(一)工程应用概况
小浪底水利枢纽工程位于河南洛阳以北40km的黄河干流上,上距三门峡水库130km,下距郑州花园口115km,是黄河干流上自三门峡以下唯一能够取得较大库容的控制性工程,以防洪减淤为主,兼顾供水、灌溉、发电功能。水库大坝为壤土斜心墙堆石坝,最大坝高154m,坝顶长1667m,水库总库容126.5亿m3,2001年底竣工,属国家“八五”重点项目。自2004年2月下旬以来,在相近库水位下工程坝基渗漏量明显增大。为控制坝基渗漏总量,曾对小浪底水利枢纽左坝肩实施防渗补强帷幕灌浆。灌浆后用数字式全景钻孔摄像系统对3号灌浆洞内的3个质量检查钻孔进行钻孔摄像测试,观察研究钻孔内裂隙的充填情况,并对灌浆效果进行评估。
图9-39 摄像预测局部剖面图
图9-40 传统方式预测局部剖面图
图9-41 钻孔摄像提供的地质剖面图
图9-42 传统地质预测提供的地质剖面图
3号灌浆洞帷幕补强灌浆段的地层为下三叠统刘家沟组,岩性主要以紫红色厚层、巨厚层状细砂岩为主,夹薄层泥质粉砂岩、粉砂质页岩、薄层泥岩透镜体和黏土岩。穿越F238断层和F236断层及其影响带,但测试的钻孔不在断层影响带内。
3号灌浆洞帷幕灌浆工程投入钻机25台及灌浆泵11台,共完成帷幕钻孔进尺26506.3m,帷幕灌浆进尺26390.6m,增加的明流洞环形帷幕补强上仰钻孔120.8m,上仰孔灌浆116.8m。
(二)钻孔摄像的观测结果
数字式全景钻孔摄像系统的水平分辨率和垂直分辨率为0.3mm和0.16mm,可用于孔内节理裂隙等细观构造的观察和量测。在3号灌浆洞J3D-02-3,J3D-09-1和J3D-10-2等检查孔中进行整孔测试。测试结果表明,3个钻孔的孔壁均较为完整;共统计了304条裂隙,近水平裂隙占总数的48.36%(图9-43),裂隙的宽度都在2～24mm之间,小于10mm的裂隙占总数的66.12%(图9-44)。
图9-43 裂隙产状分布图
图9-44 裂隙宽度分布图
天然岩体内存在着大量的裂隙和孔隙。岩体中的孔隙尺寸一般较小但数量较多,由于浆液比较黏稠,几乎不能渗入孔隙中;而裂隙数量少但渗透性好,浆液主要在岩体裂隙中流动。作为灌浆直接对象的岩体裂隙的宽度、方向、连通性、填充物等性质对灌浆效果有较大影响。一般来说,裂隙张开度要大于水泥最大颗粒尺寸3倍,水泥浆方能渗入裂隙。室内模拟灌浆试验表明,当裂隙宽度小于0.15mm时,普通水泥浆难以渗入。
灌浆时,灌浆孔内的浆液在压力作用下向井周渗透,主要沿岩体内裂隙网络连通性较好、延伸较远的裂隙流动,形成渗流路径;与主渗流路径相连通的张开裂隙或延伸较短的裂隙,被浆液充填凝固后形成水泥结石;与渗流路径没有连通的裂隙则被忽略,或在灌浆压力下被劈裂而部分充填,造成不同的充填效果。
在J3D-02-3,J3D-09-1和J3D-10-2等钻孔中,数字钻孔摄像观测孔内全充填、半充填砂浆和砂浆流出的裂隙条数、产状、宽度等详细情况见表9-7。J3D-02-3孔在72.8m处堵孔,72.8m以上有1.8m的破碎带。J3D-09-1孔中孔壁完整,3D-10-2孔中有3段孔壁沿裂隙破碎,并为水平裂隙所截。全充填和半充填主要发生宽度较小(＜10mm)的裂隙上,在宽度相对较大的裂隙以砂浆流出方式为主。
3个检查孔的测试结果如下:
1)裂隙砂浆充填有全充填、半充填和砂浆流出等3种形式。全充填主要发生在宽度较小(4～7mm)的裂隙上,半充填的裂隙的宽度较大(4～10mm),砂浆流出的情形有两种:一是从岩性层面或裂隙中流出,此时流出的砂浆量少,痕迹细而短,仅在层面的个别部位能见到;另一种则是在宽度相对较大的裂隙中,能见到砂浆流出量较大,呈“帘状”从裂隙流出后在孔壁上留下痕迹。
表9-7 3个灌浆检测孔内充填砂浆和砂浆流出的裂隙产状和宽度分布
图9-45为J3D-02-3孔的孔壁图像,砂浆从61.34m的近水平裂隙中流出,裂隙下方360°的孔壁都可见流出痕迹,为裂隙全充填情况。由于钻孔是灌浆完成后才布置,砂浆流出现象说明灌浆时有砂浆从此裂隙处流过,灌浆完成后尚未凝固的浆液在钻孔过程中从裂隙内回流到钻孔中并在其下的孔壁上留下痕迹。说明此裂隙为灌浆时砂浆的一条渗流通道。
图9-45 J3D-02-3孔中全充填砂浆和砂浆流出裂隙孔壁图像
(a)孔壁平面展开图;(b)三维虚拟岩心图
图9-46为J3D-09-1孔的孔壁图像,图中裂隙为半充填类型,裂隙上方、中部和下部的白色块状体为砂浆结石。13.52m和12.96m处的近水平裂隙中白色的亮块为砂浆结石。其他裂隙中也有类似情形。
图9-46 J3D-09-1孔中半充填砂浆裂隙的孔壁图像
(a)孔壁平面展开图;(b)三维虚拟岩心图
2)砂浆主要充填连通裂隙。在相邻孔中相同深度产状近似的裂隙是否被充填取决于灌浆孔的连通状况。
同高程的J3D-09-1和J3D-10-2两孔(相差25.3m)中产状相近,充填砂浆的裂隙共有12对。其中,两孔内有7处程度不一的砂浆充填或流出;有5条裂隙不全见砂浆,而以J3D-09-1孔见砂浆的居多。岩层以近水平产出,比较砂浆情况,这些同一深度上充填砂浆的裂隙可能就是砂浆的主要渗流通道。
图9-47(a)、(b)为J3D-09-1孔和J3D-10-2孔在同一深度的孔壁图像,二者裂隙倾向倾角相近,图9-47(a)中的裂隙宽度变化范围略大,纵向长度较长,并且为全充填;而图9-47(b)中裂隙纵向长度短,且宽度也小,不见砂浆充填。
图9-47 J3D-09-1孔全充填裂隙和同一深度下J3D-10-2孔相似裂隙未充填的孔壁图像
(a)J3D-09-1孔;(b)J3D-10-2孔
3)破碎带充填与否主要与破碎带的规模、性质和与灌浆孔隙连通性有关。规模小的破碎带仅在较小的区域内存在,若在浆液影响带之外,与渗流路径缺乏联系,则难以被浆液全充填甚至不充填;若在浆液影响带之内,充填情况视连通度、灌浆液稠度、灌浆压力等而定。
J3D-09-1孔的孔壁完整,而J3D-10-2孔有3处孔壁较为破碎。图9-48给出的36.2～38.4m和40.2～42.4m两处孔壁图像表明:①图中的SE向裂隙半充填砂浆,上部为水平裂隙所截,37.2m和38.0m处可见砂浆流出;②自36.4m到37.1m为破碎带,孔壁平面裂隙轮廓清晰,其宽度逐渐变大,钻进时有掉块进入,至37.9m处水平裂隙止未见砂浆;③图中SW向裂隙在40.9m和41.2m处为砂浆充填,41.6m处水平裂隙中有微量砂浆流出;④在破碎带中,40.7m处的裂隙半充填砂浆,41.0m处的裂隙全充填砂浆。在41.3m和41.5m孔壁处可见堆积的石块。个别位置上黏附的灰绿色物质估计为水泥。J3D-10-2孔比J3D-09-1的孔壁更破碎。J3D-09-1有裂隙充填砂浆或流出,而J3D-10-2孔的破碎带往钻孔径向延伸并不远,这部分岩体可能属于夹层,钻探中沿岩层薄弱处发生掉块。
图9-48 J3D-09-1孔和J3D-10-2孔的孔壁图像
(a)、(c)为J3D-09-1孔中两段充填砂浆裂隙的孔壁图像;(b)、(d)为相同深度下J3D-10-2孔破碎带内不同充填效果的图像
(三)钻孔摄像的结果分析
通过分析3个钻孔的数字全景钻孔摄像测试结果,可得出如下结论:
1)灌浆孔内的浆液在一定压力下主要沿裂隙网络中连通性较好、延伸较远的裂隙向孔外岩体渗透;与主渗流路径相连通的裂隙或延伸较短的裂隙被浆液直接充填凝固后形成水泥结石;与渗流路径未连通的裂隙则被忽略,或在灌浆压力下劈裂而部分充填,造成全充填、半充填和砂浆流出等几种充填效果。全充填和半充填主要发生在宽度较小(4～10mm)的裂隙上。
2)破碎带充填与否主要与破碎带的规模、性质和与灌浆路径连通性有关。规模小的破碎带仅在较小的区域内存在,若在浆液影响带之外,与连通性较好的裂隙缺乏联系,则难以被浆液全充填甚至不充填。
3)观察到砂浆充填和流出的裂隙占裂隙总数的40.1%,其中84.4%为宽度小于10mm的裂隙。该类裂隙占裂隙总数的33.9%。一般而言,宽度小的裂隙延伸也不远,被砂浆充填的前提条件是必须与灌浆渗流路径连通。因此用充填裂隙占裂隙总数的百分比来评价灌浆效果的好坏时,还需要做更多的工作来确定一个统一的标准。此次3个钻孔的钻孔摄像图像表明,灌浆效果是明显的,灌浆后左岸山体部分坝基渗水量最大减幅为20.84%。
4)与声波测试通过灌浆前后岩体的波速变化反映灌浆效果不同,数字钻孔摄像直接观察灌浆检查孔的孔壁,给出充填砂浆裂隙的孔壁图像,统计未充填、充填砂浆裂隙的数量、充填程度以及砂浆流出情况,再综合多个相邻孔的砂浆充填情况来达到评价灌浆效果的目的。此次钻孔摄像给出的充填砂浆裂隙的孔壁图像在图像的清晰度和精度方面都达到了灌浆效果评价的要求,说明该技术用于观察砂浆充填效果是可行的。
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