巖溶庫(kù)區(qū)帷幕灌漿技術(shù)及其工藝參數(shù)優(yōu)化

陳華俊

(云南省水利水電建設(shè)管理與質(zhì)量安全中心 昆明 650224)

1 研究背景

中國(guó)西南地區(qū)巖溶面積占該地區(qū)面積的1/3以上[1-2]。巖溶漏斗、落水洞等巖溶系統(tǒng)發(fā)育，導(dǎo)致地表儲(chǔ)水條件很差，使得巖溶分布地區(qū)的地表水資源并不豐富[3-4]，嚴(yán)重影響當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)建設(shè)和社會(huì)發(fā)展[5-7]。利用巖溶洼地的有利地形條件修建水利工程并蓄存大氣降水，是解決西南巖溶地區(qū)缺水問題的有效途徑[8-9]。匡楚豐等[10]基于膏漿良好的可控性、抗沖蝕性及砂漿的骨架和填充加固作用等優(yōu)勢(shì)，通過大樣本長(zhǎng)周期室內(nèi)試驗(yàn)，研制了一種可用于富水巖溶大孔隙地層灌漿充填的新型可控水泥砂膏漿材料。成勝等[11]通過分析川東明月峽背斜區(qū)各類排泄基準(zhǔn)面控制的地下水循環(huán)模式，研究了明月山及所在的川東地區(qū)地下巖溶發(fā)育規(guī)律及巖溶發(fā)育深度。趙瑞等[12]針對(duì)陜西省某巖溶地區(qū)抽水蓄能電站，采用數(shù)值模擬分析方法，對(duì)比了庫(kù)區(qū)在施加防滲帷幕后及天然情況下巖溶通道滲漏量，研究結(jié)果表明，防滲帷幕可降低滲漏量，降低量達(dá)94.5%以上。胡大儒等[13]針對(duì)北盤江某巖溶水庫(kù)壩基滲透問題，通過數(shù)值模擬方法得到壩基滲漏量與灰?guī)r滲透系數(shù)及溶蝕率呈正相關(guān)、與防滲帷幕深度呈反相關(guān)關(guān)系。余加松等[14]以巖溶發(fā)育強(qiáng)烈的三寶水庫(kù)為研究對(duì)象，通過水文地質(zhì)方法分析水流繞壩滲流和深部巖溶管道滲漏問題，確定水庫(kù)右岸為滲漏危險(xiǎn)區(qū)域。鞏緒威等[15]針對(duì)某油車水庫(kù)，根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)確定方案、防滲線路、材料、灌漿壓力等，在此基礎(chǔ)上，通過基巖帷幕灌漿+覆蓋層混凝土防滲墻的防滲方式，達(dá)到防滲目的。劉影等[16]對(duì)貴安新區(qū)東部區(qū)域巖溶地下水水化學(xué)特征進(jìn)行了分析，為今后巖溶地下水資源的開發(fā)利用與保護(hù)提供依據(jù)。以上研究表明，灌漿帷幕是西南巖溶庫(kù)區(qū)防滲漏的有效技術(shù)手段。但是，如何根據(jù)庫(kù)區(qū)特殊的地質(zhì)條件優(yōu)化灌漿帷幕工程的參數(shù)，從而達(dá)到低成本高質(zhì)量防滲目標(biāo)，還需深入研究。

本文以德厚水庫(kù)為例開展巖溶庫(kù)區(qū)灌漿帷幕工程參數(shù)優(yōu)化研究。根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果優(yōu)化灌漿材料的水灰比，通過數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定帷幕底界以及分段灌注長(zhǎng)度、優(yōu)化灌漿材料配比、鉆孔間距、灌漿壓力等施工參數(shù)，實(shí)現(xiàn)德厚庫(kù)區(qū)灌漿帷幕體系透水率<5 Lu的目標(biāo)。該研究為德厚庫(kù)區(qū)灌漿帷幕工藝參數(shù)優(yōu)化提供理論與試驗(yàn)支撐，為西南巖溶發(fā)育區(qū)類似項(xiàng)目的建設(shè)提供參考。

2 庫(kù)區(qū)水文地質(zhì)條件

德厚水庫(kù)樞紐工程位于云貴高原南部，是以工業(yè)供水和農(nóng)業(yè)灌溉為主的綜合型水庫(kù)，總庫(kù)容為1.13億m3。庫(kù)區(qū)范圍內(nèi)約70%～80%的地表面積為碳酸鹽巖，地層自上而下依次為二疊系下統(tǒng)、石炭系的巨厚層狀灰?guī)r。在咪哩河庫(kù)尾羅世鲊村附近長(zhǎng)約2.8 km庫(kù)岸及河間地塊出露地層為個(gè)舊組上段(T2g)灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r，灰?guī)r巖溶發(fā)育率約為7%～11%，鉆孔遇洞率約為2個(gè)/(100 m)。“咪哩河庫(kù)區(qū)防滲線”是德厚庫(kù)區(qū)重點(diǎn)防滲漏區(qū)域[17]，需進(jìn)行灌漿帷幕防滲處理，并提高防腐等級(jí)，加強(qiáng)水工保護(hù)措施。

3 灌漿材料配比與鉆孔參數(shù)優(yōu)化

在咪哩河庫(kù)尾右岸布置巖溶庫(kù)區(qū)防滲線路，線路總長(zhǎng)2 713 m，帷幕灌漿總進(jìn)尺設(shè)計(jì)為17.06×104m，防滲總面積為24.70×104m2，工程量巨大。為了得到經(jīng)濟(jì)合理且質(zhì)量可靠的帷幕灌漿工藝參數(shù)，本節(jié)通過試驗(yàn)獲取灌漿材料的最優(yōu)配比，并通過數(shù)值模擬優(yōu)化灌漿壓力和鉆孔間距。

3.1 灌漿材料配比優(yōu)化試驗(yàn)

采用排水法測(cè)試試件(其體積記為V)的孔隙率。具體步驟為：將試件充分飽和后測(cè)量其飽水質(zhì)量m1，而后將其置于烘箱中48 h且烘干至恒重，測(cè)量其干燥質(zhì)量m2。則孔隙率n可由式(1)計(jì)算，即

n=(m1-m2)/V×100%。

(1)

其滲透系數(shù)可由常水頭滲透試驗(yàn)確定，具體試驗(yàn)方法參見文獻(xiàn)[19]。由此得到不同水灰比條件下水泥試件的孔隙率和滲透系數(shù)。水灰比為1∶1～1∶5的材料孔隙率分別為0.187 8、0.190 3、0.198 8、0.201 3、0.234 7，材料滲透系數(shù)分別為1.98、2.08、2.33、2.74、3.94 mm/s，可知，當(dāng)水灰比從1∶1增加至1∶5，水泥試件的孔隙率從0.187 8增加至0.234 7，滲透系數(shù)從1.98 mm/s增加至3.94 mm/s。特別是當(dāng)水灰比超過1∶4之后，水泥試件的孔隙率、滲透系數(shù)出現(xiàn)非線性增加趨勢(shì)，導(dǎo)致結(jié)石體阻水性能快速降低。此外，不同水灰比的水泥漿具有黏性差異，導(dǎo)致其能夠進(jìn)入不同開度的裂縫[20](表1)。因此，需根據(jù)鉆孔數(shù)據(jù)確定灰?guī)r巖溶裂隙發(fā)育程度，進(jìn)而根據(jù)以下原則配置相應(yīng)水灰比的水泥漿：當(dāng)灰?guī)r巖溶裂隙開度較大且滲透系數(shù)較高時(shí)，可以采用水灰比較低的水泥漿，在保證材料流動(dòng)性的前提下降低結(jié)石體的滲透系數(shù)；而當(dāng)灰?guī)r巖溶裂隙開度較小且滲透系數(shù)較低時(shí)，可以采用水灰比較高的水泥漿，在保持水泥漿較高流動(dòng)性的前提下，可以封堵更遠(yuǎn)處的灰?guī)r孔裂隙。初步確定灌漿材料水灰比為1∶1～1∶3。

表1 不同水灰比水泥漿能夠進(jìn)入的最小孔裂隙尺寸[20]Table 1 Minimum openings of cracks permeable to cement slurry of different water cement ratios[20]

3.2 灌漿壓力與鉆孔間距優(yōu)化模擬

數(shù)值模擬是實(shí)現(xiàn)低成本優(yōu)化施工參數(shù)的重要方法。本節(jié)模擬旨在分析灰?guī)r在不同彈性模量、滲透系數(shù)下，水泥漿隨灌漿壓力和鉆孔間距的演化規(guī)律，從而對(duì)不同力學(xué)、水力學(xué)參數(shù)下的灌漿壓力、鉆孔間距進(jìn)行優(yōu)化。連續(xù)介質(zhì)中流固耦合控制方程如下：

流體質(zhì)量守恒方程為

(2)

力平衡方程為

(λ+μ)uj，ji+μui，ij+Fi+(αp)，i=0 。

(3)

式中：ρ為流體密度；n為孔隙度；q為滲流速率；p為流體壓力；t為時(shí)間；W1為源匯項(xiàng)；uj，ji、ui，ij均為位移分量；i、j分別為三維坐標(biāo)系下的方向；Fi為外力分量；λ、μ為拉梅常數(shù)；α為有效應(yīng)力。

三組產(chǎn)婦的新生兒窒息情況（1 min Apgar評(píng)分）相比較，差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）；與A組比較，B組、C組的硬膜外利多卡因用量及麻醉平面達(dá)T8所用時(shí)間明顯減少，差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）。見表3。

在此基礎(chǔ)上，以距咪哩河庫(kù)尾749.336～765.336 m段為研究對(duì)象，建立平面應(yīng)變數(shù)值計(jì)算模型，從俯視角度反映該試驗(yàn)段的灌漿帷幕工程。模型尺寸為長(zhǎng)16 m×寬10 m，布置單排鉆孔，共4個(gè)，由左至右鉆孔間距l(xiāng)分別為1.5、2.0、3.0 m，以鉆孔為圓心，設(shè)半徑為r的滲漏區(qū)域，則滲漏長(zhǎng)度d=l-2r。在模型邊界施加2 MPa的應(yīng)力，注漿壓力p分別為0.5、1.0、2.0 MPa?；?guī)r密度為2 500 kg/m3。以彈性模量10 GPa，透水率200 Lu為基準(zhǔn)，改變注漿壓力、鉆孔間距，從而得到在不同灰?guī)r力學(xué)參數(shù)、滲透參數(shù)下，水泥漿擴(kuò)散半徑隨注漿壓力、鉆孔間距的變化規(guī)律，進(jìn)而針對(duì)地質(zhì)條件優(yōu)化工藝參數(shù)。部分?jǐn)?shù)值模擬結(jié)果如圖1所示。

由圖1可知，在灰?guī)r彈性模量10 GPa、透水率200 Lu條件下，灌漿壓力<0.5 MPa時(shí)，水泥漿的擴(kuò)散半徑只有0.5 m左右，不足以形成完整的防滲體系。隨著灌漿壓力從1.0 MPa增加至2.0 MPa，水泥漿擴(kuò)散半徑也從0.85 m左右增加至1.50 m左右。這意味著布置單排鉆孔，鉆孔間距為2 m，灌漿壓力為1.0 MPa即可滿足要求。對(duì)于巖溶發(fā)育強(qiáng)烈且重點(diǎn)地段地區(qū)，可采用雙排鉆孔布置，增加灌漿壓力至2.0 MPa或減小鉆孔間距至1.5 m的方法降低防滲體系的透水率。

圖1 不同鉆孔間距和灌漿壓力下水泥漿擴(kuò)散面積Fig.1 Diffusion areas of cement slurry in the presence of varied borehole spacing under different grouting pressures

另外，將灌漿壓力控制在0.5～2.0 MPa、鉆孔間距控制在1.5～3.0 m，分析滲漏長(zhǎng)度d隨彈性模量E、透水率k的演化規(guī)律。

滲漏長(zhǎng)度d越大，表明防滲體系越不完整。由計(jì)算結(jié)果可知，在l=1.5 m，p=2.0 MPa；l=1.5 m，p=1.0 MPa；l=2.0 m，p= 2.0 MPa；l=2.0 m，p=1.0 MPa條件下，當(dāng)灰?guī)r彈性模量在0.1～30.0 GPa、透水率在2～200 Lu范圍內(nèi)時(shí)，均有滲漏長(zhǎng)度d=0 m成立。這表明在上述工程地質(zhì)條件下，工藝參數(shù)為1.5 m≤l≤2.0 m、1 MPa≤p≤2 MPa可以保證防滲體系完整。優(yōu)選令l=2.0 m、p=1.0 MPa，可以在盡可能少打鉆孔(即降低成本)的前提下實(shí)現(xiàn)防滲目標(biāo)。

4 帷幕灌漿現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

4.1 設(shè)計(jì)灌漿參數(shù)

選取咪哩河庫(kù)區(qū)防滲線中段設(shè)置現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)段，揭露地質(zhì)條件為白云質(zhì)灰?guī)r、破碎帶、寬大裂隙、溶溝溶槽、溶洞等大空隙地層且呈陡傾狀分布，巖芯采取率較低，初始透水率達(dá)到200 Lu以上，具有較高的滲漏風(fēng)險(xiǎn)。

為保證防滲帷幕防滲性達(dá)到設(shè)計(jì)要求，初步擬定工藝參數(shù)為：防滲帷幕采用單排孔，孔距為1.5～3.0 m；分段灌注鉆孔，第一段段長(zhǎng)2 m，第二段段長(zhǎng)3 m、第三段段長(zhǎng)5 m，以后各段均保持在5 m左右；灌漿漿液水灰比控制為2∶1；灌漿段最大設(shè)計(jì)壓力下的注入率控制在≤1 L/min時(shí)，繼續(xù)灌注30 min后結(jié)束灌漿。設(shè)計(jì)帷幕灌漿壓力見表2。

表2 設(shè)計(jì)帷幕灌漿壓力Table 2 Design values of curtain grouting pressure

在試驗(yàn)施工期間，當(dāng)鉆孔間距為1.5 m時(shí)，按照表2所示的設(shè)計(jì)灌漿壓力開展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，存在如下問題：灌漿壓力超過1.5 MPa時(shí)反復(fù)劈裂冒漿，冒漿點(diǎn)隨孔深加深后距孔位越來(lái)越遠(yuǎn)，采取濃漿、間歇、限流、待凝掃孔復(fù)灌等措施均無(wú)任何效果，單段最多復(fù)灌次數(shù)為22次，造成材料注入量大、施工成本及工程投資不可控等。

當(dāng)鉆孔間距為3.0 m時(shí)，上述現(xiàn)象不再出現(xiàn)。但經(jīng)72 h漿液凝固后，通過壓水試驗(yàn)可知透水率遠(yuǎn)高于5 Lu(表3)。

表3 灌漿前后防滲帷幕的透水率(鉆孔間距3 m)Table 3 Water permeability of anti-seepage curtain before and after grouting (with a drilling spacing of 3 m)

綜上可知，設(shè)計(jì)灌漿參數(shù)并不能低成本地實(shí)現(xiàn)防滲帷幕透水性低于5 Lu的要求。需對(duì)灌漿參數(shù)進(jìn)一步優(yōu)化。

4.2 帷幕灌漿參數(shù)優(yōu)化

與設(shè)計(jì)灌漿參數(shù)一致，防滲帷幕仍采用分段灌注，單排孔，灌漿帷幕底界深度為(Ld+10 m)，其中Ld為風(fēng)化層深度。

考慮到設(shè)計(jì)鉆孔間距為1.5 m和3.0 m時(shí)的冒漿、透水率過高等現(xiàn)象，將鉆孔間距調(diào)整為2.0 m；根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果、前期現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果確定灌漿壓力為0.5～2.0 MPa，灌漿壓力隨著深度的增加而增大；隨時(shí)調(diào)整水灰比，調(diào)整原則為：①當(dāng)注入率持續(xù)減少而灌漿壓力保持不變時(shí)或壓力持續(xù)升高而注入率不變時(shí)，水灰比不改變；②當(dāng)灌注時(shí)間已達(dá)30 min或水泥漿注入量達(dá)300 L而注入率和灌漿壓力不變化或變化較小時(shí)，將水灰比改濃一級(jí)；③當(dāng)注入率>30 L/min時(shí)，根據(jù)具體情況將水灰比越級(jí)變濃。

在此基礎(chǔ)上，施工間距為2 m的3個(gè)試驗(yàn)鉆孔，根據(jù)工程地質(zhì)條件優(yōu)化工藝參數(shù)，同時(shí)采用壓水試驗(yàn)(利用一定壓力向一段無(wú)護(hù)壁的鉆孔內(nèi)壓水，記錄單位時(shí)間內(nèi)的漏水量，從而得出這段巖層原位透水性)測(cè)試優(yōu)化工藝參數(shù)后帷幕透水率，結(jié)果如表4所示。

表4 灌漿壓力及水泥灌注調(diào)整優(yōu)化數(shù)據(jù)及透水率實(shí)測(cè)結(jié)果Table 4 Optimization data of grouting pressure and cement pouring adjustment and measured results of water permeability

由表4可知，在鉆孔間距為3 m的條件下，經(jīng)過水灰比、灌漿壓力優(yōu)化，可以保證帷幕體系的透水率<5 Lu，滿足設(shè)計(jì)要求?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果與3.2節(jié)中數(shù)值模擬結(jié)果總體上保持一致；而在淺部51～61 m灌漿段，由于地應(yīng)力較小，實(shí)際灌漿壓力小于數(shù)值模擬結(jié)果。

4.3 帷幕灌漿質(zhì)量驗(yàn)證

帷幕灌漿的質(zhì)量可通過壓水試驗(yàn)并輔以鉆孔窺視結(jié)果加以驗(yàn)證。其中，壓水試驗(yàn)所需的試驗(yàn)孔位于2個(gè)注漿孔中間，且需在灌漿前后分別開展一次，試驗(yàn)參數(shù)為：水壓力為灌漿壓力的80%，且≥1 MPa，持續(xù)壓水20 min，壓入流量需每隔5 min測(cè)讀一次。根據(jù)式(4)計(jì)算灌漿后巖石的透水率。

(4)

式中：qt表示試段透水率；Q表示壓入流量；P表示作用于試段內(nèi)的全壓力；L表示試段長(zhǎng)度。

全壓力P=P1+P2，其中，P1表示壓力表指示壓力，P2表示壓力表中心至壓力計(jì)算零線的水柱壓力。壓力計(jì)算零線為通過試段中點(diǎn)的水平線。當(dāng)?shù)叵滤辉谠嚩我韵聲r(shí)，壓力計(jì)算零線為通過試段中點(diǎn)的水平線。當(dāng)?shù)叵滤辉谠嚩我詢?nèi)時(shí)，壓力計(jì)算零線為通過地下水位以上試段中點(diǎn)的水平線。當(dāng)?shù)叵滤辉谠嚩我陨蠒r(shí)，壓力計(jì)算零線為地下水位線。

由表3和表4數(shù)據(jù)可知，灌漿前試驗(yàn)段巖層的透水率多介于140～300 Lu。通過未經(jīng)參數(shù)優(yōu)化的灌漿工藝，可將巖層透水率降低至21～130 Lu；而通過灌漿工藝及其參數(shù)優(yōu)化，即采用單排鉆井布置，將水灰比控制在1∶(2～4)、注漿壓力控制在0.5～2.0 MPa、鉆孔間距控制在2.0 m、鉆孔深度控制在(Ld+10 m)，可以實(shí)現(xiàn)灌漿帷幕體系的整體透水率降低至3 Lu以下，從而保證巖溶庫(kù)區(qū)灌漿帷幕防滲工程的質(zhì)量。

此外，采用表4所示的優(yōu)化灌漿參數(shù)，在2個(gè)試驗(yàn)鉆孔中間鉆進(jìn)窺視孔，發(fā)現(xiàn)灌漿后水泥結(jié)石將灰?guī)r中的寬大溶溝、溶槽填充，形成滲透性較低的水泥-灰?guī)r組合體(見圖2)，從側(cè)面驗(yàn)證了灌漿帷幕工程參數(shù)優(yōu)化的合理性。

圖2 鉆孔窺視圖Fig.2 Drilling view

5 結(jié) 論

本文采用室內(nèi)試驗(yàn)、數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)相結(jié)合的方法，對(duì)灌漿材料配比、鉆孔間距、灌漿壓力、帷幕底界和灌漿工藝進(jìn)行優(yōu)化。得到主要結(jié)論如下：

(1)數(shù)值模擬結(jié)果表明，在灰?guī)r彈性模量0.1～30.0 GPa、透水率2～200 Lu范圍內(nèi)，當(dāng)鉆孔間距為1.5～2.0 m、灌漿壓力為1～2 MPa時(shí)，可形成完整的防滲帷幕體系。

(2)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)灌漿材料的水灰比超過1∶4時(shí)，水泥結(jié)石體透水率會(huì)隨水灰比出現(xiàn)非線性快速增加。低滲透區(qū)段采用高水灰比材料，高滲透區(qū)段采用低水灰比材料，有助于提高灌漿帷幕體系整體的防滲性。

(3)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明，單排鉆孔布置、鉆孔間距為2.0 m、灌漿壓力為0.5～2.0 MPa、水灰比為1∶(2～4)，可避免出現(xiàn)冒漿、水泥漿擴(kuò)散距離小于孔間距的情況，且可將巖層透水率降低至初始值的0.2%～3.8%，以達(dá)到降低成本、提高灌漿質(zhì)量的目的。