天生桥二级水电站Ⅲ号隧洞围岩固结灌浆：技术、实践与成效

天生桥二级水电站Ⅲ号隧洞围岩固结灌浆：技术、实践与成效一、引言1.1研究背景与意义天生桥二级水电站作为重要的水电工程，在能源供应和区域发展中发挥着关键作用。其Ⅲ号隧洞作为引水系统的关键部分，承担着将水流高效输送至发电厂房的重任，对整个水电站的稳定运行至关重要。该隧洞洞线长9600.5m，埋深77-810m，穿越复杂的地质区域，涵盖三叠系中统及少部分下统地层。其中大部分洞段为碳酸盐地层，岩石坚硬但岩溶发育，峰林洼地遍布；小部分为砂页岩地层，岩性软弱，围岩稳定性差。加之受地壳构造运动影响，隧洞区NE及NWW向断裂较为发育，岩溶水文地质条件极为复杂。在隧洞开挖过程中，围岩稳定性问题成为影响工程进度和安全的关键因素。围岩的不稳定可能导致坍塌、涌水等灾害，不仅会延误工期、增加工程成本，还可能对施工人员的生命安全造成威胁。此外，不稳定的围岩还会影响隧洞的长期运行性能，降低水电站的发电效率和可靠性。围岩固结灌浆作为一种有效的加固手段，通过将浆液注入围岩裂隙，能够增强围岩的整体性和强度，提高其承载能力和抗变形能力，从而有效解决围岩稳定性问题。同时，固结灌浆还能降低围岩的渗透性，减少地下水对隧洞的侵蚀和渗透压力，保护衬砌结构，延长隧洞的使用寿命。在天生桥二级水电站Ⅲ号隧洞这样复杂的地质条件下，研究围岩固结灌浆技术，对于确保隧洞的安全稳定施工和长期可靠运行具有重要的现实意义，也能为类似工程提供宝贵的经验和技术参考，推动水电工程领域的技术进步。1.2国内外研究现状在隧洞围岩固结灌浆领域，国内外学者和工程人员开展了大量研究与实践，取得了一系列成果。国外在隧洞围岩固结灌浆技术方面起步较早，在理论研究和工程应用上积累了丰富经验。美国、日本、德国等发达国家凭借先进的材料科学、工程技术和监测手段，在复杂地质条件下的隧洞固结灌浆施工工艺、灌浆材料研发等方面处于领先地位。例如，美国在一些大型水利隧洞工程中，运用高精度的地质探测技术和数值模拟方法，深入研究灌浆压力、浆液扩散半径等参数对围岩加固效果的影响，为工程设计和施工提供了科学依据；日本则注重研发新型环保、高性能的灌浆材料，以适应不同地质条件和工程要求，其研发的一些化学灌浆材料在提高岩体强度和抗渗性方面表现出色。国内对隧洞围岩固结灌浆的研究随着水利水电等基础设施建设的蓬勃发展也不断深入。学者们针对不同地质条件和工程特点，在灌浆理论、施工工艺、质量检测等方面取得了显著进展。在灌浆理论方面，通过理论分析和数值模拟，深入研究了浆液在岩体裂隙中的扩散规律、灌浆加固机理等，为灌浆参数的优化设计提供了理论支持。如在一些深埋隧洞工程中，运用弹性力学、渗流力学等理论，建立了考虑岩体裂隙特性、灌浆压力等因素的浆液扩散模型，分析了灌浆过程中岩体应力应变的变化规律。在施工工艺上，不断创新和改进，提出了多种适合不同工程条件的灌浆方法和施工技术，如孔口封闭灌浆法、分段灌浆法等，并在实际工程中得到广泛应用。同时，国内也加强了对灌浆材料的研究，开发出了多种高性能水泥基灌浆材料以及新型化学灌浆材料，提高了灌浆的效果和耐久性。在质量检测方面，采用声波检测、钻孔取芯等多种方法对灌浆质量进行检测和评价，确保了灌浆工程的质量。然而，现有研究仍存在一些不足。一方面，对于复杂地质条件下的隧洞，如天生桥二级水电站Ⅲ号隧洞这种同时存在岩溶发育、岩性差异大以及断裂构造发育的情况，虽然已有相关研究，但在灌浆参数的精准确定、不同地质区域灌浆方案的针对性优化等方面还需进一步深入研究。目前的研究在考虑多种地质因素耦合作用对灌浆效果的影响时还不够全面，难以满足实际工程的精确需求。另一方面，在灌浆过程的实时监测和智能化控制方面，虽然已经有一些尝试，但技术还不够成熟，尚未形成完善的体系，无法及时准确地对灌浆过程中的各种问题进行反馈和调整。天生桥二级水电站Ⅲ号隧洞独特的地质条件和工程要求，为深入研究隧洞围岩固结灌浆技术提供了难得的契机。对该隧洞的研究，有望在复杂地质条件下的灌浆参数优化、不同地质区域灌浆方案的精细化设计以及灌浆过程智能化控制等方面取得突破，填补现有研究的空白，为类似工程提供更具针对性和可靠性的技术支持，推动隧洞围岩固结灌浆技术的进一步发展。1.3研究内容与方法1.3.1研究内容Ⅲ号隧洞围岩地质条件分析：全面收集Ⅲ号隧洞区域的地质勘察资料，包括地层岩性、地质构造、岩溶发育特征、地下水分布等。运用地质分析方法，如地质雷达探测、钻孔取芯分析等，深入研究不同地质条件下围岩的物理力学性质，如抗压强度、弹性模量、泊松比等，为后续的灌浆设计提供准确的地质依据。灌浆设计：基于对围岩地质条件的分析，进行固结灌浆的设计。确定灌浆材料的选择，如水泥的品种、标号，外加剂的种类和掺量等，考虑不同地质区域对灌浆材料性能的要求。设计灌浆孔的布置方式，包括孔距、排距、孔深等参数，根据围岩的稳定性和裂隙发育程度进行优化。研究灌浆压力、灌浆量等施工参数的确定方法，通过理论计算和现场试验相结合，确保灌浆参数既能保证灌浆效果，又能避免对围岩造成破坏。灌浆施工工艺研究：对Ⅲ号隧洞围岩固结灌浆的施工工艺进行详细研究。包括钻孔工艺，选择合适的钻孔设备和钻进方法，保证钻孔的垂直度和孔壁的完整性；灌浆方法的选择，如纯压式灌浆、循环式灌浆等，分析不同灌浆方法在不同地质条件下的适用性；灌浆过程的控制，包括灌浆压力、流量、浆液浓度的实时监测和调整，以及灌浆顺序的合理安排。同时，研究施工过程中可能出现的问题，如串浆、冒浆、抬动等现象的预防和处理措施。灌浆质量检测：采用多种检测方法对固结灌浆质量进行检测。利用声波检测技术，通过测定灌浆前后围岩的声波波速，判断岩体的完整性和强度变化；进行钻孔取芯，观察芯样的结石情况，测定其抗压强度等力学指标；开展压水试验，检测岩体的透水率，评估灌浆对围岩防渗性能的改善效果。建立科学的质量评价标准，根据检测结果对灌浆质量进行客观、准确的评价。灌浆效果评估：综合考虑灌浆施工参数、质量检测结果以及隧洞运行后的实际情况，对固结灌浆效果进行全面评估。分析灌浆后围岩的稳定性是否满足工程要求，包括抗变形能力、承载能力等；评估灌浆对减少隧洞渗漏、提高运行安全性的作用。通过数值模拟和实际监测数据的对比分析，深入研究固结灌浆对围岩力学特性和渗流特性的影响机制，为工程的长期运行和维护提供科学依据。1.3.2研究方法文献研究法：广泛查阅国内外关于隧洞围岩固结灌浆的相关文献，包括学术论文、研究报告、工程案例等。了解固结灌浆的理论基础、研究现状和发展趋势，总结前人在灌浆材料、施工工艺、质量检测等方面的研究成果和实践经验，为本文的研究提供理论支持和参考依据。实地调研法：深入天生桥二级水电站Ⅲ号隧洞施工现场，实地观察灌浆施工过程，与施工人员、技术人员进行交流，了解工程实际情况和施工中遇到的问题。收集施工过程中的原始数据，如灌浆压力、灌浆量、钻孔深度等，为后续的分析和研究提供第一手资料。试验检测法：在Ⅲ号隧洞选取典型洞段进行现场灌浆试验，通过改变灌浆参数，如灌浆压力、浆液浓度等，研究不同参数对灌浆效果的影响。对灌浆前后的围岩进行物理力学性能测试，如声波波速测试、抗压强度测试、透水率测试等，通过对比分析试验数据，确定最优的灌浆参数和施工工艺。同时，利用室内试验对灌浆材料的性能进行研究，如浆液的流动性、凝结时间、结石强度等。数值模拟法：运用有限元分析软件，建立Ⅲ号隧洞围岩固结灌浆的数值模型。模拟灌浆过程中浆液在岩体裂隙中的扩散规律，分析灌浆对围岩应力应变状态的影响，预测灌浆后的加固效果。通过数值模拟，可以直观地了解灌浆过程中的各种物理现象，为灌浆设计和参数优化提供理论依据，同时也可以对现场试验结果进行验证和补充。二、天生桥二级水电站Ⅲ号隧洞工程概况2.1水电站概述天生桥二级水电站坐落于贵州安龙及广西隆林两县的界河南盘江之上，此河乃红水河的重要支流。该水电站距贵阳市385km，距南宁市537km，地理位置优越，在区域能源供应体系中占据关键位置。它是红水河梯级开发的第二个梯级水电站，以发电为核心目标，凭借其独特的地理优势和丰富的水能资源，成为西电东送工程南路的首个电源点，与天生桥一级水电站共同构成一组电源点，是西电东送工程以及南方互联电网的枢纽中心，对缓解华南、西南地区的用电紧张状况发挥着举足轻重的作用。从规模来看，天生桥二级水电站坝索电站坝址以上流域面积达50194km²，占全流域面积的89.4％，多年平均径流量为194亿m³，多年平均流量615m³／s。其水库总库容0.2946亿立方米，为不完全日调节水库。电站初期安装4台单机容量22万kW的水轮发电机组，总容量88万kW，保证出力19.9万kW，年发电量49.2亿kW・h。待上游大湾电站建成后，又扩建了两台同型号机组，使得总容量攀升至132万kW，保证出力提高到73万kW，年发电量增加到82亿kW・h，年利用小时数由5990h增加到6212h。强大的发电能力使其能够为周边地区提供稳定、充足的电力供应，有力地支持了区域经济的发展。水电站的首部枢纽精心布置在天生桥峡谷出口的坝索，巧妙利用从坝索坝址至厂房长约14.5km的河段内雷公滩所形成的集中天然落差180m，通过裁弯取直的方式，开凿引水隧洞实现引水发电。首部枢纽主要由左、右岸非溢流重力坝、溢流坝、冲沙闸及进水口共同构成，坝轴线全长470m。其中，大坝采用碾压混凝土重力坝，坝顶高程658.70m，最大坝高60.7m，坝顶全长470.97m。河床溢流坝段长138.1m，设有9个溢流表孔，孔口尺寸为12m×13.7m，由平板钢闸门控制，运用面流消能方式，护坦长30m。这样的枢纽布置既充分考虑了地形、地质条件，又确保了工程的安全性和稳定性，为水电站的高效运行奠定了坚实基础。引水系统作为水电站的关键组成部分，由进水口、引水隧洞、调压井及高压管道等多个部分有机组成。3条引水隧洞相互平行，平均长度达9776.21m，在施工过程中，钻爆法开挖段内径为8.7m，掘进机开挖段内径则为9.8m。调压井采用带上室的差动式圆型调压井，井内径21m。压力管道自调压井后，通过一段长18m的水平转弯渐变段连接直径为5.7m的高压钢管，钢管采用L形布置，末端由5.7m渐变为4.2m的锥管与厂房内蝶阀相联。主厂房尺寸为166.6×21.5×58.6m（长×宽×高）。如此复杂而精密的引水系统设计，确保了水能的高效输送和转化，为发电机组的稳定运行提供了可靠保障。天生桥二级水电站的建设分两期有序推进。第一期工程采用低坝引水发电方式，主要建设内容包括大坝、厂房、2条引水隧洞、4台机组和调压井等。工程于1984年底正式动工，1992年12月首台机组成功投产发电，1995年5月首期4台机组全部顺利投产发电。随着上游天生桥一级水电站的兴建，天生桥二级水电站的第二期工程也适时开工，此次主要建设1条引水隧洞和2台机组，到2000年12月，6台机组全部实现投产发电。历经多年的建设与发展，天生桥二级水电站已成为一座技术先进、运行稳定的大型水电站，为区域能源供应和经济发展做出了不可磨灭的贡献。2.2Ⅲ号隧洞基本参数Ⅲ号隧洞作为天生桥二级水电站引水系统的关键部分，承担着将水流高效输送至发电厂房的重任，其各项参数对水电站的稳定运行起着至关重要的作用。Ⅲ号隧洞洞线长9600.5m，在三条引水隧洞中，长度与其他两条隧洞相近，共同构成了庞大的引水网络。洞径方面，根据不同的开挖方法和衬护形式有所变化，钻爆法开挖段内径为8.7m，掘进机开挖段内径为9.8m。这样的洞径设计是综合考虑了工程的引水需求、施工技术以及成本等多方面因素。较大的洞径能够保证水流的顺畅通过，减少水头损失，提高引水效率，但同时也会增加施工难度和成本；较小的洞径虽然施工相对容易，但可能无法满足水电站的引水流量要求。在实际工程中，通过对不同施工方法和地质条件的分析，确定了这样的洞径设计，以实现工程效益的最大化。隧洞埋深77-810m，穿越复杂的地质区域，大部分洞段位于地下深处，承受着较大的围岩压力和外水压力。这种较大的埋深使得隧洞的施工和维护面临诸多挑战，如施工通风、排水困难，围岩稳定性控制难度大等。同时，不同区域的埋深差异也导致了地质条件的复杂性，浅埋段可能受到地表因素的影响，如地表水渗漏、风化作用等；深埋段则需要考虑高地应力、高温等问题。在水电站引水系统中，Ⅲ号隧洞与其他两条隧洞平行布置，共同将水库中的水引入调压井和高压管道，最终输送至发电厂房。它与其他部分紧密配合，构成了一个完整的引水体系。从功能上看，Ⅲ号隧洞是水流的主要通道，其过水能力和稳定性直接影响着水电站的发电效率和安全运行。在正常运行时，Ⅲ号隧洞需要按照设计要求，稳定地输送一定流量的水，以保证发电机组的正常运转；在特殊情况下，如洪水期或设备故障时，它还需要具备一定的调节能力，确保整个引水系统的安全。2.3隧洞围岩地质条件Ⅲ号隧洞穿越地层复杂，主要涉及三叠系中统及少部分下统地层。其中，约86.65%的洞段为碳酸盐地层，岩性主要为灰岩、白云质灰岩、白云岩及少量紫红色角砾岩带。这些岩石具有较高的硬度，抗压强度通常在60-100MPa之间，岩石结构较为致密。灰岩和白云质灰岩矿物成分以方解石和白云石为主，结晶程度较好，颗粒间胶结紧密，使得岩石整体较为坚硬。然而，由于长期受到地下水的溶蚀作用，该碳酸盐地层岩溶发育极为强烈。在隧洞沿线，峰林洼地、溶洞、溶管等岩溶形态广泛分布。溶洞规模大小不一，有的直径可达数十米，深度也可达几十米甚至上百米。部分溶洞相互连通，形成了复杂的地下岩溶网络。溶管则像地下管道一样，在岩石中纵横交错，为地下水的流动提供了通道。剩余13.35%的洞段为砂页岩地层，岩性相对软弱。砂页岩主要由砂岩和页岩互层组成，砂岩颗粒间胶结程度相对较差，页岩则具有明显的页理构造，力学强度较低。砂岩的抗压强度一般在30-50MPa，页岩的抗压强度更低，通常在10-30MPa之间。这种岩性使得砂页岩地层的围岩稳定性较差，在隧洞开挖过程中容易出现变形、坍塌等问题。由于砂页岩的抗风化能力较弱，长期暴露在空气中或受到地下水的浸泡后，其力学性能会进一步降低。隧洞区受地壳构造运动影响，NE及NWW向断裂较为发育。这些断裂规模有大有小，断裂带宽度从数米到数十米不等。断裂带内岩石破碎，节理裂隙密集，岩体完整性遭到严重破坏。在断裂附近，岩石的力学性质发生显著变化，强度大幅降低。一些较大规模的断裂还可能控制着地下水的流动和岩溶的发育方向。例如，NE向断裂可能与区域地下水的径流方向一致，使得地下水沿着断裂带流动，加剧了岩溶的发育。褶皱构造在隧洞区也较为常见，褶皱的存在使得地层发生弯曲变形，形成向斜和背斜构造。在向斜部位，岩石受到挤压，应力集中，容易产生裂隙，且地下水容易汇聚，进一步影响围岩的稳定性；背斜部位则由于岩石的张裂作用，同样会导致岩体破碎，增加了施工难度。岩溶洞穴和溶管在碳酸盐地层中广泛发育，除了前面提到的规模大小不一和连通性外，其充填情况也较为复杂。部分溶洞被黏土、砂、砾石等充填，充填物的力学性质差异较大。一些充填物的强度较低，如黏土充填的溶洞，在受到外力作用时容易发生变形和失稳；而部分溶洞则为空腔，这种空腔溶洞对隧洞围岩的稳定性构成极大威胁，一旦洞壁岩石无法承受周围岩体的压力，就可能发生坍塌。溶管的存在不仅增加了地下水的渗流通道，使得隧洞施工中涌水风险增大，而且溶管周围的岩石由于长期受到水流冲刷，结构变得松散，也容易引发围岩失稳。在一些溶管密集的区域，岩石的完整性几乎完全被破坏，形成了类似蜂窝状的结构。三、围岩固结灌浆的理论基础与作用3.1固结灌浆的原理围岩固结灌浆是一种通过钻孔将浆液注入围岩裂隙和孔隙中的加固技术。其基本原理是利用灌浆压力，使浆液在岩体中渗透、扩散，填充岩石的裂隙和孔隙。在天生桥二级水电站Ⅲ号隧洞的复杂地质条件下，这一原理的应用尤为关键。在碳酸盐地层，由于岩溶发育，存在大量溶洞、溶管和裂隙。当进行固结灌浆时，在压力作用下，浆液克服岩石裂隙的阻力，沿着溶洞、溶管和裂隙流动。对于较小的裂隙，浆液中的水泥颗粒等成分能够填充其中，随着时间的推移，浆液逐渐凝固，形成水泥结石。这些水泥结石就像“胶水”一样，将原本分离的岩石颗粒胶结在一起，从而增强了岩石的整体性。例如，在一些溶洞周边的细小裂隙被浆液填充后，原本破碎的岩石区域形成了一个相对完整的结构体，提高了岩石抵抗外力的能力。在砂页岩地层，岩性软弱且节理裂隙发育。浆液注入后，不仅填充裂隙，还会与岩石颗粒发生物理化学反应。水泥中的成分与岩石中的矿物质相互作用，形成一些新的矿物，这些新矿物进一步增强了岩石颗粒间的连接强度。同时，浆液的填充使得岩石的孔隙率降低，提高了岩石的密实度，从而提升了岩石的力学性能。从微观角度来看，固结灌浆过程是一个复杂的物理化学过程。浆液中的水泥颗粒在水中发生水化反应，生成一系列水化产物，如氢氧化钙、水化硅酸钙等。这些水化产物具有凝胶状结构，能够包裹岩石颗粒，填充孔隙和裂隙，形成一个紧密的网络结构。随着水化反应的不断进行，水泥结石的强度逐渐增加，将岩石颗粒牢固地粘结在一起。在天生桥二级水电站Ⅲ号隧洞的围岩中，这种微观结构的改变使得原本松散、破碎的岩体变得更加致密和坚固，提高了围岩的承载能力和稳定性。3.2灌浆材料的选择与性能在天生桥二级水电站Ⅲ号隧洞围岩固结灌浆中，灌浆材料的选择至关重要，直接关系到灌浆效果和工程质量。常用的灌浆材料主要包括水泥和外加剂，它们在不同地质条件下的适用性有所差异。水泥是固结灌浆的主要材料，在Ⅲ号隧洞的灌浆工程中，选用了普通硅酸盐水泥。这种水泥具有凝结硬化快、早期强度高、抗冻性好等优点。在碳酸盐地层，由于岩石坚硬且岩溶发育，需要水泥浆液能够快速填充溶洞、溶管和裂隙，普通硅酸盐水泥的快凝特性能够满足这一要求，使浆液迅速在岩溶通道中凝结，增强岩石的整体性。其较高的早期强度也能在短时间内提高围岩的承载能力，适应隧洞施工的进度需求。在砂页岩地层，虽然岩性软弱，但普通硅酸盐水泥的良好粘结性能可以有效地将破碎的岩石颗粒胶结在一起，提高岩石的强度和稳定性。然而，普通硅酸盐水泥也存在一些局限性，如颗粒较粗，对于一些细微裂隙的可灌性较差。在Ⅲ号隧洞的某些区域，存在大量细小的节理裂隙，普通硅酸盐水泥可能无法充分填充这些裂隙，影响灌浆效果。为了改善水泥浆液的性能，在灌浆过程中加入了外加剂。常用的外加剂有减水剂和速凝剂等。减水剂能够降低水泥浆液的表面张力，增加其流动性，使浆液更容易在岩体裂隙中扩散。在Ⅲ号隧洞的复杂地质条件下，减水剂的使用尤为重要。在岩溶发育的碳酸盐地层，溶洞和溶管的形态复杂，减水剂可以帮助浆液更好地渗透到这些不规则的岩溶通道中，提高灌浆的覆盖率。在砂页岩地层，由于岩石的节理裂隙较多且细小，减水剂能够使浆液顺利进入这些微小裂隙，增强灌浆效果。速凝剂则能加快水泥浆液的凝结速度，在一些涌水较大的洞段，使用速凝剂可以使浆液迅速凝结，防止浆液被水流冲走，保证灌浆的有效性。例如，在Ⅲ号隧洞遇到涌水的部位，加入速凝剂后，水泥浆液能够在短时间内凝固，封堵涌水通道，为后续的灌浆施工创造条件。但外加剂的使用需要严格控制掺量，过量使用可能会影响水泥结石的强度和耐久性。在实际施工中，通过大量的室内试验和现场试验，确定了外加剂的最佳掺量，以确保灌浆材料的性能满足工程要求。灌浆材料的性能对灌浆效果有着显著影响。水泥的强度等级直接决定了水泥结石的强度，进而影响围岩加固后的承载能力。在Ⅲ号隧洞的灌浆设计中，选用了强度等级较高的水泥，以保证灌浆后围岩能够承受较大的荷载。水泥的细度也会影响其可灌性和凝结时间，较细的水泥颗粒能够更好地填充细微裂隙，但可能会导致凝结时间缩短。在实际应用中，需要综合考虑水泥的细度与其他性能指标，以达到最佳的灌浆效果。外加剂的性能同样关键，减水剂的减水率和速凝剂的速凝效果直接影响着浆液的流动性和凝结速度。优质的减水剂能够显著提高浆液的流动性，而高效的速凝剂能够使浆液在短时间内达到初凝和终凝。在Ⅲ号隧洞的施工中，通过对不同品牌和型号的外加剂进行对比试验，选择了性能优良的外加剂，确保了灌浆施工的顺利进行和灌浆效果的可靠性。3.3灌浆的作用在天生桥二级水电站Ⅲ号隧洞工程中，围岩固结灌浆具有多方面的重要作用，对保障隧洞的安全稳定运行起着关键作用。首先，固结灌浆能够显著提高围岩的承载能力。在Ⅲ号隧洞的复杂地质条件下，无论是碳酸盐地层的岩溶发育，还是砂页岩地层的岩性软弱，都使得围岩的初始承载能力较低。通过固结灌浆，浆液填充到岩石的裂隙和孔隙中，形成水泥结石，将破碎的岩石胶结在一起，增强了岩石的整体性。在岩溶地区，溶洞和裂隙周围的岩石原本较为破碎，经过灌浆后，水泥结石如同“骨架”一样，将这些破碎的岩石连接成一个整体，从而提高了岩石的抗压、抗剪强度，使其能够承受更大的荷载。对于砂页岩地层，浆液与岩石颗粒发生物理化学反应，形成新的矿物，进一步增强了岩石颗粒间的连接强度，提升了围岩的承载能力。据相关研究和工程实践表明，经过固结灌浆处理后，围岩的抗压强度可提高20%-50%，这为隧洞的长期稳定运行提供了坚实的基础。其次，固结灌浆能够有效减少隧洞的渗漏。Ⅲ号隧洞穿越的地层中，岩溶洞穴和溶管为地下水的流动提供了通道，加之岩石的裂隙，使得隧洞存在严重的渗漏隐患。固结灌浆通过浆液对裂隙和岩溶通道的填充，有效封堵了地下水的渗流路径。在碳酸盐地层，灌浆后溶洞和溶管被浆液填充，形成了防渗帷幕，大大降低了岩体的渗透性。在砂页岩地层，填充裂隙的浆液也起到了阻止地下水渗透的作用。通过压水试验检测，灌浆后岩体的透水率显著降低，一般可降低至原来的1/3-1/5，有效减少了隧洞的渗漏量，不仅保护了衬砌结构，防止其受到地下水的侵蚀，还避免了因渗漏导致的围岩软化和失稳，保障了隧洞的正常运行。最后，固结灌浆对增强围岩的稳定性起着至关重要的作用。在隧洞开挖过程中，围岩的原始应力平衡被打破，容易引发围岩的变形和坍塌。固结灌浆能够改善围岩的应力状态，通过增强围岩的强度和整体性，使其更好地抵抗变形。在断裂构造和褶皱发育的区域，灌浆后的围岩能够更好地承受构造应力，减少因应力集中导致的岩体破坏。对于砂页岩地层中容易出现的塑性变形，固结灌浆后的围岩抗变形能力增强，能够有效控制变形的发展。在Ⅲ号隧洞的实际运行中，经过固结灌浆处理的洞段，围岩的稳定性得到了显著提高，减少了坍塌等事故的发生，保障了隧洞的安全运行。四、Ⅲ号隧洞围岩固结灌浆设计4.1灌浆孔的布置在天生桥二级水电站Ⅲ号隧洞围岩固结灌浆设计中，灌浆孔的布置是一个关键环节，其合理性直接影响到灌浆效果和围岩的加固质量。布置方案需综合考虑地质条件、隧洞结构等多方面因素。地质条件是确定灌浆孔布置的重要依据。在碳酸盐地层，由于岩溶发育，溶洞、溶管和裂隙分布广泛且形态复杂。对于规模较大的溶洞，在其周边加密布置灌浆孔，孔距可缩小至1-2m，以确保浆液能够充分填充溶洞及其周围的裂隙。在溶管密集区域，根据溶管的走向和分布，采用梅花形或环形布置灌浆孔，排距控制在1.5-3m，使浆液能够有效封堵溶管，切断地下水的渗流通道。对于裂隙，根据其宽度和延伸方向，确定灌浆孔的角度和深度，使灌浆孔尽可能与裂隙相交，提高灌浆的针对性。在砂页岩地层，岩性软弱且节理裂隙发育。由于岩石的整体性较差，为了增强岩体的强度和稳定性，灌浆孔的排距和孔距相对较小。排距一般设置为1.5-2.5m，孔距为1-2m，采用均匀布置的方式，使浆液能够均匀地扩散到岩体中，增强岩石颗粒间的连接。隧洞结构对灌浆孔布置也有重要影响。Ⅲ号隧洞的洞径在钻爆法开挖段内径为8.7m，掘进机开挖段内径为9.8m。对于不同洞径的区域，灌浆孔的深度和布置范围有所不同。在洞径较小的钻爆法开挖段，考虑到围岩的稳定性和施工的便利性，灌浆孔深度一般为2-3倍洞径，以确保加固效果能够覆盖到足够范围的围岩。在掘进机开挖段，由于洞径较大，围岩所承受的荷载也相对较大，灌浆孔深度可适当增加至3-4倍洞径。灌浆孔的布置范围一般从衬砌表面开始，向围岩内部延伸，确保衬砌与围岩之间形成良好的粘结，共同承受外部荷载。在实际布置中，灌浆孔采用梅花形和环形相结合的布置形式。在隧洞的顶拱和边墙部位，由于受力较为复杂，且容易受到地下水的影响，采用梅花形布置灌浆孔，这种布置方式能够使浆液在岩体中形成相互交错的结石网络，增强岩体的整体性和抗剪能力。在溶洞、溶管等特殊地质区域，采用环形布置灌浆孔，围绕这些区域进行灌浆，能够有效地封堵岩溶通道，防止地下水渗漏和岩体坍塌。在一些关键部位，如隧洞的交叉段、断层破碎带等，加密布置灌浆孔，进一步提高这些部位的加固效果。以Ⅲ号隧洞的某一典型洞段为例，该洞段位于碳酸盐地层，存在多个溶洞和裂隙。在洞段的顶拱和边墙，按照梅花形布置灌浆孔，排距为2m，孔距为1.5m。对于其中一个直径约为5m的溶洞，在其周边布置了两圈环形灌浆孔，内圈孔距为1m，外圈孔距为1.5m，排距为1m，深入溶洞底板基岩内2m。通过这种布置方式，有效地对该洞段的围岩进行了加固，提高了围岩的稳定性和防渗性能。4.2灌浆压力的确定灌浆压力是天生桥二级水电站Ⅲ号隧洞围岩固结灌浆中的关键参数，它与地质条件、浆液特性、孔深等因素密切相关，合理确定灌浆压力对保证灌浆效果和工程安全至关重要。地质条件是影响灌浆压力的首要因素。在碳酸盐地层，由于岩溶发育，存在大量溶洞、溶管和裂隙。溶洞和溶管的存在使得浆液在扩散过程中容易出现通道过大的情况，若灌浆压力过大，浆液可能会迅速流失，无法有效填充细小裂隙，还可能引发地面冒浆等问题。对于一些与地表连通的溶洞，过高的灌浆压力会导致浆液沿溶洞通道大量涌出，造成材料浪费和环境污染。然而，若灌浆压力过小，浆液又难以克服岩溶通道的阻力，无法充分填充溶洞和溶管，影响加固效果。在溶洞周边的裂隙区域，需要适当提高灌浆压力，以确保浆液能够渗透到这些裂隙中，增强岩石的整体性。在砂页岩地层，岩性软弱且节理裂隙发育，岩石的强度较低。过高的灌浆压力可能会导致岩石破裂，破坏围岩的稳定性。在一些节理密集的区域，过大的灌浆压力会使岩石沿着节理面发生错动，引发坍塌事故。因此，在砂页岩地层，灌浆压力应控制在一定范围内，既能保证浆液能够填充裂隙，又不会对围岩造成破坏。根据现场试验和工程经验，在碳酸盐地层，灌浆压力一般控制在1.5-3MPa；在砂页岩地层，灌浆压力则控制在1-2MPa。浆液特性也对灌浆压力有显著影响。水泥浆液的颗粒大小、流动性和凝结时间等特性都会影响灌浆压力的选择。普通硅酸盐水泥颗粒较粗，对于一些细微裂隙的可灌性较差，需要较高的灌浆压力才能使其进入这些裂隙。在Ⅲ号隧洞的某些区域，存在大量细小的节理裂隙，使用普通硅酸盐水泥时，为了保证浆液能够填充这些裂隙，需要适当提高灌浆压力。而加入减水剂后，水泥浆液的流动性增强，更容易在岩体裂隙中扩散，此时可以适当降低灌浆压力。减水剂能够降低水泥浆液的表面张力，使其能够更顺畅地进入狭窄的裂隙，从而在较低的压力下实现较好的灌浆效果。速凝剂的使用会改变浆液的凝结时间，在一些涌水较大的洞段，使用速凝剂可以使浆液迅速凝结，防止浆液被水流冲走。但速凝剂的加入也会使浆液的粘度增加，需要适当提高灌浆压力，以保证浆液能够顺利灌注。孔深也是确定灌浆压力的重要因素。随着孔深的增加，浆液在输送过程中受到的阻力增大，需要更高的灌浆压力来克服这些阻力。在Ⅲ号隧洞，部分灌浆孔深度较大，如在处理深部溶洞或断层破碎带时，孔深可达数十米。对于这些深孔灌浆，需要考虑浆液在孔内的摩阻力、浆液的自重以及围岩对浆液的阻力等因素。根据相关理论和工程经验，孔深每增加10m，灌浆压力大约需要增加0.5-1MPa。但同时，过高的灌浆压力在深孔中也可能引发一些问题，如对孔壁的破坏、导致孔内浆液反流等。因此，在确定深孔灌浆压力时，需要综合考虑各种因素，通过现场试验和数值模拟等方法进行优化。在实际确定灌浆压力的过程中，采用了理论计算和现场试验相结合的方法。首先，根据地质勘察资料和工程经验，利用相关公式进行初步的理论计算。如根据岩体的抗压强度、裂隙宽度等参数，计算出大致的灌浆压力范围。然后，在Ⅲ号隧洞选取典型洞段进行现场灌浆试验。在试验过程中，设置不同的灌浆压力，观察浆液的扩散情况、岩体的变形情况以及灌浆效果等。通过对试验数据的分析和对比，确定出适合该洞段的灌浆压力。在某一典型洞段的试验中，分别设置了1MPa、1.5MPa和2MPa的灌浆压力。结果发现，1MPa时浆液扩散范围较小，部分裂隙未得到有效填充；2MPa时，虽然浆液扩散范围较大，但出现了局部岩体轻微抬动的现象；而1.5MPa时，浆液能够较好地填充裂隙，且岩体未出现明显异常。最终，根据现场试验结果，确定该洞段的灌浆压力为1.5MPa。4.3浆液配合比设计浆液配合比设计是天生桥二级水电站Ⅲ号隧洞围岩固结灌浆的关键环节，其合理性直接影响灌浆效果。配合比需依据围岩状况和灌浆目的，精准确定水灰比和外加剂掺量。在Ⅲ号隧洞的碳酸盐地层，由于岩溶发育，溶洞、溶管和裂隙较多，为使浆液能够充分填充这些岩溶通道，需要浆液具有较好的流动性和可灌性。水灰比的选择至关重要，经过大量室内试验和现场试验，发现当水灰比为0.8：1-1.2：1时，浆液的流动性和可灌性较好，能够顺利进入岩溶通道。在一些溶洞规模较大、溶管直径较粗的区域，采用水灰比为1.2：1的浆液，其流动性强，能够快速填充较大的空间；而在裂隙相对较小的区域，水灰比为0.8：1的浆液则能更好地渗透到细小裂隙中。对于砂页岩地层，岩性软弱且节理裂隙发育，为增强岩石颗粒间的连接强度，提高围岩的稳定性，需要浆液具有较高的结石强度。通过试验研究，确定水灰比为0.5：1-0.8：1较为合适。在节理密集的区域，采用水灰比为0.5：1的浓浆，能够在填充裂隙的同时，形成强度较高的水泥结石，增强岩石的整体性；在岩石相对完整、节理较少的区域，水灰比为0.8：1的浆液既能满足灌浆需求，又能保证一定的结石强度。外加剂掺量的确定也与围岩条件密切相关。在Ⅲ号隧洞的施工中，常用的外加剂有减水剂和速凝剂等。减水剂能够降低水泥浆液的表面张力，增加其流动性，使浆液更容易在岩体裂隙中扩散。在岩溶发育的碳酸盐地层，溶洞和溶管的形态复杂，减水剂的使用尤为重要。根据试验结果，当减水剂掺量为水泥重量的0.3%-0.5%时，能够显著提高浆液的流动性，使浆液更好地渗透到不规则的岩溶通道中。在砂页岩地层，由于岩石的节理裂隙较多且细小，减水剂的掺量可适当调整为0.2%-0.4%，以保证浆液能够顺利进入微小裂隙。速凝剂则能加快水泥浆液的凝结速度，在一些涌水较大的洞段，使用速凝剂可以使浆液迅速凝结，防止浆液被水流冲走。在Ⅲ号隧洞遇到涌水的部位，速凝剂的掺量一般为水泥重量的2%-4%。通过现场试验发现，当速凝剂掺量为3%时，能够使浆液在短时间内达到初凝和终凝，有效封堵涌水通道。但外加剂的掺量并非越高越好，过量使用可能会影响水泥结石的强度和耐久性。因此，在实际施工中，需要严格控制外加剂的掺量，通过试验确定最佳掺量。五、Ⅲ号隧洞围岩固结灌浆施工工艺5.1施工准备工作施工准备工作是天生桥二级水电站Ⅲ号隧洞围岩固结灌浆施工的重要基础，其质量直接影响后续施工的顺利开展和灌浆效果，涵盖场地平整、设备调试、材料准备、技术交底等多个关键方面。场地平整是施工准备的首要任务。由于Ⅲ号隧洞穿越复杂地形，部分洞段位于山区，地势起伏较大。在施工前，需对隧洞进出口及沿线施工场地进行平整，以确保施工设备和材料的堆放、运输以及人员的作业安全。对于洞外场地，使用大型土石方机械设备，如挖掘机、装载机、推土机等，清除场地内的杂草、树木、乱石等障碍物，并按照设计要求进行填方或挖方作业，使场地达到一定的平整度和承载能力。在Ⅲ号隧洞的某一洞段，由于洞口附近地形陡峭，通过爆破和土石方填筑等方式，平整出了一块面积约为500平方米的场地，用于停放施工车辆、搭建临时仓库和堆放灌浆材料。在洞内，根据施工需要，对洞底进行清理和平整，确保钻孔设备、灌浆台车等能够顺利通行和作业。对于一些低洼或积水区域，设置排水设施，如排水沟、集水井等，及时排除洞内积水，保持施工场地的干燥。设备调试对于确保施工质量和进度至关重要。在Ⅲ号隧洞围岩固结灌浆施工中，涉及多种设备，如钻孔设备、灌浆设备、检测设备等。钻孔设备选用合适的钻机，如岩芯钻机，在施工前对其进行全面调试。检查钻机的动力系统，确保发动机运转正常，油压、水温等参数在正常范围内；调试钻机的钻进系统，保证钻杆的垂直度和转速能够满足施工要求，钻头的切削性能良好。在某一施工区域，由于地质条件较为复杂，岩石硬度较高，通过调试钻机的转速和钻进压力，使钻孔效率提高了20%。灌浆设备包括灌浆泵、搅拌机等，同样需要进行严格调试。检查灌浆泵的压力输出是否稳定，流量调节是否灵活，各阀门和管道是否密封良好；调试搅拌机的搅拌速度和均匀性，确保浆液能够充分搅拌，保证浆液的质量。检测设备如声波检测仪、压力计等，在使用前进行校准和调试，确保检测数据的准确性。对声波检测仪的发射和接收探头进行检查，校准仪器的频率和灵敏度，使其能够准确检测围岩的声波波速。材料准备是施工准备工作的关键环节。在Ⅲ号隧洞围岩固结灌浆中，主要材料为水泥和外加剂。水泥选用符合国家标准的普通硅酸盐水泥，在采购时，严格检查水泥的质量证明文件，如出厂检验报告、合格证等。对水泥的品种、标号、生产日期等进行仔细核对，确保水泥的质量符合设计要求。在材料堆放场地，对水泥进行妥善保管，设置防潮、防雨设施，避免水泥受潮结块。对于外加剂，如减水剂、速凝剂等，根据设计要求的掺量进行准确称量和储存。外加剂的储存环境应干燥、通风良好，避免阳光直射和受潮。在使用前，对外加剂进行抽样检验，确保其性能符合要求。同时，根据施工进度计划，合理储备足够的材料，保证施工的连续性。通过对施工进度的分析和计算，提前储备了可供施工一个月使用的水泥和外加剂，避免了因材料短缺而导致的施工中断。技术交底是确保施工人员准确理解施工要求和技术规范的重要措施。在Ⅲ号隧洞围岩固结灌浆施工前，由技术负责人组织施工人员进行技术交底。详细讲解施工图纸、施工工艺、质量标准、安全注意事项等内容。在讲解施工图纸时，重点介绍灌浆孔的布置、孔深、孔距等参数，使施工人员明确钻孔的位置和要求。对于施工工艺，详细说明钻孔、灌浆的操作流程和技术要点，如钻孔的垂直度控制、灌浆压力的调节等。在质量标准方面，明确灌浆的结束标准、质量检测方法和合格标准，使施工人员清楚如何保证施工质量。同时，强调施工过程中的安全注意事项，如防止钻孔坍塌、避免高压浆液伤人等。通过技术交底，施工人员对施工要求和技术规范有了全面的了解，提高了施工的准确性和规范性。在一次技术交底后，施工人员对施工工艺和质量标准的掌握程度明显提高，施工过程中的质量问题减少了30%。5.2钻孔施工在天生桥二级水电站Ⅲ号隧洞围岩固结灌浆施工中，钻孔施工是关键环节，其质量直接影响灌浆效果，钻孔施工涉及设备选择、顺序规划及诸多注意事项。钻孔设备选用了先进的岩芯钻机，这种钻机在复杂地质条件下具有出色的适应性。在碳酸盐地层，岩石坚硬且岩溶发育，岩芯钻机凭借其强大的动力和高效的钻进能力，能够顺利穿透坚硬的岩石，在溶洞周边和裂隙区域准确钻孔。金刚石或硬质合金钻头的使用，进一步提高了钻孔效率和质量，能够有效应对岩石的高硬度和复杂的岩溶构造。在砂页岩地层，岩性软弱且节理裂隙发育，岩芯钻机可以通过调整钻进参数，如降低转速、减小钻进压力，避免对软弱岩石造成过度扰动，保证钻孔的垂直度和孔壁的完整性。其精确的导向系统能够确保钻孔沿着预定方向钻进，避免钻孔偏斜，为后续的灌浆施工创造良好条件。钻孔顺序严格按照分序加密的原则进行。先施工Ⅰ序孔，再依次施工Ⅱ序孔和Ⅲ序孔。在某一典型洞段，按照设计要求，先对第1、5、9排的Ⅰ序孔进行钻孔。这些Ⅰ序孔作为先导孔，能够初步揭示围岩的地质情况，为后续的钻孔和灌浆提供重要参考。通过对Ⅰ序孔钻孔过程中获取的岩芯样本进行分析，可以了解岩石的完整性、裂隙发育程度以及岩溶分布情况等。在完成Ⅰ序孔钻孔后，进行第2、4、6、8排的Ⅱ序孔钻孔。Ⅱ序孔的布置在Ⅰ序孔之间，进一步加密了钻孔网络，使浆液能够更均匀地扩散到岩体中。最后施工第3、7排的Ⅲ序孔，通过逐步加密钻孔，确保了浆液能够充分填充岩体的裂隙和孔隙，提高了灌浆的效果。钻孔过程中有诸多注意事项。首先是钻孔垂直度控制，在Ⅲ号隧洞的复杂地质条件下，钻孔垂直度对于保证灌浆质量至关重要。若钻孔偏斜，可能导致灌浆孔无法准确与裂隙相交，影响浆液的扩散和填充效果。采用高精度的测斜仪对钻孔过程进行实时监测，及时调整钻机的位置和角度，确保钻孔垂直度误差控制在允许范围内。在一些关键部位，如断层破碎带附近，增加测斜次数，确保钻孔垂直向下钻进。钻孔深度也需严格控制，根据设计要求，不同区域的灌浆孔深度有所差异。在岩溶发育区域，为了确保浆液能够填充到深部的溶洞和溶管，钻孔深度需要达到一定要求。通过在钻杆上标记深度刻度，结合测量仪器，准确控制钻孔深度，保证钻孔深度符合设计标准。在钻孔过程中，还需密切关注钻孔情况，如出现卡钻、塌孔等异常现象，及时采取相应措施。若遇到卡钻情况，分析原因，可能是岩石破碎、裂隙夹钻等，通过调整钻进参数、注入护壁泥浆等方法，解决卡钻问题。对于塌孔现象，及时回填钻孔，重新调整钻进工艺后再进行钻孔。5.3灌浆施工流程在天生桥二级水电站Ⅲ号隧洞围岩固结灌浆施工中，严格遵循科学的施工流程是确保灌浆质量和效果的关键，主要流程包括冲洗钻孔、压水试验、灌浆、封孔等环节。钻孔完成后，需对钻孔进行冲洗，以确保钻孔内无岩屑、杂质等，为后续的灌浆施工创造良好条件。采用风水轮换冲洗法，利用高压风和高压水交替冲洗钻孔。先向钻孔内通入高压风，将孔内的岩屑和灰尘吹出。高压风的压力一般控制在0.5-0.7MPa，持续吹洗3-5分钟。在某一洞段的钻孔冲洗中，通过高压风的吹洗，大量岩屑被吹出孔外，使孔内初步得到清洁。然后再通入高压水，进一步冲洗孔壁和孔底。高压水的压力为0.3-0.5MPa，冲洗时间为5-10分钟。高压水能够将附着在孔壁上的细小岩屑和杂质冲洗掉，使钻孔更加干净。冲洗过程中，密切观察回水情况，当回水澄清且持续5分钟以上时，可认为冲洗合格。在一些岩溶发育的区域，由于溶洞和溶管的存在，冲洗难度较大，需要适当延长冲洗时间，并增加冲洗次数，确保钻孔内的杂质和岩屑被彻底清除。冲洗完成后，进行压水试验，以获取岩体的透水率等参数，为灌浆施工提供依据。采用单点法进行压水试验，将压力稳定在灌浆压力的80%，若该值大于1MPa，则采用1MPa。在某一灌浆孔进行压水试验时，按照规定将压力稳定在0.8MPa。试验过程中，记录不同时间段内的压入水量。在初始阶段，由于岩体的裂隙和孔隙较大，压入水量相对较多；随着时间的推移，岩体逐渐被水饱和，压入水量逐渐减少。持续观测30分钟，每隔5分钟记录一次压入水量。根据记录的数据，计算岩体的透水率。若透水率超过设计要求，则需要调整灌浆参数，增加灌浆量或提高灌浆压力，以确保岩体的防渗性能满足要求。在砂页岩地层，由于岩性软弱，孔隙率较大，透水率相对较高，通过压水试验确定了该区域需要适当提高灌浆压力，以保证灌浆效果。灌浆是整个施工流程的核心环节。采用纯压式灌浆方法，将制备好的浆液通过灌浆泵注入钻孔。在碳酸盐地层，由于岩溶发育，溶洞和溶管较多，浆液容易流失。因此，在灌浆过程中，密切关注灌浆压力和注入率的变化。当发现灌浆压力突然下降，注入率明显增大时，可能是浆液流入了较大的岩溶通道，此时适当降低灌浆压力，采用间歇灌浆的方式，使浆液在岩溶通道内逐渐凝固，防止浆液过度流失。在某一溶洞区域的灌浆中，通过间歇灌浆，成功地将溶洞填充，提高了围岩的稳定性。在砂页岩地层，岩性软弱，灌浆时控制好灌浆压力，避免压力过大导致岩体破坏。按照设计的浆液配合比，先注入水灰比较大的稀浆，使浆液能够更好地渗透到岩体的细小裂隙中。随着灌浆的进行，逐渐调整浆液的水灰比，注入水灰比较小的浓浆，提高水泥结石的强度。在某一砂页岩洞段，先注入水灰比为1.2：1的稀浆，待浆液充分渗透后，再注入水灰比为0.8：1的浓浆，取得了良好的灌浆效果。灌浆过程中，当注入率小于1L/min，且持续灌注30分钟时，可认为灌浆达到结束标准。灌浆结束后，及时进行封孔，防止浆液外流和地下水渗入。采用“压力灌浆封孔法”，将浓浆通过灌浆泵注入钻孔，压力控制在0.5-0.7MPa。在注入浓浆的过程中，密切观察孔口的返浆情况。当孔口有浓浆均匀返出时，停止灌浆，等待一段时间，使浆液在孔内充分凝固。在某一灌浆孔的封孔中，按照要求注入浓浆，孔口返浆正常，经过24小时的凝固后，封孔质量符合要求。封孔完成后，对孔口进行妥善处理，如用水泥砂浆将孔口抹平，使其与围岩表面平齐，确保孔口的密封性和稳定性。5.4特殊地质条件下的施工措施在天生桥二级水电站Ⅲ号隧洞施工过程中，遇到了多种特殊地质条件，如溶洞、断层等，这些情况给施工带来了巨大挑战，为此采取了一系列针对性的特殊施工措施。对于溶洞，由于其规模、形态和充填情况各异，处理方法也不尽相同。在一些大型空洞溶洞区域，采用了双液灌浆技术。双液灌浆是将水泥浆和水玻璃等速凝剂按一定比例混合后注入溶洞。水泥浆具有良好的胶结性能，能够填充溶洞空间，形成坚固的结石体；水玻璃则能快速促进浆液的凝结，防止浆液在溶洞中过度流失。在Ⅲ号隧洞的某一大型溶洞处理中，溶洞直径达10m，深度约20m，采用了水泥-水玻璃双液灌浆。通过现场试验确定了水泥浆与水玻璃的体积比为3：1，灌浆压力控制在2-3MPa。在灌浆过程中，先注入水泥浆，待水泥浆注入一定量后，再按比例注入水玻璃，使两者在溶洞内混合反应。经过双液灌浆处理后，溶洞被有效填充，围岩的稳定性得到了显著提高。对于充填性溶洞，若充填物为软弱的黏土或砂质土，先对充填物进行预处理。采用高压旋喷注浆法，通过高压喷射的水泥浆液与充填物混合搅拌，形成强度较高的混合体。然后再进行固结灌浆，进一步增强围岩的稳定性。在某一充填性溶洞中，充填物为黏土，采用高压旋喷注浆法，喷射压力为25-30MPa，水泥浆液的水灰比为0.8：1。经过预处理后，再进行固结灌浆，使溶洞区域的围岩得到了有效加固。在断层破碎带，由于岩石破碎、节理裂隙密集，且可能存在地下水活动，施工难度较大。采用了限流降压灌浆措施。在灌浆过程中，通过控制灌浆泵的流量，限制单位时间内的浆液注入量，避免因灌浆压力过高导致破碎带岩石进一步破坏。根据断层破碎带的具体情况，将灌浆流量控制在10-20L/min。在Ⅲ号隧洞的某断层破碎带灌浆中，通过限流措施，有效地防止了岩石的过度扰动。同时，采用降压灌浆方法，根据岩石的破碎程度和变形情况，逐步降低灌浆压力。在开始灌浆时，将压力控制在1.5MPa，随着灌浆的进行，观察岩石的变形和浆液的扩散情况，当发现岩石变形趋于稳定时，逐渐将压力降低至1MPa。通过限流降压灌浆，使浆液能够均匀地填充断层破碎带的裂隙，增强了围岩的整体性。在断层破碎带还结合了锚杆支护，在灌浆孔内布设锚杆，锚杆能够提供额外的锚固力，增强围岩的稳定性。在某断层破碎带，每隔2m布置一根长度为3m的锚杆，锚杆采用螺纹钢筋，直径为20mm。通过锚杆与灌浆的共同作用，提高了断层破碎带围岩的承载能力和抗变形能力。六、灌浆过程中的问题及解决措施6.1串浆问题在天生桥二级水电站Ⅲ号隧洞围岩固结灌浆过程中，串浆问题较为常见，给施工带来了诸多挑战。串浆是指在灌浆过程中，浆液从一个灌浆孔流入其他相邻钻孔的现象。这一问题的产生主要与Ⅲ号隧洞复杂的地质条件密切相关。隧洞穿越的碳酸盐地层岩溶发育，存在大量相互连通的溶洞、溶管和裂隙。这些岩溶通道就像地下的“迷宫”，为浆液的流动提供了便捷路径。当对某一灌浆孔进行灌浆时，在灌浆压力的作用下，浆液很容易沿着这些连通的岩溶通道扩散，从而流入相邻的灌浆孔，导致串浆现象的发生。在某一洞段的灌浆施工中，当对一个位于溶洞附近的灌浆孔进行灌浆时，压力达到1.5MPa后，相邻2m外的另一个灌浆孔开始出现返浆现象，经过检查发现，两个灌浆孔之间存在一条隐蔽的溶管相连。砂页岩地层岩性软弱，节理裂隙发育，这些节理裂隙相互交错，也容易形成浆液串流的通道。在该地层进行灌浆时，由于岩石的完整性较差，浆液在压力作用下更容易突破岩石的薄弱部位，流入相邻钻孔。在某一砂页岩洞段，当对一排灌浆孔进行依次灌浆时，发现第二个灌浆孔灌浆时，第一个灌浆孔出现了串浆现象，进一步检查发现，两个钻孔之间的节理裂隙较为密集，且存在部分贯通的情况。为解决串浆问题，采取了一系列有效措施。当发现串浆现象时，首先采用快速堵塞串浆孔的方法。使用专门的堵塞材料，如速凝水泥砂浆、木塞等，将串浆孔迅速堵住。在某一洞段，当发现串浆后，立即用速凝水泥砂浆对串浆孔进行封堵，在几分钟内就成功阻止了浆液的继续串流。同时，对串浆孔和灌浆孔的压力进行调整。适当降低灌浆孔的灌浆压力，减少浆液的扩散速度和压力，避免浆液继续向串浆孔流动。对于串浆孔，根据具体情况，可以适当施加一定的反向压力，将串入的浆液挤出，使其回到正常的灌浆路径。在一个串浆案例中，将灌浆孔的压力从2MPa降低到1.2MPa，同时对串浆孔施加0.3MPa的反向压力，成功解决了串浆问题。调整灌浆顺序也是解决串浆问题的重要手段。在岩溶发育的碳酸盐地层，对于存在串浆风险的区域，采用间隔灌浆的方式。先对部分灌浆孔进行灌浆，待这些孔的浆液凝固后，再对相邻的灌浆孔进行灌浆，避免浆液在未凝固时相互串流。在某一溶洞周边的灌浆施工中，将原本连续的灌浆孔分为两组，间隔进行灌浆，有效避免了串浆现象的发生。在砂页岩地层，根据节理裂隙的分布情况，合理调整灌浆顺序。对于节理裂隙连通性较强的区域，先对远离主要裂隙通道的灌浆孔进行灌浆，然后逐步向裂隙密集区域推进，减少串浆的可能性。6.2冒浆问题在天生桥二级水电站Ⅲ号隧洞围岩固结灌浆施工中，冒浆是较为常见且棘手的问题，严重影响灌浆质量和施工进度，需要深入分析其原因并采取有效处理措施。冒浆的主要原因与隧洞复杂的地质条件密切相关。在碳酸盐地层，岩溶发育，存在大量溶洞、溶管和裂隙。这些岩溶通道与地表或其他空洞相连通，当灌浆压力超过一定限度时，浆液就会沿着这些通道涌出，形成冒浆现象。在某一洞段，由于溶洞与地表落水洞相通，当灌浆压力达到2MPa时，地表落水洞处出现大量浆液涌出，导致灌浆无法正常进行。砂页岩地层岩性软弱，节理裂隙发育，岩石的抗渗能力较弱。在灌浆过程中，浆液容易沿着节理裂隙向周围扩散，当遇到薄弱部位时，就会冒出地面或洞壁。在某砂页岩洞段，由于岩石的节理较为密集，且部分节理延伸至洞壁表面，灌浆时浆液从洞壁的节理处渗出，形成冒浆。为解决冒浆问题，采取了一系列针对性措施。对于表面冒浆，首先采用表面封堵的方法。使用速凝水泥砂浆、麻丝、棉絮等材料对冒浆部位进行封堵。在某一洞段的冒浆处理中，发现洞壁有多处冒浆点，立即用速凝水泥砂浆进行封堵，在几分钟内就有效地阻止了浆液的冒出。同时，降低灌浆压力也是常用的措施。当出现冒浆时，适当降低灌浆压力，减小浆液的扩散速度和压力，使浆液在较低压力下缓慢填充岩体裂隙，避免浆液继续大量冒出。在一个冒浆案例中，将灌浆压力从2MPa降低到1MPa后，冒浆现象得到了明显缓解。采用间歇灌浆也是有效的方法。在冒浆严重的区域，暂停灌浆，等待一段时间，使已注入的浆液在岩体中初步凝固，形成一定的封堵层，然后再继续灌浆。通过间歇灌浆，成功解决了多个洞段的冒浆问题。在某一溶洞周边的灌浆施工中，经过多次间歇灌浆，最终完成了该区域的灌浆任务。6.3抬动问题在天生桥二级水电站Ⅲ号隧洞围岩固结灌浆过程中，抬动问题是影响工程安全和质量的重要因素，需要深入分析其产生原因，并采取有效的预防和处理措施。抬动变形主要是由于灌浆压力过高以及岩体结构的特殊性导致的。在Ⅲ号隧洞的复杂地质条件下，当灌浆压力超过围岩的承载能力时，就会使岩体产生向上的位移，即抬动现象。在碳酸盐地层，岩溶发育，溶洞、溶管和裂隙较多，岩体的完整性较差。当灌浆压力过大时，浆液在岩溶通道中快速扩散，产生较大的膨胀力，容易导致岩体局部或整体抬动。在某一洞段，由于溶洞规模较大，灌浆时为了使浆液填充溶洞深部，将灌浆压力提高到3MPa，结果导致洞顶部分岩体出现了明显的抬动变形，最大抬动位移达到了5mm。在砂页岩地层，岩性软弱，节理裂隙发育，岩石的强度较低，对灌浆压力的承受能力有限。过高的灌浆压力会使岩石沿着节理面发生错动，从而引起岩体的抬动。在某砂页岩洞段，由于灌浆压力控制不当，当压力达到2MPa时，洞壁出现了裂缝，同时岩体发生了抬动，对隧洞的稳定性造成了严重威胁。为预防和处理抬动问题，采取了一系列措施。在控制灌浆压力方面，采用分级升压的方法。在灌浆初期，以较低的压力开始灌注，如0.5MPa，然后根据岩体的吸浆情况和变形监测结果，逐步提高灌浆压力。在某一洞段的灌浆中，按照分级升压的方法，每隔10分钟将灌浆压力提高0.2MPa，同时密切监测岩体的抬动情况，当压力达到1.5MPa时，岩体吸浆量逐渐减少且未出现抬动现象，继续保持该压力进行灌浆，取得了良好的效果。加强监测也是关键措施，在灌浆区域布置了多个抬动观测点，采用高精度的水准仪或位移传感器对岩体的抬动变形进行实时监测。在某一洞段，每隔5m布置一个抬动观测点，在灌浆过程中，每15分钟记录一次观测数据。当监测到岩体有抬动趋势时，立即采取措施，如降低灌浆压力、暂停灌浆等。在一次灌浆中，当监测到某观测点的岩体抬动位移达到1mm时，及时降低了灌浆压力，避免了抬动变形的进一步发展。在处理抬动问题时，若发现岩体已经发生抬动，根据抬动的程度采取不同的方法。对于轻微抬动，如抬动位移小于3mm，采用降压处理的方法。适当降低灌浆压力，使岩体在较低压力下逐渐稳定，同时对抬动区域进行加密监测。在某一洞段，当发现岩体出现轻微抬动后，将灌浆压力从2MPa降低到1.2MPa，经过一段时间的观察，岩体抬动位移未再增加，且逐渐趋于稳定。对于较严重的抬动，如抬动位移大于3mm，除了降低灌浆压力外，还采取了压力释放措施。在抬动区域附近钻设压力释放孔，使岩体内部的压力得以释放，缓解抬动变形。在某一严重抬动的洞段，钻设了多个直径为50mm、深度为3m的压力释放孔，经过处理后，岩体的抬动变形得到了有效控制。七、Ⅲ号隧洞围岩固结灌浆质量检测与评估7.1质量检测方法在天生桥二级水电站Ⅲ号隧洞围岩固结灌浆质量检测中，采用了多种科学有效的检测方法，包括压水试验、声波测试、钻孔取芯等，每种方法都有其独特的原理和作用。压水试验是检测灌浆质量的重要方法之一，主要用于测定岩体的透水率，以此评估灌浆对岩体防渗性能的改善效果。其原理基于达西定律，通过向钻孔内注入一定压力的水，测量单位时间内的压入水量，从而计算岩体的透水率。在Ⅲ号隧洞的压水试验中，采用单点法进行，将压力稳定在灌浆压力的80%，若该值大于1MPa，则采用1MPa。在某一灌浆孔进行压水试验时，将压力稳定在0.8MPa，持续观测30分钟，每隔5分钟记录一次压入水量。根据记录的数据，按照相关公式计算岩体的透水率。透水率的计算公式为：q=Q/(L\timesP)，其中q为透水率（Lu），Q为压入水量（L/min），L为试验段长度（m），P为作用水头（MPa）。通过对比灌浆前后的透水率，可直观地了解灌浆对岩体防渗性能的提升程度。在灌浆前，某洞段岩体的透水率较高，达到了10Lu以上，经过固结灌浆后，再次进行压水试验，透水率降低至3Lu以下，表明灌浆有效地封堵了岩体的裂隙和孔隙，提高了岩体的防渗性能。声波测试是利用声波在岩体中的传播特性来检测灌浆质量的方法。声波在不同性质的岩体中传播速度不同，当岩体经过固结灌浆后，其完整性和强度得到提高，声波传播速度也会相应增加。在Ⅲ号隧洞的声波测试中，采用单孔声波法和跨孔声波法。单孔声波法是将声波发射和接收换能器置于同一钻孔中，通过测量声波在岩体中的传播时间，计算声波波速。其原理是根据波速公式V=L/t，其中V为波速（m/s），L为声波传播距离（m），t为声波传播时间（s）。在某一钻孔中，将发射换能器和接收换能器分别置于不同深度，测量声波从发射到接收的时间，从而计算出该深度处岩体的声波波速。跨孔声波法则是在相邻的两个钻孔中分别放置发射和接收换能器，通过测量声波在两孔之间岩体中的传播时间来计算波速。这种方法能够更全面地反映岩体的整体情况。在某一洞段，选择相邻的两个灌浆孔进行跨孔声波测试，通过测量声波在两孔之间的传播时间，计算出该区域岩体的平均声波波速。对比灌浆前后的声波波速，可评估灌浆对岩体完整性和强度的改善效果。一般来说，灌浆后岩体的声波波速会明显提高，表明岩体的质量得到了提升。钻孔取芯是一种直观的检测方法，通过从灌浆后的岩体中取出岩芯，观察岩芯的结石情况、测定其抗压强度等力学指标，来评估灌浆质量。在Ⅲ号隧洞的钻孔取芯过程中，使用岩芯钻机在灌浆孔附近钻孔取芯。取出的岩芯应保持完整，避免受到损坏。对岩芯进行外观检查，观察其结石的密实程度、是否存在孔洞和裂隙等缺陷。在某一洞段取出的岩芯中，发现结石密实，无明显孔洞和裂隙，表明灌浆效果良好。通过实验室试验，测定岩芯的抗压强度等力学指标。采用压力试验机对岩芯进行抗压试验，按照相关标准加载，记录岩芯破坏时的荷载，从而计算出岩芯的抗压强度。将岩芯的抗压强度与设计要求进行对比，可判断灌浆是否达到预期的强度要求。在某一洞段的岩芯抗压试验中，测得岩芯的抗压强度达到了40MPa以上，满足设计要求，说明灌浆后岩体的强度得到了有效提高。7.2检测结果分析通过对压水试验、声波测试、钻孔取芯等多种检测方法获得的数据进行深入分析，全面评估天生桥二级水电站Ⅲ号隧洞围岩固结灌浆的效果。在压水试验方面，对Ⅲ号隧洞不同地质区域的多个灌浆孔进行压水试验后，整理分析数据发现，灌浆前岩体的透水率普遍较高，平均透水率达到12Lu左右。在碳酸盐地层，由于岩溶发育，溶洞、溶管和裂隙为地下水提供了大量通道，使得该区域的透水率较高，部分区域甚至超过20Lu。在砂页岩地层，虽然岩溶发育程度不如碳酸盐地层，但岩性软弱，节理裂隙较多，透水率也相对较高，一般在8-15Lu之间。经过固结灌浆后，岩体的透水率显著降低。在碳酸盐地层，平均透水率降至3Lu以下，大部分区域满足设计要求。在某一典型岩溶发育洞段，灌浆前透水率高达25Lu，灌浆后降低至2Lu，说明灌浆有效地封堵了岩溶通道，减少了地下水的渗漏。在砂页岩地层，平均透水率降低至5Lu左右，达到了设计的防渗标准。这表明固结灌浆在改善岩体防渗性能方面取得了良好效果，有效降低了隧洞的渗漏风险。声波测试数据显示，灌浆前岩体的声波波速较低，平均波速约为2800m/s。在碳酸盐地层，由于岩溶导致岩体完整性较差，声波波速相对较低，部分区域波速在2500m/s以下。在砂页岩地层，岩性软弱，波速也不高，一般在2600-3000m/s之间。灌浆后，岩体的声波波速明显提高，平均波速达到3500m/s以上。在碳酸盐地层，一些原本岩溶发育的区域，灌浆后波速提高到3800m/s左右，表明岩体的完整性得到了显著改善。在砂页岩地层，波速也提高到3200-3600m/s之间，说明灌浆增强了岩体的密实度和强度。通过对比灌浆前后的声波波速，可知固结灌浆有效提高了岩体的质量，增强了其承载能力和稳定性。钻孔取芯检测结果表明，大部分岩芯的结石情况良好，密实度较高，无明显孔洞和裂隙。对岩芯进行抗压强度测试，结果显示，灌浆前岩芯的平均抗压强度为30MPa左右。在碳酸盐地层，虽然岩石本身硬度较高，但由于岩溶和裂隙的存在，岩芯的抗压强度受到影响，部分岩芯抗压强度在25MPa以下。在砂页岩地层，岩性软弱，岩芯抗压强度更低，一般在20-30MPa之间。灌浆后，岩芯的平均抗压强度提高到45MPa以上。在碳酸盐地层，一些岩芯的抗压强度达到50MPa以上，说明灌浆后岩石的强度得到了大幅提升。在砂页岩地层，岩芯抗压强度也提高到35-45MPa之间，满足了工程对围岩强度的要求。综合各项检测结果，Ⅲ号隧洞围岩固结灌浆后，岩体的密实度、强度、渗透性等指标均有显著改善，达到了设计要求。在岩溶发育的碳酸盐地层和岩性软弱的砂页岩地层，灌浆有效地解决了围岩稳定性和防渗问题，为隧洞的长期安全运行提供了可靠保障。7.3灌浆效果评估综合各项检测结果，天生桥二级水电站Ⅲ号隧洞围岩固结灌浆对隧洞围岩稳定性和防渗性能产生了显著的改善效果。在围岩稳定性方面，从声波测试和钻孔取芯结果来看，灌浆后岩体的声波波速明显提高，平均波速从灌浆前的约2800m/s提升到3500m/s以上。这表明岩体的完整性得到了极大改善，内部的裂隙和孔洞被有效填充，岩石颗粒间的连接更加紧密，从而增强了岩体的承载能力。钻孔取芯检测显示，岩芯的抗压强度大幅提高，平均抗压强度从灌浆前的30MPa