杨国平, 郭浩东

(1.宜兴市水利局,江苏 宜兴 214200,2.葛洲坝集团第二工程有限公司,四川 成都 610091)

1 工程概述

江苏宜兴油车水库左岸基础防渗由上部覆盖层的高压旋喷灌浆和基岩的帷幕灌浆组成,轴线长 2.4 k m,帷幕灌浆平均深度 60 m,孔距 2 m,主要设置单排帷幕,局部位置设置 2排或 3排,灌浆工程量约9.6万m。根据C T物探检测,沿帷幕灌浆轴线分布有大小不一的溶洞群,溶洞之中或多或少有充填物存在。根据设计要求,对岩溶区的基岩灌浆压力见表 1。

表 1 岩溶地区基岩防渗帷幕灌浆压力表

根据钻孔揭示的岩石情况,溶洞主要分布在上青龙组厚层灰岩和下青龙组的浅表层,即基岩灌浆的 1～4段内,岩溶地区左岸帷幕岩体透水率见表 2。目前发现的溶洞最大高度为 28.7 m,轴线联通长度 140 m。岩溶形态以溶洞、溶隙为主,大多数溶洞有 1/3～2/3的泥土(浆)、碎(块)石等充填物。

表 2 岩溶地区左岸帷幕岩体透水率表

2 技术方案的确定及施工重、难点问题分析与解决办法

(1)技术方案的确定。

通过多种方案试验(水泥砂浆、水泥粉煤灰膨润土浆液、回填级配料、水泥膨润土浆等)的比选,结合水利部孙钊专家及天津基础局胡迪煜教授的咨询意见,最终选用“水泥 +膨润土”的膏状浆液进行溶洞及大的裂隙灌注。左岸帷幕灌浆轴线物探检测典型地质构造情况见图 1。

(2)深厚覆盖层下接触段灌浆问题。

接触段灌浆由于其处于基岩和覆盖层接触地段,在深厚覆盖层下及基岩中溶沟溶槽发育的情况下,通常采取的措施是一次钻孔到基岩 1 m以上,埋管待凝灌浆。但是这样就不能保证接触段的灌浆质量,存在漏灌的孔段,从而给安全蓄水带来很大的质量隐患。因此,采取特殊措施确保基岩接触段的灌浆质量是一个极大的成本投入(水库左岸轴线长 2 400 m,覆盖层平均深 20 m,2 m间距/孔,需要多用 φ 108钢管 1 200×20=24 000 m和重复扫孔的工作量)。

在实际施工时,采用二次埋管。第一次埋管深度以钻孔接触到基岩为止,钻孔孔径 130 m m,下入 φ 108套管,采用孔口封闭的纯压式灌浆埋管,待凝 48 h后,扫孔钻进至基岩 2 m,进行接触段灌浆,灌浆压力须达到 0.3 M P a才能结束(根据物探结果(图 1),该段岩石比较破碎,需要反复多次复灌才能达到设计压力)。接触段灌浆正常结束后,埋入 φ 89套管至基岩 2 m(即接触段全部埋完),之后正常灌注以下孔段。

(3)溶洞的填充物取样问题。

根据常规溶洞施工方案和资料,对于所发现的溶洞,需要取出溶洞的充填物以确定处理方案,但是,溶洞里面一般都有泥浆存在,充填物的取出存在很大困难。

图 1 左岸防渗帷幕物探G T探测成果示意图

根据这种情况,咨询了数位专家,根据专家意见,对于溶洞内的充填物不再钻取,直接根据溶洞的透水情况和大小灌注膏状浆液,利用膏状浆液的灌浆压力把溶洞内的充填物进行挤压密实,以达到防渗目的。

(4)膏状浆液施工设备的配置。

通常,溶洞灌注膏状浆液需要采用专用的高压螺杆泵,但是,高压螺杆泵一则费用较高,二则移动不便,在合同单价偏低的情况下,如何合理配置灌浆设备是加快施工进度,缩短施工周期,增加效益的关键。具体的设备配置见表 3。

3 施工总体方案的优化比选

3.1 常用施工方法的使用条件及优缺点

宜兴油车水库左岸基础防渗主要采用灌浆处理,其中常规的溶洞处理多采用大口径钻孔,灌注水泥砂浆、回填级配碎石、灌注细骨料、膏状浆液灌注等。灌注水泥砂浆主要适用于基本封闭的小型溶洞;回填级配碎石和灌注细石混凝土主要适用于溶洞空腔比较大、填充物较少或没有的情况;膏状浆液主要适用于有动水情况下或钻孔直径较小、且有充填物的情况。膏状浆液主要有以下几种:

(1)水泥 +粉煤灰 +膨润土。其称重计量需要配置两套称重计量设备,其强度上升较慢,灌浆待凝时间长,钻机功效不高,人员、设备窝工严重且操作程序复杂;

(2)水泥 +粉煤灰。其初期强度较高,但称重计量亦需配置两套称重计量设备,成本较高;

(3)水泥 +膨润土。只在集中制浆站配置0.5∶1的原浆,经过输浆系统管道到达灌浆孔口的搅浆桶内,由人工将整袋的膨润土倒入搅浆桶内进行搅拌后即可直接灌注,设备较简单,但是需多配置一套高速搅浆设备。

3.2 施工方法的确定

经过上述比较且根据钻孔资料和物探结果查出孔段有溶洞存在时,不需再专门费工费时把充填物取出来,也不再进行溶洞的冲洗,而是直接进行膏状浆液的灌注,以水∶水泥∶膨润土 =0.5∶1∶0.1开灌,灌注量按照 1 000 L控制,第二级改用水 ∶水泥∶膨润土 =0.5∶1∶0.2,灌注量按照 2 000 L控制,第三级按照水∶水泥∶膨润土 =0.5∶1∶0.25,灌注量按照 2 000～3 000 L控制,第四级按照水∶水泥∶膨润土 =0.5∶1∶0.3,一次灌注总量按照溶洞高度及水泥净浆 2 t/m控制,如溶洞洞高为5 m(洞高包含充填物部分),则一次灌注总量按照水泥 10 t控制。上述几个比级同时也按照 30 m i n控制,两个控制指标满足一个即改换下一等级。一个循环灌注结束待凝 24 h后扫孔压水检查,如果透水率大于 50 L u,再采用上述膏浆继续灌注,程序同上;若透水率较小,则根据实际情况采用膏浆开灌或者水泥浆 0.5∶1开灌,直至灌注压力达到 3 M P a为止。

3.3 施工配比强度指标及现场照片

(1)膏状浆液照片(图 2)。

图 2 膏状浆液拌制图

图 3 膏浆灌浆工艺流程图

第一张照片为现场实际拌制情况,第二张照片为试验室拌制的水∶水泥∶膨润土 =0.5∶1∶0.3;第三张照片为现场实际拌制的水∶水泥∶膨润土 =0.5∶1∶0.2。

(2)膏状浆液指标(表 3)。

表 3 帷幕灌浆膏状浆液试验指标表

4 溶洞治理采用的灌浆施工技术

4.1 膏状浆液的制备及灌浆流程

根据溶洞灌浆施工确定的灌注方案,采用灌注“水泥 +膨润土”的膏状浆液,膏状浆液工艺流程见图 3。

从图 3可以看出,膏状浆液制备流程为:

(1)集中制浆站配置 0.5∶1水泥浆;

(2)通过输浆管道,采用灌浆泵输送 0.5∶1水泥浆到特制的慢速搅拌机;

(3)慢速搅拌机按照一定比例(0.1/0.2/0.25/0.3)掺加膨润土,初步拌制膏状浆液;

(4)初步形成的膏状浆液通过慢速搅拌机自流入特制的高速搅拌机中经高速搅拌后甩入灌浆桶中;

(5)灌浆桶中拌制完成的膏状浆液通过“灌浆泵 +高压灌浆管道”进行溶洞灌浆。

4.2 设备配置

按灌注膏状浆液性能需要配置的机械设备见表4。

表 4 灌注膏状浆液设备配置表

表 4仅为一个灌注机组(4台钻机)使用的灌注膏状浆液设备的配置。根据对前期的试验情况和目前实际的灌浆功效进行分析,若要在 2011年9月 30日之前全部完成左岸帷幕灌浆,需投入钻机 100台套。

4.3 适用的灌浆距离

灌注膏状浆液时,普通灌浆泵可以灌注的距离为 120 m,但在灌注“水∶水泥∶膨润土 =0.5∶1∶0.25～0.3”时容易堵管,此时要求将灌注距离限制在 80～100 m以内,如果距离超出该范围,则使用螺杆泵进行接力灌注,以保证灌浆连续、不中断。

4.4 钻 孔

根据灌注膏状浆液的施工特性,且因所使用的射浆管直接下到孔底,孔口封闭自上而下灌浆,因此所需要的钻孔孔径为 75 m m,不需要再增大孔径,现场普通的地质钻机即可完成钻孔。钻孔采用地质钻配备金刚石或硬质合金钻头造孔,严禁使用碾砂钻头造孔。

4.5 孔斜控制

钻孔孔斜按表 5控制。

表 5 钻孔孔底最大允许偏差表

4.6 钻孔取芯

(1)取芯孔及取芯部位。

先导孔及检查孔均自接触面以上 20 c m处开始取芯并保留。

(2)取芯的保证措施。

开钻前,采用地锚固定钻机,钻机下部采用枕木支平垫稳机身,轻压慢转。芯样的最大长度应限制在 3 m以内。一旦发现芯样卡钻或被磨损,应立即取出。除监理人员另有指示,对于长度 1 m或大于 1 m的钻进循环,若芯样获得率小于80%,则下一次应减少循环深度 50%,以后依次减少 50%,直至 50 c m为止。如果芯样的回收率很低,应更换钻孔机具或改进钻进方法。

芯样从岩芯管内取出时应卸掉钻头,缓慢自岩芯管内倒出,严禁在倒芯时用铁器敲击岩芯管;摆放时,按岩芯管自上而下的顺序摆放,严禁将岩芯倒置。

(3)岩芯的编录与保存。

岩芯箱内的岩芯牌统一采用塑料牌。每个岩芯箱内的岩芯牌必须齐全、样式统一、填写清晰。每节岩芯采用红油漆准确标识其“钻次→节数/总节数”;每箱岩芯应在岩芯箱一侧标识“钻孔号-第 X箱 -共 Y箱”。

4.7 灌浆方法

(1)灌浆孔第一段(接触段)采用常规灌浆法进行阻塞灌浆,将阻塞器阻塞在套管内基岩面以上 1 m处。

(2)第二段及以下各段采用“小孔径钻孔、孔口封闭、自上而下分段、孔内循环法”灌注。

4.8 压力控制

灌浆时应尽快达到设计压力。但在灌浆过程中注入率较大时,可采用分级升压或间歇升压法灌注,其压力按表 6控制。当注入率超过 10 L/m i n时,灌浆压力不得超过该段的最大灌浆压力。

表 6 帷幕分级升压或间歇升压时的压力控制表

所有带压作业工序的压力,均按回浆管上压力表的中值控制。所使用的压力表的指针摆动范围 ＜20%的灌浆压力。

4.9 灌浆效果检查

灌后检查孔合格标准为透水率 q≤5 L u。第一段合格率为 100%,第二段及以下各段合格率不低于 90%。不合格孔段透水率 q≤10 L u且不集中为合格。

表 7 纯水泥浆和膏浆灌注设备、人员分析表

检查孔在单元工程灌浆结束 14 d后采用自上而下分段压水试验。检查孔全孔压水完毕,采用“全孔灌浆式封孔”。

帷幕灌浆封孔质量检查按监理指定的孔位进行抽样检查。

4.10 特殊情况的记录

在钻进过程中发现的漏水、掉块、卡钻、断裂构造、岩性变化、溶洞等均需做详细记录,以便判定岩溶地区的地质构造情况,为岩溶灌浆处理提供依据。

5 普通水泥灌浆和膏状浆液施工对比

按上述灌浆工艺流程并结合现场实际的灌注情况,可以得出以下设备、人员、功效等的分析,具体分析情况见表 7。

经过对上述膏状浆液灌注功效进行分析,在喀斯特地质构造条件下,溶洞灌浆占据着 60%以上的工程量,如何进行资源配置和灌注封堵直接关系到工程施工的工期、施工质量和成本。

6 结 语

根据目前油车水库左岸帷幕灌浆施工情况,笔者所述的上述施工程序和质量控制、一次灌注量可以达到快速封堵溶洞的目的,最大限度的保证了溶洞灌浆质量,达到了节约成本、控制投资、确保灌浆进度的效果;同时,上述灌浆方法也得到水利部基础处理专家孙钊和国内膏状浆液研制者——天津基础局胡迪煜教授的肯定和认可,上述灌浆技术措施可以在类似的岩溶地区加以推广应用。