超高水頭鋼筋混凝土襯砌水道高壓固結灌漿設計參數優化

饒柏京,宋春華

(廣東省水利電力規劃勘測設計研究院有限公司,廣東 廣州 510635)

伴隨著抽水蓄能電站的大規模建設,高水頭、大直徑的鋼筋混凝土襯砌水工隧洞相繼出現。國外高水頭、大直徑水工隧洞的建設主要在20世紀,而國內的建設則始于20世紀90年代。華南地區地質條件較好、地下水比較豐富,水道的少量滲漏不會影響電站的正常運行,在保證工程安全的前提下,華南地區抽水蓄能電站水道優先采用鋼筋混凝土襯砌。

陽江抽水蓄能電站位于廣東省陽春市與電白縣交界處的八甲山區,距廣州市直線距離230 km,距陽江市60 km。電站規劃總裝機容量2400 MW,分兩期建設,其中近期工程裝機容量1200 MW,上、下水庫、進出水口裝機容量2400 MW在近期一次建成。工程為一等大(Ⅰ)型工程,樞紐工程主要由上水庫、下水庫、近期輸水系統和地下廠房等建筑物組成。陽江抽水蓄能電站下平洞直徑7.5 m,靜水壓力799 m,PD值5 993 m2,最大動水壓力1 108 m,PD值7 560 m2,從技術指標上看,陽蓄電站的最大靜水頭和PD(水頭×隧洞內徑)值全國第一,遠高于國內已建和在建的其他蓄能電站,國際上也處于前列[1-4],根據《水工隧洞設計規范》[5](NB/T 10391—2020),固結下平洞灌漿壓力一般為1～2倍的內水壓力,深入圍巖的深度不低于1倍隧洞半徑,固結灌漿的排距一般為2 m～4 m。本工程灌漿壓力初擬8 MPa～16 MPa,最小灌漿深度應為4.55 m。

規范給出的灌漿壓力范圍過大,灌漿深度及排距不明確,為進一步細化超高水頭鋼筋混凝土襯砌水道灌漿設計參數,且考慮到下平洞采用鋼筋混凝土襯砌,需充分利用圍巖承擔內水壓力[6],對圍巖加固要求較高,圍巖固結灌漿最大壓力達10 MPa,灌漿壓力和施工均超出現有工程經驗,需要因地制宜采用相應的措施,以保持圍巖穩定。

施工圖階段利用已有地質探洞,采用1∶1原型比例開展了一系列科研試驗,,包括灌漿試驗(含工藝試驗)、三個階段的現場巖體試驗及現場監測,并結合高壓隧洞裂隙巖體滲透穩定研究成果,提出高壓固結灌漿優化設計參數,為陽蓄超高壓段灌漿設計提供依據。

1 科研試驗洞方案

1.1 試驗洞設計方案

試驗洞段的選擇應包括有Ⅰ～Ⅱ類、Ⅲ類和Ⅳ類圍巖段;應盡量有代表性的斷層通過;應有足夠埋深,方便進行現場試驗;盡量選擇隧洞走向與下平洞一致的洞段,以保證試驗洞與主洞圍巖特性一致,灌漿參數對下平洞有更強的適應性,結合以上要求選擇PD01探洞0+890—1+026作為試驗洞段[5,7],試驗洞系統灌漿參數見表1,試驗洞橫斷面見圖1。

表1 試驗洞系統灌漿設計一覽表

1.2 現場巖體試驗

為研究圍巖在灌漿前后的力學性能及其變化規律,試驗分為階段Ⅰ(固結灌漿前)、階段Ⅱ(水泥灌漿結束后14 d)、階段Ⅲ(化學灌漿結束后7 d)三個不同階段對圍巖的力學指標進行現場測試,分析其在灌漿前后的變化,評價灌漿效果[8]。

1.2.1 巖體變形試驗

為獲得不同圍巖的力學性能指標(彈性模量、變形模量)及其在灌漿前后的變化,便于分析灌漿效果,為隧洞圍巖的穩定分析、支護設計提供參數,在Ⅰ～Ⅱ類、Ⅲ類和Ⅳ類三種圍巖段中分別進行變形試驗。試驗采用承壓板法和鉆孔徑向加壓法。

承壓板法在未灌漿巖體中進行,采用圓形鋼性承壓板,試驗最大壓力確定為15 MPa,每組分別采用鉛直和水平方向加載,每類圍巖中取1～2點,共6個點。試驗點布置在PD01-5和PD01-6兩條支探洞中進行,同時在6個試驗點中選擇1處有代表性位置,進行鉆孔徑向加壓法,并與承壓板法的結果進行對比。

鉆孔內采用鉆孔千斤頂法,最大試驗壓力15 MPa,每級增量1 MPa～2 MPa。在每個試驗孔中布置3～4個點,在三個試驗階段分別進行,三個階段均7個鉆孔約25點。

1.2.2 高壓壓水試驗

為獲得不同圍巖灌漿前后高壓水頭作用下的滲透性,便于分析灌漿效果,在Ⅰ～Ⅱ類、Ⅲ類和Ⅳ類三種圍巖段中分別進行高壓壓水試驗。

高壓壓水試段長度為3 m～4 m,最大壓力不小于1.2倍最大水頭,最大壓力采用10 MPa。每個試驗段進行四循環,第一循環加壓段和第四循環卸壓段,壓力分10級,每級加壓1 MPa,第二、三、四循環的加壓分5級,每級加壓2 MPa,第一、二、三循環的卸壓可分1～5級。當試驗壓力驟降即發生擴容現象時,可不再加壓。在每個試驗孔布置2段,在三個試驗階段分別進行,每個階段均7個鉆孔約14段,共約42段。

1.2.3 超聲波測試

為獲得不同圍巖類別在灌漿前后的動(靜)彈性模量、泊松比,在鉆孔中進行單孔超聲波測試,每個鉆孔中從孔底向上依次檢測,點距為0.2 m。超聲波測試:三個試驗階段均7個鉆孔約63 m,共約189 m。

1.2.4 水力劈裂試驗

為獲得不同圍巖類別裂隙在灌漿前后的劈裂壓力,對不同圍巖類別在鉆孔中進行水力劈裂試驗,每個階段、每個測試孔布置1段,共測試21段。

1.3 監測設計

安全監測包括在Ⅳ類圍巖段布置3個典型和3個輔助監測斷面,在Ⅱ類圍巖段布置2個輔助監測斷面,III類圍巖段布置1個典型和1個輔助監測斷面,對試驗洞的圍巖變形、襯砌變位、鋼筋應力及混凝土應變進行監測。目的在于通過對比不同圍巖地質類別、不同斷層自身特性、不同襯砌配筋形式、不同灌漿處理方式的監測成果,了解不同條件下各監測斷面的變形和受力特性。

2 滲透穩定復核

工程可研階段隧洞高壓固結灌漿深度分別取4 m、6 m、8 m進行滲流場規律及隧洞內水外滲量分析。

不同高壓固結灌漿深度下,Ⅲ-Ⅲ斷面(下平洞及引支平切面)壓力水頭分布圖及滲透坡降矢量圖如圖2—圖4所示。隧洞充水運行情況下,Ⅲ-Ⅲ斷面壓力水頭分布規律基本一致,都是沿洞壁向外逐漸降低,在固結灌漿圈形成高壓區。隨著固結灌漿深度的增加,隧洞圍巖最大滲透坡降呈逐漸減小的趨勢,但變化不大。固結灌漿深度為4 m、6 m、8 m時,隧洞內水外滲量分別為為26.74 L/s、22.22 L/s、20.40 L/s。高壓固結灌漿從4 m加深為6 m時,內水外滲量減少16.9%,從6 m加深為8 m時,內水外滲量只減少了8%[9-10]。

圖2 固結灌漿深度4 m時Ⅲ-Ⅲ斷面壓力水頭等值線及滲透坡降矢量圖

圖3 固結灌漿深度6 m時Ⅲ-Ⅲ斷面壓力水頭等值線及滲透坡降矢量圖

圖4 固結灌漿深度8 m時Ⅲ-Ⅲ斷面壓力水頭等值線及滲透坡降矢量圖

計算結果表明,增加高壓固結灌漿深度能減少隧洞內水外滲量,但過多增加固結灌漿深度是沒有必要的,原因是高壓隧洞區圍巖主要以Ⅰ類、Ⅱ類圍巖為主,滲透性低,固結灌漿后這類圍巖防滲性能并未顯著提高,固結灌漿圈范圍只要能包含隧洞開挖損傷區,提高開挖損傷區的防滲性能即可滿足要求。因此,在確保固結灌漿施工質量的情況下,6 m的固結灌漿深度是合適的。

3 灌漿設計參數優化

根據科研試驗洞開展的灌漿試驗、巖體試驗和現場監測成果報告,規范以及《廣東陽江抽水蓄能電站可研階段高壓隧洞裂隙巖體滲透穩定研究》201405、《廣東陽江抽水蓄能電站施工圖階段高壓隧洞裂隙巖體滲透穩定復核研究》201910成果,綜合確定陽江抽水蓄能電站高壓水道的下平洞及岔管固結灌漿參數。

3.1 灌漿深度

(1) 根據《水工隧洞設計規范》[5](NB/T 10391—2020),對于高壓鋼筋混凝土襯砌隧洞,須重視防滲及抗水力劈裂問題,在內水壓力作用下,圍巖不應產生劈裂。固結灌漿時,深入圍巖的深度不低于1倍隧洞半徑。本工程隧洞最大開挖直徑9.1 m,最小深度應為4.55 m。

(2) 第3節滲透穩定復核結論是深度6 m的固結灌漿圈是合理的,能滿足設計要求。

(3) 根據第14單元Ⅱ類圍巖不同深度現場灌漿試驗情況,第1段段長2 m,第2段段長為4 m、6 m、8 m時,平均單位注灰量均在1 kg/m左右,且未出現串漏現象,灌漿后巖體透水率降低。Ⅱ類圍巖深部巖體完整性更好,單位注灰量小,灌漿圈深度對平均單位注灰量的影響很小,加深灌漿圈意義不大[11]。

綜上所述,下平洞系統水泥固結灌漿圈深度采用6 m。

3.2 灌漿排距

根據《水工隧洞設計規范》[5],固結灌漿的排距一般為2 m～4 m,每排不宜少于6孔,作對稱布置。

3.2.1 Ⅰ、Ⅱ類圍巖

(1) 根據灌漿試驗結果,采用水泥灌漿并進行原孔掃孔化學灌漿的工藝,2.5 m排距的平均單位注灰量和化學漿液灌入量略高于3 m排距,但是相差不大;且串漏情況均較少,單位灌入量均較低。(2) 結合巖試成果,2.5 m排距水泥灌漿后原孔掃孔化學灌漿和3 m排距水泥灌漿后重新開孔化學灌漿,灌后巖試孔的波速平均值、巖體透水率相差很小,劈裂壓力相同,但是變形模量降低。但考慮到巖試樣本數量偏少,且變形模量的測值受測點位置影響較大,總體分析2.5 m排距和3 m排距對灌漿效果的影響不大[11-13]。

考慮到Ⅱ類圍巖中存在局部薄弱部位,為保證系統灌漿對其加固效果,確定灌漿排距2.5 m。

3.2.2 Ⅲ類圍巖

(1) 根據灌漿試驗結果,Ⅲ類圍巖巖體更不均勻,采用水泥灌漿后原孔掃孔化學灌漿的工藝,2 m排距水泥和化學灌漿時的平均單位注灰量均比3 m排距的更高,且不增加串漏情況。(2) 根據巖試成果,采用2 m排距水泥灌漿后原孔掃孔化學灌漿,較3 m排距水泥灌漿后重新開孔化學灌漿,灌后巖試孔的劈裂壓力略高,透水率略低,但是相差不大。灌漿后巖試孔的平均波速均在5 000 m/s以上,巖體透水率0.61 Lu～0.96 Lu,劈裂壓力5 MPa～6 MPa[11-13]。

綜合比較,Ⅲ類圍巖局部裂隙更為發育,采用2 m排距水泥灌漿后原孔掃孔化學灌漿能對巖體內的微細裂隙進行有效填充,效果更優。岔管位置排距結合岔管結構特殊性,將排距加密為1.5 m。

3.2.3 斷層

斷層帶的系統孔采用2 m排距,同時布置順斷層和斜穿斷層孔,水泥灌漿后原孔掃孔化學灌漿,現場壓水檢查結果能夠滿足要求。根據試驗成果,f751斷層采用水泥灌漿和化學灌漿后,巖體內漿液填充效果明顯,抗劈裂壓力能夠達到8 MPa[11-13]。

3.3 灌漿壓力

根據《水工隧洞設計規范》[5](NB/T 10391—2020),固結灌漿壓力一般為1～2倍的內水壓力;對于高壓鋼筋混凝土襯砌岔洞部位,灌漿壓力可取岔洞處靜水頭的1.2倍。

本電站勘察階段采用應力解除法、水壓致裂法等進行了地應力測試,高岔及下平洞實測最小主應力9.6 MPa～10.9 MPa,回歸分析計算最小主應為9.08 MPa～9.18 MPa,最小主應力大于隧洞最大靜水壓力8 MPa。

3.3.1 Ⅱ類圍巖

(1) 第1段灌漿壓力進行3.0 MPa、4.5 MPa和6.0 MPa壓力壓水、灌漿試驗

① 受爆破擾動和開挖卸荷等的影響,原有裂隙開度增大或產生新裂隙,在周邊鉆孔打開的情況下進行壓水試驗,低壓(<3 MPa)時也可能出現串漏現象。但這一現象可以通過分序鉆孔、灌漿避免,第1段具備大于3 MPa高壓灌漿條件。

② 5 MPa～6 MPa灌漿可能導致隧洞近場巖體內的大部分裂隙貫通,甚至可能達到混凝土抗壓承載力的臨界值。壓水時近半數試驗孔出現串漏現象,抬動變形增大,控制第1段灌漿壓力小于5 MPa。

③ 4.5 MPa壓力壓水時,試驗孔出現串漏的頻率20%左右,2段出現超過100 um的抬動變形,但均為彈性變形[14],不會對襯砌產生破壞,且4.5 MPa灌漿時出現串漏的頻率小于6 MPa。

綜合分析,確定第1段的灌漿壓力為4.5 MPa。

(2) 第2段灌漿壓力

根據現場灌漿試驗成果:第2段能夠承受10 MPa壓力水泥灌漿,壓水過程中,抬動變形很小,且均為彈性變形,不會破壞混凝土襯砌結構。灌漿時,試驗孔出現串漏的頻率較低,第2段采用10 MPa以下壓力壓水,襯砌未出現抬動變形。

為確保灌漿效果,避免高壓灌漿時的巖體劈裂,第2段的灌漿壓力為9 MPa[11-13]。

3.3.2 Ⅲ類圍巖

(1) 第1段采用4.5 MPa壓力進行灌漿試驗

① Ⅲ類圍巖巖體結構更不均勻,平均單位注灰量高于Ⅱ類圍巖;灌漿后原孔掃孔檢查,巖體透水率降低。② Ⅲ類圍巖壓水、灌漿過程中,雖然串漏孔的出現頻率較Ⅱ類圍巖高,但是串漏壓力大部分在4 MPa以上,且能夠通過堵孔、修補混凝土裂縫等方法達到灌漿結束條件。

綜合分析,確定第1段的灌漿壓力為4.5 MPa。

(2) 第2段采用10 MPa壓力進行灌漿試驗

根據試驗結果,具備10 MPa壓力灌漿條件。雖然采用8 MPa壓水時的部分試驗孔出現串漏,但是采用10 MPa壓力灌漿時,基本未出現串漏現象,灌漿后原孔掃孔壓水檢查,透水率降低[11-13]。

根據試驗成果,考慮到Ⅲ類圍巖分布較多構造裂隙,為保證防滲效果,灌漿壓力采用10 MPa。

3.3.3 斷層帶

(1) 第1段灌漿壓力,斷層帶順斷層孔和斜穿斷層孔均采用4.5 MPa

根據試驗結果,3個斷層帶的所有順斷層孔和斜傳斷層孔中,僅2個出現串漏,斷層帶能夠承受4.5 MPa灌漿壓力,綜合分析確定灌漿壓力為4.5 MPa[11-13]。

(2) 第2段灌漿壓力采用10 MPa

① 由于斷層帶巖體破碎,斜穿斷層孔使用氣動泵進行灌前8 MPa壓力壓水時,試驗孔均出現串漏,串漏壓力3.0 MPa～4.8 MPa。

② 使用氣動泵進行10 MPa壓力水泥灌漿時,順斷層和斜穿斷層孔均未串漏;灌漿后壓水檢查時,所有檢查孔均出現串漏。

③ 補充灌漿階段

考慮到所有斷層孔灌前壓水時均出現串漏,改用栓塞泵對前期已經灌完的f751斷層進行10 MPa灌漿,仍具有一定的可灌性,斜穿斷層孔串漏頻率仍較高。三種斷層孔的平均單位注灰量均在6 kg/m以上,同時出現孔f751-N-Z4第2段的單位注灰量接近150 kg/m。

補充水泥灌漿后壓水試驗,檢查孔F751-N-Z3在7.12 MPa時未發生串漏,但是流量突增,可能是高壓力壓水將斷層部位薄弱帶連通,透水率增大。此時壓力已接近8 MPa,有望通過補充化學灌漿,進一步充填孔隙,降低透水率。

綜合分析,考慮到氣動泵可能不適合斷層帶灌漿,第2段灌漿壓力需結合補充灌漿情況考慮,采用10 MPa灌漿時,灌后壓水壓力已接近8 MPa,斜穿斷層孔串漏風險較高。結合(1)、(2)條和現場試驗結果,斷層帶第2段的灌漿壓力為10 MPa。

3.3.4 化學灌漿壓力

化學灌漿進行了III 類圍巖6 MPa和8 MPa壓力對比?？紤]到化灌過程中由于設備、材料等因素造成試驗數據代表性不足[15],參考以往工程經驗,化學灌漿壓力原則上不低于靜水頭,確定為8 MPa,同時增加卡塞入巖深度,減少串漏風險。

3.4 斷層帶加強灌漿方式

(1) 根據灌漿試驗結果,3個斷層帶分別采用了不同的灌漿順序,研究其對圍巖加固效果的影響。其中,f718和f752斷層按照系統孔、順斷層孔,斜穿斷層孔的順序施工;f751斷層按照斜穿斷層孔、系統孔、順斷層孔的順序施工。

(2) 根據巖試成果,先進行系統孔灌漿有助于減少斷層孔灌漿時的串漏,改變順斷層孔和斜穿斷層孔的順序對灌漿效果不明顯。

考慮到先實施順斷層孔灌漿有利于擴大巖體深部灌漿范圍,延長滲徑,且更利于灌漿過程中的排水排氣,確定斷層帶的灌漿方式為先進行系統灌漿,再進行順斷層孔灌漿,最后進行斜穿斷層孔灌漿[11-13]。

3.5 Ⅱ類圍巖化學灌漿的必要性

(1) Ⅱ類圍巖第7、9、10單元在水泥灌漿后進行化學灌漿

水泥灌漿完成后,化學灌漿仍有可灌性。但是單位灌漿量較低,整體上平均小于3 kg/m,Ⅰ序孔略高于Ⅱ序孔,但是仍在4 kg/m以下;同時單位灌漿量小于5 kg/m的試驗孔出現頻率在90%以上,未出現大于單位灌漿量10 kg/m的試驗孔。

(2) 根據巖試成果,在水泥灌漿的基礎上進行化學灌漿,劈裂壓力有明顯提高,透水率有所減小,整體上具有一定效果。

Ⅱ類圍巖的巖體完整性較好,但是可能存在薄弱部位,水泥灌漿完成后原孔掃孔壓水檢查時,繼續進行化學灌漿,有一定可灌性?？紤]到本工程下平洞范圍部分II類圍巖亦分布規模較小斷層,或部分Ⅱ類圍巖與斷層鄰近,且Ⅰ化灌后劈裂壓力增加較多,透水率整體上呈降低趨勢。因此針對斷層帶附近的Ⅱ類圍巖進行化學灌漿,其他區域對于水泥灌漿無法滿足要求,檢查不合格段,必要時采用化灌補強[11-13]。

4 灌漿設計參數優化

4.1 Ⅰ、Ⅱ類圍巖

Ⅰ、Ⅱ類圍巖采用普通水泥灌漿,針對分布斷層區域,及部分與Ⅲ類圍巖鄰近的區域,進行化學灌漿。

水泥灌漿參數為:(1) 每環布置12個灌漿孔,排距2.5 m;(2) 灌漿孔深6 m,分兩段灌漿,第1段段長2 m,第2段段長4 m;(3) 第1段灌漿壓力4.5 MPa,第2段灌漿壓力9.0 MPa;(4) 采用普通水泥灌漿,在單位灌入量大于50 kg/m的灌漿孔,應結合地質情況進行分析研究其周圍加密的必要性和加密方式。(5) 第1段灌漿時卡塞混凝土中,第2段灌漿時卡塞入巖2.0 m位置[14-16]。

化學灌漿參數為:(1) 灌漿孔深5 m,全孔1次灌漿;(2) 灌漿壓力8 MPa,卡塞位置入巖1 m～2 m。

4.2 Ⅲ類圍巖

Ⅲ類圍巖先進行普通水泥灌漿,水泥灌漿完成后,原孔掃孔進行化學灌漿。

水泥灌漿參數為:孔排距2.0 m,第2段灌漿壓力10 MPa,其他水泥灌漿參數及方法同Ⅰ、Ⅱ類圍巖。

化學灌漿參數及方法與Ⅰ、Ⅱ類圍巖相同。

4.3 斷層帶洞段

斷層帶洞段先進行水泥灌漿,水泥灌漿完成后,原孔掃孔進行化學灌漿。

水泥灌漿參數為:

(1) 系統孔:孔排距2.0 m,第2段灌漿壓力10 MPa,其他水泥灌漿參數及方法與Ⅰ、Ⅱ類圍巖相同。

(2) 順斷層孔:① 灌漿圈深度12 m,沿著斷層的位置進行鉆孔并預埋灌漿管。鉆孔孔向在斷層平面上,并通過隧洞中心線,孔距2.0 m。分三段灌漿,第1段段長2 m,第2段段長5 m,第3段至設計孔深;② 第1段灌漿壓力4.5 MPa,第2、3段灌漿壓力10 MPa;③ 采用普通水泥灌漿;④ 第1段灌漿時卡塞混凝土中,第2段灌漿時卡塞入巖2.0 m位置,第3段卡塞入巖7 m位置;⑤ 分序開孔、灌漿,灌漿完成后及時封孔。

(3) 斜穿斷層孔:灌漿孔圈深度12 m,斜孔布孔結合BIM手段,結合各斷層特點針對性布置。分三段灌漿,其他灌漿參數及方法同順斷層孔。

(4) 按照系統孔、斜穿斷層孔和順斷層孔的順序灌漿。

化學灌漿參數為:

(1) 系統孔化學灌漿參數與Ⅰ、Ⅱ類圍巖相同。

(2) 順斷層孔和斜穿斷層孔:① 水泥灌漿完成后,原孔掃孔進行化學灌漿;② 灌漿孔深9 m,全孔1次灌漿;③ 灌漿壓力8 MPa,卡塞位置入巖1 m～2 m。

5 結 語

結合工程的實際情況,制定的科研試驗洞灌漿、巖試和監測方案,相關研究成果為灌漿設計參數的優化提供數據支撐,并結合滲透穩定研究成果,進一步優化了固結灌漿參數。

在現有規范未明確的前提下,灌漿圈設計深度選擇給出了明確的計算方法及判斷標準,對不同圍巖類別灌漿排距、壓力選擇,結合試驗成果進行了區別精準設計,并得出了斷層帶系統孔、斜穿斷層孔和順斷層孔的最優順序加強灌漿方式,驗證了斷層帶附近的Ⅱ類圍巖進行化學灌漿的必要性,為超高水頭鋼筋混凝土水道合理設計提供參考依據。將之應用在了陽蓄下平洞上,2021年11月陽蓄輸水系統充水試驗一次成功,也驗證了確定的超高壓水道灌漿參數的合理性。