黃 毅，楊興海，古 松

(四川二灘國際工程咨詢有限責(zé)任公司，四川 成都 610072)

1 前 言

烏江構(gòu)皮灘水電站位于貴州省余慶縣構(gòu)皮灘口上游1.5km的烏江上，上游距烏江渡水電站137km，下游距河口涪陵455km。工程開發(fā)的主要任務(wù)是發(fā)電，兼顧航運(yùn)、防洪等綜合效益。水庫總庫容64.51億m3，電站裝機(jī)容量3 000MW。

在EL500灌漿平洞K0+245樁號部位開挖時下游側(cè)邊墻(傾角約60°)揭露出一個溶洞，溶洞傾斜左岸上游沿層間錯動帶發(fā)育，洞壁圍巖破碎，由黃泥和孤石充填，在K0+245處與平洞斜交，切割廊道底板延伸至上游。當(dāng)掘進(jìn)通過溶洞時，采用錨桿、竹跳板和鋼管制作護(hù)欄支撐等臨時封堵以保持充填物達(dá)到相對穩(wěn)定狀態(tài)后繼續(xù)正常向前掘進(jìn)；在掘進(jìn)貫通進(jìn)行混凝土襯砌倉面準(zhǔn)備前，拆除臨時封堵體清理溶洞充填物。由于清理時間正值雨季(2006年6月)，在已經(jīng)垮塌的溶洞充填物清理即將結(jié)束時，大量的孤石夾帶黃泥等充填物從上部垮塌下來，堵塞平洞，長度達(dá)30余米，中斷了正在進(jìn)行的混凝土襯砌作業(yè)且形成了更大的安全隱患。由于溶洞頂部深處剩余充填物的數(shù)量及狀況無法預(yù)測或準(zhǔn)確探明，經(jīng)多方共同研究確定，在對涌入平洞內(nèi)的垮塌充填物清理到不侵占設(shè)計混凝土襯砌斷面后(實(shí)際清除充填物6 270m3)，迅速用I20工字鋼以50cm的間距支撐剩余充填物，立即結(jié)合永久襯砌澆筑鋼筋混凝土封閉，并預(yù)留管道通往剩余垮塌充填物頂部以備將來灌注細(xì)石混凝土或砂漿回填空腔。溶洞規(guī)模示意見圖1。

圖1 EL500灌漿洞K0+245溶洞剖面示意

2 膏狀漿液灌注方案的選用

在施工EL500灌漿平洞K0+245溶洞區(qū)域的帷幕灌漿時，多數(shù)孔段經(jīng)復(fù)灌多次均不能達(dá)到結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)，漿液向溶洞區(qū)串漏，卸壓后漿液回流(夾有大量溶洞充填物)現(xiàn)象普遍。為了形成有效幕體切斷該部位帷幕灌漿時水泥漿液向塌方后形成的大空腔串漏線路，縮小溶洞處理范圍，盡早形成有利的帷幕灌漿升壓條件，經(jīng)專題會議討論，決定在灌漿平洞底板下游測(帷幕軸線下游)鉆斜孔灌注膏狀漿液固結(jié)充填物。鉆孔穿過溶洞充填物進(jìn)入巖體2m，以2m的段長分段灌注，將溶洞在灌漿平洞底板以下區(qū)域與上部隔離。

所謂膏狀漿液就是在水泥漿液中通過填加增塑劑、速凝劑等復(fù)合材料，使?jié){液具有很大的屈服強(qiáng)度和塑性粘度，在灌漿過程中不僅具有很好的可控性，而且具有較好的抗水沖性能，適合于大孔隙和有地下水流的地層灌漿。EL500灌漿平洞K0+245溶洞發(fā)育規(guī)模巨大，上、下游邊界均末探明，充填物以較松散的黏土為主，采用常規(guī)灌漿方法顯然難以在短期內(nèi)收到效果，其原因正是普通水泥漿液在均質(zhì)松散體內(nèi)的劈裂作用，漿液可以在這種介質(zhì)中沿一個方向流動很遠(yuǎn)，第二次復(fù)灌可能形成新的通道，更主要的是K0+245溶洞在帷幕線的上、下游側(cè)均沒有可以阻擋漿液流失的地層條件，每次重復(fù)施灌在帷幕線上的擠密作用非常有限。因此，利用膏狀漿液具有較大屈服強(qiáng)度和塑性粘度的特性，希望灌注的漿液能均勻擴(kuò)散并盡可能縮小擴(kuò)散范圍，提前在大范圍的溶洞充填物中形成一個較近邊界。這就是這次帶有試驗(yàn)性質(zhì)的施工方案的理論基礎(chǔ)。

3 膏狀漿液的原材料及配合比

3.1 水 泥

膏漿選用的水泥為貴州新浦瑞安生產(chǎn)的普通硅酸鹽42.5水泥，水泥細(xì)度滿足規(guī)范要求，水泥必須保持新鮮，不使用受潮、結(jié)塊水泥，水泥性能符合GB200-2003標(biāo)準(zhǔn)要求，相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

3.2 膨潤土

膏漿選用的膨潤土為湖南灃縣湘北膨潤土廠生產(chǎn)的“湘仁”牌鈣基膨潤土，其物理性能符合標(biāo)準(zhǔn)要求，相關(guān)數(shù)據(jù)見表2。

表1 水泥性能試驗(yàn)指標(biāo)

表2 膨潤土物理性能

3.3 增塑劑

本工程選用天津市武清區(qū)津航建材化工有限公司生產(chǎn)的MF-4型增塑劑，主要成分是多種高效減水劑經(jīng)科學(xué)復(fù)合而成，增加了緩釋、增粘、保塑功能，對硅酸鹽水泥適應(yīng)性好，無氯、低堿，對鋼筋無銹蝕作用，其主要均勻性指標(biāo)和物理性能指標(biāo)見表3、4。

3.4 配合比實(shí)驗(yàn)

為提高漿液的初始粘度，提高可控性，避免漿液擴(kuò)散較遠(yuǎn)，起到較好的封堵效果，在水泥漿(0.55∶1)中摻加一定量的膨潤土和增塑劑進(jìn)行調(diào)制。同時為了保證漿液的可灌性、結(jié)石強(qiáng)度等要求，在實(shí)驗(yàn)過程中通過調(diào)整膨潤土和增塑劑摻量最終選取了3組具備可灌性的配合比，在試驗(yàn)室進(jìn)行了室內(nèi)強(qiáng)度試驗(yàn)。結(jié)果表明，7天抗壓強(qiáng)度代表值為23.2MPa，滿足設(shè)計強(qiáng)度要求。最后確定這3組配合比作為施工配合比。詳見表5。

表3 增塑劑均勻性指標(biāo)

表4 增塑劑物理力學(xué)性能指標(biāo)

表5 施工配比

現(xiàn)場實(shí)際施工時由于有大量黃泥返回，堵管現(xiàn)象時有發(fā)生?，F(xiàn)場采用的是1號施工配合比。

3.5 膏狀漿液的制備及現(xiàn)場性能檢測

配置膏狀漿液的原漿(0.55∶1的水泥漿)是由自動化集中制漿系統(tǒng)制備輸送至工作面膏漿制漿站內(nèi)，膏漿中所摻入的膨潤土及增塑劑均須秤量，以干摻法準(zhǔn)確加入。膨潤土在加入過程中須經(jīng)濾網(wǎng)(5mm)篩流入攪拌槽，防止結(jié)塊及雜質(zhì)進(jìn)入。所有原材料配齊后均勻攪拌3～5min(300～1 000r/min)即可使用。

由于膏漿具有較大的粘度，普通攪拌機(jī)無法攪拌，因此本次施工時對普通攪拌機(jī)筒體鋼板進(jìn)行了加厚，采用以XY-50型鉆機(jī)作為動力以提升攪拌扭矩，使膏漿漿液得到充分均勻的攪拌。

膏漿制備完成后，要測計密度和流動度。密度使用比重稱測量。流動度為膏狀漿液最重要的一個性能指標(biāo)，若流動度太大，失去膏漿的可控性；若流動度太小，漿液又不具備可泵性，會經(jīng)常發(fā)生灌漿泵難以將漿液吸入以及堵管、爆管等事故。膏漿的粘稠度很大，無法使用漏斗粘度計測量，所以采用流動度來標(biāo)定漿液的粘稠度。測量流動度是將一個上口直徑為36mm、下口直徑為64mm、高度為60mm的空截圓錐體置于玻璃板上，膏漿放入截錐體內(nèi)，將頂部漿液刮平，錐體提開30s，測量漿液在玻璃板上的擴(kuò)散直徑(以mm計)。

根據(jù)現(xiàn)場灌注設(shè)備及機(jī)具的實(shí)際情況，施工過程中采用的流動度指標(biāo)為100～160mm。

4 膏狀漿液加強(qiáng)固結(jié)處理方案

4.1 鉆孔布置

在樁號K0+240～K0+253范圍內(nèi)布置二排傾向下游45°的斜孔，鉆孔交錯布置，排距50cm，孔距1m，終孔深度按深入完整基巖2m控制。鉆孔開孔孔徑為φ91mm，終孔孔徑為φ76mm。

4.2 灌漿方法

采用自上而下分段、孔口封閉灌漿法灌漿，若遇溶洞泥孔段有黃泥從回漿返出時，射漿管可根據(jù)實(shí)際情況下至適當(dāng)深度即可。

4.3 灌漿壓力及段長

分二序施工，Ⅰ序孔灌漿壓力暫定為1.5～2MPa，Ⅱ序孔灌漿壓力暫定為2～3MPa。灌漿段長初步定為2m，孔口管長度為2m。

4.4 灌漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)

采用定量灌注和壓力控制二個標(biāo)準(zhǔn)。若灌漿時達(dá)到設(shè)計壓力且吸漿量小于1L/min時，不必屏漿直接結(jié)束該段灌漿，繼續(xù)下一段的鉆孔灌漿作業(yè)；若不能達(dá)到設(shè)計壓力，則一段灌注干料達(dá)10t即可結(jié)束該段灌漿，待凝2～4h后開始下一段的鉆孔灌漿作業(yè)。不管什么情況，若灌漿結(jié)束后有孔口返漿，均應(yīng)作閉漿處理，時間為4h。

4.5 合格標(biāo)準(zhǔn)

灌漿施工結(jié)束后7天打檢查孔，通過取芯和壓水綜合判定灌漿效果。壓水段長5m，單點(diǎn)法壓水試驗(yàn)壓力為1MPa，合格標(biāo)準(zhǔn)為1Lu。溶洞泥段取芯應(yīng)采用干鉆等措施，以綜合評價灌漿效果。

5 質(zhì)量檢查及成果分析

(1)膏漿在EL500灌漿平洞K0+245溶洞Ⅰ序孔灌注時，因同時打開的孔數(shù)較多，串漿情況普遍，且遵循由近孔再遠(yuǎn)孔的規(guī)律，先串出的是水而后是稀泥最后是原狀的溶洞泥；串漿時有冒氣和出水變熱的情況發(fā)生，初步推測是由于膏狀漿液粘度大，在溶洞泥中擠壓產(chǎn)生了一定的熱量所致。從實(shí)際灌漿效果看，經(jīng)過一段時間的持續(xù)灌注后，灌注時串漿的情況明顯減少，后期施工成孔率明顯好轉(zhuǎn)，灌漿時拒漿壓力明顯升高。其中I序孔單位耗量為5.8t/m，II序孔單位耗量為3.1t/m。

(2)在灌漿結(jié)束后，監(jiān)理工程師根據(jù)現(xiàn)場施工情況，在該部位布置2個檢查孔，孔深28m，壓水6段，最大透水率為0.56Lu，最小為0.1Lu。滿足設(shè)計要求。

(3)巖芯情況。L3-JGJ-1號檢查孔0. 9～10.1m為擠密黃泥層，在1.0、1.8、2.9、5.8、6.4、6.8、7.5m處均可見水泥結(jié)石，大多呈片層狀和塊狀。

L3-JGJ-2號檢查孔在3.55～3.7m處有一條寬0.4cm的裂隙，充填水泥結(jié)石。在3.8～7.8m的孔段為擠密黃泥層，其中在5.9、6.1、6.3、7.0m處均有塊狀水泥結(jié)石。

(4)膏漿對后序帷幕灌漿的影響。膏漿封閉施工完成后，即開始主帷幕的施工。從施工情況看，漿液回流現(xiàn)象已少有發(fā)生，灌漿壓力也明顯高于封閉灌漿實(shí)施前的壓力，吸漿量也明顯減小，說明通過膏狀漿液的灌注，向溶洞空腔的串漏通道已被有效封堵，施工達(dá)到了預(yù)期的目的。

6 膏漿在構(gòu)皮灘工程其它部位的使用

在左岸高程640灌漿平洞K0+290～393段因巖體軟弱和地層破碎，在鉆孔灌漿初期就導(dǎo)致第9～10號物探孔無法成孔(樁號分別為K0+350和K0+390)，根據(jù)8號物探孔(K0+295)以及K0+293～0+398區(qū)域先導(dǎo)孔鉆孔取芯揭示，孔深10～30m段為中厚層生物碎屑灰?guī)r與少量碳泥質(zhì)灰?guī)r，巖芯破碎，裂隙密集發(fā)育，夾層風(fēng)化，內(nèi)含溶蝕空洞無充填。

在第一秩序孔鉆灌過程中發(fā)現(xiàn)壓水試驗(yàn)透水率和耗灰量巨大(深度70m的孔個別達(dá)150～600t)，多數(shù)孔段需要水泥砂漿復(fù)灌多次甚至十多次(最多超過23次)才能結(jié)束，平均單位耗灰量達(dá)2t以上。為此，在133號孔和141號孔之間增加了一個深度為25m的物探孔，在鉆孔過程中未發(fā)生掉鉆現(xiàn)象，但灌注砂漿20t后仍無壓無回。另外，在131號與132號孔之間(K0+292)增一孔徑為φ91的孔，灌注瓜米石，但灌注效果較差，根本就灌不進(jìn)去，為此暫停了砂漿灌注施工作業(yè)。

根據(jù)以上情況及地質(zhì)素描進(jìn)一步證實(shí)，該段地質(zhì)條件復(fù)雜，巖石完整性差，裂隙發(fā)育且溶蝕強(qiáng)烈，在帷幕軸線范圍內(nèi)可能存在較大的溶槽或溶洞，并且與之連通的裂隙張開較大，導(dǎo)致限流、降壓、灌注砂漿和反復(fù)待凝等常規(guī)灌漿手段所取得的效果均不太明顯。為此，借鑒膏狀漿液在EL500灌漿平洞K0+245溶洞的成功經(jīng)驗(yàn)，確定在該段增加一排帷幕，要求剩余的孔在灌注20t水泥砂漿仍無壓無回的孔段采用膏漿灌注，在壓力上升后，再進(jìn)行水泥濃漿灌注直到結(jié)束。其中除第一排Ⅰ序孔132號孔第4段灌膏漿21次耗150.275t和第二排Ⅰ序82號孔第4段灌膏漿16次耗122t、Ⅰ序孔74號第3段11次耗61.638t、Ⅱ序孔78號孔第5段、80號孔第5段、88號孔第3段灌注膏漿11次以外，其余孔段灌漿待凝次數(shù)均不超過8次。在灌漿結(jié)束統(tǒng)計中，第2排第一秩序孔的平均單位耗灰量721kg/m，第二秩序孔的平均單位耗灰量537kg/m，第三秩序孔的平均單位耗灰量401kg/m，均小于第1排第三序孔的平均單位耗灰量873t。另外，在灌漿結(jié)束后布置的19個檢查孔壓水試驗(yàn)成果均滿足設(shè)計的防滲標(biāo)準(zhǔn)，并取出大量水泥結(jié)石，說明該段帷幕灌漿取得了成功。

7 結(jié)束語

膏狀漿液在構(gòu)皮灘水電站工程中的成功應(yīng)用，說明在砂性土、黏土的巖溶地區(qū)的帷幕灌漿以及大范圍黃泥充填溶洞處理上，除了采用追挖清理以外，利用膏狀漿液控制漿液擴(kuò)散范圍，提高巖土自身強(qiáng)度，也是一個行之有效的處理手段。