（水利水电工程专业论文）紫坪铺水利枢纽工程大坝趾板灌浆抬动机理研究.pdf

西毕大学硕士研究生学位论文 紫坪铺水利枢纽工程大坝趾板灌浆 抬动机理研究 水利水电工程 研究生张建强指导教师涂兴怀 通常，混凝土面板堆石坝，其趾板厚0 6 - 1 2 m ，宽f i - 8 m ，河床坝段 的固结与帷幕灌浆一般都是在趾板上进行的，在这里进行灌浆，因其灌浆 的场地和条件，就限制了较高灌浆压力的应用。同时，由于河床坝段一般 不设灌浆廊道，后期不具备检修和补灌的条件，因此，这类灌浆既没有条 件用高压灌浆，又要求有高的灌浆质量特别在耐久性方面对灌浆质量要求 更高，是比较特殊的一种灌浆。 紫坪铺水利枢纽工程趾板灌浆，由于地质条件差，地层软弱复杂，灌 浆注入量大等因素，极易发生浆液串冒和趾板抬动现象在灌浆施工过程 中，趾板多处发生抬动，尤其是前期河床趾板灌浆施工中抬动变形较大， 最大值甚至达到十几毫米，远超过规定要求的0 2 m m ，虽然对趾板采取了 锚固等加强措施，但施工抬动变形仍然较大，不得不采取减少每块趾板同 时灌浆作业孔数、极大地阻碍了施工进度、影响了灌浆质量。 为了探讨紫坪铺大坝趾板灌浆抬动机理，本文根据统计原理和蒙特卡 洛方法，对节理裂隙岩体系统进行模拟，建立起可供模拟灌浆过程和分析 计算的节理裂隙网格系统。根据模拟出的节理裂隙网格系统，建立计算模 型，并利用有限元分析计算软件a n s y s 对趾板灌浆进行了计算分析。根 据紫坪铺大坝趾板灌浆试验及施工成果，对计算结果进行验证，然后对紫 坪铺工程的趾板灌浆试验及施工进行一些补充、分析。通过计算结果分析， 对一些灌浆机理进行一定的解释和研究。 关键词：紫坪铺水利枢纽，趾板灌浆，抬动，有限元，数值模拟 l 西华大学硕士研究生学位论文 s t u d yo fu p l i f t i n gm e c h a n i s m f o rt o es l a b g r o u t i n g i n z i p i n g p uh y d r o e l e c t r i cp r o j e c t w a t e rc o n s e r v a n c ya n dh y d r o p o w e re n g i n e e r i n g m d c a n d i d a t e ：z h a n gj i a n q i a n g t u t o r ：t ux i n g - h u a i u s u a l l y ，t h et h i c k n e s s o ft o es l a bo fc o n c r e t e - f a c er o c k f i l ld a mi s 0 6 - 1 2 m ，a n di t sw i d t hi s6 - 8 m g e n e r a l l y , t h ec o n s o l i d a t i o no ff i v e rb e d m o n o l i t ha n dc u r t a i ng r o u t i n g 批c o n d u c t e do nt h et o es l a b t h ea p p l i c a t i o n o fh i g h e rg r o u t i n gp r e s s u r eh a sb e e nc o n f i n e db e c a u s eo ft h en a r r o ws p a c ea n d a d v e r s ec o n d i t i o n si nt h i sa r e a a tt h es a m et i m e ，w i t h o u tg r o u t i n gg a l l e r ya n d c o n d i t i o n sf o rr e p a i ra n ds u p p l e m e n t a lg r o u t i n g , t h i sk i n do fg r o u t i n gd o e sn o t h a v eq u a l i f i c a t i o n st ou s ch i g h e rp r e s s u r e g r o u t i n ga n dr e q u i r e sh i g h e r g r o u t i n gq u a l i t y , e s p e c i a l l yi nd u r a b i l i t y , s ot h i sk i n do fg r o u t i n gi sas p e c i a l o n e d u et op o o rg e o l o g i cc o n d i t i o n s ，w e a ka n dc o m p l i c a t e df o r m a t i o n , a l a r g eq u a n t i t yo f 两e c t e dg r o u t , g r o u te m i t t i n ga n df o u n d a t i o nu p l i f t i n ga r e e a s i l yo c c u r r e dd u r i n gt o es l a bg r o u t i n g a t z i p i n g p up r o j e c t d u r i n gt h e c o n s t r u c t i o np r o c e s so fg r o u t i n g , m a n yp l a c e so fs l a bt o ea r eu p l i f t e d n c u p h f t i n g i nt h ec o n s t r u c t i o no fp r o p h a s er i v e r b e ds l a bt o eg r o u t i n gi s e s p e c i a l l yl a r g e n cm a x i m u mv a l u er e a c h e s1 5 r a m w h i c hi sm u c hl a r g e r t h a nt h er c q u r e d0 2 m mi nt h er e g u l a t i o n a l t h o u g ha n c h o r a g ea n do t h e r s l i e n g t b e n i n gm e a s u r e sh a v eb e e na d o p t e d t os l a bt o e ，t h ec o n s t r u c t i o n u p l i f t i n gd e f o r m a t i o ni ss t i l lv e r yb i g n eg r o u t i n go r i f i c e sa te a c h s l a bt o ei n e a c ht i m eh a v et ob cr e d u c e d , w h i c hw i l ls e f i o n s l yr e s t r i c tt h ec o n s t r u c t i o n p r o g r e s sa n da f f e c tt h eg r o u t i n gq u a l i t y 西华大学硕士研究生学位论文 i no r d e rt o s t u d yt h eu p l i f t i n gm e c h a n i s mo fs l a bt o eg r o u t i n go f z i p i n g p ud a m ，a c c o r d i n gt os t a t i s t i c a lp r i n c i p l ea n dm o n t ec a r l om e t h o d ， s i m u l a t i o no fj o i n t e dr o c km a 鲻s y s t e mi s n d u c t e d a n dj o i n t c df r a c t u r e d n e t w o r ks y s t e mf o rs i m u l a t i o no fg r o u t i n gp r o c e s sa n dc a l c u l a t i o na n a l y s i si s e s t a b l i s h e di nt h i st h e s i s a c c o r d i n gt ot h es i m u l a t e dj o i n t e df r a c t u r e dn e t w o r k s y s t e m ，c a l c u l a t i o nm o d e li se s t a b l i s h e d c a l c u l a t i o na n a l y s i so fs l a b t o e g r o u t i n gi sc o n d u c t e db yu s i n gf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sc a l c u l a t i n gs o f t w a r e - a n s y s a c c o r d i n gt o s l a bt o e g r o u t i n ge x p e r i m e n ta n dc o n s t m e d o n a c h i e v e m e n t so fz i p i n g p ud a m , t h ec a l c u l a t i o nr e s u l t sa r cv a l i d a t e d t h e n s o m e s u p p l e m e n t sa n da n a l y s i st o s l a bt o e g r o u t i n ge x p e r i m e n ta n d c o n s t r u c t i o no fz i p i n g p u p r o j e c ta r ec o n d u c t e d t h r o u g ha n a l y z i n gt h e c a l c u l a t i o nr e s u l t s ，g r o u t i n gm e c h a n i s m sa r ee x p l a i n e da n ds t u d i e d k e yw o r d s ：z i p i n g p uh y d r o e l e c t r i cp r o j e c t , s l a bt o eg r o u t i n g , u p l i f t i n 舀丘n i t e e l e m e n t n u m e r i c a ls i m u l a t i o n m 西华大学硕士研究生学位论文 声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和 取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西华大 学或其他教育机构的学位或证书而是用过的材料。与我一同工作过的同志 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了说明并表示谢意。 本学位论文成果是本人在西华大学读硕期间在导师指导下取得的，论 文成果归西华大学所有，特此声明。 作者签字： 效肄强，6 7 年月岁日 导师签字：咖1 劢 刁年f 月岁e t 西华大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 1 1 前言 i 1 i 灌浆的概念 灌浆( g r o u t i n g ) ，就是将某种具有流动性和胶凝性的浆液，按一定 的配比要求，通过钻孔用灌浆设备压入建筑物或其基础部分缝隙中的措 施。灌浆又称注浆( i n j e c t i o ng r o u t ) ，其实质是使浆液在被灌载体中渗 透、扩散、充塞，经一定时间后凝固和硬化，从而达到加固载体和抗渗防 水的目的。 灌浆具有以下四种作用【1 】： ( 1 ) 充填作用；浆液凝成的结石将地层空隙充填起来，可以阻止水流 通过，提高地层的密实性。 ( 2 ) 压密作用：在浆液被压入的过程中，将对地层产生挤压，从而使 那些无法进入浆液的细小裂隙和孔隙受到压缩或挤密，使地层密实性和力 学性能都得到提高。 ( 3 ) 粘合作用：某些浆液的胶凝性质可以使已经脱松的岩块、建筑物 裂缝等充填并粘合在一起，使其联合承载能力得到改善。 ( 4 ) 固化作用：某些浆材( 例如水泥和某些化灌材料) 可与地层中的粘 土等松软物质发生化学反应，将其凝固成坚固的“类岩体”。 上述作用的大小，将随被灌岩体的性状、灌浆材料的类型、压力大小 和施工工艺而定。一般说来，地层中的孔隙度愈大，灌入的浆材愈多，灌 浆所产生的作用也就愈大 在地基处理工作中采用灌浆法，具有以下优点： ( 1 ) 施工时占场地较小，在狭窄处、暗处和井下都可以施工，与其它 工作干扰较小。 ( 2 ) 可在地下水位以下很大深度处进行灌浆。 ( 3 ) 一般比较经济。 ( 4 ) 施工方法简单，容易掌握。 西华大学硕士研究生学位论文 ( 5 ) 灌浆施工的过程同时也是对地质进行补充勘探的过程，能进一步 摸清地质情况、处理做到恰到好处。 为了使灌浆取得良好的效果，必须明确以下认识：第一，被灌注的载 体岩土及其断裂破碎带或泥化夹层，混凝土与基岩土体交接层面及 其混凝土本身的缝隙等，它们的产状、组构与成分均是灌浆要弄清的课题。 第二，实施灌注的基体水泥浆液或化学浆液或者是它们二者的复合浆 材，是结构材料还是功能材料，还是它们二者的复合材料，同样需要作专 门研究。灌注模式即灌浆环境、目的和过程机制一定要做到因地制宜、与 时俱进。不能以牺牲生态环境为代价进行工程灌浆，也不能不顾及人文社 会和自然环境的有机联系而盲目孤立地进行灌浆 i 1 2 灌浆分类 ( 1 ) 按大坝坝基岩类构成，分为岩石灌浆和砂砾石层灌浆。 ( 2 ) 按灌浆的作用，分为固结灌浆、帷幕灌浆、接缝灌浆、回填灌 浆和接触灌浆。 ( 3 ) 按灌浆材科，分为水泥灌浆、水泥砂浆灌浆、水泥粘土灌浆及 化学灌浆。 ( 4 ) 按灌浆压力，分为高压灌浆( 3 肝a 以上) 、中压灌浆( 0 5 3 m p a ) 、 低压灌浆( o 5 肝a 以下) 。 ( 6 ) 按灌浆机理，分为渗入性灌浆和劈裂式灌浆 1 2 3 水泥灌浆理论 ( 1 ) 渗入性灌浆理论 近5 0 年来，各国学者先后对砂及砂砾石的灌浆进行了研究，发展了 一些渗入性灌浆理论【2 l ，主要有： a 球形扩散理论 m a a g ( 1 9 3 8 年) 首先推导出浆液在砂层中的渗透公式，它至今仍被广 泛采用。在推导公式时，m a a g 作了下述一些简化计算模式的假定： 被灌砂土为均质和各向同性的； 浆液为牛顿体； 2 西华大学硕士研究生学位论文 采用填压法灌浆，浆液从灌浆管底端注入地层； 浆液在地层中星球状扩散。 l a a g 公式的灌浆时间t 和浆液扩散半径r 。如下： f 。塑、 3 k h l 一浮 式中：j | 砂土的渗透系数( c s ) ，浆液粘度对水的粘度比 | i i l 灌浆压力水头( c m ) r o 灌浆管半径( 伽) t l 砂土的孔隙率 b 柱形扩散理论 当牛顿体作柱形扩散时的公式为： 雄所l n 丘 t 鱼 妣 吒一 ( 1 - 1 ) ( 1 - 2 ) ( 1 - 3 ) ( 1 - 4 ) 式中符号含义同( 1 - 1 ) ，( 1 - 2 ) 。 c 袖阀管法理论 根据袖阀管法的理论模型，假定浆液在砂砾石中作紊流运动，则其扩 散半径为； ，1 2 式中：以为被灌士体颗粒的有效粒径( 姗) ，絮液的运动粘滞系数 3 ( 1 - 5 ) 西华大学硕士研究生学位论文 其余符号意义同式( 卜1 ) ( 1 - 2 ) ( 2 ) 劈裂灌浆理论 当旄加的灌浆压力超过了岩层的初始应力和抗拉强度，将使岩层中原 有的裂隙撑大张开或者形成新的裂隙，此措施往往可以提高岩石的可灌性 和浆液扩散的能力。被灌岩体每遭受一次浆力劈裂，就像承载板载荷试验 的一次加荷一样，被灌岩体就被压密一次，岩体的弹性模量、变形模量也 增大一次。因此，复灌浆力劈裂的压力，比首次灌浆浆力劈裂压力要有明 显提高。据此，设计第一批首灌压力为p ，如果试验中按这个压力没有发 生浆力劈裂，可一直加压到浆力劈裂为止，而后按最大允许注浆量灌浆； 再后，用大于首次浆力劈裂的压力继续灌浆，直到浆力劈裂为止。如此轮 回，就有可能达到设计的灌浆压力。 在岩基中，浆力劈裂的开始很大程度上取决于岩石的抗拉强度( 6 ) 、 泊松比( 卢) 、侧压力系数( 七o ) 以及孔隙率( 万) 、透水性( 七) 和浆液的粘度 等。若用参数n 综合地表示丘和弗，则在钻孔井壁处开始发生垂直劈裂的 条件为【3 l ： 告【耥- n ) 卜i l 割 咖 ip ( 1 ” 加i 水平劈裂的开始条件为： 盟坤【r 限1 - 州1 1 1 + 割 式中p o 灌浆压力( m p a ) y 岩石密度( k g m 3 ) 灌浆段深度( m ) ( 卜6 ) ( 1 - 7 ) 1 2 4 趾板及趾板灌浆 混凝土面板堆石坝趾板( 面板的底座) 是与联结基岩与面板的混凝 土板状结构，防渗面板的底端铰接在趾板上趾板的宽度主要取决于结构 4 西华大学硕士研究生学位论文 稳定和地基渗透稳定的要求，与坝高，地基地质条件以及灌浆施工条件等 因素有关。一般为最大作用水头h 的1 1 0 1 2 0 ，基岩坚硬取小值，但 不小于3 m 。厚度0 6 m 1 2 m 1 4 j 。 通常，面板堆石坝基础处理要在围堰合拢、基坑排水并进行清基后， 才能填筑坝体。而趾板是关键部位，趾板应牢固地固定在基岩上。传统上 要求，趾板的基岩一般应为坚硬、稳定、较完整、无冲蚀和可灌浆的新鲜 或弱风化岩石。经过多年的实践和试验，现在已在许多方面突破了这种规 定嘲。如果趾板基岩存在断层、软弱夹层或其他不利的地址构造，为避免 基岩在各种荷载作用下产生较大的变形或基岩内部的滑动，应在设计中采 取必要的工程措施，以保证地基的稳定性和将地基变形控制在允许范围 内。 因为混凝土面板堆石坝其趾板厚度0 6 m 1 2 m ，宽6m 1 2 m ，场 地狭窄；河床坝段的固结与帷幕灌浆一般都是在趾板上进行，而且又不易 制作混凝土盖板，所以，在这里进行灌浆，其灌浆的场地和条件，就限制 了较高灌浆压力的采用。同时，由于河床坝段一般不设灌浆廊道，后期不 具备检修和补灌的条件，因此，这类灌浆既没有条件用高压灌浆，又要求 有高的灌浆质量，特别在耐久性方面对灌浆质量要求更高，可以说这是比 较特殊的一种灌浆 1 2 国内外发展现状 灌浆技术已有2 0 0 多年的历史，据文献记载【6 l 灌浆法的最早采用是 在1 8 0 2 年，由法国的查理士贝利格尼( c h a r l e s b e r i g h y ) t 先用在对第 厄普cd i e p p e ) 冲刷闸的修理上。大约在1 8 5 5 1 8 5 8 年间，英国的基尼 普尔( g i n i p p e ) 在作了一系列试验之后，第一次把水泥用于灌浆。灌浆压力 国外在6 0 年代即已达到1 0 m p a 7 在灌浆材料制备上，国外已研究采 用的有高速搅拌、超细水泥、湿磨水泥三种制浆工艺高速搅拌制浆已在 欧洲许多国家普遍采用；超细水泥浆液类似化学浆液，又具有水泥浆液的 力学特性；湿磨水泥可避免超细水泥在运输和贮存过程中的麻烦，已代替 超细水泥运用在微细裂隙和细砂层灌浆。湿磨水泥制浆，我国已在二滩等 5 西华大学硕士研究生学位论文 工程成功研究使用化学灌浆是在1 9 2 0 年由荷兰的尤斯登首先使用水玻 璃和氯化钙作为灌浆材料开始出现的，到二十世纪6 0 年代中期，灌浆材 料己达3 0 多种。灌浆过程数据存储处理自动记录系统，国外从二十世纪 8 0 年代即开始采用，我国从二十世纪9 0 年代开始陆续推广运用。使用自 动记录系统对做好质量控制、节省原材料、避免人为差错等均有明显效果。 电子计算机配备相应软件对数据进行处理，使成果分析更为简便、准确， 有助于灌浆技术的进一步发展和灌浆质量的提高。9 0 年代初期，由1 5 届 国际大坝会议主席、世界知名灌浆专家隆巴迪( gl o m b a r d i ) 9 1 等人提出 了一种新的设计和控制灌浆工程的方法“灌浆强度值”( g r o u t i n g i n t e n s i t yn u m b e r ，缩写g n 法。 g i n 法的基本概念是，对任意孔段的灌浆，都是一定能量的消耗， 所消耗能量的数值，近似等于该孔段最终灌浆压力p 和灌入浆液体积v 的乘积p v ，p v 即为灌浆强度值，即g i n 。由于岩体裂隙灌浆时，宽大 裂隙常常注入量大而使用压力小，细裂隙常常注入量小而使用压力高。隆 巴迪认为，如果在各个灌浆段的全部灌浆过程中，都控制g i n 为一常数， 就可以自动地对开敞的宽大裂隙限制其注入量，对比较致密的可灌性差的 地段提高灌浆压力。由于g i n 为一常数，在压力注入量坐标系上，g i n 是一条双曲线，其值越大，曲线离开原点的距离越远。再加上对最大灌浆 压力和最大注入量的限制，就组成了一条对灌浆过程控制的包络线。 g i n 法在美洲一些国家的工程中首先应用，取得了较好的效果，我 国于1 9 9 4 年引进，先后在湖南江娅、长江三峡、黄河小浪底进行了灌浆 试验或应用，取得了有益的成果，在新修订的。2 0 0 1 灌规”中已将g i n 法纳入规范。但g i n 法也存在一些局限性【1 e l ：采用双栓塞自下而上分段 灌浆，容易造成绕塞返浆和埋管；遇大漏量特殊灌段，低压下吸浆量即使 达到上限( v m a x ) 也并不能完全充满裂缝，而且灌浆体( 水泥结石) 质量低， 耐久性差；在不易灌注的细小裂隙中灌浆压力可以很快达到上限( p m a x ) ， 但并不能将细缝灌注好。鉴于此，g i n 法的推广运用尚待积累更多的经 验。以上所有这些发明与创造，都为现代灌浆技术奠定了基础 灌浆法在我国的大量采用，是在1 9 4 9 年新中国成立以后，经过多年 来的试验研究和实际应用。在水泥、粘土等传统材料和灌浆技术上有了很 6 西华大学硕士研究生学位论文 大的发展和提高。在国内，乌江渡电站以前的工程，灌浆压力一直停留在 i 一3 m p a ，地方中小工程常规灌浆压力不超过1 m p a ，只有极少数的工程 达到了3 - 4 m p a 。由于使用的灌浆压力较低，灌浆标准及帷幕的抗渗稳定 性也就很难提高。近年来，国内外均已认识到提高灌浆压力能提高灌浆质 量，很多工程尽量提高灌浆压力。但是，在提高压力的过程中，出现了地 层抬动、岩石劈裂，包括原有裂隙的扩张和在岩石中产生了新的人为裂隙。 岩石劈裂不是在一开始灌浆就有的，只有当压力达到足以使岩石张开时， 劈裂才开始。随着浆液的灌入，裂隙的扩张就会逐渐缩小，直到停止。当 灌浆结束后，岩体回弹，裂隙中充填的水泥进一步被压密，因此，最终导 致岩体整体强度和抗渗性能的提高l n l 。因此，只要灌浆压力控制得当， 与岩体的应力应变条件相适应，灌浆引起的岩体劈裂不会导致岩体整体强 度的降低。灌浆时产生的地层抬动有可能形成永久变形，从而影响建筑物 安全并带来地基隐患，地层抬动应力求避免。 钻孔方法从原来只能采用手风钻、铁砂或钢粒、硬质合金钻进，已发 展到可以大量采用人造金刚石钻进和深孔潜孔冲击钻进，施工效率大大加 快。灌浆分段的阻塞方式现在有了更多的型式，自乌江渡工程开始，相继 又在龙羊峡、东江、大化、于桥、托海以及南谷洞等许多大坝帷幕灌浆中 采用的孔口封闭器，既可实行重复灌浆，提高效果，又可减轻劳动强度， 提高效率灌浆设备的承压能力，已可达6 8 m p a 现在，我国己能进 行各种类型的灌浆设计和施工，许多方面己达世界先进水平。三峡工程灌 浆技术研究由最初的工程灌浆发展到“环保灌浆”， 1 2 1 并将由三峡一点发 展至流域、人文社会与自然环境的研究范围。 随着灌浆技术的提高，灌浆所能达到的效果比当初也大大提高了，应 用的范围更加扩大了。过去在很深的地下工程施工中经常遇到的特大涌水 问题，现在利用灌浆法可以迎刃而解了：过去一些利用其它方法处理将会 遇到无数困难和意外事故的疑难问题，现在利用灌浆法可顺利地解决了 随着各项建设事业的更大发展，对灌浆法的需求将与日俱增，它所发挥的 作用亦越来越大。因此，继续发展灌浆技术，进一步扩展其应用范围，具 有重要意义。 7 西华大学硕士研究生学位论文 1 3 选题的背景、目的和意义 1 3 1 工程概况( 1 3 l ： 紫坪铺水利枢纽工程位于四川省成都市西北6 0 余i ( m 的岷江上游，距 都江堰市9 k m ，距闻名世界的都江堰渠首工程上游6 k m 紫坪铺水利枢纽工程是以灌溉和供水为主，兼有发电、防洪、环境保 护、旅游等综合效益的大型水利枢纽工程。枢纽主要建筑物包括钢筋混凝 土面板堆石坝、溢洪道、引水发电系统、冲砂放空洞、l 号泄洪排砂洞、 2 号泄洪排砂洞和左岸堆积体。洪水标准为可能最大洪水量1 2 7 0 0 m 3 s ； 水库相应校核洪水位8 8 3 1 m ，设计洪水位8 7 1 2 m ，设计洪水标准为千年 一遇流量8 3 0 0m v s 。正常蓄水位8 7 7 m ，汛限水位8 5 0 i ，死水位8 1 7 m ， 水库总库容1 1 1 2 亿m 3 。钢筋混凝土面板堆石坝坝高1 5 8 m ，坝顶高程8 8 4 m ， 电站装机7 6 0 f f ( 4 1 9 0 m w ) ，保证出力1 6 8 m w ，多年平均发电量3 4 1 7 亿 k w h 。该工程为i 等，主要建筑物为1 级工程建成后为灌区1 4 0 0 万亩 农田提供水源，还可以提高都江堰至新津7 8 k m 岷江干流河段防洪标准， 具有很大的经济和社会效益。 1 3 2 设计条件 坝址在岷江沙金坝河段大转弯处，右岸形成一长约1 0 0 0 m ，底宽4 0 0 6 5 0 m 的条形山脊。河谷呈不对称“v ”形谷，谷宽约6 4 0 m 。左岸以基岩斜 坡为主j 自然坡度4 0 。5 0 。右岸条形山脊地表多为覆盖层，自然坡 度2 0 。2 5 。 紫坪铺水利枢纽工程区位于龙门山断裂构造带南段，北川至映秀与灌 县至安县断裂之间，属构造相对稳定区，地震基本烈度为7 度。坝基河床 覆盖层厚l o l s m ，由漂卵砾石组成，其中漂卵石占5 5 ，砾石占2 5 ， 细粒占2 0 ，整体结构较松散，局部架空。趾板地基由含煤含砾中细砂岩、 粉砂岩、煤质页岩等组成，其中砂岩占3 9 ，粉砂岩占4 8 ，煤质页岩占 1 3 ，层间剪切破碎带l l l l 1 4 穿越趾板基础。岩体强卸荷带垂直深度河 床部位为o 8 m ，左岸2 0 3 0 m ，右岸1 5 2 0 m 。 8 西华大学硕士研究生学位论文 1 3 3 坝基处理 1 3 3 1 坝基覆盖层 河床坝基漂卵砾石层层次单一，厚度变化不大，谷底岩面较平整。漂 卵砾石层允许承载力0 4 0 6 1 j p a ，压缩模量5 0 6 0 k l p a ，内摩擦角3 0 。3 l 。根据三维非线性有效应力地震反应计算，在地震作用下，坝基 覆盖层不会发生液化。将覆盖层作为坝体一部分，因此在坝轴线上游l o o m 以上范围将漂卵砾石全部挖除，留下的覆盖层经碾压处理后作为坝体的一 部分，其上铺设主堆石料至高程7 7 0 m ，作为排水通道；河床右岸有砂层 透镜体且有架空，故将覆盖层全部挖除，其上铺设主堆石料至高程7 7 0 m 作为排水通道。 1 3 3 2 趾板基础 在河床段基岩强卸荷带仅o 8 m ，清除强卸荷岩体，趾板全部置于弱 卸荷基岩上。两岸坡岩体强卸荷带垂直深度较深，其中左岸2 0 3 0 m ，右 岸1 5 2 0 m ，若趾板置于弱卸荷带，势必岩体开挖深度较深，挖方量较大。 结合地质地形条件，将趾板置于强卸荷基岩上，并对整个趾板进行固结灌 浆处理，固结灌浆的孔距4 m ，排距2 m ，孔深1 5 m ，梅花形布置。帷幕灌 浆在趾板上进行。设置防渗帷幕两捧，排距1 5 m ，孔距2 m 。上游排帷幕 最大深度为挡水高度的0 7 倍，大部分地段深入基岩相对隔水层以下5 m ， 帷幕最大深度为1 0 2 m ；下游排帷幕为上游排帷幕深度的0 6 倍左右，最 深6 2 m 。右岸与溢洪道帷幕相连，左岸坝肩布置一条与坝轴线成4 8 。交角 偏上游的灌浆廊道，走向与岩层面基本垂直，深入岸坡1 0 0 m 对层间剪切破碎带、软弱夹层等，在趾板范围内用2 m 厚的c 1 5 混凝 土置换作趾板基础，并在趾板后采用由6 5 钢筋网，喷8 c m 厚c 2 0 混凝土， 以延长渗径，同时在喷混凝土上部再铺设l m 厚反滤料 大坝为钢筋混凝土面板堆石坝，坝高1 5 8 m ，总库容1 1 1 2 亿m 3 。坝 基地质条件复杂，区内废旧煤洞纵横交错，分布地下采空区为改善岩体 力学性能，增强岩体的整体性，降低坝基、坝肩岩体的透水率，减小其扬 压力，设计考虑沿大坝趾板河床段至坝肩段分别布置了4 2 排固结孔，2 排防渗帷幕孔，经灌浆处理后，岩体透水率要求达到设计防渗标准( q o 西华大学硕士研究生学位论文 3 l u ) 。 1 3 4 趾板 趾板为混凝土纯板式结构。趾板厚度0 6 1 m ，宽度按水头的1 1 2 ， 采用6 1 2 m 趾板混凝土强度为c 2 0 ，抗渗标号w 1 2 。 趾板表面设单层双向钢筋，每向配筋率取0 4 左右，净保护层厚 l o c m 。 1 3 5 选题的目的和意义 由于紫坪铺大坝地层软弱复杂，趾板进行灌浆施工时发生了抬动，尤 其是河床段抬动变形较大。虽然对趾板采取了锚筋锚固等加强措施，但施 工中抬动变形仍然较大，不得不采取减少每块趾板同时灌浆作业孔数，极 大地影响了施工进度。 针对紫坪铺工程地质、施工条件，根据试验、施工等数据，利用有限 元等方法对所出现的问题加以分析模拟，找出趾板抬动的原因，并提出控 制抬动应采取的措施，为后续类似工程提供借鉴，是本课题的意义所在。 1 4 本文主要内容 1 、回顾了国内外灌浆尤其是趾板灌浆的现状和发展趋势。 2 、采取综合手段进行分析论证，进一步查清各试验区及趾板灌浆施 工区的工程地质条件。 3 、分析了坝址基岩尤其是趾板基岩可灌性。岩体透水率与可灌性之 间一般存在以下三种组合关系：高单位吸水率与大吃浆量的组合，灌浆是 必需的；低单位吸水率与小吃浆量的组合，没有必要灌浆；低单位吸水率 与大吃浆量的组合，应进行灌浆处理，但应适当控制灌浆压力和耗浆量。 4 、利用有限元分析方法对趾板灌浆施工过程中出现的抬动进行了详 尽的分析，分析认为：在岩层软弱地区，对趾板不进行锚固、采用偏大的 灌浆压力是引起趾板抬动的主要原因 5 、为后续类似工程提出建议。 1 0 西华大学硕士研究生学位论文 第二章基岩可灌性与灌浆试验和灌浆施工分析 2 1 基岩可灌性分析 2 1 i 基岩可灌性基本理论 岩体的可灌性可以定义为：每种岩体都有自己引起浆液渗透的启动压 力，当启动压力大于临界压力时，为不可灌岩体；当启动压力小于临界压 力时为可灌岩体f 1 4 。此外，还有以下非常重要的两方面内容需要说明： ( 一) 不应根据岩体透水率设计灌浆方案 目前，大多数水利水电工程的灌浆方案是根据岩体的透水率大小而设 计的。它们很少考虑坝址区的水文地质条件和岩体的透水率与岩体可灌性 的不一致，因而引起一系列值得研究的工程水文地质问题。 仅仅根据工程需要而设计太高的灌浆压力，会在靠近地表风化卸荷带 内引起上覆岩体上抬，产生浆力劈裂，形成浆液大量流失；会在风化卸荷 带以下的深埋岩体内，在钻孔周围引起岩体变形，产生裂隙膨胀，造成更 多的浆液消耗；会在钻孔穿越软弱结构面内引起浆力劈裂，浆液压力下降， 使较窄浆径得不到浆液，产生较大的剩余渗透性，既造成大量浆液浪费， 又使灌浆工作达不到要求。 仅仅根据工程岩体的透水率设计灌浆方案，不考虑各类岩体的临界灌 浆压力，会引起一系列浆力劈裂问题。各类岩体都有自己的不连续结构面 ( 包括裂隙面、层面和节理面) ，它们的临界压力是不相同的，甚至相同 岩性的岩体，由于存在潜在的、部分张开或完全张开裂隙的不同情况，也 会有不同的可灌性；对膨胀的不同敏感性，对劈裂的不同敏感性( 钻孔轴 向于地质结构面交角的大小) 的不同，都会引起不同成因的浆力劈裂。 不管何种原因引起的地质结构面的破坏，特别是与钻孔轴向成垂直或 近似垂直的结构面所形成的结石层，彼此都处于孤立状况，根本形不成连 续的防渗帷幕。 ( 二) 应根据岩体可灌性设计灌浆方案 大量的灌浆试验表明：浆径的尺寸、形状和其粗糙度决定浆液渗入浆 u 西华大学硕士研究生学位论文 径的所需压力，以使其达到合适的距离；岩体的连接力决定着浆力劈裂的 性质和类型。 浆液在细裂隙中运动时，需要高的灌浆压力；浆液在粗裂隙中运动时， 只需要较低的灌浆压力。假定在坚硬岩体内灌浆，灌浆压力达到3 m p a 后 才会发生浆力劈裂，细裂隙灌浆只需要2 m p a 的灌浆压力，由于灌浆压力 2 m p a 小于浆力劈裂压力3 m p a ，这样的灌浆可以达到目的。相反，潜在不 连续面的岩体类型有低的抗拉强度，在0 3 0 5 m p a 的压力下就可能发生 浆力劈裂。因为该类岩体至少有较粗与较细两类裂隙，如果用低于0 3 m p a 的灌浆压力，它可以足够穿透较粗裂隙，较细的裂隙内仍旧无浆，它需要 较高的压力( 如为1 m p a ) ，这种压力不可能达到，因为达不到这种压力之 前，浆力劈裂敏感性大的岩体就开始发生浆力劈裂了。 岩体具有不同类型、不同强度、不同浆径和浆液流动的不同流动性等 特点，导致不同岩体类型都具有各自的可灌性。在软岩中，仅是粗裂隙才 有可灌性；在坚硬岩体中也有细裂隙是可灌的。不同可灌性决定着灌浆方 案的制定。如果提供一个足够高的灌浆压力去灌浆，无论如何也会把浆液 压入到被灌岩体内，但是造成用大量浆液去封堵人造孔洞，而不是封堵岩 体天然孔洞的结果，这是与灌浆目的背道而驰的。 2 1 2 紫坪铺大坝趾板基岩可灌性分析 紫坪铺水利枢纽大坝坝址所在工程区位于龙门山断裂构造带中南段， 北川一映秀与灌县一安县断裂带之间，工程区地震基本烈度为7 度。坝区 属中低山构造剥蚀地形，岷江在坝区沙金坝河段形成1 8 0 。转弯的河曲， 使右岸形成一长约1 0 0 0m ，底宽4 0 0 6 5 0 m 三面临空的单薄条形山脊向 斜结构，断层、层间剪切破碎带及裂隙极为发育，风化卸荷等物理地质作 用强烈，强卸荷发育深度2 5 5 5 m 。坝区基岩为三迭系上统须家河组的一 套湖相含煤砂页岩地层，趾板横跨沙金坝向斜核部，地层组成共分1 5 个 层，每个层底部为含砾中砂岩，向上递变为细砂岩、粉砂岩，顶部为煤质 页岩。坝区中细砂岩占总厚度的4 9 2 。湿抗压强度在6 0 8 0m p a 之间； 粉砂岩占3 7 ，湿抗压强度在3 0 4 0m p a 之间；煤质页岩和泥质粉砂岩 占1 3 8 ，岩性软弱，易风化崩解。地质条件复杂，富含瓦斯地层 1 2 西华大学硕士研究生学位论文 和煤层，岩性软弱 传统的坝基岩体分类体系考虑的基本因素是风化程度、硬度、节理间 距或节理状态、完整程度等，与之相对应的设计值为抗剪强度和变形模量 等力学性能指标。这种岩体分类体系对混凝土坝地基较为适用，但对趾板 地基而言，就不太适用，这是因为趾板的功能为地基灌浆帷幕与混凝土面 板间的连接部件，趾板与面板共同组成堆石坝的防渗体系，趾板是一种防 渗结构，它对地基的承载和变形要求较低，不能满足条件的岩体可以通过 工程措施得到解决。而岩体的可灌性是直接决定趾板地基可否利用的最重 要因素，不具可灌性的岩体不能形成防渗帷幕，起不到应有的防渗效果。 那么什么样的岩体才具可灌性，这显然是趾板地基岩体利用的关键问题， 工程中进行的灌浆试验虽然有限，但仍然提供了依据，这就需要提出一个 趾板开挖线的判断标准( 或准则) ，而且这种方法要简单，易操作，可以 认为影响岩体工程特性的因素和可灌性相结合建立起的标准可满足这种 要求1 1 5 1 。 研究结果f 1 5 撕i 表明：紫坪铺工程坝基岩石具有软硬相间、岩层厚度 为厚层极薄层的特点，在分级时考虑岩性、岩体结构类型、风化程度、 结构面状态，以及岩体的波速值5 个因素，每个因素视其特点的不同，又 可分为3 5 个级别指标，从而采用定性与定量相结合的方法建立起了趾板 地基岩体质量单因素等级标准，见表2 1 。 2 2 灌浆试验分析 2 2 1 试验任务和内容【1 7 l 由于各地区的地质条件不同，坝型各异，故水工设计对大坝岩石基础 的要求也不尽相同，所以以往同类工程的灌浆经验只能作为参考，不宜直 接搬用。为了使灌浆设计和施工技术要求更符合实际情况，灌浆孔布置更 为合理，需要先期在工地进行灌浆试验，以试验所得的成果作为基础灌浆 设计、施工的主要参考资料。 灌浆试验的任务有： 嘲 翅27o g888g盆 翼乏 扎 藿点 并 繁求积籍 板 帐瑙 埒赠 确 龟 如榧 旺趣 旧碟旧餐赠聋并 越k蓬蜡球拉根 裂g碟忙如璎 怕 葵 簌如毯赠 旧 嚣最熙咏 霹 姆 姆艟摹出犟k 匠鞋却攀 藤藤 s 鑫 ，。氅d7 幕 旧爝=三1 ： 话遴睦二基嚷景 特 却辩锥忙释 醚区露h 田 盐 辐 缘 噬 婚 和 k 趟 彗蔷 鼍 匠 驰 辐鞭畴酃 篁 区 皤量鲤8龋百鲤 g 暖s 厘2厘富窟霉厘昌厘2 搓?篷蛭2援l搓h 群8科2碟曷群2碟寺 到 雎基教嚣 糕 吐锚等群辚尉霉 鼋 锚 篓脚锰葵，像 姆 姆 葵嚣畦 凿馨襄瑟羞 甚 蛘葵嚣乎 采 婶和 徐和 却郭憾禽1 皇； 掣 和叁套餐噬蟮肾 套密禽琏i l 赠郭蝼 求 酬落普群罄和 参鼍导老窖q互d墨芎b暑盎。息叫!|o售口日暑oqli甜iq盘 磐驱舻髅咀井删螟蜂采墒鲴蟮爿 【“僻 仪嵇掣孙剥妖奄书隧扑k释陋 西华大学硕士研究生学位论文 ( 1 ) 论证灌浆方案在技术上的可能性，效果上的可靠性和经济上 的合理性。 c 2 )推荐合理的旖工程序、良好的施工工艺、合宜的灌浆材料和 最优的浆液配比 ( 3 ) 提供有关的技术数据，如孔距、排距、防渗帷幕厚度和深度， 选定灌浆压力，提出灌浆机械设备意见等，作为编制基础灌浆设计和施工 技术要求文件的依据。 灌浆试验主要包括以下内容： ( 1 ) 制定灌浆试验工作计划，编制灌浆试验技术任务书。 ( 2 ) 制定钻孔、冲洗、压水试验和灌浆工艺等项的技术要求和施 工方法。 ( 3 )灌浆质量检查与灌浆效果鉴定的方法和标准。 ( 4 ) 灌浆材料，浆液及浆液结石等的物理、力学和化学性质的试 验工作。 ( 5 )灌浆试验资料的整理分析，试验成果的解释及编写试验报告。 2 2 2 灌浆选址 现场灌浆试验场地选择原则为：满足现场灌浆试验目的要求；具 有较强的代表性，能反映坝基的工程及水文地质特点，尽可能包含较多的 地层和需灌浆处理的地质缺陷；所选场地应对主体建筑物的旖工干扰较 小、水电交通较为方便，以保证试验工程质量和进度；试验场地应尽可 能集中，尽量在同一场地兼顾较多的试验内容，辅助工程量相对较小，便 于管理和节省试验经费。 由于坝址区地形陡峻，加之枢纽建筑物开挖施工的干扰影响，灌浆试 验场地选择十分困难。遵循上述原则，经多次研究和实地踏勘，灌浆试验 场地选三块区域：1 、坝区左岸帷幕灌浆试验平台，2 、坝区右岸条形山脊 平台3 、河床段第9 块趾板。 2 2 3 灌浆试验 一、左岸帷幕灌浆试验 西华大学硕士研究生学位论文 左岸帷幕灌浆试验平台位于坝轴线下游坝下o _ 0 2 8 0 - 0 4 1 桩号，地面 标高8 1 7 m 附近，地形坡度4 5 5 0 。，靠坝体侧高程7 2 8 m 以上呈临空状态。 平台由长1 3 m ，宽5 5 m ，厚0 9 1 8 m 混凝土浇筑而成。下伏基岩岩性，上 游为三迭系上统须家河组上段t 33 x j1 3 ( l l1 ) 粉砂岩、泥质粉砂岩 及煤质页岩互层，下游为t 33 x j l 3 一层粉砂岩夹细砂岩及煤质页岩层， 倾向上游偏边坡外，岩性粗细交替具明显韵律，横向变化较大。基岩中主 要发育三组构造裂隙( 风化卸荷带内裂隙较发育) ，其产状主要为：( d n 6 5 8 5 。e n i r 么6 0 6 8 。，延伸长7 5 0 m ，间距0 2 1 5 m ，张开度2 8 c m ， 充 裂隙分组产状 间距( m ) 裂面性质充填物 n 6 5 8 5 e w 么6 0 韶。 0 2 1 5大多平直泥质、碎屑及煤线 n 5 。e n w 么8 5 0 8 1 5大多平直 碎屑及铁锈质 n 3 2 3 5 l ? s w 4 7 4 5 0 0 3 o 6大多平直石英薄膜 历g i l m 2 1 岫i 搬o f 掣o u t i n g c u r t a h t e s t o r l e f t b a n k t a b l e 图2 1 左岸帷幕灌浆试验平台裂隙玫瑰花图 填次生夹泥及岩屑；n 5 。e 唧么8 5 。，延伸长5 7 m ，间距0 8 1 5 m ， 裂面上有轻微铁锈质浸染，张开2 5 m m ，部分充填次生夹泥及岩屑；m o 。影s w 么4 7 5 0 。，延伸长7 1