濕磨細(xì)水泥灌漿中水泥損耗率的分析

毛建新,張家俊

(中國水電基礎(chǔ)局有限公司三公司,成都 610213)

1 工程概況

四川武都水庫工程位于四川省江油市武都鎮(zhèn)上游約4 km處,是涪江上一座具有防洪、灌溉、發(fā)電、供水、改善環(huán)境、旅游和水產(chǎn)養(yǎng)殖等綜合利用效益的龍頭水庫,水庫總庫容5.72億m3,電站裝機容量3×50 MW,樞紐主要建筑物有碾壓混凝土重力壩和壩后式廠房等。壩型為碾壓混凝土重力壩,壩頂高程660.34 m,壩頂長度736.0 m,最大壩高120.34 m[1]。

武都水庫防滲帷幕采用懸掛式帷幕,主壩基帷幕通過底層壩基廊道進(jìn)行帷幕灌漿施工,左右岸各設(shè)置三層帷幕,每層帷幕之間通過搭接帷幕連接形成一道整體。本工程帷幕灌漿主要采用常規(guī)水泥灌漿處理,帷幕灌漿地質(zhì)為中等發(fā)育～強發(fā)育巖溶地質(zhì)條件,其中,右岸高程574 m灌漿平洞、右岸高程623 m灌漿平洞及右岸高程660 m地表帷幕防滲地段局部分布著F5斷層破碎帶。F5 逆沖斷層結(jié)構(gòu)面為壓性兼扭性,呈北東向展布,斷層產(chǎn)狀N55°～60°E/NW∠77°。上盤S2地層逆沖于 D2地層之上,斷層呈舒緩波狀,破碎帶寬95～123 m,由角礫巖、糜棱巖、斷層泥、塊狀巖、片理化巖石組成。其特點是遇水易軟化,遇水膨脹,對遇水易融化的地層,滲水率一般較小,常規(guī)水泥可灌性不好[2]。

2 濕磨細(xì)水泥灌漿的提出

根據(jù)右岸F5斷層實際地質(zhì)條件,現(xiàn)場組織開展了常規(guī)水泥灌漿的生產(chǎn)性灌漿試驗。結(jié)合試驗成果,參建各方溝通組織召開了F5斷層的帷幕灌漿專家咨詢會議。結(jié)合專家咨詢會意見及建議,設(shè)計下發(fā)變更文件確定在該地層采用濕磨細(xì)水泥灌漿防滲處理。

實施期間項目部結(jié)合現(xiàn)場實際條件,組織開展了濕磨細(xì)水泥帷幕灌漿的相關(guān)調(diào)查和研究,對外購廠家超細(xì)水泥與現(xiàn)場自加工磨細(xì)水泥灌漿進(jìn)行了經(jīng)濟對比分析。外購廠家超細(xì)水泥價格高、制配漿液簡單,但采用集中制漿站制漿送漿,輸送距離遠(yuǎn),耗時長,損耗大,成本更高。而采用常規(guī)水泥通過集中制漿站集中制配后,送漿至洞內(nèi)設(shè)置的中轉(zhuǎn)站后再進(jìn)行磨細(xì)漿液進(jìn)行灌漿,損耗相對較小,雖然工藝復(fù)雜,但要比外購超細(xì)水泥經(jīng)濟得多。最終,提出了通過采購濕磨機具,在施工現(xiàn)場對常規(guī)水泥漿液磨細(xì)后再進(jìn)行濕磨細(xì)水泥灌漿的方案。

3 濕磨細(xì)水泥漿液配制及灌注過程

右岸濕磨細(xì)水泥灌漿工程的水泥漿液由設(shè)置在右岸680 m高程的集中制漿站集中配制,使用 ZL1000 高速制漿機拌制0.5∶1的水泥漿液,然后再通過送漿管將制備好的漿液輸送至右岸高程574 m灌漿平洞、右岸高程623 m灌漿平洞、右岸高程660 m地表帷幕設(shè)置的中轉(zhuǎn)站中,中轉(zhuǎn)站對0.5∶1水泥原漿進(jìn)行濕磨,經(jīng)檢測合格后,由中轉(zhuǎn)站將漿液輸送至各灌漿機組的攪拌桶中。各灌漿機組根據(jù)設(shè)計要求,對經(jīng)濕磨合格后的0.5∶1水泥漿液稀釋至開灌水灰比后再通過高壓泵進(jìn)行帷幕灌漿施工。在注入量較大的情況下,按規(guī)范要求逐級變漿進(jìn)行灌注;若注入量不大,則在滿足灌注量和灌注壓力的前提下,正常灌注直至灌漿結(jié)束。攪拌桶中多余的漿液作為棄漿廢棄。漿液從制備到灌注,直至廢棄的流轉(zhuǎn)詳見圖1。

圖1 濕磨細(xì)水泥漿液制備及灌注流程

4 濕磨細(xì)水泥損耗情況分析

4.1 濕磨細(xì)水泥灌漿損耗的組成

濕磨細(xì)水泥從制漿到灌漿完畢整個過程主要經(jīng)歷了兩次制備、兩次送漿過程,水泥損耗主要包括以下4個方面：

(1)制漿損耗,包括常規(guī)水泥漿液配制損耗和濕磨細(xì)水泥漿液配制損耗;

(2)管路占漿損耗,從集中制漿站至各平洞中轉(zhuǎn)站儲漿桶管路為第一次管路占漿,從中轉(zhuǎn)站經(jīng)濕磨機至灌漿機組攪拌桶為第二次管路占漿;

(3)灌漿及封孔損耗,包括廢棄量和封孔置換損耗;

(4)超時損耗,包括超過2 h重新制漿的漿液配制損耗和重新送漿的管路占漿損耗,及超過2 h的漿液廢棄損耗;

以上第(2)、(3)、(4)項為主要損耗,第(1)項為次要損耗。

4.2 濕磨細(xì)水泥灌漿實際損耗情況

右岸F5 斷層段根據(jù)相關(guān)要求進(jìn)行了濕磨細(xì)水泥灌漿,濕磨細(xì)水泥灌漿及制漿工藝較復(fù)雜,相比普通水泥漿液損耗過程較多,在施工過程中會產(chǎn)生正常的不可避免的水泥損耗。在施工時項目部只對灌漿結(jié)束后正常的棄漿量(即灌漿及封孔損耗)進(jìn)行了測量統(tǒng)計,其他過程正常損耗量(即漿液配制損耗、管路占漿損耗、超時損耗)未進(jìn)行測量統(tǒng)計。其他正常損耗量可以通過集中制漿站的制漿記錄與水泥凈灌量和棄漿量的差值計算得出,即其他正常損耗量=制漿記錄-凈灌水泥量-廢棄量。通過項目部在施工現(xiàn)場損耗監(jiān)測可知：濕磨細(xì)水泥吸漿量大的部位損耗量一般較少,而吸漿量小的部位損耗量較大;輸漿距離越遠(yuǎn)損耗量越大,輸漿距離越短,損耗量越小。各濕磨灌漿施工部位主要工程量及相應(yīng)損耗量見表1。

表1 右岸濕磨細(xì)水泥灌漿工程量及損耗量統(tǒng)計

通過表1可知,濕磨細(xì)水泥灌漿進(jìn)尺共計29 292.56 m,總水泥使用量為5 875.76 t,損耗量為1 057.9 t,損耗量占凈灌水泥量的比例為22%。右岸574 m、623 m高程灌漿平洞因輸漿距離遠(yuǎn),中轉(zhuǎn)次數(shù)多,地層可灌性較差,吸漿量較小,損耗量相對較大;右岸660 m高程地表帷幕因輸漿距離較短,地層可灌性較好,吸漿量較大,損耗量相對較小。

在灌漿不吸漿的情況下,由表1中序號1、2、4、5項統(tǒng)計可知,廢棄量損耗占總損耗量的比例為33%,超時損耗和管路占漿損耗約占總損耗量的60%;在灌漿吸漿的情況下,由表1中序號3項統(tǒng)計可知,廢棄量損耗占總損耗量的比例為8%,此時超時損耗相對較少,以管路占漿損耗為主,管路占漿損耗約占總損耗量的70%。

5 正常損耗形成原因分析及降低損耗建議

5.1 正常損耗形成過程及原因分析

常規(guī)水泥漿液配制簡單,配制用時較少,可根據(jù)灌漿孔段的吸漿情況進(jìn)行配漿;濕磨細(xì)水泥漿液制備工藝復(fù)雜,每次配制時間較長,若根據(jù)灌前壓水及地質(zhì)情況配制漿液則往往無法滿足灌漿需要,造成灌漿中斷而影響灌漿質(zhì)量。常規(guī)水泥灌漿一般灌漿孔較多,吸漿量較大,漿液中轉(zhuǎn)損耗較低;濕磨細(xì)水泥灌漿一般吸漿量較少,灌漿孔段單一,往往造成中轉(zhuǎn)損耗較大。濕磨細(xì)水泥灌漿損耗原因分析如下。

5.1.1 常規(guī)水泥漿液配制損耗

在集中制漿站通過高速制漿機配制0.5∶1 普通水泥漿液,漿液配制過程中水泥從水泥罐輸送到制漿機時存在漏灰、揚塵等損耗,制漿機內(nèi)也存在殘留水泥漿液損耗,該過程損耗較小。

5.1.2 濕磨細(xì)水泥漿液配制損耗

普通水泥漿液制備完后通過濕磨機進(jìn)行反復(fù)磨細(xì),直至磨細(xì)為滿足相關(guān)設(shè)計要求的漿液,該過程的損耗主要為漿液的漏失和濕磨機內(nèi)漿液殘留,該過程中水泥損耗相對較小。

5.1.3 集中制漿站至中轉(zhuǎn)站管路占漿損耗

根據(jù)施工需要集中制漿站按0.5∶1配比制成普通水泥漿液,然后由送漿泵通過輸漿管輸送至各作業(yè)面的中轉(zhuǎn)站,在輸送過程中需保持水灰比不變,每次送漿時的尾部稀漿需廢棄,因此,該過程管路占漿損耗主要包括輸漿管路占漿、管路稀漿廢棄、送漿泵余留漿液廢棄三方面。此過程送漿管路一般較長,相應(yīng)的管路占漿損耗一般較大。

5.1.4 中轉(zhuǎn)站至攪拌桶管路占漿損耗

水泥漿液從中轉(zhuǎn)站輸送至各灌漿機組的雙層攪拌機時,水灰比均保持不變,為0.5∶1。此過程中管路占漿損耗與集中制漿站至中轉(zhuǎn)站管路占漿損耗相同,損耗主要包括輸漿管路占漿、管路稀漿廢棄、送漿泵余留漿液廢棄。因中轉(zhuǎn)站至攪拌桶的送漿管路長度短于集中制漿站至中轉(zhuǎn)站送漿管路長度,此過程的管路占漿損耗相比集中制漿站至中轉(zhuǎn)站管路占漿損耗,相對減少。另外,各灌漿平洞內(nèi)中轉(zhuǎn)站至灌漿機組的距離不等,管路占漿損耗也將不同。

5.1.5 灌漿及封孔損耗

灌漿過程中雙層攪拌桶在灌漿過程中必須保證一定的漿液高度,漿液在攪拌葉輪轉(zhuǎn)動時才能流進(jìn)灌漿泵,故灌漿結(jié)束后攪拌桶內(nèi)都有一定剩余的漿液。根據(jù)相關(guān)規(guī)范,帷幕灌漿施工同時滿足以下2個條件后,即可結(jié)束灌漿：(1)在最大灌漿壓力下,當(dāng)注入率不大于1 L/min時,繼續(xù)灌注90 min;(2)灌漿全過程在最大灌漿壓力下的灌注時間不少于120 min[3]。在灌漿結(jié)束時,攪拌桶內(nèi)濕磨細(xì)水泥漿液至少已循環(huán)灌注了2 h,而濕磨細(xì)水泥漿液從制備后開始計時,至用完的時間宜少于2 h,因此,攪拌桶內(nèi)的剩余漿液無法用于下段灌漿,應(yīng)作為廢漿處理。全孔灌漿結(jié)束后,需用0.5∶1的濃漿置換封孔。為了保證封孔質(zhì)量,往往需要超注入0.5∶1的濃漿,當(dāng)孔口返濃漿時才結(jié)束置換,封孔結(jié)束后剩余漿液因超2 h也作廢漿處理。

5.1.6 超時損耗

根據(jù)規(guī)范要求,常規(guī)水泥漿液自制備到用完的時間宜少于4 h,上段灌漿結(jié)束后可作為下一段灌漿使用,而按規(guī)范要求,濕磨細(xì)水泥漿液自制備至用完的時間宜少于2 h,灌漿過程中濕磨細(xì)水泥灌漿單段灌漿時間超2 h的將無法再進(jìn)行灌漿施工,故原來配制的剩余濕磨細(xì)水泥漿液必須廢棄而產(chǎn)生損耗。灌漿施工過程中常見的超時有以下幾個方面：

(1)因單段吸漿量相對較大,在最低灌漿時長120 min內(nèi)無法達(dá)到結(jié)束標(biāo)準(zhǔn);

(2)施工中出現(xiàn)機械故障、停水、停電、堵管、爆管、設(shè)備故障等原因?qū)е聠未喂嘧r長超過2 h。

施工過程中常常因為超過漿液有效期,初次制備的濕磨細(xì)水泥漿液必須廢棄,為了保證灌漿質(zhì)量,需重新制備新的濕磨細(xì)水泥漿液,因而就要二次從中轉(zhuǎn)站送漿,進(jìn)而就有二次濕磨損耗及從中轉(zhuǎn)站至攪拌桶管路占漿的二次損耗,故造成濕磨細(xì)水泥漿液過期損耗較大。

5.2 降低水泥損耗的建議

根據(jù)濕磨細(xì)水泥灌漿水泥損耗原因的分析,充分考慮產(chǎn)生水泥損耗的主要原因,并結(jié)合本工程實際損耗情況,現(xiàn)提出以下幾點降低濕磨細(xì)水泥灌漿中水泥損耗的建議：

(1)在施工現(xiàn)場臨建條件允許的前提下,盡量縮短漿液輸送距離;

(2)根據(jù)前期的壓水結(jié)果,提前判斷地層的可灌性,合理調(diào)配漿液,避免廢棄量過多;

(3)在滿足開灌水灰比的前提下,充分利用每次送漿的尾部稀漿進(jìn)行漿液配制,減少管占損耗。

6 結(jié)語

濕磨細(xì)水泥漿液現(xiàn)場制備復(fù)雜,漿液有效期短,濕磨細(xì)水泥灌漿的正常水泥損耗率相比常規(guī)水泥灌漿高出不少。通過本工程濕磨細(xì)水泥灌漿中水泥損耗率的統(tǒng)計分析可知,只有把主要損耗如管路占漿、超時損耗、廢棄損耗降低,才能有效降低水泥損耗率,從而保證濕磨細(xì)水泥漿液現(xiàn)場制備工藝更加的經(jīng)濟合理。通過本文對濕磨細(xì)水泥灌漿水泥損耗率的合理分析,也可為類似灌漿工程在實際施工中如何降低水泥損耗提供參考和借鑒。