可控粘土復(fù)合膏漿灌注技術(shù)在巖溶地層中的應(yīng)用

趙迪華

（湖南五凌電力有限公司 長沙市 410004）

譚 勇 賓 斌 夏 杰

（湖南宏禹水利水電巖土工程有限公司 長沙市 410007）

1 粘土復(fù)合膏漿灌注技術(shù)簡介

目前常用于巖溶地層處理的灌漿材料主要有水泥漿、水泥粘土漿、水泥砂漿等。采用水泥漿或水泥粘土漿應(yīng)用于巖溶地層時，因其流動性好，在灌注裂隙發(fā)育、連通性好、透水強(qiáng)烈的巖溶地層時，容易出現(xiàn)灌漿量相當(dāng)大、長時間不起壓，無效灌漿量過多，造成工程施工時間長，材料損耗大；采用水泥砂漿時，須用砂漿泵進(jìn)行灌漿，在灌漿過程中容易出現(xiàn)砂漿離析、堵管、灌漿壓力不夠等，造成帷幕效果較差。

粘土復(fù)合膏漿灌注技術(shù)是采用以粘土為主的膏狀漿液，漿液的流動度控制在（60～130）mm 之間，利用高壓力、大流量的雙缸泵，脈動式地進(jìn)行擠壓灌注密實(shí)。主要技術(shù)原理是利用高壓力、大流量的雙缸泵將流動性較小的粘土復(fù)合膏漿，以擠壓方式注入到巖溶洞穴中，通過充填、擠壓密實(shí)方式將溶洞充填物擠密固結(jié)，從而達(dá)到控制漿液擴(kuò)散半徑，快速形成有效防滲幕體的目的。

2 粘土復(fù)合膏漿灌注方法及工藝參數(shù)

（1）灌漿材料及灌漿設(shè)備。

水泥：通用普通硅酸鹽水泥。

粘土：就近選用優(yōu)質(zhì)粘土或粉質(zhì)粘土，通過使用粘土復(fù)合制漿機(jī)制成粘土原漿，密度控制在（1.25～1.30）g/cm3，并存放在漿池中備用，必要時加入微量抗粘土沉淀劑。

固化劑：主要是水玻璃，按水泥重量的3%～6%控制；速凝劑按水泥量的3%～5%摻加，根據(jù)漿液稠度，選擇一種或兩種同時摻加。

外加劑：摻加量按水泥重量的0.50%～1%控制，調(diào)節(jié)漿液的稠度。

灌漿設(shè)備：采用研究開發(fā)的雙缸間歇往復(fù)泵，最大灌漿壓力可達(dá)到15MPa，單缸泵送流量大于15 L/次，一分鐘泵送次數(shù)可達(dá)15次。

（2）漿液制備。

制漿采用高速制漿機(jī)制取水泥漿，攪拌時間不少于30 s，漿液制備完成后，送入攪拌桶中；然后泵送入粘土原漿，攪拌（3～5）min；加入固化劑攪拌，最后加入外加劑。根據(jù)地層的灌入量和灌漿壓力情況，調(diào)整固化劑和外加劑的摻合比，控制漿液的灌漿半徑。

（3）灌漿方法。

采用自下而上分段灌漿的方法，灌漿過程中孔口不封閉，如果孔口冒漿，說明漿液的稠度達(dá)不到控制灌漿的要求，須改變配合比，增濃漿液，直到孔口不冒漿。

（4）施工參數(shù)。

① 灌漿段長：每段段長長度可為（10～15）m，單次提升灌段長原則上為（0.3～0.5）m，遇特殊情況，如構(gòu)造破碎帶，遇溶洞及特殊地層時，回水減少或消失時，段長則不受上述限制，應(yīng)立即灌漿。

② 灌漿壓力：灌漿壓力根據(jù)段深進(jìn)行控制，孔口段灌漿壓力1.0MPa左右，孔口段以下大于2.0MPa。

（5）灌漿順序。

各孔分序進(jìn)行施工，先施工Ⅰ序孔，再施工Ⅱ序孔，帷幕灌漿孔完成14天后再施工檢查孔。

（6）單孔施工程序。

自下而上膏漿灌注施工程序：施工準(zhǔn)備—→鉆孔放樣—→鉆機(jī)定位安裝—→鉆進(jìn)第一段長—→制漿—→送、灌漿至本段灌漿結(jié)束—→繼續(xù)掃孔鉆進(jìn)，穿過溶洞至完整巖段—→下入灌漿管—→灌漿設(shè)備安裝—→制漿—→送、灌漿—→分段提管送、灌漿—→重復(fù)至全孔灌漿結(jié)束—→封孔—→單孔資料整理提交。

3 工程應(yīng)用

3.1 沅水托口水電站河灣地塊防滲工程

3.1.1 工程地質(zhì)概況

地層主要為：礫石加粘土、全風(fēng)化礫巖、全風(fēng)化泥巖、泥巖和頁巖、巖和礫巖溶蝕接觸帶、灰?guī)r。其中：灰?guī)r段：灰白色，巖芯破碎，呈塊狀～短柱狀，破裂面溶蝕跡象明顯，溶蝕面呈黃褐色。此層位溶洞較發(fā)育，半充填-無充填狀態(tài)，高度（0.3～3）m 左右，主要分布在紅層底部接觸帶?；?guī)r段巖溶較發(fā)育。

3.1.2 施工工藝參數(shù)

根據(jù)工程地質(zhì)特性，Ⅰ序孔采用粘土水泥復(fù)合膏漿灌注技術(shù)，主要對紅層段、紅層與灰?guī)r段接觸帶、灰?guī)r巖溶等進(jìn)行灌漿；Ⅱ序孔采用粘土水泥穩(wěn)定漿液方案進(jìn)行灌注施工。

（1）粘土水泥復(fù)合膏漿材料配比及選用原則（表1）。

表1 改性粘土水泥膏漿配比和結(jié)石性能

其中GJ1#適用于一般紅層灌漿段，GJ2#、GJ3#適用于紅層與灰?guī)r接觸帶灌漿、灰?guī)r巖溶充填灌漿等耗漿量較大的部位。對于灌漿量較大的溶洞，再加入適量外加劑。

（2）灌漿壓力及控制參數(shù)（表2）。

3.1.3 效果分析

根據(jù)已完成試驗孔，Ⅰ序孔膏漿施工計165.30m，灌入漿量419 781 L，單耗2 539.5 L/m。Ⅱ序孔穩(wěn)定漿液施工計82.65m，灌入漿量25131L，單耗260.5L/m。統(tǒng)計成果表明序次上與常規(guī)灌漿規(guī)律存在較大的差別，Ⅱ序孔單耗較Ⅰ序孔減少89.7%。這種情況充分說明：

（1）灰?guī)r地層巖溶發(fā)育，可灌性強(qiáng)。

（2）灰?guī)r段通過Ⅰ序孔灌漿后，Ⅱ序孔灌漿量明顯減少，僅為Ⅰ序孔的10.3%。

（3）灌漿量明顯受灰?guī)r地層內(nèi)的巖溶發(fā)育情況所控制，65%的灌漿量直接消耗于明顯無充填物溶洞段的充填。

在生產(chǎn)性灌漿試驗各區(qū)，施工檢查孔后，測得紅層、不整合接觸帶灌后滲透系數(shù)在（3.70×10-6～2.35×10-5）cm/s之間，灰?guī)r層灌后透水率均＜5 Lu，基本符合防滲標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.2 江西宜豐豎井帷幕防滲工程

3.2.1 工程概況

工程位于宜豐縣新莊鎮(zhèn)口溪村與高安市村前鎮(zhèn)交界處，主井?dāng)M建井筒直徑4.0m，井深500m。副井?dāng)M建井筒直徑5.0m，井深500m。

主、副井上部分布第四系砂卵石和礫巖巖溶強(qiáng)含、透水層。前期勘察時，揭露紅層礫巖溶洞巖溶水含、透水層后，抽水試驗深井潛水泵安裝在孔深28 m處，采用大吸程、大泵量進(jìn)行，測得單井最大出水量為3 442.18m3/d，滲透系數(shù)為1.701m/d，單位涌水量為118.73m3/d·m。據(jù)水文、工程、環(huán)境地質(zhì)預(yù)測，主、副提升井開鑿時，將對緊鄰主、副提升井的周邊房屋建筑、地面、地表水系產(chǎn)生不同程度影響，甚至引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害。因此，設(shè)計對砂卵石層采用高噴灌漿（上部0～11.3m），對礫巖巖溶層進(jìn)行帷幕灌漿（下部11.3m～80m）防滲處理，確保施工及周邊建筑物安全。

3.2.2 工程地質(zhì)條件

工程部位自上而下巖性為：

（1）（0.0～11.30）m 為第四系粉質(zhì)粘土、中粗砂、砂卵石，其中中粗砂、砂卵石透水強(qiáng)烈。

（2）（11.30～63.70）m 為白堊系南雄群，灰白色、棕紅色、淺灰色礫巖，層狀構(gòu)造。礫質(zhì)成分大部為灰?guī)r、花崗巖，少量為砂巖、硅質(zhì)巖，鈣、泥質(zhì)膠結(jié)，裂隙較發(fā)育，裂面見溶蝕現(xiàn)象。

（3）（63.70～500.30）m 為花崗斑巖。 上部風(fēng)化較劇烈，裂隙發(fā)育，下部巖體完整。

主、副提升井白堊系南雄群灰白色、棕紅色、淺灰色的礫巖中鉆孔遇有六層溶洞，其中規(guī)模最大的溶洞為（43.05～46.15）m 段，洞高 3.10m，其余洞高分別在（0.20～0.85）m之間。溶洞內(nèi)砂、礫石及泥質(zhì)物充填，半充填狀，與上部第四系連通性好，含豐富的巖溶地下水，鉆進(jìn)該層時，回水全部漏失。

3.2.3 巖溶帷幕灌漿設(shè)計

針對地層的可灌性，灌漿孔按單排布置，孔距2 m，灌漿孔深進(jìn)入花崗斑巖層內(nèi)透水率＜3 Lu以下5m。覆蓋層用Φ130開孔，埋入Φ127mm鋼管（埋管既作為灌漿孔口管，又作井筒護(hù)壁鋼管樁使用），灌漿孔分Ⅱ序施工，采用水泥灌漿結(jié)合粘土復(fù)合膏漿進(jìn)行處理，I序孔中 （11.30～63.70）m采用粘土復(fù)合膏漿進(jìn)行處理，灌漿壓力都采用（2～3）MPa，其它孔、段采用水泥灌漿進(jìn)行處理，水泥灌漿采用采用孔口封閉法，灌漿壓力（1.5～2.0）MPa。粘土水泥復(fù)合膏漿材料配比為粘土∶水泥∶水玻璃∶外加劑=600∶400∶20～30∶1～2，漿液流動度控制在為（70～85）mm。

3.2.4 灌漿效果分析

該工程主井、副井按照相關(guān)設(shè)計布置和相關(guān)技術(shù)要求，施工共完成32個孔，累計灌漿段長2160.7m，灌入水泥1 716.38 t，單位注入量794.36 kg/m，灌入粘土881.25 t。帷幕灌漿施工完成后，綜合效果表明帷幕灌漿質(zhì)量較好，達(dá)到預(yù)期效果。

（1）單位注入量逐序減少明顯。主井先施工的?序孔單位注入量1 225.7 kg/m，后施工的Ⅱ序孔單位注入量165.2 kg/m。副井先施工的Ⅰ序孔單位注入量1589.3 kg/m，后施工的Ⅱ序孔單位注入量145.3 kg/m。

（2）礫巖內(nèi)巖溶充填密實(shí)。通過檢查孔鉆孔表明，鉆孔巖芯多呈柱狀，膠結(jié)良好，可見明顯長柱狀水泥、粘土結(jié)石體，說明灌漿效果較好。

（3）主井、副井巖溶帷幕灌漿檢查孔壓水試驗透水率均＜3Lu，滿足設(shè)計要求。施工檢查孔3個（主井2個，副井1個），壓水試驗39段，透水率均＜3Lu，全部合格。

4 結(jié)語

（1）可控粘土復(fù)合膏漿灌漿在巖溶地層、粗大孔隙內(nèi)灌漿相比常規(guī)灌漿具有鮮明的優(yōu)點(diǎn)。主要體現(xiàn)在：施工期短，見效快；摻加固化劑及外加劑基本無毒，價格較低，容易采購和保存；適應(yīng)性強(qiáng)，不受場地大小、施工環(huán)境條件限制；施工周期短、見效快；灌漿材料主要為水泥和粘土，造價低，經(jīng)濟(jì)、節(jié)能環(huán)保優(yōu)勢顯著。

（2）可控粘土復(fù)合膏漿灌注技術(shù)對于地層內(nèi)粗大孔隙的漏水處理具有見效快、工期短、不受地質(zhì)條件、環(huán)境因素制約、適用性強(qiáng)，能快速解決工程建設(shè)中出現(xiàn)的各種因強(qiáng)透水而引發(fā)的工程問題，是防滲堵漏的一種簡便、快捷的處理方法，在工程上具有廣闊的應(yīng)用前景。但由于漿液組成的特殊性和工具參數(shù)選擇的多變性，合理把握漿液配合比、施工工藝及參數(shù)是該方法成敗的關(guān)鍵，有效注入量的控制直接決定防滲堵漏的效果與經(jīng)濟(jì)性。