速凝水泥膏漿灌漿技術(shù)在格里橋水電站工程中的應(yīng)用

張 旭，賈梅艷，黃 云

(四川二灘國(guó)際工程咨詢有限責(zé)任公司，四川成都 610072)

1 溶洞地質(zhì)分析

貴州格里橋水電站右岸高程650m灌漿隧洞根據(jù)開挖揭露的情況，地質(zhì)條件復(fù)雜，巖溶強(qiáng)發(fā)育。位于壩橫K0+78.8m(Dr2危巖體底部)發(fā)育S101泉水點(diǎn)，枯季流量為2～3l/s，雨季一般流量10～15l/s，但在暴雨過后流量變大，最大流量近1m3/s。2009年5月12日，由于來水較大、下游出水口通道排量有限導(dǎo)致排水不暢，致使右岸高程650m灌漿隧洞(樁號(hào):K0+521～K0+538m段)底板出現(xiàn)了嚴(yán)重的破壞性抬動(dòng)開裂，隧洞內(nèi)積水深達(dá)0.8m左右，從7號(hào)施工支洞和大壩壩體廊道分向流出，此股涌水一直持續(xù)了約36h左右。隨后在隧洞K0+489～K0+574m間的施工物探孔做了3對(duì)CT。從物探成果分析得出:隧洞底板5m以下為強(qiáng)溶蝕及巖溶管道區(qū)。物探揭露巖溶管道為溶洞群，單個(gè)溶洞直徑約15m，最深的部位在K0+499～K0+539m之間，巖溶管道底部高程625m。在右岸高程724m廊道樁號(hào)K1+070m左邊墻發(fā)育一溶洞，溶洞向低高程發(fā)育，穿過帷幕線后向上游發(fā)育，端頭高程為685～690m，全溶洞僅在端頭處見流水。為了進(jìn)一步了解右岸724m溶洞、右岸650m溶洞及S101泉水點(diǎn)三者之間的關(guān)系，在右岸724m溶洞進(jìn)行了連通試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，右岸724m溶洞、右岸650m溶洞與S101泉水點(diǎn)是連通的，連通時(shí)間約2h。從WT1、WT2兩個(gè)物探孔地下水位分析，兩個(gè)物探孔測(cè)得地下水位距右岸650m隧洞底板分別為11.8m、12.3m，地下水位高程約為640m，與前推測(cè)一致。此高程高于目前上游河水位(高程630m)。

總體分析，S101巖溶管道發(fā)育于帷幕上游，順斷層上盤發(fā)育，并于WT1一帶斜穿帷幕，并最終由S101泉排出。

2 方案選擇

方案一:在右岸650m隧洞K0+538m位置靠上游開挖一條等同灌漿隧洞尺寸的支洞繞過溶洞至K0+521m，對(duì)支洞內(nèi)進(jìn)行混凝土襯砌和防滲墻施工，以達(dá)到防滲堵漏效果;然后再在主灌漿洞內(nèi)進(jìn)行帷幕防滲灌漿施工。

方案二:(1)在右岸650m隧洞溶洞段K0+485.15～K0+536.60m部位的底板破壞位置進(jìn)行混凝土澆注，在上游面邊墻底部位置打一排排水孔，以降低隧洞混凝土承受山體內(nèi)涌水的水頭壓力，并對(duì)隧洞溶洞段邊墻、頂拱已澆的混凝土進(jìn)行錨桿加固處理。(2)底板混凝土達(dá)到齡期后，對(duì)溶洞段底板布置多排灌漿孔:首先，在該部位帷幕灌漿軸線上、下游底板各布置一排副帷幕灌漿孔，孔深入完整基巖5m，采用速凝水泥膏漿進(jìn)行灌注，在副帷幕各孔灌漿結(jié)束之后下一根φ25同孔深的鋼筋進(jìn)行破碎帶的加固;其次，再用穩(wěn)定漿液進(jìn)行主帷幕灌漿以及補(bǔ)強(qiáng)灌漿施工，補(bǔ)強(qiáng)帷幕灌漿孔布置在隧洞帷幕軸線上、下游與副帷幕孔排之間(孔深入完整基巖5m)。

為了使大壩防滲帷幕灌漿工作保質(zhì)、保量地順利完工，確保電站在預(yù)定的節(jié)點(diǎn)日期下閘蓄水發(fā)電，經(jīng)過多方的咨詢論證，最后討論決定采用方案二對(duì)溶洞段進(jìn)行先堵后補(bǔ)強(qiáng)的方法。對(duì)該溶洞段多次進(jìn)行了水泥穩(wěn)定漿液、混合漿液以及大孔徑灌注水泥砂漿等處理，但效果都不是很好，且灌漿材料流失嚴(yán)重。隨后引進(jìn)速凝水泥膏漿灌漿法進(jìn)行堵漏，采用水泥粉煤灰混合漿液補(bǔ)強(qiáng)防滲灌漿。在本工程，速凝膏漿灌漿對(duì)溶洞堵漏取得了顯著的效果，解決了普通灌漿漿液材料灌注效果不佳的難題。

3 速凝水泥膏漿特性

速凝水泥膏漿是在普通水泥漿液中摻入大量的黏土、膨潤(rùn)土、粉煤灰等摻合料及少量外加劑混合攪拌而成的低水灰比的膏狀漿液。通過不同摻量的外加劑和漿液中的其他摻物進(jìn)行一系列的反應(yīng)可以改變膏漿漿液的凝結(jié)時(shí)間，使?jié){液的初始剪切屈服強(qiáng)度可以克服其本身重力的影響。其主要性能是抗水流沖釋性能和快速自堆積性能，有利于節(jié)理裂隙開度較大的巖體或堆石體架空地層的灌漿。

3.1 抗水流沖釋性能

速凝水泥膏漿漿液中含有大量的黏土、膨潤(rùn)土、粉煤灰等摻合料，黏土的粘接作用和抗?jié)B透作用使膏漿成為一個(gè)整體。流動(dòng)的水流不能進(jìn)入膏漿內(nèi)部，從而使膏漿漿液中的水泥顆粒、黏土顆粒不會(huì)產(chǎn)生離析現(xiàn)象。此時(shí)的流水只能從膏漿的邊緣進(jìn)行淘刷，使膏漿中的摻物顆粒逐步從其外圍產(chǎn)生離析，而不會(huì)像普通水泥漿液、砂漿等那樣遇到水流就產(chǎn)生離析，因此水泥膏漿具有一定的抗水稀釋能力。

由于膏漿的抗水稀釋能力，使得膏漿體能形成一個(gè)整體來抵抗水流的沖刷。因此要使水泥膏漿產(chǎn)生流動(dòng)，流水的流速或者沖刷強(qiáng)度應(yīng)大于膏漿的剪切屈服強(qiáng)度。而水泥膏漿的剪切屈服強(qiáng)度也會(huì)隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸的增大，使其自身具有相當(dāng)大的抗沖釋能力。

3.2 流動(dòng)特性和擴(kuò)散特性

水泥膏漿是典型的賓漢流體，其流變特性可以用下式表示:

式中 τB——賓漢流體的剪切屈服強(qiáng)度;

η——賓漢流體的塑性粘滯系數(shù)。

速凝水泥膏漿漿液灌漿與普通高含水量水泥漿液灌漿相比較，兩者漿液在相同介質(zhì)中的擴(kuò)散形式完全不同。在用高含水量水泥漿液灌漿的情況下，巖體中裂隙的填充是由普通水泥漿液中的水泥顆粒在一定壓力作用下流動(dòng)，水泥顆粒在流動(dòng)的路途中逐漸沉淀而形成的。發(fā)生這種情況的原因是因?yàn)?，漿液的流動(dòng)速度隨著離灌漿孔的距離增加而逐漸減小，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，在離灌漿孔一定距離位置處便形成了由水泥細(xì)小顆粒構(gòu)成的堵塞，通過這個(gè)堵塞，對(duì)水泥凝固不需要的多余水分就會(huì)被漸漸排除，從而達(dá)到灌漿結(jié)束要求。而當(dāng)用水泥膏漿進(jìn)行灌漿時(shí)，則形成明顯的擴(kuò)散前沿，在速凝劑的作用下，水泥快速達(dá)到初凝狀態(tài)，隨后水泥膏漿便形成較為堅(jiān)硬而密實(shí)的水泥結(jié)石，使其后面的裂隙和小溶洞等就會(huì)被膏漿完全充填滿。

3.3 觸變性

速凝水泥膏漿具有觸變性，主要體現(xiàn)在:當(dāng)水泥膏漿承受的推力大于其自身的屈服強(qiáng)度時(shí)，膏漿體將會(huì)產(chǎn)生流動(dòng)，隨之出現(xiàn)典型的流體性質(zhì);若推力一旦小于其自身的屈服強(qiáng)度，膏漿體的粘度便會(huì)得到恢復(fù)，表現(xiàn)出其特有的固體性質(zhì)。膏漿體這種固有的觸變性在灌漿過程中的作用主要有:

(1)提高膏漿體的穩(wěn)定性。在灌漿施工過程中，當(dāng)漿體的運(yùn)動(dòng)速率減慢或者停止運(yùn)動(dòng)時(shí)，膏漿體結(jié)構(gòu)的恢復(fù)使得水泥的細(xì)小顆粒不產(chǎn)生分層沉淀。

(2)灌漿施工過程便于控制。

(3)在大的破碎帶或強(qiáng)沖蝕溶洞等特殊地層灌漿時(shí)，膏漿體特有的觸變性可防止?jié){體流動(dòng)過遠(yuǎn)，從而減少漿材的浪費(fèi);在地下水流速較大的地段灌漿時(shí)，膏漿體的觸變性可提高自身的抗沖刷能力。

3.4 膏漿的速凝性

通過速凝水泥膏漿漿液中的速凝劑可以改變其自身的凝結(jié)時(shí)間這一作用，在普通水泥膏漿的基礎(chǔ)上研制成了速凝水泥膏漿，從而加快了速凝高漿體的初凝速度，減少了急速水流對(duì)其自身的沖刷和稀釋，并且也解決了普通水泥膏漿在水下凝結(jié)時(shí)間長(zhǎng)不利于流水下的堵漏作業(yè)的難題。

4 在本電站溶洞堵漏施工中的運(yùn)用

根據(jù)建設(shè)單位的要求以及節(jié)點(diǎn)目標(biāo)的按期實(shí)現(xiàn)，施工單位對(duì)該地段進(jìn)行了方案的選擇和施工準(zhǔn)備等工作。依合同要求，處理時(shí)間為75個(gè)工作日，進(jìn)尺約10 000m，其中速凝膏漿灌注2 600m，穩(wěn)定漿液灌注約7 400m。

由于上、下游排副帷幕灌漿主要是解決溶洞大滲流量問題及進(jìn)行溶洞充填，因此主要采用速凝水泥膏漿灌漿進(jìn)行施工。

(1)下游排副帷幕速凝水泥膏漿灌漿孔36個(gè)，距原設(shè)計(jì)防滲帷幕軸線1.5m，孔距1.5m，孔深均入完整巖石5m，灌漿孔分Ⅰ序和Ⅱ序，按自上而下灌漿工藝施工。灌漿段長(zhǎng)和壓力分別按照:第1段段長(zhǎng)2m，壓力0.8MPa;第2段段長(zhǎng)3m，壓力1.5MPa;第3段段長(zhǎng)5m，壓力2.0MPa;第4段及以下段長(zhǎng)均為5m，壓力2.5MPa。下游排36個(gè)孔灌前壓水平均透水率為19.84Lu/m;經(jīng)過速凝膏漿灌后，檢查孔壓水透水率最大值為1.82Lu，最小值為0.4Lu，平均值1.11Lu。

(2)上游排副帷幕速凝水泥膏漿灌漿孔35個(gè)，距原設(shè)計(jì)防滲帷幕軸線1.5m，孔距1.5m，孔深均入完整巖石5m，灌漿孔分Ⅰ序和Ⅱ序，按自上而下灌漿工藝進(jìn)行施工。灌漿段長(zhǎng)和壓力分別按照:第1段段長(zhǎng)2m，壓力1.0MPa;第2段段長(zhǎng)3.0m，壓力2.0MPa;第3段段長(zhǎng)5m，壓力3.0MPa;第4段及以下段長(zhǎng)均為5m，壓力3.0MPa。上游排35個(gè)孔灌前壓水平均透水率為12.60Lu;經(jīng)過速凝膏漿灌后，檢查孔壓水透水率最大值為 0.9Lu，最小值為0.28Lu，平均值 0.59Lu。

對(duì)上、下游排副帷幕進(jìn)行速凝水泥膏漿處理后，經(jīng)灌后檢查，均滿足防滲要求，且下游出水點(diǎn)位置也沒有山泉水流出。由于施工單位緊密、合理的安排，后期的主帷幕和補(bǔ)強(qiáng)帷幕灌漿工作均已按期施工完成，灌后檢查透水率均滿足設(shè)計(jì)防滲要求。溶洞段的成功處理，使其防滲效果和抗山體內(nèi)涌水水頭的沖力均得到保障，并為其他部位的施工和節(jié)點(diǎn)目標(biāo)的順利實(shí)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。

5 結(jié)束語(yǔ)

實(shí)際情況充分說明速凝水泥膏漿灌漿在本工程巖溶管道、溶洞防滲堵漏中起到了決定性的作用 ，且堵漏效果很好。經(jīng)后期主帷幕以及補(bǔ)強(qiáng)帷幕穩(wěn)定水泥灌漿的防滲補(bǔ)強(qiáng)，透水率均達(dá)到了設(shè)計(jì)防滲標(biāo)準(zhǔn)，從而使其他部位的防滲工作也得以開展，同時(shí)也為電站下閘蓄水發(fā)電目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。因此，建議在今后的防滲工程施工中，在巖溶地區(qū)溶洞溶槽、地下暗河等特殊地層條件下的堵漏防滲工程中推廣和應(yīng)用。此項(xiàng)技術(shù)也可用在堆石壩、堆石圍堰大塊石架空等具有大孔隙率地層的防滲處理。