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三峽工程無混凝土蓋重固結(jié)灌漿的可行性
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1 壩址工程地質(zhì)特征
壩址區(qū)基巖以中粗?;◢弾r為主,細(xì)粒閃長巖次之。建基巖面利用巖體為微新巖石,局部為弱風(fēng)化下部巖體。建基巖體工程地質(zhì)條件較好,優(yōu)質(zhì)、良質(zhì)巖體約占98%.RQD值一般70%~90%,變形模量一般為20—30Gpa,縱波速度4300~5500m/s,透水性弱,透水率小于lLU約占80%.
壩區(qū)經(jīng)歷多次構(gòu)造變動(dòng),斷層構(gòu)造巖出露面積約占建基面積的2%.以F2、F9、F23為代表的壓性斷層為主,構(gòu)造巖石多為碎裂巖,一般膠結(jié)良好;以F215、F548、F65為代表的張性斷層次之,構(gòu)造巖膠結(jié)較差,風(fēng)化較強(qiáng),少數(shù)呈松散狀態(tài)。
裂隙以傾角大于60°的陡傾角為主,占75%以上;傾角30°~60°的中傾角裂隙占10%;緩傾角裂隙占13%.裂面以壓扭性為主,裂面平直,閉合狀、無充填、膠良好,裂隙長度一般2~5m,規(guī)模大者10~20m,極少數(shù)長度超過30m,間距一般2.5~3.5m,張性裂隙不發(fā)育、裂隙粗糙、微張開狀,長度多小于10m.
此外,由于壩基開挖,建基面淺部巖體受卸荷及爆破影響,不同程度的損傷,局部巖塊松動(dòng)。
從總體上看,三峽大壩基礎(chǔ)工程地質(zhì)優(yōu)良,大壩基礎(chǔ)設(shè)計(jì)及基礎(chǔ)處理中,一方面應(yīng)考慮如何充分利用壩址優(yōu)良的地質(zhì)條件,盡量節(jié)約工程投資;另一方面要對(duì)地質(zhì)缺陷部位、裂隙發(fā)育部位的不良巖體進(jìn)行妥善處理。
2 大壩基礎(chǔ)固結(jié)灌漿設(shè)計(jì)簡述
設(shè)計(jì)采用常規(guī)布孔與重點(diǎn)加固相結(jié)合的原則。
2.1 固結(jié)灌漿的范圍
一般范圍為壩踵、壩址各l/4壩基寬度,并對(duì)主體防滲帳幕迎水側(cè)的一排或兩排固結(jié)孔適當(dāng)加深;對(duì)壩基范圍內(nèi)出露的規(guī)模較大、性狀較差的斷層、巖脈、裂隙密集發(fā)育帶等缺陷部位采用重點(diǎn)加固處理;對(duì)壩基特殊部位、高陡邊坡部位視實(shí)際情況布孔。
2.2 設(shè)計(jì)參數(shù)
一般部位孔距2.5×2.5m,孔深入基巖;5~6m;主帷幕前的兩排孔距2.0×2.0m,孔深入基巖10~20m;地質(zhì)缺陷部位或有特殊要求的部位孔排距2.0×2.0m,孔深入基巖8~15m.灌漿壓力一般0.3~0.5Mpa.
2.3 施工方案
以常規(guī)有混凝土蓋重灌漿方式為主,對(duì)具備采用無混凝土蓋重方式施工條件的部位,可采用無混凝土蓋重方式施工。有混凝土蓋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,自上而下分段鉆灌。
3 無混凝土蓋重固結(jié)灌漿的可行性及其實(shí)施
3.1 無混凝土蓋重固結(jié)灌漿的可行性
本次共做了三組無蓋重固結(jié)灌漿試驗(yàn),第一組位于臨船上航道F7斷層出露部位,第二組位于右岸導(dǎo)流明渠三期下游橫向圍堰處,第三組為左廠4—1乙塊生產(chǎn)性試驗(yàn)。三組試驗(yàn)分別代表不同的地質(zhì)條件:斷層破碎帶、裂隙發(fā)育帶及一般地段。盡管所處地質(zhì)條件不同,巖石透水性、吸漿量差別較大,但通過無混凝土蓋重固結(jié)灌漿試驗(yàn)之后,巖體的強(qiáng)度,整體性得到了較大的改善,具有如下特點(diǎn):
1)單位透水率和單位注入量,隨著灌漿次序的增加,均有顯著的降低(見表1);單位注入量和單位透水率較大的段數(shù)頻率隨著灌漿次序增加而減少;斷層帶、裂隙發(fā)育帶遞減幅度相對(duì)較大。灌漿后檢查孔的單位透水率小于3Lu占90%以上,透水宰大于3Lu的孔段均位于試驗(yàn)區(qū)的邊緣。
2)灌后巖體整體性、均質(zhì)性得到加強(qiáng),力學(xué)性質(zhì)得到改善。單孔聲波波速值均能達(dá)到5000~5500m/s,跨孔地震波值4500m/s,聲波值提高3%~45%不等。灌前聲波值在5100~5500m/s,灌后提高3%;灌前聲波值在4500~5000m/s,灌后可提高5%~12%;灌前聲波值小于4500m/s.灌后均能提高10%以上;灌前聲波值越低提高幅度越大。灌后巖體的彈性模量,除個(gè)別幾段外,可達(dá)20GPa以上,一般提高3~10Gpa.
3)無混凝土蓋重固結(jié)灌漿過程中有時(shí)發(fā)生串、冒、漏漿現(xiàn)象,但經(jīng)過濃漿封堵、降壓、間歇、待凝等措施后,均達(dá)到了結(jié)束標(biāo)準(zhǔn),符合技術(shù)要求。
4)在灌漿過程中不同程度地產(chǎn)生水力壓裂、抬動(dòng)。但抬動(dòng) 值不大于200UM,在設(shè)計(jì)允許值范圍之內(nèi)。少數(shù)裂隙即使在壓水、灌漿過程中產(chǎn)生水力壓裂,但最后能得到較好的灌注。
5)第一組、第二組無混凝土蓋重固結(jié)灌漿試驗(yàn),基巖面未達(dá)到大壩建基面要求,淺層巖石較破碎,清基不徹底,找平混凝土沒經(jīng)過嚴(yán)格振搗,混凝土與基巖面膠結(jié)較差,這些都是第一段單位透水率、注入量偏大及蓋板裂縫抬動(dòng)的主要原因。
綜上所述,經(jīng)過無混凝土蓋重固結(jié)灌漿后,巖石得到了較大的改善,單位透水率、縱波速度、彈性模量都能達(dá)到設(shè)計(jì)要求值。因此,我們認(rèn)為無混凝土蓋重固結(jié)灌漿,除有特殊要求的部位外,在技術(shù)上是可行的。
3.2 無混凝土蓋重固結(jié)灌漿的優(yōu)缺點(diǎn)
本次試驗(yàn)無混凝土蓋重是在找平混凝土上進(jìn)行的,有蓋重是在3m厚的混凝土上進(jìn)行的。從試驗(yàn)資料分析,基巖的灌漿效果及是否抬裂主要與巖石本身的工程地質(zhì)條件和灌漿壓力有關(guān),而與有無混凝土蓋重關(guān)系不明顯。3m左右的混凝土蓋重板真正起的作用不大,阻止水力壓裂和控制抬動(dòng)是有限的,并且發(fā)生抬動(dòng)后處理是很困難的。3m厚混凝土與找平混凝土所起的主要作用都是嵌縫堵漏,約束巖面表面裂隙張開。與有混凝土蓋重固結(jié)灌漿比較,無混凝土蓋重固結(jié)灌漿有如下優(yōu)缺點(diǎn)。
主要優(yōu)點(diǎn):
1)解決了澆筑與固結(jié)灌漿相互干擾的矛盾,加快施工進(jìn)度。
2)避免了有混凝土蓋重固結(jié)灌漿蓋板的抬動(dòng)與處理困難。
3)避免了有混凝土蓋重固結(jié)灌漿蓋板混凝土層面長時(shí)間暴露而產(chǎn)生溫度裂縫及繼續(xù)澆筑時(shí)新老混凝土變形不一致的問題。
4)易于觀察巖石表面的串、冒漿等問題,便于及時(shí)處理。
5)避免鉆壞混凝土內(nèi)埋設(shè)的冷卻水管、受力鋼筋、測試儀器等構(gòu)件。
6)節(jié)省直接鉆混凝土或預(yù)埋導(dǎo)管的費(fèi)用。
主要缺點(diǎn):
1)由于巖石表面無蓋重,不能采用大的灌漿壓力,致使一部分需要較大壓力才能灌漿的細(xì)小閉合裂隙,沒有得到很好的灌注。
2)在裂隙發(fā)育地段,易產(chǎn)生冒漿、串漿尤其是周邊孔段,需采取一些封堵措施才能完成灌漿工作。
3)找平混凝土不易震搗、質(zhì)量難以保證。因此找平混凝土的質(zhì)量和與基巖的膠結(jié)緊密程度是進(jìn)行無混凝土蓋重固結(jié)灌漿首先要解決的問題。
3.3 無混凝土蓋重固結(jié)灌漿的實(shí)施
無混凝土蓋重固結(jié)灌漿的優(yōu)越性是顯而易見的,其不足是可以通過一些措施克服的,下面就怎樣實(shí)施提出建議。
3.3.1 無混凝土蓋重固結(jié)灌漿部位的選定
按設(shè)計(jì)要求兼輔助帷幕防滲的固結(jié)灌漿部位,地質(zhì)缺陷部位,陡直立邊坡部位要求采用有蓋重固結(jié)灌漿,但混凝土澆筑是按塊劃分,兼輔助帷幕防滲的固結(jié)灌漿孔與一般固結(jié)灌漿孔位于同一壩塊,地質(zhì)缺陷部位是局部的,所以在兼輔助帷幕防滲的固結(jié)灌漿孔,地質(zhì)缺陷部位采用有蓋重,其他部位采用無蓋重是難以操作的。為解決這一矛盾,在今后施工中可以兼輔助帷幕防滲的固結(jié)灌漿孔移到帷幕灌漿廊道內(nèi)施工,對(duì)地質(zhì)缺陷進(jìn)行妥善處理后,再進(jìn)行無混凝土蓋重固結(jié)灌漿。
壩址基巖優(yōu)良巖體占98%以上,斷層碎裂巖體不足2%,所以大面積地進(jìn)行無混凝土蓋重固結(jié)灌漿是有條件的。
3.3.2 關(guān)于無混凝土蓋重固結(jié)灌漿的壓力
灌漿壓力的使用至關(guān)重要。壓力偏小,巖體得不到很好的灌注;壓力偏大,會(huì)引起水力壓裂和抬動(dòng)。因此應(yīng)在不引起水力壓裂和抬動(dòng)的原則下,盡量使用較大的灌漿壓力,即最佳灌漿壓力,這個(gè)最佳灌漿壓力往往是由巖體本身工程地質(zhì)特性確定,不是由巖體的上覆壓力確定。
根據(jù)巖體裂隙的大小,張開程度、滲透性、可灌性,三峽壩基巖體大致可以分為Ⅳ類。
I類是寬大裂隙。裂面張開,伸延一般大于10m,透水性強(qiáng)、大于101u可灌性好、注入量大于20~15kg/m,在低壓力下(0.1Mpa)吸漿量很大,此類裂隙不發(fā)育,起著導(dǎo)水作用,是首要灌注對(duì)象,不需用多大壓力(0.1~0.3Mpa)就能取得良好的灌注效果。
?、蝾愂禽^大的無充填閉合裂隙,因卸貨、爆破影響后張開的閉合裂隙,短小的張性裂隙。透水性中等,透水率3~101u,注入量5~20kg/m,一般在小區(qū)域內(nèi)自行封閉,開始吸漿中等,吸漿量逐漸減少,較快地達(dá)到結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。此類裂隙,在淺部較發(fā)育,一般在0.3~0.5Mpa壓力下就能得到較好的灌注,超過此壓力值,可能發(fā)生初步的水力壓裂和抬動(dòng)。
?、箢愂羌?xì)小的致密裂隙。充填膠結(jié)好,巖石原本不透水和透水輕微,透水率1~3Lu,吸漿量小,單位注入率小于5kg/m.
此裂隙較發(fā)育,在吸漿量較小的情況下,可以提高灌漿壓力到0.5~1.0MPa,一旦達(dá)到此壓力值而吸漿量仍不大,再進(jìn)一步提高灌漿壓力,使原本閉合的裂隙張開,雖然灌了一些水泥,但要承受發(fā)生水力壓裂和提高滲透性的風(fēng)險(xiǎn)。
?、纛惲严妒菢O致密的裂隙。原本不透水、不吸漿,能承受較高的灌漿壓力,極限壓力可能達(dá)到5Mpa,此類裂隙是不需要做灌漿處理的。
灌漿壓力應(yīng)根據(jù)巖體的裂隙發(fā)育特征確定,而裂隙發(fā)育特征主要反映在巖體的單位吸漿量上,可以根據(jù)吸漿量確定灌漿壓力,在無混凝土蓋重固結(jié)灌漿時(shí)壓力與吸漿量關(guān)系如表2.
在實(shí)際操作過程中,第1序孔的第一段,往往吸漿量較大,首先應(yīng)采用低壓0.1~0.3Mp,;使第Ⅱ序孔第一灌漿壓力可以適當(dāng)提高,漸漸達(dá)到設(shè)計(jì)壓力值0.3~0.5Mpa;第二段最終灌漿壓力0.5~1.0Mpa,最大壓力不應(yīng)大于1.0Mpa,見表3.
3.3.3 防止水力壓裂與抬動(dòng)
①防止抬裂最關(guān)鍵的問題是壓力的使用,除上述根據(jù)巖體工程地質(zhì)特性控制灌漿壓力外,更應(yīng)注意壓水試驗(yàn)時(shí),壓水壓力的控制,試驗(yàn)表明壓水比灌漿更易造成水力壓裂與抬動(dòng),因?yàn)樗桥nD液體,能等值傳遞液體內(nèi)壓力,漿液是賓漢液體,不能等值傳遞液體內(nèi)壓力,隨漿液濃度的增加,壓力傳遞呈非線性遞減規(guī)律,且漿液在流動(dòng)過程中能量損失比水要大得多。本次灌漿試驗(yàn),產(chǎn)生抬動(dòng)的壓水壓力值為0.15~0.5Mpa,灌漿壓力0.3~1.0Mpa,一般是壓水產(chǎn)生抬動(dòng)在先。壓水試驗(yàn)只是測試巖體滲透性的一種方法,本身不能改善巖體滲透性,灌前壓水試驗(yàn)壓力應(yīng)降一級(jí),按巖體透水率調(diào)整壓水壓力(見表4)壓水與灌漿時(shí),升壓過程應(yīng)緩慢,應(yīng)分級(jí)調(diào)升。
?、跒榱朔乐拐移交炷梁蜕w板的抬裂,第—段壓水與灌漿時(shí),阻塞在混凝土上,應(yīng)縱跨混凝土與基巖的接觸面阻塞,這樣,水與漿液是間接進(jìn)入接觸面,可避免接觸面的張開。在緩傾角裂隙發(fā)育部位,可預(yù)先進(jìn)行錨固處理。
?、廴龒{壩基花崗巖強(qiáng)度高,彈性模量大,巖體抬裂在一定范圍內(nèi)(一般不大于200um)是可恢復(fù)的,且最終還是能得到較好的灌注密實(shí),只要不造成混凝土與基巖接觸面、緩傾角裂面大面積地壓裂、抬動(dòng)。輕微的抬、裂是不可避免的,也是允許的。
3.3.4 關(guān)于找平混凝土
本次所謂無混凝土蓋重灌漿都是在找平混凝土上進(jìn)行的,找平混凝土的主要作用是阻塞基巖表面裂隙,防止?jié){液串冒,保證灌漿質(zhì)量,創(chuàng)造施工環(huán)境,免除廢棄漿液對(duì)建基巖面的污染,減少建基面清除難度??紤]到建基面有起伏差,找平混凝土的澆筑,原則上是填平低凹的坑槽,對(duì)凸出的完整巖體應(yīng)外露。找平混凝土可不分縫,但澆筑時(shí)應(yīng)振搗密實(shí),嚴(yán)格控制施工質(zhì)量。本次三組無混凝土蓋重灌漿試驗(yàn),找平混凝土全都出現(xiàn)了裂縫,裂縫的主要原因是找平混凝土厚薄不一,變形不—致,混凝土的質(zhì)量又沒有嚴(yán)格控制。在灌漿過程中,沿裂縫有冒、漏漿現(xiàn)象,使裂縫進(jìn)一步擴(kuò)寬。對(duì)出現(xiàn)裂縫的部位必須進(jìn)行處理。對(duì)怎樣保證找平混凝土的質(zhì)量,須進(jìn)一步研究,制定出具體切實(shí)可行的措施。
3.3.5 關(guān)于群孔灌漿
群孔灌漿可以進(jìn)一步提高工效,加快施工進(jìn)度,保證灌漿質(zhì)量,建議有條件的部位。采取群孔灌漿。
4 大壩基礎(chǔ)固結(jié)灌漿的優(yōu)化設(shè)計(jì)
三峽大壩基礎(chǔ)巖體本身力學(xué)性質(zhì)很好,可灌性差,按常規(guī)布置固結(jié)灌漿所起作用不大。據(jù)原勘測資料,臨船壩段、左廠壩段已收集到的固結(jié)灌漿資料初步統(tǒng)計(jì),建基巖體70%以上聲波值大于5000m/s,地震波值大于4000m/s,壓水試驗(yàn)呂榮值小于1Lu,單位注入量小于1~3kg/m,根據(jù)三峽大壩基礎(chǔ)巖體的工程地質(zhì)特性,直接利用優(yōu)、良巖體,盡量減少固結(jié)灌漿工作量,在最小費(fèi)用下,最短的時(shí)期內(nèi)獲得最佳的灌漿效果,是三峽大壩基礎(chǔ)固結(jié)灌漿優(yōu)化設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn),現(xiàn)就怎樣有效地進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)提出幾點(diǎn)建議:
1)基礎(chǔ)固結(jié)灌漿設(shè)計(jì)工作,應(yīng)在大的原則下,作為動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)工程項(xiàng)目予以安排。
2)固結(jié)灌漿的布置應(yīng)針對(duì)開挖揭露建基面的地質(zhì)情況確定,施工地質(zhì)編錄的巖體彈性波檢測資料是優(yōu)化設(shè)計(jì)的重要依據(jù),通過試驗(yàn)可以歸納幾種布孔方案。
?、賹?duì)巖體完整性好,強(qiáng)度高,變形模量和彈性波速度達(dá)到設(shè)計(jì)要求的部位盡量減少或不布孔,重點(diǎn)布于固結(jié)兼輔助帷幕部位、斷層裂隙發(fā)育部位及對(duì)基礎(chǔ)有特殊要求的部位。
?、趯?duì)一般地段采取隨機(jī)布孔方式,即根據(jù)裂隙發(fā)育情況,把鉆孔有意地布置在裂隙上;裂隙發(fā)育部位孔距加密,否則相反;對(duì)大的陡傾角裂隙,可考慮調(diào)整鉆孔方向,利于鉆孔有效地穿透裂面。
③地質(zhì)缺陷部位(特別是長大緩傾角結(jié)構(gòu)面)是處理的重點(diǎn),應(yīng)采用綜合處理措施。
3)在施工過程中應(yīng)進(jìn)行分序優(yōu)化,根據(jù)I序孔的壓水、灌漿情況來確定優(yōu)化Ⅱ序孔的施工,根據(jù)Ⅱ序孔的壓水、灌漿情況來確定是否減掉檢查孔,把Ⅱ序孔的壓水試驗(yàn)作為檢查孔。
4)重視、加強(qiáng)施工質(zhì)量、基礎(chǔ)驗(yàn)收工作。
5 結(jié)語
經(jīng)前期勘測,灌漿試驗(yàn)和灌漿施工資料綜合分析,考慮大壩基礎(chǔ)地質(zhì)條件與固結(jié)灌漿的施工條件,可以確認(rèn)無混凝土蓋重固結(jié)灌漿優(yōu)于有混凝土蓋重因結(jié)灌漿,只要能保證找平混凝土的質(zhì)量,大范圍地進(jìn)行無混凝土蓋重固結(jié)灌漿在技術(shù)上是可行的。但還需要制定具體的施工技術(shù)要求。根據(jù)建基巖面的工程地質(zhì)情況,動(dòng)態(tài)優(yōu)化固結(jié)灌漿是一項(xiàng)省錢、省時(shí)又能獲得良好灌漿效果的工作,是十分必要的。
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