地质缺陷加固技术及水工程应用

软弱破碎带对水工程的负面影响，主要表现在水电站地下厂房和水工隧洞开挖中围岩的力学效应变化方面，尤其是大断面掘进，隧洞围岩因赋存有软弱破碎带的地段常常发生塌方和涌水等地质灾害。

大断面隧洞的开挖与支护过程是一个多步骤的、每步开挖都对以后各步开挖产生影响的复杂过程。在隧道施工过程中，围岩结构体系始终处于不断加载、卸荷的复杂变化过程中，开挖顺序不同、支护方式不同都有各自不同的应力、变形历史和最终不同的力学效应。

另外，当破碎带出现在坝基部位时，因其规模大、强度低、变形模量低，对一些坝块的变形稳定影响较大，主要表现为坝基不均匀沉降和近水平向的拉应力，将导致坝体结构混凝土开裂，成为水工程坝基的主要工程地质问题。

5.3.4.1　湖南江垭水电站地下厂房F15断层破碎带的灌浆加固处理^[9]

（1）工程概述。湖南省江垭水电站地下主厂房最大开挖宽度20.7m，高度51.3m、长度108.1m，在上游侧边墙厂0+52～0+108地段、为F15断层及其影响破碎带。该部位由于断层影响，围岩破碎、节理发育，节理间由泥质胶结物填充，并伴有裂隙水渗出，其中厂0+52～0+83地段岩锚梁受拉锚杆位于断层及其影响破碎带的岩体中，岩锚梁是利用一定深度的长锚杆将混凝土梁体牢牢地锚固在稳定岩体上，岩锚梁的全部荷载通过长锚杆和混凝土与岩台壁接触面上的摩擦力传到岩体上，充分利用了工程围岩的承载能力。为防止和减少高边墙开挖后产生的高地应力、高位移变形对F15断层及其影响破碎带的不良影响，控制有害变形，更重要的是改善该部位岩锚梁的受力条件、对F15断层及其影响破碎带进行了灌浆加固处理。

（2）F15断层破碎带灌浆加固。

1）固结灌浆参数等的选定。

①灌浆孔深度：根据F15断层的产状推算和现场钻孔探测，F15断层及其影响破碎带的厚度范围为3.1～3.8m，确定注浆孔深度为4.0m；孔径取42mm；

②灌浆压力，由于采用浅孔灌浆加固，为防止灌浆过程中F15断层及其影响破碎带出现抬动或错动，选用低灌浆压力并严格控制，取终压值为0.2MPa，试验孔起始压力为0.08MPa，以每次0.04MPa的增量逐级加压；

③灌浆孔布置：灌浆孔呈梅花形布置，孔距确定为2.0m；

④浆液灌入率：根据岩体的吸浆能力，吸浆率小于100L/min；

⑤灌浆方式：采用分序单孔全段一次压入式灌浆，灌浆全部结束后，用水泥砂浆全孔封堵，并插入锚杆，增加被加固体的完整性；

⑥灌浆结束标准：吸浆率小于0.2L/min，保持0.2MPa压力持续灌浆30min后结束；

⑦灌浆效果检查：取不小于灌浆孔总数的5%，作压水试验检查，重点布置在耗灰量较大、冒浆现象较多及地质条件较差的部位。吸水率从压水开始，持续30min、均小于0.2L/min，说明灌浆效果满足设计要求，否则没有达到预期目的，需补孔灌浆直到满足设计要求。检查完成后，检查孔再进行灌浆补强，并用砂浆全孔封闭。

2）固结灌浆施工。

①灌浆设备。

灌浆泵：ZSNS注浆泵（150L/min）；

拌浆机：0.35m3双桶拌浆机，可利用两个容器独立搅拌、连续供浆；

钻孔设备：7655型气腿式风枪。

②灌浆材料。选用525号普通硅酸盐水泥。

③浆液变换。浆液变换应遵循由稀到浓的原则，逐级改变。浆液的水灰比采用8∶1、5∶1、3∶1、2∶1、1∶1、0.8∶1、0.6∶1、0.5∶1（重量比）几个比级，初级浓度从8∶1开始，灌浆过程中，当灌浆压力保持不变、吸浆量均匀减少时，或吸浆率不变，压力均匀升高时，不得改变水灰比。当某一级水灰比浆液的灌入率超过规定值时，而灌浆压力及吸浆率均无改变或改变不明显时，改用浓一级水灰比。当其吸浆率大于6L/min时，根据具体情况适当越级变浓，如果越级变浓后，灌浆压力突增或吸浆率突减，应立即查明原因，并改回原水灰比浆液进行灌浆，浆液水灰比用比重计及时测定，根据施工需要调整。

④灌浆分序和钻孔。为防止串浆，结合岩体的破碎程度，分序孔进行施工。钻孔按序孔进行。即一序孔完成后，再进行下一序孔钻孔，不允许将下一序孔的钻孔提前施工，否则，容易引起串浆，影响灌浆效果。序孔施工顺序见图5.19。

⑤灌浆压力控制。压力表放在灌浆孔孔口附近，通过调整回浆管上的闸阀，使部分浆液流回拌浆机，从而起到调整压力的作用。注浆压力控制见图5.20。

⑥钻孔冲洗。每一个孔在灌浆前，使用注浆泵将压力水通过孔内循环管路对灌浆孔及其扩散影响范围进行裂隙冲洗，将裂隙间的泥质胶结物冲洗干净。灌浆过程中才能将水泥填充至岩石裂隙中，增强结石强度和结石率，提高灌浆效果。

图5.19　序孔灌浆示意图

图5.20　灌浆压力控制示意图

压力对裂隙冲洗，直到回清水后再延续10min为止，冲洗水压力为设计灌浆压力的70%～80%。

⑦压水试验。灌浆施工过程中，选取一定数量的孔进行压水试验，从中进一步了解每序孔灌浆对工程岩体的改善情况，可以从中判断注浆效果是否能够满足设计要求。实际操作中，每序孔取2～3个孔进行。

⑧控制F15断层及其影响破碎带灌浆过程发生有害变形的措施。

a）锚杆加固：灌浆加固施工前，采用系统锚杆和随机锚杆进行锚固处理，锚杆长为6.5m，间距为1.5m×1.5m。确保锚杆有2.5m左右长度锚入新鲜完整的岩体以提高断层及其影响破碎带的整体稳定性。

b）采用精密的监测仪器进行灌浆过程中的位移监测：通过预先埋设的3套五点锚杆应力计，临时设置2套位移收敛计，4块千分表分别进行位移变形观测，位移精度均在0.01mm以上。五点锚杆应力计主要用于观测不同深度的锚杆受力变化情况，收敛计主要用于观测灌浆过程的水平收敛情况，千分表主要用于观测岩层的抬动或错动情况。

（3）加固效果。

①从序孔压水试验及灌浆的成果分析来看，每序孔的吸水率及吸浆率均明显减少，这说明选取的灌浆参数是合理的；

②灌浆7d后，在灌浆区确定的6个检查孔（灌浆孔总数为109个）进行灌浆效果压水试验。根据压水试验成果资料分析，其吸水率的最大值为0.18L/min，满足设计规定值0.2L/min的允许值；

③灌浆加固过程中，观测变形资料表明，F15断层破碎带呈稳定状态，未发现岩体抬动或错动的有害变形，这说明选取的灌浆压力参数是合理的；

④固结灌浆前，该部位有较大裂隙渗水出现，灌浆后，该部位基本无裂隙渗水出现，表明破碎岩体裂隙被水泥颗粒填充，形成结石，起到了堵漏防水的作用，减弱了破碎体被裂隙水进一步软化的作用；

⑤岩锚梁在正式运营前，做了4000kN的动载和静载试验，4000kN荷载梁体沉陷监测和梁体收敛监测。成果表明，该地段的沉陷位移残余变形为0.40～0.86mm，水平位移残余变形为0.20～0.23mm，均小于设计规定的最大残余变形1.0mm的规定值。这说明破碎岩体经过灌浆加固，其稳定状态和承载外界荷载能力得到了提高，确保工程使用的安全，满足设计要求。

5.3.4.2　云南暮底河水库导流洞软弱破碎带的施工支护处理^[10](www.chuimin.cn)

（1）工程概述。云南省文山县暮底河水库工程枢纽中的导流放空隧洞设计全长330m，其断面为2.5m×3.0m，断面形式为城门洞形，洞身为钢筋混凝土衬砌，洞底坡比为1/100。

导流放空隧洞位于大坝右岸，进口位于坝轴线上游约100m处，该处地形陡峻，洞口为壤土、砂卵砾石及碎石土覆盖；出口位于坝轴线下游约200m处，洞口为壤土、长石细砂岩夹泥岩。进出口其地质结构松散，开挖及边坡稳定性较差，边坡开挖过程中，影响范围大。隧洞洞身沿线地层为薄至中厚层状长石石英细砂岩夹泥岩，洞身位于地下水位之下，围岩为Ⅲ～Ⅴ类，大部分为Ⅳ～Ⅴ类，节理裂隙较为发育，围岩极不稳定，遇水软化。其中还要穿越1条F7断层，断层围岩主要由泥质页岩、碎石、壤土堆集而成；岩性软弱破碎、强度极低，含水后具有塑性流变和长期蠕变特性。在整条隧洞开挖过程中，最大的一次塌方就发生在该软弱破碎带。

（2）导流洞软弱破碎带施工与支护。暮底河水库导流洞施工中，当开挖至0+192.000处时，在隧洞顶拱偏左出现涌水，其涌水量为15L/min，后开挖至0+201.000处时，涌水量增至220L/min并导致塌方形成泥石流。

分析该段塌方的主要原因是：隧洞开挖进入软弱破碎带，且地下水丰富；由于该破碎带内围岩极其破碎、遇水软化，形成泥浆，随着顶拱围岩不断被水冲蚀、软化而形成空洞，造成松动破坏区扩大，支护失稳，最终出现较大面积的塌方。塌方后，继续施工出渣，致使塌方上部岩体进一步塌落，使地表形成下陷。

经研究比较，采取边开挖出渣、边打金属管棚、架设钢支撑的处理方案。

塌方处理方案具体是，首先采用超前砂浆锚杆加固围岩和16号工字钢拱架，同时打入φ75×5，长为6m的钢管，在开挖面形成管棚，将钢管末端与钢拱架焊固，然后逐步出渣，每向前50cm，立即在衬砌轮廓线以外架设16号工字钢拱架一榀，使用φ75×5，长为6m的钢管，在开挖面形成管棚，将钢管末端与钢拱架焊固，然后逐步出渣；每向前50cm，立即在衬砌轮廓线外围架设16号I字钢拱架一榀。

使用φ75×5的钢管管棚两排后，逐步改用5m长φ50×3.5的钢管作标杆，用风钻沿顶拱外侧纵轴线小倾角打入塌方体，钢管末端与拱架焊固，重复上述的过程，如此循环，直至穿越这25m宽的软弱破碎带塌方处理方案见图5.21。

图5.21　塌方处理支护示意图（单位：mm）

对于该塌方段的开挖，完全是用人工挖、撬的方法开挖，并且采用及时衬砌的方法，一般开挖支护6～10m，混凝土衬砌支护一段。

（3）效果。实践表明：上述方案经济可靠。

5.3.4.3　云南景洪水电站坝基G23破碎带处理^[11]

（1）工程概述。景洪水电站位于云南省西双版纳州府景洪市北郊约5km处，距昆明公路里程581km，为澜沧江中下游河段二库八级水电梯级开发方案中的第六级。电站采用堤坝式开发，枢纽由拦河坝、泄洪冲沙建筑物、引水发电建筑物、垂直升船机及变电站等组成。电站大坝为碾压混凝土重力坝，最大坝高110m，坝顶轴线长度704.1m；左岸主河道部位布置坝后厂房，电站总装机容量1750MW；右岸滩地部位布置泄洪建筑物和垂直升船机。水库正常蓄水位602m，总库容11.39亿m3，属大（Ⅰ）型工程。电站以发电为主，兼有航运、防洪、旅游、库区水产养殖等综合利用效益。

坝址河段两岸地形基本对称，岸坡坡度一般为30°～35°，两岸冲沟发育，但坝肩部位地形相对完整。电站处于澜沧江断裂带南段附近，地质构造主要受澜沧江断裂控制，区内构造复杂，断层发育，并具有多期活动的特征。枢纽区的地质构造形迹主要表现为断层、挤压带及节理。枢纽区出露的基岩主要为燕山早期侵入的闪长岩（），矿物成分主要为中性斜长石、角闪石及少量辉石、石英及副矿物等。

G23挤压破碎带主要分布在右冲沙底孔以左，出露在厂房坝段至左岸非溢流坝段的各坝块中部及坝趾部位，其走向与坝轴线近于平行，陡倾上游。G23破碎带宽度变化大，在14（右冲沙底孔坝段）～23号（其中15～19号为厂房坝段，20号为左冲沙底孔坝块，其余为左岸非溢流坝段），坝块宽0.3～2m，局部宽4m；24号坝块宽2～7m，25～26号坝块宽7～18m，最宽处位于G23与G6交汇部位。G23在坝基平面上的分布情况见图5.22，G23的产状为N25°～40°W/SW∠72°～∠86°，主要由挤压片糜岩、构造透镜体、糜棱岩、断层泥、碎裂岩组成，呈破裂结构和片理结构。破裂岩中多为面状蚀变，而糜棱岩和片糜岩为带状蚀变，其暗色矿物角闪石等大部分或全部绿泥石化，见图5.22。

图5.22　景洪大坝坝基G23挤压破碎带平面分布示意图

（2）坝基G23破碎带处理方案。从开挖揭露的地质情况看，G23挤压破碎带在左岸24号、25号及26号三个非溢流坝段出露较宽（见图5.22），对坝体的稳定及坝基变形影响较大。为了分析G23对坝体结构的影响，有针对性地采取工程处理措施，选取24号坝段坝体典型剖面建立计算模型，采用区间有限元理论进行坝体、坝基联合作用下的应力、应变平面有限元分析计算。从计算结果表明：对G23挤压破碎带不进行任何工程处理时，坝踵至G23接触面中部，其竖向沉降8～9mm；G23接触面中部至坝趾，其竖向沉降分别为8～9mm、3～4mm。坝体建基面出现显著的不均匀沉降；坝体在建基面以上6～8m范围内出现了0.1～0.5MPa近水平向的拉应力，并在廊道附近出现应力集中，局部切向拉应力达到0.7～0.8MPa。由于坝基不均匀沉降和近水平向的拉应力，将可能导致坝体混凝土开裂，是G23挤压破碎带对坝体的主要不利影响。

为了避免G23破碎带对坝体结构混凝土产生裂缝，研究计算了三种处理方案，即：①开挖置换混凝土塞；②下游坝趾处填角；③改变上游边坡。

1）开挖置换混凝土塞方案。以24号坝段坝体作为典型断面，分别拟定开挖深度为3m、5m的梯形断面混凝土塞方案，倾向下游开挖深为5m混凝土塞方案及开挖深为5m拱形混凝土塞4种方案进行。

①当开挖回填3m混凝土塞时，拉应力区向混凝土塞内转移，坝体混凝土拉应力区范围明显减小，拉应力方向与不对G23做处理时类似。混凝土塞内拉应力以水平向为主，最大值0.4～0.5MPa，坝体排水廊道附近的切向拉应力最大值0.4～0.5MPa，廊道底部也出现了0.2～0.3MPa的水平向拉应力；

②当开挖回填5m混凝土塞时，拉应力区进一步向混凝土塞内转移，坝体内混凝土拉应力区范围与开挖回填3m混凝土塞相比有一定减小，但减小程度不大。混凝土塞内最大水平拉应力0.40～0.45MPa，坝体排水廊道附近的切向拉应力最大值为0.3～0.4MPa，廊道底部也出现了0.3～0.4MPa的水平向拉应力；

③当开挖回填倾向下游的5m混凝土塞时，混凝土塞内的拉应力方向沿开挖倾斜面，最大值0.2～0.3MPa。坝体混凝土拉应力范围与开挖回填5m混凝土塞时的坝体混凝土拉应力范围相似，拉应力略有减小，最大值0.38MPa；

④当开挖深为5m拱形混凝土塞时，坝体混凝土拉应力范围和拉应力值与开挖回填5m混凝土塞时相似，最大值0.3～0.4MPa。

总体来说，4种开挖回填混凝土塞处理方案，对于控制下游坝体由于G23压缩变形所产生的坝体拉应力的范围和大小是有效的，原因是G23挤压破碎带经混凝土回填将在坝体混凝土中的拉应力转移到混凝土塞内，从而减少坝体混凝土可能的开裂范围和程度。

2）下游坝趾混凝土填角方案。为了进一步控制下游坝体拉应力区，除了对G23进行开挖回填混凝土塞之外，还考虑在下游坝趾回填一定高度的混凝土压脚，以改善坝体—坝基结构的受力特性。下游坝趾混凝土填角为3m、5m、8m和10m四种厚度，计算下游坝体主拉应力的大小及分布。

①下游填角混凝土3m厚与下游不填角相比，坝体混凝土拉应力区范围略有减小，最大拉应力值由0.38MPa减小至0.29MPa，位于排水廊道顶面上游侧，为切向拉应力。坝体混凝土其他部位的拉应力都在0.2MPa以下；

②下游填角坝趾5m厚比3m厚的坝体混凝土拉应力范围和应力值又进一步减小，除在排水廊道下的混凝土垫层中出现0.20～0.28MPa水平拉应力以外，坝体混凝土其他部位拉应力均在0.2MPa以下；

③下游填角混凝土8m和10m厚，坝体混凝土拉应力区范围与前两种填高厚度方案相比变化不大，但由于坝趾受力状态发生变化，坝体混凝土拉应力值反而有所增大，最大值达到0.30～0.38MPa。

综上所述，在坝趾区填一定高度的混凝土，可以缓解坝趾由于应力集中产生的拉应力，对于控制坝体混凝土拉应力区范围和减小拉应力值有一定作用，但填角高度过大反而会增大坝体混凝土拉应力。从控制由G23产生的坝体混凝土拉应力的角度分析，下游混凝土填角高度以3～5m为宜。

3）上游坝面坡效果分析。

对上游坝面拟采用1∶0.2的贴坡和上游面不贴坡进行坝体应力分析计算，并在对G23做开挖5m深倾斜混凝土塞和下游填角混凝土厚3m时的处理方案基础上，经计算分析上游坝面贴坡和不贴坡的下游坝体主拉应力大小及方向分布。

计算结果表明，上游坝面不贴坡与贴坡作比较，坝体拉应力最大值基本不变，但不贴坡的拉应力范围有了明显减小。可见，采用上游坝面不贴坡方案，其坝体下游混凝土由于G23影响而产生的拉应力范围会有所减小，拉应力值也会有所降低。

4）坝基G23破碎带具体处理措施。

①对G23开挖回填混凝土塞，即将坝基以下一定深度的G23挤压带的破裂岩、糜棱岩、片糜岩全部挖除，其空间以混凝土回填加强。根据结构计算分析结果，采用开挖深度为5m倾向下游的混凝土塞断面形式；

②在左岸非溢流坝坝趾填角。由于G23挤压破碎带在左岸非溢流坝段出露在坝趾部位，降低了坝趾基岩刚度，导致坝体变形增加，建基面部位坝体及下游排水廊道周边局部出现拉应力。因为陡倾结构面，倾角72°～86°，总体走向与坝轴线平行，由于G23挤压破碎带下游侧基岩完整性好，岩体强度高，可利用坝基开挖形成的下游抗力岩体，通过在坝趾填角增加坝趾基岩抗力，减小坝基及坝体变形。根据结构计算成果，坝趾填角适宜的厚度为3～5m；

③加强混凝土塞结构配筋。对坝基G23挤压破碎带进行综合处理后，减小或基本消除了坝体拉应力影响区，使拉应力向混凝土塞内转移。为避免混凝土塞产生裂缝，需加强混凝土塞的结构配筋，因此在混凝土塞周边配置直径φ32mm，间距200mm的受力钢筋。同时，在应力较大的下游排水廊道周边配置双层钢筋，以改善廊道周边混凝土应力条件；

④加强混凝土塞与坝基的连接。为了加强混凝土塞与坝基的连接作用，在混凝土塞与上、下游基岩接触带设置直径φ25mm，间距2m，深入基岩3m的插筋。

（3）处理效果。施工设计从控制下游坝体拉应力角度出发，采用上游不贴坡，对G23开挖回填倾向下游的混凝土塞，坝趾处填3～5m厚混凝土的处理方案，处理后，由G23挤压破碎带不均匀沉降引起的下游坝体水平拉应力得到了有效控制，拉应力范围大大缩小，拉应力值也减小至处理前的1/3以下，同时还可达到施工简单，缩短工期，节省投资的预期效果。