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        可控粘土復(fù)合膏漿灌注技術(shù)在巖溶地層中的應(yīng)用

        2012-12-06 08:31:38趙迪華
        湖南水利水電 2012年6期
        關(guān)鍵詞:序孔粘土灰?guī)r

        趙迪華

        (湖南五凌電力有限公司 長(zhǎng)沙市 410004)

        譚 勇 賓 斌 夏 杰

        (湖南宏禹水利水電巖土工程有限公司 長(zhǎng)沙市 410007)

        1 粘土復(fù)合膏漿灌注技術(shù)簡(jiǎn)介

        目前常用于巖溶地層處理的灌漿材料主要有水泥漿、水泥粘土漿、水泥砂漿等。采用水泥漿或水泥粘土漿應(yīng)用于巖溶地層時(shí),因其流動(dòng)性好,在灌注裂隙發(fā)育、連通性好、透水強(qiáng)烈的巖溶地層時(shí),容易出現(xiàn)灌漿量相當(dāng)大、長(zhǎng)時(shí)間不起壓,無效灌漿量過多,造成工程施工時(shí)間長(zhǎng),材料損耗大;采用水泥砂漿時(shí),須用砂漿泵進(jìn)行灌漿,在灌漿過程中容易出現(xiàn)砂漿離析、堵管、灌漿壓力不夠等,造成帷幕效果較差。

        粘土復(fù)合膏漿灌注技術(shù)是采用以粘土為主的膏狀漿液,漿液的流動(dòng)度控制在(60~130)mm 之間,利用高壓力、大流量的雙缸泵,脈動(dòng)式地進(jìn)行擠壓灌注密實(shí)。主要技術(shù)原理是利用高壓力、大流量的雙缸泵將流動(dòng)性較小的粘土復(fù)合膏漿,以擠壓方式注入到巖溶洞穴中,通過充填、擠壓密實(shí)方式將溶洞充填物擠密固結(jié),從而達(dá)到控制漿液擴(kuò)散半徑,快速形成有效防滲幕體的目的。

        2 粘土復(fù)合膏漿灌注方法及工藝參數(shù)

        (1)灌漿材料及灌漿設(shè)備。

        水泥:通用普通硅酸鹽水泥。

        粘土:就近選用優(yōu)質(zhì)粘土或粉質(zhì)粘土,通過使用粘土復(fù)合制漿機(jī)制成粘土原漿,密度控制在(1.25~1.30)g/cm3,并存放在漿池中備用,必要時(shí)加入微量抗粘土沉淀劑。

        固化劑:主要是水玻璃,按水泥重量的3%~6%控制;速凝劑按水泥量的3%~5%摻加,根據(jù)漿液稠度,選擇一種或兩種同時(shí)摻加。

        外加劑:摻加量按水泥重量的0.50%~1%控制,調(diào)節(jié)漿液的稠度。

        灌漿設(shè)備:采用研究開發(fā)的雙缸間歇往復(fù)泵,最大灌漿壓力可達(dá)到15MPa,單缸泵送流量大于15 L/次,一分鐘泵送次數(shù)可達(dá)15次。

        (2)漿液制備。

        制漿采用高速制漿機(jī)制取水泥漿,攪拌時(shí)間不少于30 s,漿液制備完成后,送入攪拌桶中;然后泵送入粘土原漿,攪拌(3~5)min;加入固化劑攪拌,最后加入外加劑。根據(jù)地層的灌入量和灌漿壓力情況,調(diào)整固化劑和外加劑的摻合比,控制漿液的灌漿半徑。

        (3)灌漿方法。

        采用自下而上分段灌漿的方法,灌漿過程中孔口不封閉,如果孔口冒漿,說明漿液的稠度達(dá)不到控制灌漿的要求,須改變配合比,增濃漿液,直到孔口不冒漿。

        (4)施工參數(shù)。

        ① 灌漿段長(zhǎng):每段段長(zhǎng)長(zhǎng)度可為(10~15)m,單次提升灌段長(zhǎng)原則上為(0.3~0.5)m,遇特殊情況,如構(gòu)造破碎帶,遇溶洞及特殊地層時(shí),回水減少或消失時(shí),段長(zhǎng)則不受上述限制,應(yīng)立即灌漿。

        ② 灌漿壓力:灌漿壓力根據(jù)段深進(jìn)行控制,孔口段灌漿壓力1.0MPa左右,孔口段以下大于2.0MPa。

        (5)灌漿順序。

        各孔分序進(jìn)行施工,先施工Ⅰ序孔,再施工Ⅱ序孔,帷幕灌漿孔完成14天后再施工檢查孔。

        (6)單孔施工程序。

        自下而上膏漿灌注施工程序:施工準(zhǔn)備—→鉆孔放樣—→鉆機(jī)定位安裝—→鉆進(jìn)第一段長(zhǎng)—→制漿—→送、灌漿至本段灌漿結(jié)束—→繼續(xù)掃孔鉆進(jìn),穿過溶洞至完整巖段—→下入灌漿管—→灌漿設(shè)備安裝—→制漿—→送、灌漿—→分段提管送、灌漿—→重復(fù)至全孔灌漿結(jié)束—→封孔—→單孔資料整理提交。

        3 工程應(yīng)用

        3.1 沅水托口水電站河灣地塊防滲工程

        3.1.1 工程地質(zhì)概況

        地層主要為:礫石加粘土、全風(fēng)化礫巖、全風(fēng)化泥巖、泥巖和頁巖、巖和礫巖溶蝕接觸帶、灰?guī)r。其中:灰?guī)r段:灰白色,巖芯破碎,呈塊狀~短柱狀,破裂面溶蝕跡象明顯,溶蝕面呈黃褐色。此層位溶洞較發(fā)育,半充填-無充填狀態(tài),高度(0.3~3)m 左右,主要分布在紅層底部接觸帶?;?guī)r段巖溶較發(fā)育。

        3.1.2 施工工藝參數(shù)

        根據(jù)工程地質(zhì)特性,Ⅰ序孔采用粘土水泥復(fù)合膏漿灌注技術(shù),主要對(duì)紅層段、紅層與灰?guī)r段接觸帶、灰?guī)r巖溶等進(jìn)行灌漿;Ⅱ序孔采用粘土水泥穩(wěn)定漿液方案進(jìn)行灌注施工。

        (1)粘土水泥復(fù)合膏漿材料配比及選用原則(表1)。

        表1 改性粘土水泥膏漿配比和結(jié)石性能

        其中GJ1#適用于一般紅層灌漿段,GJ2#、GJ3#適用于紅層與灰?guī)r接觸帶灌漿、灰?guī)r巖溶充填灌漿等耗漿量較大的部位。對(duì)于灌漿量較大的溶洞,再加入適量外加劑。

        (2)灌漿壓力及控制參數(shù)(表2)。

        3.1.3 效果分析

        根據(jù)已完成試驗(yàn)孔,Ⅰ序孔膏漿施工計(jì)165.30m,灌入漿量419 781 L,單耗2 539.5 L/m。Ⅱ序孔穩(wěn)定漿液施工計(jì)82.65m,灌入漿量25131L,單耗260.5L/m。統(tǒng)計(jì)成果表明序次上與常規(guī)灌漿規(guī)律存在較大的差別,Ⅱ序孔單耗較Ⅰ序孔減少89.7%。這種情況充分說明:

        (1)灰?guī)r地層巖溶發(fā)育,可灌性強(qiáng)。

        (2)灰?guī)r段通過Ⅰ序孔灌漿后,Ⅱ序孔灌漿量明顯減少,僅為Ⅰ序孔的10.3%。

        (3)灌漿量明顯受灰?guī)r地層內(nèi)的巖溶發(fā)育情況所控制,65%的灌漿量直接消耗于明顯無充填物溶洞段的充填。

        在生產(chǎn)性灌漿試驗(yàn)各區(qū),施工檢查孔后,測(cè)得紅層、不整合接觸帶灌后滲透系數(shù)在(3.70×10-6~2.35×10-5)cm/s之間,灰?guī)r層灌后透水率均<5 Lu,基本符合防滲標(biāo)準(zhǔn)要求。

        3.2 江西宜豐豎井帷幕防滲工程

        3.2.1 工程概況

        工程位于宜豐縣新莊鎮(zhèn)口溪村與高安市村前鎮(zhèn)交界處,主井?dāng)M建井筒直徑4.0m,井深500m。副井?dāng)M建井筒直徑5.0m,井深500m。

        主、副井上部分布第四系砂卵石和礫巖巖溶強(qiáng)含、透水層。前期勘察時(shí),揭露紅層礫巖溶洞巖溶水含、透水層后,抽水試驗(yàn)深井潛水泵安裝在孔深28 m處,采用大吸程、大泵量進(jìn)行,測(cè)得單井最大出水量為3 442.18m3/d,滲透系數(shù)為1.701m/d,單位涌水量為118.73m3/d·m。據(jù)水文、工程、環(huán)境地質(zhì)預(yù)測(cè),主、副提升井開鑿時(shí),將對(duì)緊鄰主、副提升井的周邊房屋建筑、地面、地表水系產(chǎn)生不同程度影響,甚至引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害。因此,設(shè)計(jì)對(duì)砂卵石層采用高噴灌漿(上部0~11.3m),對(duì)礫巖巖溶層進(jìn)行帷幕灌漿(下部11.3m~80m)防滲處理,確保施工及周邊建筑物安全。

        3.2.2 工程地質(zhì)條件

        工程部位自上而下巖性為:

        (1)(0.0~11.30)m 為第四系粉質(zhì)粘土、中粗砂、砂卵石,其中中粗砂、砂卵石透水強(qiáng)烈。

        (2)(11.30~63.70)m 為白堊系南雄群,灰白色、棕紅色、淺灰色礫巖,層狀構(gòu)造。礫質(zhì)成分大部為灰?guī)r、花崗巖,少量為砂巖、硅質(zhì)巖,鈣、泥質(zhì)膠結(jié),裂隙較發(fā)育,裂面見溶蝕現(xiàn)象。

        (3)(63.70~500.30)m 為花崗斑巖。 上部風(fēng)化較劇烈,裂隙發(fā)育,下部巖體完整。

        主、副提升井白堊系南雄群灰白色、棕紅色、淺灰色的礫巖中鉆孔遇有六層溶洞,其中規(guī)模最大的溶洞為(43.05~46.15)m 段,洞高 3.10m,其余洞高分別在(0.20~0.85)m之間。溶洞內(nèi)砂、礫石及泥質(zhì)物充填,半充填狀,與上部第四系連通性好,含豐富的巖溶地下水,鉆進(jìn)該層時(shí),回水全部漏失。

        3.2.3 巖溶帷幕灌漿設(shè)計(jì)

        針對(duì)地層的可灌性,灌漿孔按單排布置,孔距2 m,灌漿孔深進(jìn)入花崗斑巖層內(nèi)透水率<3 Lu以下5m。覆蓋層用Φ130開孔,埋入Φ127mm鋼管(埋管既作為灌漿孔口管,又作井筒護(hù)壁鋼管樁使用),灌漿孔分Ⅱ序施工,采用水泥灌漿結(jié)合粘土復(fù)合膏漿進(jìn)行處理,I序孔中 (11.30~63.70)m采用粘土復(fù)合膏漿進(jìn)行處理,灌漿壓力都采用(2~3)MPa,其它孔、段采用水泥灌漿進(jìn)行處理,水泥灌漿采用采用孔口封閉法,灌漿壓力(1.5~2.0)MPa。粘土水泥復(fù)合膏漿材料配比為粘土∶水泥∶水玻璃∶外加劑=600∶400∶20~30∶1~2,漿液流動(dòng)度控制在為(70~85)mm。

        3.2.4 灌漿效果分析

        該工程主井、副井按照相關(guān)設(shè)計(jì)布置和相關(guān)技術(shù)要求,施工共完成32個(gè)孔,累計(jì)灌漿段長(zhǎng)2160.7m,灌入水泥1 716.38 t,單位注入量794.36 kg/m,灌入粘土881.25 t。帷幕灌漿施工完成后,綜合效果表明帷幕灌漿質(zhì)量較好,達(dá)到預(yù)期效果。

        (1)單位注入量逐序減少明顯。主井先施工的?序孔單位注入量1 225.7 kg/m,后施工的Ⅱ序孔單位注入量165.2 kg/m。副井先施工的Ⅰ序孔單位注入量1589.3 kg/m,后施工的Ⅱ序孔單位注入量145.3 kg/m。

        (2)礫巖內(nèi)巖溶充填密實(shí)。通過檢查孔鉆孔表明,鉆孔巖芯多呈柱狀,膠結(jié)良好,可見明顯長(zhǎng)柱狀水泥、粘土結(jié)石體,說明灌漿效果較好。

        (3)主井、副井巖溶帷幕灌漿檢查孔壓水試驗(yàn)透水率均<3Lu,滿足設(shè)計(jì)要求。施工檢查孔3個(gè)(主井2個(gè),副井1個(gè)),壓水試驗(yàn)39段,透水率均<3Lu,全部合格。

        4 結(jié)語

        (1)可控粘土復(fù)合膏漿灌漿在巖溶地層、粗大孔隙內(nèi)灌漿相比常規(guī)灌漿具有鮮明的優(yōu)點(diǎn)。主要體現(xiàn)在:施工期短,見效快;摻加固化劑及外加劑基本無毒,價(jià)格較低,容易采購(gòu)和保存;適應(yīng)性強(qiáng),不受場(chǎng)地大小、施工環(huán)境條件限制;施工周期短、見效快;灌漿材料主要為水泥和粘土,造價(jià)低,經(jīng)濟(jì)、節(jié)能環(huán)保優(yōu)勢(shì)顯著。

        (2)可控粘土復(fù)合膏漿灌注技術(shù)對(duì)于地層內(nèi)粗大孔隙的漏水處理具有見效快、工期短、不受地質(zhì)條件、環(huán)境因素制約、適用性強(qiáng),能快速解決工程建設(shè)中出現(xiàn)的各種因強(qiáng)透水而引發(fā)的工程問題,是防滲堵漏的一種簡(jiǎn)便、快捷的處理方法,在工程上具有廣闊的應(yīng)用前景。但由于漿液組成的特殊性和工具參數(shù)選擇的多變性,合理把握漿液配合比、施工工藝及參數(shù)是該方法成敗的關(guān)鍵,有效注入量的控制直接決定防滲堵漏的效果與經(jīng)濟(jì)性。

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