淺談膨潤(rùn)土水泥漿在微細(xì)裂隙地層帷幕灌漿工程中的應(yīng)用

陳華俊

（云南保山萬(wàn)潤(rùn)水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司 678000）

1 工程概況

紅巖水庫(kù)建于怒江左岸支流蒲縹河上游，位于保山市隆陽(yáng)區(qū)蒲縹鎮(zhèn)雙河村紅巖腳，地理位置為東經(jīng)99°03′，北緯25°01′，距保山城區(qū)32.0km。水庫(kù)壩型為粘土心墻石渣壩，最大壩高61.0m，總庫(kù)容1525萬(wàn)m3，水庫(kù)設(shè)計(jì)灌溉面積1820hm2，防洪保護(hù)面積4.0km2。是一座以農(nóng)業(yè)灌溉為主，兼有對(duì)下游村鎮(zhèn)及農(nóng)田的防洪保護(hù)作用的中型水庫(kù)。

2 工程地質(zhì)條件

工程區(qū)位于橫斷山脈南段的青、藏、滇、緬、印尼巨型“歹”字形構(gòu)造體系西支中段與經(jīng)向構(gòu)造復(fù)合部位。構(gòu)造斷裂縱橫交錯(cuò)，主要由近北西向的壓性或壓扭性斷裂組成。區(qū)內(nèi)地震活動(dòng)頻繁。地震基本烈度為8度。地震動(dòng)峰值加速度為0.20g，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.45s。

庫(kù)區(qū)自南向北分別出露石炭系（C3w）、二疊系（P1q）、三疊系（T2h）等地層，壩址左岸T2h和P1q地層為滲漏區(qū)的主要地層。滲漏區(qū)除沖溝發(fā)育外，其他物理地質(zhì)現(xiàn)象不發(fā)育。庫(kù)區(qū)東、南、西三面水文工程地質(zhì)條件簡(jiǎn)單，不存在庫(kù)水外滲的永久滲漏通道。

壩基巖體以順河斷層F6為界，兩盤(pán)地層巖性及產(chǎn)狀均不同，左岸（下盤(pán)）為P1q白云質(zhì)灰?guī)r，右岸（上盤(pán)）為T(mén)2h白云巖、灰質(zhì)白云巖，F(xiàn)6為張扭性斷層，對(duì)兩盤(pán)巖體的破碎作用不強(qiáng)烈，構(gòu)造破碎帶后期充填膠結(jié)較好，壩基的承載能力滿(mǎn)足建壩要求?；鶐r上覆第四系松散層，厚度不均勻，物理力學(xué)指標(biāo)較差。壩基深部存在浸水易軟化的凝灰?guī)r，最小埋深為41.0m，且不連續(xù)，不存在沿軟弱結(jié)構(gòu)面滑動(dòng)的可能。左岸邊坡節(jié)理裂隙主要為垂直剪切，地層層面平整度差；右岸巖體較為完整，產(chǎn)狀近于水平；壩岸邊坡總體評(píng)價(jià)穩(wěn)定性好，但庫(kù)區(qū)巖層微細(xì)裂隙發(fā)育，壩基、壩肩存在嚴(yán)重滲漏，需進(jìn)行防滲處理。

3 膨潤(rùn)土水泥漿方案的選用

2007年12月30日，壩基及左岸帷幕灌漿工程開(kāi)工，為了確定適合紅巖水庫(kù)帷幕灌漿工程施工的可行性方案，分階段進(jìn)行了帷幕灌漿生產(chǎn)性試驗(yàn)。

第一階段布置了3個(gè)試驗(yàn)區(qū)，施工時(shí)間為2008年2月22日～6月3日，歷時(shí)103天?？拙?.5m，單排孔，最初采用“分段卡塞灌漿法”，由于地層原因，高壓卡塞很難卡住，后均改為“孔口封閉法”灌漿。水泥漿液采用6個(gè)比級(jí)的純水泥漿液進(jìn)行灌注。試驗(yàn)結(jié)束后，得出以下結(jié)論：采用普通水泥漿液灌漿，經(jīng)檢查孔檢查，各試區(qū)巖體的大裂隙能夠堵住，透水性大大降低，但總體上不能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)的小于5Lu的防滲要求，微細(xì)裂隙不能很好得到充填；分段卡塞灌漿法不能滿(mǎn)足施工要求。孔口封閉灌漿法經(jīng)常性的回漿失水變濃使得施工難度很大。為此進(jìn)行了新的生產(chǎn)性試驗(yàn)，目的在于調(diào)整工藝參數(shù)，優(yōu)化灌漿材料。

第二階段布置了1個(gè)試驗(yàn)區(qū)，施工時(shí)間為2008年5月27日～8月10日，歷時(shí)46天。分1.5m、2.0m、2.5m三種孔距布置，單排孔，分為膨潤(rùn)土水泥漿灌區(qū)和復(fù)合漿液（膨潤(rùn)土水泥漿+化學(xué)漿材）灌區(qū)?？滋?hào)為GK175～GK183，計(jì)11個(gè)灌漿孔，其中GK175～GK179、GK183孔采用膨潤(rùn)土水泥漿液灌注，GK180～GK182孔采用膨潤(rùn)土水泥漿液+改性硅酸鹽類(lèi)化學(xué)漿材復(fù)合灌注?？紤]到漿液失水回濃現(xiàn)象比較嚴(yán)重，GK175～GK179孔采用分段卡塞灌漿和模袋阻塞灌漿，GK180～GK183孔采用孔口封閉法灌漿（本文只對(duì)膨潤(rùn)土泥漿進(jìn)行闡述）試驗(yàn)結(jié)束后，得出以下結(jié)論：帷幕灌漿按不大于2.0m的孔距布置，采用膨潤(rùn)土水泥漿液灌注，巖體的透水率能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)小于5Lu的防滲要求；試驗(yàn)所采用的鉆孔、灌漿工藝技術(shù)基本適宜，具有可操作性。

根據(jù)第二階段的試驗(yàn)結(jié)果，確定了壩基及左岸帷幕灌漿工程采用膨潤(rùn)土水泥漿、“孔口封閉法”工藝進(jìn)行灌漿。

4 原材料及配合比

4.1 水泥

采用P.O42.5普通硅酸鹽水泥，主要性能指標(biāo)見(jiàn)表1。

4.2 膨潤(rùn)土

采用二級(jí)鈉基膨潤(rùn)土，主要性能指標(biāo)見(jiàn)表2。

表1 水泥主要性能指標(biāo)

表2 膨脹土主要性能指標(biāo)

4.3 配合比

該工程采用的膨潤(rùn)土水泥漿液，是將膨潤(rùn)土、水泥按照一定的比例進(jìn)行配制，使?jié){液可灌性增強(qiáng)，達(dá)到粒徑1mm左右，并可滲入滲透系數(shù)為10-2cm/s的土層、0.2mm寬的巖石裂隙之中。膨潤(rùn)土是以蒙脫石為主要礦物成分的粘土，遇水顆粒分散并產(chǎn)生膨脹膠體，膨潤(rùn)土中的粘粒含量比普通粘土的高得多，加入水泥漿中能吸附并制止水泥顆粒的沉積，使?jié){液成為穩(wěn)定漿液。膨潤(rùn)土還吸收水泥硬化的離析水繼續(xù)水化膨化，水化膨化后的膨潤(rùn)土膠體可與水泥顆粒結(jié)合形成凝固物。

4.3.1 膨潤(rùn)土水泥漿液的性能

純膨潤(rùn)土泥漿具有顆粒細(xì)、分散性和穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，但由于其結(jié)石強(qiáng)度較低，因此抗?jié)B壓、抗沖蝕性能較弱。水泥漿液的性能恬好與其互補(bǔ)，兩者按一定的比例配合，能形成滿(mǎn)足不同要求的漿液。

4.3.2 膨潤(rùn)土水泥漿液配合比

經(jīng)過(guò)綜合考慮，該工程采用的膨潤(rùn)土∶水泥漿灰土為100∶80，水固比為 5∶1、4∶1，純水泥漿液為 0.5∶1，主要用于大滲漏通道的封堵灌注。膨潤(rùn)土水泥漿液配合比及性能指標(biāo)見(jiàn)表3。

表3 膨脹土水泥漿液配合比及性能指標(biāo)

5 施工工藝

5.1 施工程序

帷幕灌漿按分序加密的原則進(jìn)行，共分三序施工。同次序灌漿孔可同時(shí)施工，下一次序孔與上次序孔之間，在基巖中鉆孔灌漿的間隔高差大于15m后下一次序孔方可開(kāi)始施工。

施工工藝流程見(jiàn)圖1。

圖1 帷幕灌漿施工工藝流程

5.2 孔位布置

灌漿孔單排布置，孔距2.0m，鉆孔平面布置情況見(jiàn)圖2。

5.3 鉆孔

鉆孔采用地質(zhì)鉆機(jī)、金剛石鉆頭或合金鉆頭、清水鉆進(jìn)工藝。灌漿孔及檢查孔開(kāi)孔孔徑均為91mm，終孔孔徑均為75mm。

在鉆孔過(guò)程中若孔壁掉塊，卡鉆現(xiàn)象嚴(yán)重，或孔口不返水，應(yīng)中止鉆進(jìn)或縮短鉆孔段長(zhǎng)。

5.4 鑲鑄孔口管

各孔均鑲鑄孔口管，非灌段鉆孔結(jié)束后，下入準(zhǔn)89的鋼管并導(dǎo)正，向管內(nèi)注入0.5∶1的純水泥漿液,直至從管壁外側(cè)返出后待凝48h。

5.5 裂隙沖洗及壓水試驗(yàn)

灌漿孔每段鉆孔結(jié)束后，均采用大水量進(jìn)行鉆孔沖洗，直至孔口回水澄清。

各孔段在灌漿前均結(jié)合壓水試驗(yàn)進(jìn)行了裂隙沖洗，直至回水清凈時(shí)止。

灌漿孔段在灌前均進(jìn)行建議壓水試驗(yàn)，壓水壓力為該段次灌漿壓力的80%，并小于1MPa。壓水時(shí)間20min，每隔3～5min測(cè)讀一次壓入流量，以終值作為計(jì)算流量。

灌漿孔所有灌后原位壓水孔段及檢查孔的淺表1～2段采用單點(diǎn)法壓水試驗(yàn)。灌后壓水試驗(yàn)壓力為該段次灌漿壓力的80%，并不大于1MPa；檢查孔1～2段壓水壓力為0.3MPa。壓入流量的穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)為：在穩(wěn)定的壓力下每3～5min測(cè)讀一次流量，連續(xù)4次讀數(shù)中最大值與最小值之差小于最終值的10%，或最大值與最小值之差小于1L/min時(shí)，本階段試驗(yàn)即可結(jié)束，取最終值作為計(jì)算流量，按透水率q=壓入流量Q/（作用于試段內(nèi)的全壓力P×試段長(zhǎng)度L）計(jì)算透水率。

圖2 帷幕灌漿布孔示意圖

檢查孔第二段一下的孔段采用3級(jí)壓力3點(diǎn)法壓水試驗(yàn)，3 級(jí)壓力分別為 0.2MPa、0.4MPa、0.6MPa。

5.6 膨潤(rùn)土水泥漿灌注

采用自動(dòng)集中制漿站制備漿液，水泥、膨潤(rùn)土等固相材料及加水量均采用稱(chēng)重法稱(chēng)量，稱(chēng)量誤差小于5%。漿液在施工前過(guò)篩，自制備至用完時(shí)間小于4h。

灌漿分段和灌漿壓力按表4執(zhí)行。

表4 各次序灌漿孔使用壓力

灌注漿液由稀到濃逐漸變換，先灌注水固比5∶1的膨潤(rùn)土水泥漿液，當(dāng)漿液注入量達(dá)到600L以上，或灌漿時(shí)間已達(dá)1h，而灌漿壓力和注漿率均無(wú)改變或改變不顯著時(shí)，改濃至4∶1的漿液灌注。

灌漿結(jié)束條件：在最大設(shè)計(jì)壓力下，孔段注入率不大于1L/min時(shí)繼續(xù)灌注60min。

全孔灌漿結(jié)束后采用壓力灌漿法封孔，封孔壓力采用該孔首段灌漿壓力，封孔時(shí)間30min。

5.7 特殊情況處理

a.灌漿過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)冒漿、漏漿，應(yīng)根據(jù)具體情況采用鑲縫、表面封堵、低壓、濃漿、限流、限量、間歇灌漿等方法進(jìn)行處理。

b.灌漿過(guò)程中，灌漿壓力或注入量突然改變較大時(shí)，立即報(bào)告給監(jiān)理工程師，共同查明原因，采取相應(yīng)措施。

c.灌漿過(guò)程中，每隔15～30min測(cè)記一次漿液濃度。當(dāng)發(fā)生回漿變濃時(shí)，應(yīng)換用相同水灰比的新漿進(jìn)行灌注，若效果不明顯，延續(xù)灌注30min，可停止灌注或按監(jiān)理工程師的指示執(zhí)行。

d.帷幕灌漿過(guò)程中如發(fā)生串漿時(shí)，采用以下方法處理：

?如被串孔正在鉆進(jìn)，要立即停鉆；

?串漿量不大于1L/min時(shí)，可在被串孔內(nèi)通入水流；

?串漿量較大，在串漿孔具備灌漿條件時(shí)，盡可能與被串孔同時(shí)進(jìn)行灌漿，應(yīng)一泵灌一孔，但應(yīng)注意控制灌漿壓力，防止巖體抬動(dòng)或襯砌變形。否則應(yīng)將串漿孔塞住，待灌漿孔灌漿結(jié)束后，應(yīng)立即掃開(kāi)串漿孔沖洗，而后再行灌注。

e.灌漿工作必須連續(xù)進(jìn)行，若因故中斷，可按照下述原則進(jìn)行處理：

?盡可能縮短中斷時(shí)間，及早恢復(fù)灌漿；

?若中斷時(shí)間超過(guò)30min，則要沖洗鉆孔，如無(wú)法沖洗或沖洗無(wú)效，則應(yīng)進(jìn)行掃孔，而后恢復(fù)灌漿；

?恢復(fù)灌漿后，開(kāi)始應(yīng)使用中斷前的水灰比，如吸漿量相似或略有減少，則應(yīng)逐漸加濃漿液，直至灌漿結(jié)束。如吸漿量較中斷前減少很多，且在很短時(shí)間內(nèi)停止吸漿，則認(rèn)為該灌漿段不合格，應(yīng)采取補(bǔ)救措施。

5.8 完成工程量

該工程施工從2008年5月27日開(kāi)始，至2009年7月28日完成，歷時(shí)428天。施工機(jī)組10個(gè)，20臺(tái)XY—2型地質(zhì)鉆機(jī)，10臺(tái)3SNS灌漿泵，一套集中制漿系統(tǒng)。完成鉆孔30786.19m，灌漿29153.21m。

6 質(zhì)量檢查及成果分析

6.1 質(zhì)量檢查

該次施工共布置了36個(gè)檢查孔，檢查孔均分段做三點(diǎn)法壓水試驗(yàn)。共完成壓水試驗(yàn)521段，合格515段，合格率98.8%，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

6.2 成果分析

6.2.1 壩基帷幕灌漿

壩基下游排Ⅰ序灌漿孔的單位注灰量為246.0kg/m，Ⅱ序灌漿孔的單位注灰量為224.8kg/m，Ⅲ序灌漿孔的單位注灰量為196.2kg/m，其中Ⅱ序孔比Ⅰ序孔遞減了8.6%，Ⅲ序孔比Ⅱ序孔遞減了12.7%；孔序之間逐序遞減。

壩基上游排Ⅰ序灌漿孔的單位注灰量為208.2kg/m，Ⅱ序灌漿孔的單位注灰量為187.0kg/m，Ⅲ序灌漿孔的單位注灰量為174.7kg/m，其中Ⅱ序孔比Ⅰ序孔遞減了10.2%，Ⅲ序孔比Ⅱ序孔遞減了6.6%；孔序之間逐序遞減。

壩基各次序孔的平均單位注灰量均遵循逐序遞減的規(guī)律，同時(shí)下游排和上游排之間也遵循逐排遞減的規(guī)律，說(shuō)明隨著灌漿次序及排序的增進(jìn)，巖體逐漸被灌注密實(shí)。而且隨孔序的增加，低透水率灌漿段頻率增加，較大透水率的孔段頻率明顯減少。

6.2.2 右岸帷幕灌漿

右岸Ⅰ序灌漿孔的單位注灰量為234.2kg/m，Ⅱ序灌漿孔的單位注灰量為184.1kg/m，Ⅲ序灌漿孔的單位注灰量為147.5kg/m，其中Ⅱ序孔比Ⅰ序孔遞減了21.4%，Ⅲ序孔比Ⅱ序孔遞減了19.9%；孔序之間遞減趨勢(shì)明顯。

右岸各次序孔的平均單位注灰量均遵循逐序遞減的規(guī)律，說(shuō)明隨著灌漿次序的增進(jìn)，巖體逐漸被灌注密實(shí)。而且隨孔序的增加，低透水率灌漿段頻率增加，較大透水率的孔段頻率明顯減少。

6.2.3 灌漿洞帷幕灌漿

灌漿洞下游排Ⅰ序灌漿孔的單位注灰量為170.6kg/m，Ⅱ序灌漿孔的單位注灰量為184.9kg/m，Ⅲ序灌漿孔的單位注灰量為121.3kg/m，其中Ⅱ序孔比Ⅰ序孔增加了8.4%，Ⅲ序孔比Ⅱ序孔遞減了34.4%。其中I、Ⅱ序灌漿孔沒(méi)有遵循逐序遞減的規(guī)律，主要原因是地層復(fù)雜，巖石可灌性較差，內(nèi)部裂隙連通性較差，少數(shù)孔注入量不均勻。通過(guò)I、Ⅱ序孔灌漿Ⅲ序孔平均透水率逐序遞減規(guī)律明顯。灌漿洞上游排Ⅰ序灌漿孔的單位注灰量為187.6kg/m，Ⅱ序灌漿孔的單位注灰量為138.1kg/m，Ⅲ序灌漿孔的單位注灰量為104.8kg/m，其中Ⅱ序孔比Ⅰ序孔增加了26.4%，Ⅲ序孔比Ⅱ序孔遞減了24.1%；孔序之間遞減趨勢(shì)明顯。

灌漿洞各次序孔的平均單位注灰量雖然有反常情況，但基本還是遵循逐序、逐排遞減的規(guī)律，說(shuō)明隨著灌漿次序的增進(jìn)，巖體逐漸被灌注密實(shí)。而且隨著孔序的增加，低透水率灌漿段頻率增加，較大透水率的孔段頻率明顯減少。

7 結(jié)語(yǔ)

膨潤(rùn)土水泥漿液的可灌性較好，具有良好的流動(dòng)性和可控性，有利于地層內(nèi)微細(xì)裂隙的漿液灌注。紅巖水庫(kù)工程微細(xì)裂隙較為發(fā)育的灰?guī)r地區(qū)采用膨潤(rùn)土水泥漿液灌注，經(jīng)檢查和驗(yàn)證，是可行的。取得了較好的效果，達(dá)到了預(yù)期目的。