或有特殊要求的部位孔排距2.0×2.0m，孔深入基岩8～15m.灌浆压力一般0.3～0.5Mpa.

　　2.3 施工方案

　　以常规有混凝土盖重灌浆方式为主，对具备采用无混凝土盖重方式施工条件的部位，可采用无混凝土盖重方式施工。有混凝土盖重方式施工一般要求混凝土厚度不少于3.0m.采用分序加密，自上而下分段钻灌。

　　3 无混凝土盖重固结灌浆的可行性及其实施

　　3.1 无混凝土盖重固结灌浆的可行性

　　本次共做了三组无盖重固结灌浆试验，第一组位于临船上航道F7断层出露部位，第二组位于右岸导流明渠三期下游横向围堰处，第三组为左厂4—1乙块生产性试验。三组试验分别代表不同的地质条件：断层破碎带、裂隙发育带及一般地段。尽管所处地质条件不同，岩石透水性、吸浆量差别较大，但通过无混凝土盖重固结灌浆试验之后，岩体的强度，整体性得到了较大的改善，具有如下特点：

　　1）单位透水率和单位注入量，随着灌浆次序的增加，均有显著的降低（见表1）；单位注入量和单位透水率较大的段数频率随着灌浆次序增加而减少；断层带、裂隙发育带递减幅度相对较大。灌浆后检查孔的单位透水率小于3Lu占90%以上，透水宰大于3Lu的孔段均位于试验区的边缘。

　　2）灌后岩体整体性、均质性得到加强，力学性质得到改善。单孔声波波速值均能达到5000～5500m/s，跨孔地震波值4500m/s，声波值提高3%～45%不等。灌前声波值在5100～5500m/s，灌后提高3%；灌前声波值在4500～5000m/s，灌后可提高5%～12%；灌前声波值小于4500m/s.灌后均能提高10%以上；灌前声波值越低提高幅度越大。灌后岩体的弹性模量，除个别几段外，可达20GPa以上，一般提高3～10Gpa.

　　3）无混凝土盖重固结灌浆过程中有时发生串、冒、漏浆现象，但经过浓浆封堵、降压、间歇、待凝等措施后，均达到了结束标准，符合技术要求。

　　4）在灌浆过程中不同程度地产生水力压裂、抬动。但抬动 值不大于200UM，在设计允许值范围之内。少数裂隙即使在压水、灌浆过程中产生水力压裂，但最后能得到较好的灌注。

　　5）第一组、第二组无混凝土盖重固结灌浆试验，基岩面未达到大坝建基面要求，浅层岩石较破碎，清基不彻底，找平混凝土没经过严格振捣，混凝土与基岩面胶结较差，这些都是第一段单位透水率、注入量偏大及盖板裂缝抬动的主要原因。

　　综上所述，经过无混凝土盖重固结灌浆后，岩石得到了较大的改善，单位透水率、纵波速度、弹性模量都能达到设计要求值。因此，我们认为无混凝土盖重固结灌浆，除有特殊要求的部位外，在技术上是可行的。

　　3.2 无混凝土盖重固结灌浆的优缺点

　　本次试验无混凝土盖重是在找平混凝土上进行的，有盖重是在3m厚的混凝土上进行的。从试验资料分析，基岩的灌浆效果及是否抬裂主要与岩石本身的工程地质条件和灌浆压力有关，而与有无混凝土盖重关系不明显。3m左右的混凝土盖重板真正起的作用不大，阻止水力压裂和控制抬动是有限的，并且发生抬动后处理是很困难的。3m厚混凝土与找平混凝土所起的主要作用都是嵌缝堵漏，约束岩面表面裂隙张开。与有混凝土盖重固结灌浆比较，无混凝土盖重固结灌浆有如下优缺点。

　　主要优点：

　　1）解决了浇筑与固结灌浆相互干扰的矛盾，加快施工进度。

　　2）避免了有混凝土盖重固结灌浆盖板的抬动与处理困难。

　　3）避免了有混凝土盖重固结灌浆盖板混凝土层面长时间暴露而产生温度裂缝及继续浇筑时新老混凝土变形不一致的问题。

　　4）易于观察岩石表面的串、冒浆等问题，便于及时处理。

　　5）避免钻坏混凝土内埋设的冷却水管、受力钢筋、测试仪器等构件。

　　6）节省直接钻混凝土或预埋导管的费用。

　　主要缺点：

　　1）由于岩石表面无盖重，不能采用大的灌浆压力，致使一部分需要较大压力才能灌浆的细小闭合裂隙，没有得到很好的灌注。

　　2）在裂隙发育地段，易产生冒浆、串浆尤其是周边孔段，需采取一些封堵措施才能完成灌浆工作。

　　3）找平混凝土不易震捣、质量难以保证。因此找平混凝土的质量和与基岩的胶结紧密程度是进行无混凝土盖重固结灌浆首先要解决的问题。

　　3.3 无混凝土盖重固结灌浆的实施

　　无混凝土盖重固结灌浆的优越性是显而易见的，其不足是可以通过一些措施克服的，下面就怎样实施提出建议。

　　3.3.1 无混凝土盖重固结灌浆部位的选定

　　按设计要求兼辅助帷幕防渗的固结灌浆部位，地质缺陷部位，陡直立边坡部位要求采用有盖重固结灌浆，但混凝土浇筑是按块划分，兼辅助帷幕防渗的固结灌浆孔与一般固结灌浆孔位于同一坝块，地质缺陷部位是局部的，所以在兼辅助帷幕防渗的固结灌浆孔，地质缺陷部位采用有盖重，其他部位采用无盖重是难以操作的。为解决这一矛盾，在今后施工中可以兼辅助帷幕防渗的固结灌浆孔移到帷幕灌浆廊道内施工，对地质缺陷进行妥善处理后，再进行无混凝土盖重固结灌浆。

　　坝址基岩优良岩体占98%以上，断层碎裂岩体不足2%，所以大面积地进行无混凝土盖重固结灌浆是有条件的。

　　3.3.2 关于无混凝土盖重固结灌浆的压力

　　灌浆压力的使用至关重要。压力偏小，岩体得不到很好的灌注；压力偏大，会引起水力压裂和抬动。因此应在不引起水力压裂和抬动的原则下，尽量使用较大的灌浆压力，即最佳灌浆压力，这个最佳灌浆压力往往是由岩体本身工程地质特性确定，不是由岩体的上覆压力确定。

　　根据岩体裂隙的大小，张开程度、渗透性、可灌性，三峡坝基岩体大致可以分为Ⅳ类。

　　I类是宽大裂隙。裂面张开，伸延一般大于10m，透水性强、大于101u可灌性好、注入量大于20～15kg/m，在低压力下（0.1Mpa）吸浆量很大，此类裂隙不发育，起着导水作用，是首要灌注对象，不需用多大压力（0.1～0.3Mpa）就能取得良好的灌注效果。

　　Ⅱ类是较大的无充填闭合裂隙，因卸货、爆破影响后张开的闭合裂隙，短小的张性裂隙。透水性中等，透水率3～101u，注入量5～20kg/m，一般在小区域内自行封闭，开始吸浆中等，吸浆量逐渐减少，较快地达到结束标准。此类裂隙，在浅部较发育，一般在0.3～0.5Mpa压力下就能得到较好的灌注，超过此压力值，可能发生初步的水力压裂和抬动。

　　Ⅲ类是细小的致密裂隙。充填胶结好，岩石原本不透水和透水轻微，透水率1～3Lu，吸浆量小，单位注入率小于5kg/m.

　　此裂隙较发育，在吸浆量较小的情况下，可以提高灌浆压力到0.5～1.0MPa，一旦达到此压力值而吸浆量仍不大，再进一步提高灌浆压力，使原本闭合的裂隙张开，虽然灌了一些水泥，但要承受发生水力压裂和提高渗透性的风险。

　　Ⅳ类裂隙是极致密的裂隙。原本不透水、不吸浆，能承受较高的灌浆压力，极限压力可能达到5Mpa，此类裂隙是不需要做灌浆处理的。

　　灌浆压力应根据岩体的裂隙发育特征确定，而裂隙发育特征主要反映在岩体的单位吸浆量上，可以根据吸浆量确定灌浆压力，在无混凝土盖重固结灌浆时压力与吸浆量关系如表2.

　　在实际操作过程中，第1序孔的第一段，往往吸浆量较大，首先应采用低压0.1～0.3Mp，；使第Ⅱ序孔第一灌浆压力可以适当提高，渐渐达到设计压力值0.3～0.5Mpa；第二段最终灌浆压力0.5～1.0Mpa，最大压力不应大于1.0Mpa，见表3.

　　3.3.3 防止水力压裂与抬动

　　①防止抬裂最关键的问题是压力的使用，除上述根据岩体工程地质特性控制灌浆压力外，更应注意压水试验时，压水压力的控制，试验表明压水比灌浆更易造成水力压裂与抬动，因为水是牛顿液体，能等值传递液体内压力，浆液是宾汉液体，不能等值传递液体内压力，随浆液浓度的增加，压力传递呈非线性递减规律，且浆液在流动过程中能量损失比水要大得多。本次灌浆试验，产生抬动的压水压力值为0.15～0.5Mpa，灌浆压力0.3～1.0Mpa，一般是压水产生抬动在先。压水试验只是测试岩体渗透性的一种方法，本身不能改善岩体渗透性，灌前压水试验压力应降一级，按岩体透水率调整压水压力（见表4）压水与灌浆时，升压过程应缓慢，应分级调升。

　　②为了防止找平混凝土和盖板的抬裂，第—段压水与灌浆时，阻塞在混凝土上，应纵跨混凝土与基岩的接触面阻塞，这样，水与浆液是间接进入接触面，可避免接触面的张开。在缓倾角裂隙发育部位，可预先进行锚固处理。

　　③三峡坝基花岗岩强度高，弹性模量大，岩体抬裂在一定范围内（一般不大于200um）是可恢复的，且最终还是能得到较好的灌注密实，只要不造成混凝土与基岩接触面、缓倾角裂面大面积地压裂、抬动。轻微的抬、裂是不可避免的，也是允许的。

　　3.3.4 关于找平混凝土

　　本次所谓无混凝土盖重灌浆都是在找平混凝土上进行的，找平混凝土的主要作用是阻塞基岩表面裂隙，防止浆液串冒，保证灌浆质量，创造施工环境，免除废弃浆液对建基岩面的污染，减少建基面清除难度。考虑到建基面有起伏差，找平混凝土的浇筑，原则上是填平低凹的坑槽，对凸出的完整岩体应外露。找平混凝土可不分缝，但浇筑时应振捣密实，严格控制施工质量。本次三组无混凝土盖重灌浆试验，找平混凝土全都出现了裂缝，裂缝的主要原因是找平混凝土厚薄不一，变形不—致，混凝土的质量又没有严格控制。在灌浆过程中，沿裂缝有冒、漏浆现象，使裂缝进一步扩宽。对出现裂缝的部位必须进行处理。对怎样保证找平混凝土的质量，须进一步研究，制定出具体切实可行的措施。

　　3.3.5 关于群孔灌浆

　　群孔灌浆可以进一步提高工效，加快施工进度，保证灌浆质量，建议有条件的部位。采取群孔灌浆。

　　4 大坝基础固结灌浆的优化设计

　　三峡大坝基础岩体本身力学性质很好，可灌性差，按常规布置固结灌浆所起作用不大。据原勘测资料，临船坝段、左厂坝段已收集到的固结灌浆资料初步统计，建基岩体70%以上声波值大于5000m/s，地震波值大于4000m/s，压水试验吕荣值小于1Lu，单位注入量小于1～3kg/m，根据三峡大坝基础岩体的工程地质特性，直接利用优、良岩体，尽量减少固结灌浆工作量，在最小费用下，最短的时期内获得最佳的灌浆效果，是三峡大坝基础固结灌浆优化设计的出发点，现就怎样有效地进行优化设计提出几点建议：

　　1）基础固结灌浆设计工作，应在大的原则下，作为动态设计工程项目予以安排。

　　2）固结灌浆的布置应针对开挖揭露建基面的地质情况确定，施工地质编录的岩体弹性波检测资料是优化设计的重要依据，通过试验可以归纳几种布孔方案。

　　①对岩体完整性好，强度高，变形模量和弹性波速度达到设计要求的部位尽量减少或不布孔，重点布于固结兼辅助帷幕部位、断层裂隙发育部位及对基础有特殊要求的部位。

　　②对一般地段采取随机布孔方式，即根据裂隙发育情况，把钻孔有意地布置在裂隙上；裂隙发育部位孔距加密，否则相反；对大的陡倾角裂隙，可考虑调整钻孔方向，利于钻孔有效地穿透裂面。

　　③地质缺陷部位（特别是长大缓倾角结构面）是处理的重点，应采用综合处理措施。

　　3）在施工过程中应进行分序优化，根据I序孔的压水、灌浆情况来确定优化Ⅱ序孔的施工，根据Ⅱ序孔的压水、灌浆情况来确定是否减掉检查孔，把Ⅱ序孔的压水试验作为检查孔。

　　4）重视、加强施工质量、基础验收工作。

　　5 结语

　　经前期勘测，灌浆试验和灌浆施工资料综合分析，考虑大坝基础地质条件与固结灌浆的施工条件，可以确认无混凝土盖重固结灌浆优于有混凝土盖重因结灌浆，只要能保证找平混凝土的质量，大范围地进行无混凝土盖重固结灌浆在技术上是可行的。但还需要制定具体的施工技术要求。根据建基岩面的工程地质情况，动态优化固结灌浆是一项省钱、省时又能获得良好灌浆效果的工作，是十分必要的。