歐陽偉雄 賀寶林

1大慶油田設(shè)計(jì)院有限公司

2中國石油華北油田公司

地下水封洞庫工程具有占地小、安全性高、對景觀破壞小、維修費(fèi)用低、投資小、適合戰(zhàn)備要求的特點(diǎn)[1]，是國內(nèi)近年來發(fā)展建設(shè)國家石油戰(zhàn)略儲備庫的主要儲油方式。建設(shè)地下水封洞庫的關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)是在不良地質(zhì)條件下對圍巖進(jìn)行注漿、堵水、防滲處理，根據(jù)GB/T 504455—2020《地下水封石洞油庫設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》的相關(guān)規(guī)定“處理后的洞罐滲水量，每100×104m3庫容不宜大于200 m3/d”，目前我國已建及在建地下水封洞庫均采用以水泥注漿為主的堵水方式來滿足規(guī)范要求[2]。由于水泥是顆粒狀材料，其漿液為懸浮性漿液，容易出現(xiàn)料水分離現(xiàn)象[3]。在主洞室邊墻、一些花崗巖微細(xì)裂隙發(fā)育、斷層破碎影響帶、軟弱泥化夾層等區(qū)域的防滲處理過程中，發(fā)現(xiàn)常規(guī)的水泥漿液、超細(xì)水泥漿液在處理較細(xì)小裂隙的滲漏和破碎帶泥化夾層的效果不佳，因而反復(fù)調(diào)整注漿設(shè)計(jì)參數(shù)及工藝，采取水泥注漿及超細(xì)水泥多次補(bǔ)灌措施，但因巖層的特殊性和處理方式的局限性，仍然不能達(dá)到理想的效果[4]。

經(jīng)調(diào)研眾多水利水電、礦山、交通等地下工程，對于不良地質(zhì)條件下的圍巖，常采用復(fù)合材料進(jìn)行注漿封堵，效果良好。因復(fù)合材料為真溶液，是非顆粒狀漿材，漿材可以滲入花崗巖微小裂隙、斷層破碎影響帶、軟弱泥化夾層等區(qū)域；而水泥是顆粒狀漿材，不能灌入細(xì)微裂隙，因此復(fù)合材料的可灌性更好，也得到了廣泛的應(yīng)用。

我國東南地區(qū)某洞庫工程，建設(shè)規(guī)模為500×104m3，施工期主洞室頂層開挖完成后，洞室的總涌水量達(dá)到峰值，約為8 000～9 000 m3/d，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過詳細(xì)勘察階段預(yù)測的洞室最大涌水量。當(dāng)主洞室開挖全部完成后，再次進(jìn)行注漿堵水處理，洞室的總涌水量得到了有效的控制，但離規(guī)范要求的允許值1 000 m3/d 仍有一定的差距。為了滿足工程建設(shè)的要求，首次提出在普通水泥和超細(xì)水泥注漿的基礎(chǔ)上，進(jìn)行復(fù)合注漿生產(chǎn)性試驗(yàn)，優(yōu)選注漿工藝參數(shù)，注漿效果檢驗(yàn)后，已滿足了規(guī)范中涌水量的要求。同時本次工程的復(fù)合注漿生產(chǎn)性試驗(yàn)的成功應(yīng)用，可為類似工程提供相關(guān)經(jīng)驗(yàn)與指導(dǎo)。

1 工程概況

某地下水封石油洞庫位于我國東南沿海地區(qū)，庫址區(qū)東側(cè)和南側(cè)各有一條河流，東側(cè)河流寬約150 m，南側(cè)河流寬約200 m，兩側(cè)河流在庫址區(qū)東南側(cè)交匯后匯入海洋，距離海洋口僅約30 km，地下洞室距離南側(cè)河流最近約600 m，洞庫設(shè)計(jì)庫容500×104m3。

1.1 工程地質(zhì)條件

工程區(qū)屬波狀平原及濱海地帶，剝蝕殘丘地形，第四系殘積層地貌，地表植被茂盛，多為果樹林、農(nóng)田及雜草。工區(qū)地層巖性主要為：第四系殘坡積層；燕山一期片麻狀花崗巖、花崗閃長巖；燕山中晚期煌斑巖脈、花崗偉晶巖脈、細(xì)晶狀長英質(zhì)巖脈等各種巖脈。

根據(jù)勘察成果，庫址區(qū)揭露有3條斷層，分別為F1、F2 和F3。F1 斷層位于庫址北側(cè)，相距約800 m，產(chǎn)狀N80°W/NE∠75°，分布有斷層角礫巖及寒武系的變質(zhì)泥質(zhì)粉砂巖，推測延伸至庫址區(qū)東側(cè)河流，揭露厚度約150 m；F2斷層自西北向東南穿過整個庫區(qū)，產(chǎn)狀N38°W/SW∠66°～74°，有石英巖脈侵入及泥化現(xiàn)象，揭露厚度約4 m；F3斷層自西南向北東斜穿庫區(qū)東南角，產(chǎn)狀N55°E/SE∠75°，有石英巖脈及偉晶巖脈侵入及局部泥化現(xiàn)象，揭露厚度2 m～5 m。

揭露還有9 條貫通性的節(jié)理密集帶，分別為L1～L9。施工期開挖至主洞室頂層時，又揭露有透水性較強(qiáng)的29 條f 結(jié)構(gòu)面（編號f1～f29）和68條l結(jié)構(gòu)面（編號l1～l68）。

因此，庫址區(qū)工程地質(zhì)條件極其復(fù)雜，為洞庫的注漿堵水帶來了巨大挑戰(zhàn)。

1.2 水文地質(zhì)條件

我國東南部屬熱帶和亞熱帶季風(fēng)氣候，終年受海洋氣候調(diào)節(jié)，年平均雨量1 395.5～1 723.1 mm（1981—2010 年氣候資料）。年降雨量充沛，4～9月為多雨季節(jié)，8月雨量最多，10月至次年3月雨量較少。低壓、熱帶風(fēng)暴、臺風(fēng)登陸影響較為頻繁。

庫址區(qū)地下水類型按埋藏條件及賦存介質(zhì)分為松散巖類孔隙潛水和裂隙潛水，其中裂隙潛水又可分為淺層的網(wǎng)狀裂隙水和深層的脈狀裂隙水?？紫稘撍x存于第四系松散地層中，裂隙潛水賦存于基巖裂隙中。其中深層脈狀裂隙水主要賦存于中風(fēng)化帶中深部及其以下的巖體中，深度變化不一，主要受構(gòu)造運(yùn)動和結(jié)構(gòu)面發(fā)育的影響，為洞庫注漿堵水主要對象。

2 復(fù)合材料的生產(chǎn)試驗(yàn)

2.1 復(fù)合材料注漿的優(yōu)點(diǎn)及分類

復(fù)合材料注漿是將一定的化學(xué)材料（無機(jī)或有機(jī)材料）配制成溶液，用注漿泵等設(shè)備將其灌入地層或縫隙內(nèi)，使其滲透、擴(kuò)散、膠凝或固化，以增加地層強(qiáng)度、降低地層滲透性、防止地層變形，也是進(jìn)行混凝土建筑物裂縫修補(bǔ)時加固基礎(chǔ)、防水堵漏和混凝土缺陷補(bǔ)強(qiáng)的一項(xiàng)技術(shù)[5-6]。即復(fù)合材料注漿是化學(xué)材料與工程相結(jié)合，運(yùn)用化學(xué)科學(xué)、化學(xué)漿材和工程技術(shù)進(jìn)行基礎(chǔ)和混凝土缺陷的處理（加固補(bǔ)強(qiáng)、防滲止水），保證工程的順利進(jìn)行及提高工程質(zhì)量的一項(xiàng)技術(shù)[7]。

復(fù)合材料注漿的漿液優(yōu)點(diǎn)主要有可灌性好，無粒徑限制，凝膠時間、強(qiáng)度及彈模都可控制，抗?jié)B性好，耐久性優(yōu)良，可用于永久工程；缺點(diǎn)是價(jià)格貴、有不同程度的毒性[8]。目前最常用的復(fù)合注漿材料可分為兩大類：防滲止水類，有水玻璃、丙烯酸鹽、水溶性聚氨酯、彈性聚氨酯和木質(zhì)素漿等[9-10]；加固補(bǔ)強(qiáng)類，有環(huán)氧樹脂、甲基丙烯酸甲酯、非水溶性聚氨酯漿等。近年來應(yīng)用最多的是水玻璃、聚氨酯和環(huán)氧樹脂漿材。

2.2 復(fù)合材料有害性鑒定

環(huán)氧樹脂注漿材料經(jīng)中國建材檢驗(yàn)認(rèn)證集團(tuán)股份有限公司檢測，該材料有害物質(zhì)含量符合國家建材行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JC 1066—2008《建筑防水涂料中有害物質(zhì)限量》中規(guī)定的各項(xiàng)有害物質(zhì)限量指標(biāo)。經(jīng)相關(guān)部門檢測，環(huán)保型環(huán)氧樹脂注漿材料其LD50 指標(biāo)數(shù)值大于5 000 mg/kg，實(shí)際無毒。各項(xiàng)指標(biāo)檢測結(jié)果見表1。環(huán)氧樹脂注漿材料表面張力為28.13 mN/m（1 h），與花崗巖接觸角為0°，表明環(huán)氧注漿材料浸潤滲透性和動水下可灌性強(qiáng)。同時委托有資質(zhì)的專業(yè)部門對廢棄材料進(jìn)行無害化處理，可確保對環(huán)境無污染。

表1 環(huán)保型環(huán)氧樹脂材料揮發(fā)性有機(jī)化合物檢測結(jié)果Tab.1 Detection results of volatile organic compounds in environment friendly epoxy resin materials

2.3 復(fù)合材料與原油的反應(yīng)試驗(yàn)

通過原油、環(huán)氧樹脂注漿材料化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)試驗(yàn)，并結(jié)合TG-DSC（同步熱分析）及SEM（掃描電鏡）等測試手段，分析原油和環(huán)氧灌漿材料固結(jié)體兩種樣品的熱穩(wěn)定性。由圖1可知，原油樣品測試前為液體，460 ℃時余重為39.8%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（圖中TG 為加熱溫度與余重的關(guān)系，DSC 為加熱溫度與測試體電位差的關(guān)系）。此時并未出現(xiàn)放熱或吸熱峰，原油電位差未發(fā)生急劇變化，說明失重是來自于液體揮發(fā)；加熱至586 ℃時的失重因固體殘留物的燃燒放熱，電位差變化速率加快，并達(dá)到峰值1.0 μV。由圖2可知，環(huán)氧注漿固結(jié)體樣品加熱至339 ℃時樣品出現(xiàn)了第一次明顯放熱峰，電位差變化速率加快，余重為33.75%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）；加熱至510 ℃時出現(xiàn)第二次放熱峰至完全煅燒干凈，電位差變化速率再次加快，并達(dá)到峰值0.4 μV。分析圖譜表明，原油和環(huán)氧灌漿材料固結(jié)體兩種樣品的熱穩(wěn)定好，不易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。試驗(yàn)結(jié)果見圖1～圖4。

圖1 原油TG-DSC測試Fig.1 TG-DSC test of crude oil

圖2 環(huán)氧注漿固結(jié)體TG-DSC測試Fig.2 TG-DSC test of epoxy grouted solid

圖3 固結(jié)體SEM浸泡前Fig.3 Grouted solid body before SEM immersion

圖4 固結(jié)體SEM浸泡后Fig.4 Grouted solid after SEM immersion

在對環(huán)氧樹脂材料毒性及與原油的反應(yīng)做了相應(yīng)的鑒定與試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，同時調(diào)研了三峽工程、向家壩水電站、溪洛渡水電站、南水北調(diào)中線一期工程、丹江口水利樞紐、清遠(yuǎn)抽水蓄能電站等多個重點(diǎn)水利水電工程，調(diào)研結(jié)果發(fā)現(xiàn)環(huán)氧樹脂材料對工程周邊水體環(huán)境無影響，且封堵效果很好。針對地下水封石油洞庫工程特點(diǎn)，環(huán)氧樹脂材料作為注漿材料既不與原油反應(yīng)又不污染周邊水體，符合地下水封洞庫開挖后期的注漿止?jié)B試驗(yàn)材料選用要求。

2.4 復(fù)合材料注漿試驗(yàn)

選擇洞室內(nèi)巖體質(zhì)量為Ⅱ級經(jīng)普通水泥+超細(xì)水泥多次處理過的典型部位，進(jìn)行復(fù)合材料注漿堵水補(bǔ)強(qiáng)試驗(yàn)。經(jīng)過統(tǒng)計(jì)分析試驗(yàn)區(qū)每個注漿孔的注前壓水實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得知，處理后整體透水性較弱，透水率主要分布在1.0～2.0 Lu，平均透水率為1.56 Lu，其中最大值3.20 Lu，最小值0.06 Lu（圖5）。由復(fù)合材料注漿單孔注入量可知（圖6），該段單孔注入量主要分布在40～60 kg，平均注入量為49.25 kg，其中最大值132.90 kg，最小值2.10 kg。由此表明，在巖體質(zhì)量相對較好的區(qū)域，復(fù)合材料仍具有較強(qiáng)的可灌性。

圖5 試驗(yàn)區(qū)注漿前透水率分布Fig.5 Distribution of permeability rate before grouting in test area

圖6 復(fù)合材料注漿單孔注入量分布Fig.6 Single-hole injection volume distribution of composite materials grouting

統(tǒng)計(jì)分析復(fù)合材料注漿前涌水量數(shù)據(jù)可知（表2），32 個注漿孔中有18 個孔有地下水水流滲出，占比66.6%。經(jīng)復(fù)合材料注漿后，再布設(shè)2 個檢查孔J1、J2，其滲水量可忽略不計(jì)，且兩個檢查孔的透水率分別為0.05 Lu和0.037 Lu。

由表2可知，進(jìn)行復(fù)合材料注漿后，表面僅為浸潤，無明顯可量測滲水。注漿完成后布設(shè)的檢查孔平均透水率已降至0.044 Lu，注漿試驗(yàn)效果明顯。采用鉆孔取芯法檢查復(fù)合材料注漿效果，由鉆孔巖心可知，巖體中普通水泥及超細(xì)水泥都已無法滲入的裂隙部位，但復(fù)合材料可以滲入，且漿液擴(kuò)散明顯，膠結(jié)強(qiáng)度高。

表2 復(fù)合材料注漿前后注漿孔涌水量統(tǒng)計(jì)Tab.2 Statistics of water inflow of grouting hole before and after composite materials grouting

2.5 復(fù)合材料注漿試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)對該地下水封石油洞庫復(fù)合材料注漿的研究成果及試驗(yàn)結(jié)果，項(xiàng)目建設(shè)方邀請了化學(xué)注漿協(xié)會成員及國內(nèi)相關(guān)復(fù)合材料注漿專家召開了該工程復(fù)合材料注漿試驗(yàn)成果專家論證會，經(jīng)與會專家的討論與咨詢，認(rèn)為該試驗(yàn)方案與工藝總體可行：①根據(jù)現(xiàn)場采用的水泥-環(huán)氧樹脂復(fù)合注漿試驗(yàn)結(jié)果，工程效果良好，達(dá)到了試驗(yàn)區(qū)域防水堵漏的預(yù)期目標(biāo)。②根據(jù)庫址區(qū)花崗巖巖體特征、揭露的導(dǎo)水構(gòu)造發(fā)育情況，在微小裂隙中存在連通性和滲透性較差的部位，普通水泥與超細(xì)水泥注漿均無法取得良好效果，而采用水泥-環(huán)氧樹脂的復(fù)合型材料注漿效果良好。③根據(jù)多項(xiàng)試驗(yàn)檢測結(jié)論以及水利水電工程應(yīng)用案例，環(huán)氧樹脂漿材對原油和地下水環(huán)境條件不會產(chǎn)生不利影響，且具有良好的耐久性和穩(wěn)定性。

3 復(fù)合材料注漿的工程應(yīng)用

復(fù)合材料注漿技術(shù)已在國內(nèi)發(fā)展的較為成熟，部分技術(shù)處于國際領(lǐng)先水平。目前在國內(nèi)的水電站、建筑、交通和采礦等部門得到推廣應(yīng)用。國內(nèi)大型水利水電工程中復(fù)合注漿應(yīng)用時間見表3。

表3 國內(nèi)部分工程復(fù)合注漿材料應(yīng)用時間Tab.3 Application time of composite grouting materials in some projects in China

在經(jīng)過了復(fù)合材料試驗(yàn)和論證后，該地下水封石油洞庫的滲水部位以及增加的一些部位進(jìn)行復(fù)合材料注漿后均達(dá)到了較為理想的效果。以主洞室①，樁號0+620 m—0+632 m 段第四層左邊墻復(fù)合材料注漿為例，該段左側(cè)洞室?guī)r體主要為微風(fēng)化片麻狀花崗巖，節(jié)理稍發(fā)育-較發(fā)育，巖體較完整-較破碎，巖體強(qiáng)度高，圍巖等級為Ⅱ～Ⅲ級。該段洞室開挖后揭露滲水點(diǎn)，進(jìn)行過多次后注漿處理，目前洞室邊墻仍有滲水，地下水沿巖壁滲出，滲水量較大，約3.0 L/min。根據(jù)地質(zhì)素描情況，分析該段巖體導(dǎo)水裂隙比較發(fā)育，主要出水裂隙產(chǎn)狀為10°∠70°～80°和220°∠35°。

考慮到該區(qū)域存在多組滲水結(jié)構(gòu)面，地下水沿巖壁從多處滲出，且經(jīng)多次水泥注漿處理后仍有較大滲水，對整個區(qū)域進(jìn)行加密注漿處理（圖7）。經(jīng)處理后巖壁表面僅為濕潤，再無地下水滲出現(xiàn)象。

圖7 主洞室①，樁號0+620 m—0+650 m段注漿孔布置Fig.7 Grouting hole layout of pile number 0+620 m-0+650 m,main cavern ①

4 結(jié)論

對于地下水封洞庫主洞室邊墻、頂拱一些花崗巖微細(xì)裂隙發(fā)育、斷層破碎影響帶、軟弱泥化夾層等區(qū)域，常規(guī)的水泥漿液和超細(xì)水泥漿液對這些區(qū)域位置進(jìn)行注漿堵水作業(yè)時，需反復(fù)調(diào)整注漿設(shè)計(jì)參數(shù)及工藝，采取多次補(bǔ)灌措施，且處理效果不佳。

環(huán)氧樹脂作為復(fù)合注漿材料在其他工程行業(yè)已有成熟的應(yīng)用，經(jīng)試驗(yàn)檢測環(huán)氧樹脂作為復(fù)合注漿材料，其有害物質(zhì)限量指標(biāo)含量符合國家建材行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)各項(xiàng)規(guī)定要求，其LD50 指標(biāo)數(shù)值大于5 000 mg/kg，為無毒材料，對環(huán)境無污染。同時經(jīng)檢測其表面張力為28.13 mN/m（1 h），與花崗巖接觸角為0°，表明環(huán)氧注漿材料浸潤滲透性和動水下可灌性強(qiáng)，在國內(nèi)某地下水封石油洞庫工程進(jìn)行復(fù)合材料注漿堵水補(bǔ)強(qiáng)試驗(yàn)后，場地平均透水率由1.56 Lu下降至0.044 Lu，無地下水滲出現(xiàn)象，注漿試驗(yàn)效果明顯，表明環(huán)氧樹脂作為注漿材料適合用于地下水封洞庫工程某些地質(zhì)條件復(fù)雜的區(qū)域，為其他類似工程的建設(shè)提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。