乌东德水电站灌浆异常工程地质分析和处理技术
作者：顾老师 来源：范文 日期：2021-10-03 11:48人气：
摘 要： 西南地区碳酸盐岩地层发育，岩溶条件复杂，在防渗帷幕施工期间，经常出现大量节理、渗漏等现象。乌东德水电站是一座大型水电站，建在典型的碳酸盐岩地区。最大坝高270 m，最大蓄水水头约160 m，具有帷幕大、水位高、地质条件复杂等特点。根据左岸和三维信息，周围的技术地质特征和网络特征为下一步有针对性的治理奠定了基础。研究成果为基于“地质BIM+联网信息”分析管理平台的故障排除提供了全面的分析解决方案，为类似工程提供了线索。
关键词 : 灌浆异常;灌浆工程三维地质信息系统;防渗帷幕;乌东德水电站;
0、前言
近年来，随着西南水电站的开发，一批重大水电工程相继建成。防渗帷幕作为解决水库渗漏问题的主要手段被广泛采用。西南地区由于技术要求，防渗帷幕越来越大，水头较高，碳酸盐岩发育，岩溶条件复杂，对拉张比质量要求较高的不透明帷幕是一项隐蔽工程，特别是在复杂的地质条件下，有很多水库异常渗漏和渗漏的技术案例。以乌东德水电站为例，该电站以大坝防渗帷幕左侧850 cm高的冲击器局部进水管为例，充分利用冲击孔、特殊收集孔、施工支洞和物探方法，以“GEAS 3D”为平台(灌浆工程三维地质信息可视化系统)并结合异常地区的设计资料，通过实例进行了综合分析。分析确定异常区的范围、地质技术特征和节理。目的介绍一个基于“地质BIM+灌浆信息化系统”的造林异常综合分析典型案例，为车辆技术全过程管理提供信息化解决方案，为类似工程提供参考。
1 、工程概况
在建的乌东德水电站是金沙江下游四级梯级中的第一座，装机容量10 200 m W。水库正常蓄水位975 m，水库为混凝土双曲拱坝，坝高988 m，最大坝高270 m，水库拆除后最大蓄水水头约160 m。大坝两岸防渗帷幕以大坝拱肩槽为极点的零点，沿两侧的坝基廊道分布在平行主机上。主帷幕防渗线全长约1 865 m，总面积约39.6万m2，左侧帷幕终点为下游山内侧罗雪组第二段第一段，右侧为帷幕终点为上犹山内侧因民组的相对隔水层，帷幕上部高度988m，下部下线延伸至大坝施工时渗透性≤l Lu的岩体，近岸长廊，外缘石段渗透性≤3Lu的岩体。两个台阶由6层条带以重叠层的形式连接在一起，形成一个完整的水库防渗帷幕，条带从上到下分布为988,945,890(895),850,780,733 m。
2、 工程难点
1)施工过程中经常洒水、灌砂，水蒸气和流量大，不易插入，钻进速度慢，效率低。
2)坝墙淤塞主要由砾石、堆积层和砾石地质构造组成，地质构造极为深厚，层结构复杂多变，局部覆盖。在钻井速度较高的情况下，导致钻井失败频繁，钻井材料低，成孔率低。
3)由于钻孔是在超载情况下进行的，因而很难检查钻孔的倾斜情况。如果不加大钻孔倾角，采取有效措施，很容易造成钻孔软化，导致钻孔的清除;当车辆完成后，再对钻孔进行清理，扫偏这种现象时有发生。
3、 工程地质条件
3.1、 地层岩性
左岸850 m高帷幕的涂层组织学为落雪组三段一亚区中厚层灰岩和大理岩，落雪组二段Pt221夹中厚层大理岩群，互为白云岩和灰岩，其中辉绿岩脉一些地质结构。
3.2、 地质构造
本区揭露的误差为雷家湾沟断层F15，产状110°∠L60°～70°，宽度约2 m。构造岩以激变岩为主，沿断裂侵入辉绿岩厚10～20 m的辉绿岩脉(βu)，但各层构造较发育。在这部分地层中不会出现裂缝。辉绿岩脉透水性差，在水压试验中进行可行性研究
3.3、 岩体风化
左侧850 m灌浆平洞揭露岩体整体呈微新状。在0+736～0+760段岩体，部分岩体沿结构面存在溶蚀和风化痕迹。
3.4、 岩溶与水文地质
岩溶总体不发育，有些部位有小的溶液痕迹碎片。在层灰岩中，沿岩脉或裂隙存在局部溶解形成的含小溶液碎片或溶液碎片。Pt221大理岩化白云岩局部中，在石灰岩和白云石。在冲击器开挖时沿结构面可见零星渗水和滴水。
3.5 、落雪组第二段第一亚段作为左岸防渗帷幕依托端点的论证
在可行性研究中，将左侧防渗帷幕的终点接上游的因民组的相对含水层进行了对比，在施工期进行了优化设计，考虑到落雪组二段一段低透水性。
根据对岩体440个钻孔的水压试验分析，累计渗透系数小于3lu达到95.23%，大于3lu的一般为3～4lu，主要受边坡附近岩体局部破裂或泄流的影响。因此，组岩体整体渗透性较差(包括断层附近岩体和辉绿岩厚度)，且该段岩性相对稳定(96 m)，化学成分分析也表明，酸性不溶物约占28%～33%，是造成该段岩体渗透性差的主要原因，白云石很难溶解。经统计，坝区内所有勘探坑道和建筑支洞均未发现岩体或裂缝。研究表明，的最终支护是可靠的。
4 、灌浆异常工程地质分析
在灌浆帷幕施工过程中，左岸850 m平洞山内(桩号0+753～0+785)内端段干燥过程中，部分孔压不住，注水泥量大，出现漏钻现象。为查明异常范围的空间范围和技术地质特征，采取有效的治理措施，确定适宜的掘进参数，保证运输工程质量，开展了专项调查。在燃料孔中，充分利用专用试验孔和设计支洞进行调查分析。以GEAS3D为基础，结合物探方法和设计资料，识别异常面空间范围，分析其地质技术特征。
4.1、 GEAS3D简介
GEAS3D是乌东德水电站为“智能灌浆工程”研制的。它是一个“地质BIM+灌浆工程信息化”平台，集三维地质建模、灌浆数据存储管理和数据分析于一体。在地质信息模型的基础上还应包括车辆的设计参数、车辆台账数据等信息，能快速反应、分析和反馈，以便更好地为工程服务。
4.2、 异常区空间范围
在左岸850 m灌浆平洞异常部位、左岸正上方890 m灌浆平洞、侧下方5#(780 m高)异常位置附近，利用冲击孔和特殊地质钻孔对异常区域的空间区域进行了调查，并结合透水性和渗透性异常分布节理内的灰渣注入量考虑到异常的GEAS3D系统，对该区域的三维模型进行了综合分析和确定。结果表明，异常范围的扩展范围约为28 m，从850 m冲击器的0+753段到山的内侧，从850 m冲击器的端部到山的内侧，扩展范围约为28 m，下部高度约为790 m，上部高度约为877 m。
4.3、 工程地质特征
4.3.1、 灌浆平洞及施工支洞揭露工程地质特征
左侧850 m灌浆平洞桩号0+753～0+785段岩性为互层大理岩化白云岩，整体形状较新，局部沿结构面有腐蚀和风化痕迹，偶见黄褐色天气色;短、小裂隙较发育;岩石岩体较破碎，开挖过程中该段岩体沿结构面落水。该洞段上方左侧890 m冲击坑及隧段下方左厂5#施工支洞显示，相应隧段岩性为中厚层，夹一层包层大理岩全云母，未见异常。
4.3.2、 钻孔揭露工程地质特征
经灌浆孔及专门勘察钻孔揭露，异常区位于白云岩中，含少量白云岩。根据钻孔彩电，异常区岩体出现层间开裂和短裂缝，岩体相对破碎。局部结构面开阔，侵蚀，沿结构面风化。由于构造作用，局部岩体破碎、掏空，在异常区形成一个长约4.0 m、宽约3.0 m、高约2.0 m的不规则空腔，异常区钻孔取芯通常呈碎块状和少量含碎石的砂。
4.4、 异常区物探成果分析
灌浆平洞的灌浆孔采用灌浆孔L3-XZKT1、L3-XZKT2、L3-XZKT3，孔间电磁波CT检测结果未见明显异常，表明该区域大面积无大型溶洞(裂隙)及腐蚀、风化等地质缺陷。
高程采用灌浆平洞的灌浆孔和高程850 m，对于钻孔的声学检测，使用冲击器的专用测试孔。检测结果表明，异常环境下岩体声波一般为3 800～4 800 m/s，平均4 400 m/s;异常范围周围非异常区域岩体声波值一般为4 700～5 500 m/s，平均5 300 m/s。
5、 异常区灌浆施工成果
在施工过程中，依靠GEAS3D系统平台对海量的合并数据进行存储、管理和分析。一旦出现节理异常，可以迅速反应分析。一是通过分析灌前压水、注灰灌浆等数据，直接追踪异常数据的位置和范围，支持异常范围和地层岩性分析的勘探方法;二是快速分析异常区域岩体的透水性、灰应力等沉积特性并为科学评价异常区域和制定有针对性的治疗措施提供详细依据。
5.1、 灌前压水试验成果
系统GEAS3D在实现灌浆孔段灌前对数据进行快速分析。勾选异常范围内的173个孔进行总量检查，用键对水压数据进行检查分析。结果表明:52.02%的渗透性>3lu的岩体在一些钻孔的异常范围内没有压力。在非异常范围内完成了923个水压试验段，其中透水性>3lu的岩体只有2.39%，没有压力孔。
5.2、 注灰量成果
注灰量分析方法与水压分析法一致。勾选异常检查异常范围内的144个井段，并用分析注灰量数据。异常区注灰量范围内的平均单耗约为300 kg/m，其中34%大于200 kg/m，最大单耗约为4 568 kg/m，为L-1-I-365孔内临近空腔孔段。909注灰孔段部分填充在非异常范围内，注灰量平均单耗约为8 kg/m，其中>200 kg/m的仅占0.77%，最大单耗约为768 kg/m。
6、 处理措施
根据上述灌浆异常区的地质特征和预成网条件在对灌浆施工资料分析的基础上，针对该部位制定了相应的处理措施，以保证防渗的质量和干燥效果。
1)增加灌浆孔:0+753～0+785段增加了16个2 m距离的冲击孔;隧道末端在山体一侧设置排斜灌浆孔，呈扇形，孔底距离一般为2.0 m。
2)适当调整灌浆工艺:前墙、上拱输送孔的钻机、钻孔及孔径应正确调整;反向孔可采用劈裂法;接地采用孔口封闭法灌浆，其断面长度宜为第一段2 m，第二段3 m，第三段5m，以下6 m;端墙及第一段上部的分组压力第1段1 MPa，第2段2 MPa，第3段及以下各段3 MPa。
6.1 、灌浆处理措施
灌浆时，应根据具体情况采取下列措施。
1)按先易后难的顺序施工。首先完成相邻wm-6#和wm-8#的设计，并利用相邻孔的曲率效应降低了wm-7#孔的设计难度。
2)缩小灌浆段长。首先，必须扫孔。如果扫孔中出现水流，应立即停止钻孔并进行自流弯曲。在不浇筑的假设下，每箱水泥的注入量应控制在5 t以内;在浇筑过程中，应将水玻璃放入孔中，直到水泥上升到孔内;调整4 h后，应再次清理孔，并采用相同的方法进行自着色，再次放水时:对孔内进行一次又一次的清理，直至不再有漏水现象，最后按常规的熔化方法将孔抽至孔底，达到最终标准。
3)孔内含砂层的处理。
(1)孔段不易成孔的砂层更难浇筑。如孔内无漏水、漏泥现象，应擦净孔底钻具，用钻杆作导管灌注，将0.5∶1的淤泥送至孔底，将孔内细砂冲洗干净，直至孔不再塌陷，然后将钻具放入孔内，导入管内进行正常弯曲，直至达到最终标准。
(2)在镶铸口径管后，用金刚石钻头将孔扫至孔底，然后用闭孔法在孔内进行圆缝。
6.2 、宽大裂隙渗漏通道的处理
如遇断裂带、断块严重、塌孔，难以继续钻进，或有集中漏水，且钻孔无回水时，必须停止钻进，并在灌浆前进行一部分灌注。在较大渗流通道管中，采用以下方法。
1)当钻孔通过宽岩裂隙和病态水渠时，消耗大量的污泥，即使孔内没有污泥回流和压力，也应采取间歇、限流和限制进水措施，使流速不超过30 L/min，限制每次注入水泥量不超过5 T，停止时间不超过30 min，直至达到最终标准。连续三次间歇弯曲后，如果停止弯曲并在调整8 h后进行清孔和挖洞，则流速仍不降低，没有压力，接头没有转向，也没有达到最终标准的希望。
2)如果孔段内有一个大的渗漏沟，单独堵住很困难，稻石、黄豆、锯末、粉笔、碎稻草，等灌入孔内，用0.5∶1水泥泥浆加入的浆液冲入镰刀沟，堵住渗沟，直至孔内充满肥料，然后扫孔复灌。
3)对于两台灌浆泵灌注水泥水玻璃混合浆液，两台浇筑泵将分别为一台水泥污泥泵和另一台水玻璃泵。将0.5∶1的水泥和水玻璃混合到搅拌管中，然后注入钻孔处的孔中。在浇筑水泥时，水玻璃的掺量应为水玻璃量为水泥重量的3%～5%，水泥浆的比例为0.5∶1。
4)灌注0.5∶1的浓浆时，有浓浆和压力，但注入速率大于30 L/min时，应逐渐增加压力，将注入速率控制在30 L/min以内;当注入速率小于10 L/min时，应将压力升高一级，使吸入压力逐渐升高直到达到最终标准。
7、 结论
1)利用灌浆平洞、冲击孔和特殊钻孔，并参考GEAS3D系统的渗透性和注灰量成果，确定了左岸850 m高冲击块区异常区的空间范围。冲击高度790～877 m，桩号0+753延伸至山体内侧，850 m灌浆平洞端头延伸至山体内部。异常区位于PG'大理岩化白云质岩中，含少量白云岩层。短而小的裂缝相对发育和发育。岩体相对破碎。一些结构层是开放的，沿着结构层被侵蚀。由于裂缝和空洞，形成了一个长约4.0 m，宽约3.0 m，高约2.0 m的不规则空腔。
2)孔间电磁波CT检测未见明显异常，表明该区无较大型溶洞(裂隙)或大规模腐蚀风化等地质缺陷。变形场岩体声波一般3 800～4 800 m/s，平均4 400 m/s，技术地质性质较差;异常区周围岩体声波一般为4 700～5 500 m/s，平均5 300m/s。
3)在GEAS3D系统对灌浆数据分析的基础上，对与岩石特征相符的明显大面积透水、注水量异常范围进行了补充和修正，表明该分析系统在海量数据存储方面取得了良好的效果，并获得了关键分析结果。通过对异常范围内的透水率、注灰量等节理特征的分析，可以更好地指导节理设计，为制定有针对性的治理措施打下坚实的基础。
4)作为基于GEAS3D系统的典型案例，为了确定灌浆异常区域的范围、岩石的粒度特征和气味特性，本文与同类工程有良好的关系。基于节理与地质的深度集成以及强大的显示、存储管理和分析功能，可以为节理工程的分析和管理提供GEAS3D系统信息解决方案，下一步将通过优化模型轻量化、操作友好性等系统性能，获得良好的应用前景，对使用效果优化等进行改进。
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