膏漿灌漿技術(shù)在礦山酸水庫大壩防滲工程中的應(yīng)用

王紹平 黃 磊 劉 兵

(1.馬鋼(集團)控股有限公司南山礦業(yè)公司，安徽 馬鞍 243000；2.湖南宏禹工程集團有限公司，湖南 長沙 410007)

1 引 言

由于礦石和圍巖中含有硫化礦物，在礦山開采過程中經(jīng)氧化、分解并與水結(jié)合形成大量酸性礦山廢水[1-3]，為了防止污染，避免酸水影響周邊居民的生存環(huán)境，許多礦山對污水進(jìn)行了建壩集中處理[4-5]。但隨著礦山的開采，許多開采時間已久且在長期水頭作用下的酸水庫壩出現(xiàn)了不同程度的滲漏問題，為避免污水向外滲漏對周圍環(huán)境造成污染，亟須對滲漏通道進(jìn)行充填封堵[6-7]。注漿是一種經(jīng)濟、高效的防滲治理方法，但由于酸水庫長期滲透水惡化了壩基水文和地質(zhì)條件，水流沿壩體內(nèi)透水通道滲透，長期掏刷侵蝕土層和裂隙間可溶物，擴大了滲透通道，采用常規(guī)水泥漿注漿存在漿液沿大滲透通道隨水沖走、漿材浪費、注漿量大的問題，此外，酸性條件下會延長水泥的凝結(jié)時間，更不利于注漿封堵。黏土水泥漿液表現(xiàn)出較好的抗酸穩(wěn)定性，且在強透水地層的防滲中具有較好的應(yīng)用效果[8-9]，本文以安徽馬鋼南山礦酸水庫防滲灌漿施工為依據(jù)，介紹黏土水泥膏漿在大滲透通道中的堵水應(yīng)用。

2 工程概況

馬鋼南山礦酸水庫位于安徽省馬鞍山市雨山區(qū)向山鎮(zhèn)徐山村境內(nèi)，為蓄存鐵礦酸性處理水于20世紀(jì)70年代人工筑壩形成，水庫匯水面積約0.1km2，大壩壩體長400m，壩頂寬40m，壩高40m，壩頂高程67～68m，水庫穩(wěn)定水位60m[10]。因歷時較長，在水頭作用下，庫水穿過壩體薄弱部位從下游坡腳呈散狀滲出?？辈毂砻?，大壩滲漏主要集中于壩體填土顆粒較粗部位及壩基強風(fēng)化巖層。壩體填土滲透系數(shù)多在10-3～10-4cm/s，最大達(dá)3.5×10-2cm/s，屬于中等透水，局部強透水；壩基存在8～18m厚的強風(fēng)化層，鉆探取芯查明，巖體破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，壓水試驗透水率q=1～10Lu，局部大于10Lu，屬于弱—中等透水帶。水庫用于選礦中所產(chǎn)生的酸性水儲存，pH值為3.6～3.7，水流沿壩體內(nèi)透水性較強的土層和壩基強風(fēng)化巖體裂隙滲透，長期掏刷侵蝕土層及裂隙間可溶物，使?jié)B漏通道持續(xù)不斷擴大，且酸性滲透水對基礎(chǔ)及土壤有明顯的腐蝕作用。在長期滲透水流的影響下，惡化了壩基水文、工程地質(zhì)條件。為解決酸水對下游農(nóng)田和周邊環(huán)境的污染問題，保證環(huán)境安全，依據(jù)補充勘探資料，需對酸水滲漏進(jìn)行防滲灌漿處理。對于滲流的防滲注漿存在以下難題：

a.在酸性條件下，純水泥漿存在凝結(jié)時間較長甚至難以達(dá)到初凝的問題，常規(guī)注漿材料難以起到注漿效果。

b.該酸水庫年限較久，酸水腐蝕嚴(yán)重，透水部位土層松散、巖體破碎，滲透通道粗、滲流量大，常規(guī)漿液容易在較大水流下被水沖泡，導(dǎo)致無效灌漿。

3 堵水設(shè)計思路

黏土水泥復(fù)合膏漿灌漿技術(shù)是采用具有流動可灌性與高塑性變形強度的特殊膏狀注漿材料，利用其可控凝結(jié)、低流動性及觸變性的特點，達(dá)到有效控制漿液擴散范圍，保證漿體在鉆孔周圍較均勻擴散充填透水孔隙，從而在松散強透水地層或松散軟弱地層內(nèi)快速形成防滲效果較好的連續(xù)帷幕體的技術(shù)。該技術(shù)適用于松散軟弱地基防滲灌漿處理；特別適用于全(強)風(fēng)化巖體、松散土層、砂層等強透水地層的防滲處理?；诖耍瑢τ诒竟こ讨薪?jīng)水流沖刷的松散土層與節(jié)理裂隙密集發(fā)育巖體采用復(fù)合膏漿灌漿技術(shù)進(jìn)行滲漏通道的充填封堵。

4 復(fù)合膏漿灌漿技術(shù)

4.1 灌漿工藝

灌漿帷幕幕頂高程至水庫穩(wěn)定水位(高程60m處)，帷幕幕底應(yīng)進(jìn)入基巖以下2m。采用“孔內(nèi)漿體自凝封閉、自下而上分段純壓式可控灌漿法”。

灌漿深度范圍：灌漿頂部在高程60m處，底部深入基巖2m，平均深度28.77m。灌漿時先將注漿管下入孔底，然后按每2.0m一個灌漿段，每灌段按0.3～0.5m逐步上提灌漿管，自下而上灌漿至灌漿頂部。

4.2 工藝流程

施工總程序：施工準(zhǔn)備→鉆孔放樣→膏漿鉆孔先導(dǎo)孔施工(可作為Ⅰ序孔)→Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ序孔施工→質(zhì)量檢查→資料整理。

灌漿單孔施工程序：施工準(zhǔn)備→鉆孔定位→固定機具→壩體非灌段跟管鉆進(jìn)→非灌漿段孔口管鑲筑→壩體灌漿段跟管鉆進(jìn)→接觸段灌漿→起拔套管→待凝→注漿管安裝及封閉→安裝拔管機及注漿管路→啟動注漿泵注漿→提升、拆卸注漿管→自下而上重復(fù)注漿與提升→注漿至設(shè)計段頂→壓力封孔。

4.3 孔位布置

孔位布置圖見圖1。鉆孔按設(shè)計圖紙軸線(0+022-0+310)指定樁號，采用全站儀配合鋼卷尺進(jìn)行鉆孔放樣，鉆孔開孔直徑為127mm，終孔孔徑不小于75mm，鉆孔采用XY-200型地質(zhì)鉆機配金剛石鉆頭跟管回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)。

圖1 施工孔位布置

4.4 孔口管安裝和注漿管安裝

4.4.1 孔口管安裝

孔口管采用φ127鋼管，埋設(shè)后待凝8h以上，經(jīng)檢查合格后進(jìn)行下一工序施工?？卓诠苈裨O(shè)后應(yīng)及時查看孔口管接頭是否有脫節(jié)，并用水平尺校鉛直度、卷尺測量控制嵌入深度、注水檢查管外側(cè)是否漏水。

4.4.2 注漿管安裝

鉆孔達(dá)到要求深度后，下入灌漿管至孔底,然后用黏土或細(xì)砂回填灌漿管與鉆孔之間的環(huán)隙至鉆孔頂部。開灌前，將孔口封閉的回漿管開關(guān)打開，然后開泵壓入封孔漿體填滿灌漿管與孔口管壁之余留空隙，待回漿口排出較濃的漿液時關(guān)閉回漿管口開關(guān)，開始試壓漿灌注。如果在灌漿時或上提灌漿管后，出現(xiàn)從孔口管和覆蓋層間隙處冒漿現(xiàn)象，可再次待凝10min左右，進(jìn)行有效止?jié){。

4.5 灌漿材料

酸水庫壩體重點透水部位土層松散、巖體破碎、裂隙發(fā)育，對于裂隙連通性極好的透水部位堵水注漿材料十分關(guān)鍵，漿液的凝結(jié)時間、抗沖蝕性、流動性等特點尤為重要。

針對這類地層選擇水泥、黏土作為主要原材料，并添加可提高漿材早期強度、抗水流沖刷能力與抗酸穩(wěn)定性的外加劑，將各種材料以適宜的比例拌和，制備具有擴散范圍可控的觸變型黏土水泥膏狀漿液。

4.5.1 灌漿原材料

a.水泥：采用耐酸抗侵蝕的特種水泥；在施工過程中對水泥的強度、細(xì)度、凝結(jié)時間進(jìn)行抽樣檢查。

b.黏土：要求塑性指數(shù)大于14，黏粒(粒徑小于0.005mm)含量不小于20%，粉粒(粒徑0.005～0.05mm)含量一般不多于60%～70%，含砂量(0.05～0.25mm)不大于8%，有機物含量不大于2%。黏土配置漿液前，應(yīng)進(jìn)行粉碎、除砂、細(xì)分后再入池后堿化，進(jìn)行浸泡溶脹待用。

c.水：水質(zhì)符合灌漿用水要求。

d.外加劑：HY-1外加劑，使黏土水泥漿材的性能符合漿體可控的要求，實現(xiàn)漿材基本不發(fā)生析水、漿材的凝固時間可控的目的。

4.5.2 漿材配比

本項目采用的黏土水泥膏漿及穩(wěn)定漿液配合比見表1。

表1 膏漿漿材配合比

4.5.3 漿材作用機理

以黏土為主的膏狀漿液，漿液流動度控制在80～130mm之間，通過添加外加劑，使水泥中鋁酸四鈣、硫鋁酸鈣等成分水化、膠凝作用迅速產(chǎn)生早期強度；通過鋁酸鈉、硫酸鋁鉀或硫酸鋁與硅酸鹽或其他化合物生成鈣礬石，吸收漿液一定的自由水；通過黏土粒子的崩架結(jié)構(gòu)和水溶性膨脹高分子化合物，包裹漿體中大量的自由水，三者協(xié)同作用使?jié){液的初凝時間控制在幾十分鐘到幾小時，使?jié){液在灌注過程中，達(dá)到有效控制漿液擴散半徑的目的。同時漿液中黏土粒子包裹的自由水，可在攪拌剪切力下得到重新釋放，使?jié){液產(chǎn)生流動性，見圖2(a)；在沒有攪拌剪切力作用下，漿液靜止并固化，見圖2(b)，表現(xiàn)出良好的觸變性能。利用漿液自身較大的內(nèi)摩擦阻力、被灌介質(zhì)的黏阻力實現(xiàn)灌漿壓力平衡，可避免漿液在地層中無限制性地往最薄弱地層擴散，有效地避免了黏土水泥膏漿在淺層或局部弱面產(chǎn)生重復(fù)劈裂，減少了無效灌注與材料浪費。

圖2 黏土水泥復(fù)合膏漿

4.6 注漿結(jié)束控制

“復(fù)合膏漿灌漿技術(shù)”是一種連續(xù)間隔提升灌注工藝，注漿結(jié)束主要由間隔提升段分段控制。注漿間隔提升段結(jié)束控制標(biāo)準(zhǔn)如下：

a.該注漿間隔提升段達(dá)到設(shè)計單位注入量，且注漿壓力大于該注漿段最小設(shè)計壓力時，可結(jié)束該間隔提升段注漿。

b.該注漿間隔提升段達(dá)到最大設(shè)計注漿壓力，且注入量大于該注漿段最小設(shè)計單位注入量時，可結(jié)束該間隔提升段注漿。

4.7 特殊情況處理

a.鉆孔串漿、地表冒漿、注漿中斷的處理措施為：?立即停注，待凝20～30min后再注；?立即在串漿的鉆孔安裝注漿裝置，同時注漿；?注漿中斷時，如果中斷時間短，可以再注；如果中斷時間較長，則應(yīng)掃孔后再注。

b.注漿過程中若長時間達(dá)不到該注漿段位設(shè)計最小注漿壓力，且注入量達(dá)到設(shè)計最大單位注入漿量時，可采用間歇灌注或摻加外加劑方法處理，如還達(dá)不到結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)，按溶洞注漿方法處理。

c.注漿過程中若長時間達(dá)不到該注漿間隔段設(shè)計最小注入量，且注漿壓力到達(dá)設(shè)計最大注漿壓力時，延續(xù)灌注10min或注漿壓力連續(xù)3次超過設(shè)計壓力20%時可結(jié)束注漿。

5 注漿效果

南山礦酸水庫滲漏處理工程從2020年10月1日開始施工，至2020年11月29日完工，歷時60天完成鉆孔施工工程量7516.5m，膏漿灌漿工程量5873.7m，非灌漿段封孔工程量1642.8m，孔口管鑲筑582m，主要工程量見表2。

表2 工程量完成情況

施工前后透水對比見圖3。施工完成后壩后未見明顯滲漏水，堵水效果良好，達(dá)到業(yè)主的堵水要求，灌漿質(zhì)量合格。采用黏土水泥膏漿作為注漿材料，與常規(guī)水泥漿比，減少了無效灌漿量，節(jié)省了大量注漿材料，大幅降低了施工成本，且經(jīng)工程檢驗，復(fù)合黏土膏漿灌漿技術(shù)對于酸水侵蝕地層具有較好的防滲施工效果。

圖3 施工前后透水對比

6 結(jié) 論

受長期酸性水流侵蝕影響，酸水庫滲漏具有滲透通道粗、滲流量大的特點，因此其防滲注漿材料需滿足一定的抗水流沖刷能力和化學(xué)穩(wěn)定性。工程實踐表明，采用黏土水泥膏漿注漿能對酸水侵蝕后的土壤、破碎巖層裂隙進(jìn)行足量充填，滿足南山酸水庫的防滲要求，是一種堵水效果好、經(jīng)濟適用的酸水庫防滲工藝。