一種適合巖溶堤壩高效控制注漿的新工法-稀漿脈動劈裂、膏漿脈動壓密注漿

蔣買勇，梁經(jīng)緯，王 飚，梅其勇(.湖南水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，長沙 0；.湖南省水利水電科學(xué)研究所，長沙0007；.邵陽市水利局，湖南 邵陽 000；.長沙理工大學(xué)，長沙0)

0 引 言

我國巖溶堤壩多建于20世紀50年代，在保障人民生命財產(chǎn)安全和促進經(jīng)濟社會發(fā)展等方面發(fā)揮了重要作用，但限于當(dāng)時的經(jīng)濟條件和技術(shù)水平，大部分都存在防滲處理措施不到位的問題，巖溶滲漏問題十分突出。堤壩巖溶滲漏不僅會影響水庫的正常運行效益，甚至可能造成滲透出逸坡降大于允許值形成滲透破壞致使?jié)?，其防滲處理受到越來越多的關(guān)注[1]。

巖溶堤壩防滲處理實際上就是封堵滲漏通道(可溶巖在高水頭長期作用下形成的裂隙管道、孔洞)[2-4]，目前巖溶堤壩防滲處理措施主要有大開挖回填和注漿兩種，其中注漿具有施工工作量少，工期短，質(zhì)量易保證等特點，在國內(nèi)外巖溶堤壩防滲處理中廣泛應(yīng)用，如前南斯拉夫的姆拉丁壩、西班牙的卡內(nèi)來壩、我國的烏江渡大型水電站等[5,6]。循環(huán)式注漿、純壓式注漿、孔口封閉注漿法或聯(lián)合應(yīng)用，在有壓狀態(tài)下，純水泥漿液會在鉆孔中最小主應(yīng)力面竄漿，在溶洞內(nèi)注漿時，耗漿量非常大；為控制漿液擴散，降低造價，提高穩(wěn)定性，楊曉東等[7]提出了水泥膏漿注漿技術(shù)，在一定程度上實現(xiàn)了注漿的可控，但耐久性較差且造價較高?；陴ね了酀{材的穩(wěn)定性好、造價低、抗酸堿腐蝕性好等特點，張貴金[8,9]等結(jié)合水泥膏漿注漿技術(shù)提出了一種“膏漿高壓壓密、稀漿高壓劈裂注漿”的新工藝對溶洞進行控制注漿，并在托口水電河灣地塊防滲注漿中成功應(yīng)用，但在淺層溶洞注漿時，由于高壓劈裂所需的壓力過大，常導(dǎo)致孔口冒漿，需要不斷待凝，導(dǎo)致工期延長。

巖溶堤壩空隙率大、膠結(jié)性弱，如何能夠在注漿過程中提高工效，降低造價，控制漿液在溶洞內(nèi)的有效擴散范圍，避免長距離跑漿和孔口冒漿，實現(xiàn)全溶洞有效灌注，研究提出“稀漿脈動劈裂、膏漿脈動壓密”的新工法。

1 “稀漿脈動劈裂、膏漿脈動壓密”新工法技術(shù)要點及經(jīng)濟性

“稀漿脈動劈裂、膏漿脈動壓密”新工法，根據(jù)巖溶堤壩的空隙特征，配合相應(yīng)的注漿材料，注漿可一次完成，避免多次復(fù)灌，設(shè)備系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 注漿設(shè)備系統(tǒng)示意圖

1.1 新工法技術(shù)要點

(1)稀漿脈動劈裂注漿。稀漿脈動劈裂灌漿，通過特制注漿泵施加壓力[壓力以一定頻率在零到設(shè)計值(低壓)間變換]，迫使穩(wěn)定稀漿進入巖溶充填物以及溶洞周圍軟弱巖土體。在一定的峰值灌漿壓力作用下，巖溶充填物以及溶洞周圍軟弱巖土體的裂隙能最大限度地彈性張開，毗鄰的不連通的微細裂隙受壓縮而閉合，使周圍巖土體基本變?yōu)閺椥泽w，在灌漿時受到預(yù)應(yīng)力。當(dāng)脈動泵的球閥落下，注漿壓力被撤去，巖體回彈，灌入的漿材受到受灌巖土體回彈的擠壓，利于漿液脫水和提高結(jié)石強度，增加受灌處土體的密實度。從而使灌漿能夠及早升壓，達到控制灌漿的目的。與穩(wěn)壓灌漿不同的是，脈動壓力灌漿時，由于施加給受灌巖土體荷載的延滯效應(yīng)和脈動疊加作用，使得灌漿壓力與地應(yīng)力之間總是存在或大或小、時正時負的壓力差，如此，在巖溶充填物以及溶洞周圍軟弱巖土體內(nèi)產(chǎn)生樹枝狀劈裂擴散漿脈[10]。

脈動壓力灌注穩(wěn)定稀漿，首先是脈動送漿劈裂巖溶充填物擴散，再脈動送漿滲透溶洞周圍巖土體最弱孔隙，最后脈動送漿溶洞周圍巖土體次弱空隙充填從而在溶洞一定范圍內(nèi)形成樹枝狀漿脈。

(2)膏漿脈動壓密注漿。膏漿脈動壓密注漿，通過特制注漿泵施加壓力[壓力以一定頻率在零到設(shè)計值(高壓)間變換]，迫使膏漿在注漿管出口處壓密巖溶充填物并形成半球形漿泡，由于溶洞周圍巖土體邊界比較致密，充填物漿液中固體顆粒會被其骨架所阻攔，形成濾餅，而充填物中的自由水則被濾出，即發(fā)生壓濾效應(yīng)[11]，隨著注漿繼續(xù)，巖溶充填物以及溶洞周圍巖土體不斷被壓密，漿泡不斷增大，直至達到注漿結(jié)束標準。

注漿后巖溶充填物壓縮固結(jié)形成的結(jié)石體和膏漿結(jié)石體以及樹枝狀稀漿漿脈形成的彈性體共同構(gòu)成防滲體。這一注漿過程，可以有效控制漿液擴散距離，可以使用更高的注漿壓力，注漿均勻性更好。

1.2 新工藝經(jīng)濟性

“稀漿脈動劈裂、膏漿脈動壓密”是一種新型注漿工藝，它與傳統(tǒng)注漿工藝的經(jīng)濟性對比分析如下：

(1)注漿單耗小。由于在灌注穩(wěn)定稀漿過程中采用脈動供壓，漿液的擴散距離可控，而傳統(tǒng)注漿是持續(xù)給壓，漿液擴散距離往往遠超設(shè)計帷幕厚度，存在大量無效灌注，因此新工藝注漿單耗比傳統(tǒng)工藝約小65%。

(2)工效高。新工藝采用自下而上分小段連續(xù)提升灌注，不需要長時間待凝，對比傳統(tǒng)工藝，施工臺月效益提高約30%。

(3)透水率小。新工藝采用膏漿高壓脈動壓密巖溶充填物和稀漿形成的帷幕體，由于膏漿的穩(wěn)定性很好，基本不離析，因此可有效解決傳統(tǒng)工藝巖溶充填物滲透性大等問題。

2 工法流程

“稀漿脈動劈裂、膏漿脈動壓密”新工法對溶洞進行注漿，溶洞內(nèi)自下而上分小段連續(xù)提升灌注。單孔注漿工法流程為：鉆孔→注漿準備→孔口處下套管，并安裝孔口封閉器→下注漿管→注漿段鉆孔洗孔→按配比配制稀漿→注漿段脈動(低壓高頻)灌注稀漿→稀漿待凝→按配比配制膏漿→注漿段高壓壓密注漿，自下而上小間隔提升灌注→全孔注漿結(jié)束封孔。根據(jù)新工法施工特點、步驟和稀漿脈動劈裂以及膏漿壓密灌漿機理，通過制作圖片，描述整個施工過程，如圖2～圖4所示。

(1)鉆孔：如圖2所示，回轉(zhuǎn)鉆機鉆孔，泥漿固壁。一次鉆至設(shè)計注漿段孔深，段長為可為10～30 m。

圖2 鉆 孔

(2)稀漿脈動劈裂注漿：如圖3所示，在孔口攪拌機內(nèi)按比例配制好稀漿，設(shè)置好脈動泵的壓力和脈動頻率，采用脈動壓力灌注穩(wěn)定稀漿進行劈裂，2 h析出率小于5%的穩(wěn)定漿液，具有較好的流動性和穩(wěn)定性，脈動頻率20～30 次/min，穩(wěn)定稀漿在有壓環(huán)境下就會在溶洞充填物及其軟弱部位形成樹枝狀濾餅，從而形成整體的框架結(jié)構(gòu)。為提高灌漿工效，進行稀漿脈動灌漿時，采用注漿段采用花管。

圖3 稀漿脈動劈裂注漿

(3)膏漿脈動壓密：如圖3所示，在孔口攪拌機內(nèi)按比例配制好膏漿，設(shè)置好脈動泵的壓力和脈動頻率，采用脈動高壓灌注膏漿進行壓密，膏漿的內(nèi)聚力和黏度較大，流動度小，壓力比灌注普通漿液大，脈動頻率約為8～15 次/min，在注漿過程中，膏漿在有壓環(huán)境下很快結(jié)石，從而快速注滿整個注漿段。小段灌注完后，提升再進行下一段灌漿，每小段長度以0.5 m為宜。

圖4 膏漿脈動壓密注漿

(4)封孔：全孔段注漿結(jié)束，立即進行封孔。完成注漿后，由稀漿結(jié)石體、膏漿結(jié)石體、巖溶充填物以及周圍擠密的巖土體共同形成防滲體。

3 應(yīng)用試驗研究

為充分論證研究提出的“稀漿脈動劈裂、膏漿脈動壓密”的新工法，以及“改性黏土水泥膏漿”新材料在巖溶水庫溶洞防滲工程中的應(yīng)用技術(shù)可行性、工藝操作性、以及成本經(jīng)濟性，選取典型的巖溶地貌-湖南某水庫庫尾區(qū)域作為試驗場地。

3.1 工程地質(zhì)條件

為充分掌握試驗區(qū)域地質(zhì)情況，布置ZK11、ZK12、ZK13、ZK14共4個孔，如圖5～圖8。鉆孔情況統(tǒng)計如表1所示。從表1可知，試驗場地區(qū)域內(nèi)發(fā)育溶洞，溶槽，及巖溶塌陷等巖溶類型，試驗區(qū)域內(nèi)存在5處溶洞，其位置位于ZK11孔深24.5～25.0，40.5～41，45.0～45.5 m、ZK144的48.5～49.0、53.2～53.7 m處。

表1 鉆孔溶蝕情況統(tǒng)計表

圖5 ZK11鉆孔巖芯圖 圖6 ZK12鉆孔巖芯圖

圖7 ZK13鉆孔巖芯 圖8 ZK18鉆孔巖芯

3.2 防滲注漿

針對試驗區(qū)進行防滲注漿布置(圖9)，試驗孔包括兩個注漿孔(Ⅰ-1，Ⅰ-2)，和1個檢查孔(J-1)，灌漿孔距2 m，孔深55 m，如圖9所示。采用稀漿脈動劈裂、膏漿脈動壓密的新工法對大壩溶洞進行處理，即鉆孔結(jié)束后先脈動劈裂灌注黏土水泥漿液(按質(zhì)量比黏土∶水∶水泥=1∶2∶1)，待凝一定時間后采用黏土水泥膏漿(按質(zhì)量比黏土∶水∶水泥∶外加劑=1∶2∶1∶0.1)進行高壓壓密注漿直至到達注漿結(jié)束標準，其他部位均采用穩(wěn)定漿液脈動灌注，現(xiàn)場施工如圖10所示。

圖9 巖溶防滲注漿布置圖

圖10 防滲注漿現(xiàn)場施工圖

3.3 注漿質(zhì)量檢查

注漿結(jié)束14 d后，通過檢查孔進行現(xiàn)場壓水實驗(采用單點法，孔內(nèi)設(shè)止水栓塞，自上而下分段(5 m/段)進行)，各段壓水實驗壓力按相應(yīng)高程、幕前水頭1.2倍控制，其中Ⅰ-1孔灌漿試驗參數(shù)及壓水試驗結(jié)果如表2所列。

表2 Ⅰ-1孔注漿試驗參數(shù)及壓水試驗結(jié)果統(tǒng)計表

試驗表明：①灌漿前后壓水試驗對比，灌后透水率改善明顯，最大為2.43 Lu；②檢查孔取芯及豎井開挖表明，受灌體密實性較灌漿前明顯提高，局部芯樣可見漿脈結(jié)石，如圖11所示。③下游滲漏出溢點，未見明顯滲漏，注漿效果顯著。④對比傳統(tǒng)注漿工藝節(jié)省投資40%，且壓水實驗結(jié)果滿足規(guī)范要求。

圖11 豎井開挖及漿脈

4 結(jié) 語

“稀漿脈動劈裂、膏漿脈動壓密”新工法，能有效地解決巖溶堤壩的防滲加固問題，對比傳統(tǒng)注漿方法，單位注入量降低約65%，施工臺月效益提高約30%，帷幕透水率較低。通過湖南某巖溶堤壩巖溶發(fā)育區(qū)進行現(xiàn)場應(yīng)用試驗，表明新工法能很好地解決巖溶充填物難以結(jié)石、漿液串漿耗漿大，等技術(shù)難題，且簡單可行、成本可控、注漿效果良好。

新工法尚需對以下問題進一步研究：①稀漿脈動劈裂擴散模型；②膏漿脈動壓密擴散模型；③工法實施過程中各環(huán)節(jié)的完善等，為在巖溶堤壩及其他類似地層的防滲加固工程中推廣應(yīng)用提供指導(dǎo)和相關(guān)依據(jù)。

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