摘要：在防渗帷幕灌浆工程中，各类岩溶形态较为发育，有溶蚀洼地、溶蚀槽谷、石芽坡地、土石混杂等，微地貌形态主要表现为漏斗、落水洞、溶井、溶隙、溶管、溶洞等，采用常规水泥浆液灌浆存在单位注入量大、施工工效低等重难点，针对典型卡斯特地貌、强岩溶强漏失地区防渗工程，采用“可控复合膏浆高压脉动灌浆技术”进行膏浆灌注改良地质后纯水泥浆补充灌注形成帷幕的处理措施，较好地解决常规灌浆工艺浆液扩散不均一、频繁冒浆、材料耗量大、施工工效低、难以形成有效防渗帷幕等一系列灌浆技术难题。
关键词：控制性灌浆；强岩溶；复合膏浆；高压脉动；地质改良
引言
强岩溶地区防渗工程施工中，溶洞、溶槽、软弱夹层、破碎带、宽大裂隙等特殊地质处理措施直接影响整个强岩溶地区防渗工程投资、施工成本及工期等是否处于可控范围，甚至直接影响整个工程的成败。采用新型灌浆设备高压脉动灌浆泵进行控制性灌浆，高压脉动灌浆泵在掺入大量砂的同时能满足5MPa～10MPa压力的灌浆状态，利用可控混合膏浆综合了充填、渗透、有限劈裂、挤密等灌浆机理的优点，在脉动冲击压力条件下，将低流动度浆体灌入孔内裂隙、空腔内，置换出其中的水或空气，使被灌介质在一定范围内形成一个完整的固结体，从而起到地质改良的作用。经过可控复合膏浆灌注改良后进一步补充纯水泥浆灌注，形成良好的防渗帷幕体。
1、概述
1.1、工程概况
云南省文山州德厚水库坝址位于文山市德厚河中下游河段。是一座以农业灌溉和工业供水为主的综合利用的全国172水利工程项目，工程由大坝枢纽工程、防渗工程和输水工程组成，拦河坝为粘土心墙堆石坝，最大坝高70.9m，水库总库容1.13亿m3，为大（2）型水利工程。大坝为粘土心墙堆石坝，最大坝高70.9m，坝顶长181.7m。其中：防渗帷幕灌浆总进尺达28万米。
坝址区地层主要为石炭系（C3）、二叠系下统（P1）厚层、巨厚层状灰岩，岩溶强烈发育。工程实施过程中结合前期的地表地质测绘、钻孔勘探、物探资料和技施阶段坝基、左右岸灌浆平洞开挖、生产性灌浆试验区先导孔、坝基补勘孔等综合工程地质情况分析，德厚水库坝址区灰岩岩溶强烈发育，表层强烈溶蚀风化带石槽、石芽、溶坑、溶槽等各种岩溶形态普遍发育，下部强岩溶带溶隙、溶管、小溶洞、大溶洞等各种岩溶形态均有揭露，由于灰岩的溶蚀机理存在溶蚀差异性，溶蚀风化作用不均一的特点，总体上坝址区为地下水的排泄区和地下水动力作用活跃集中区域，发育复杂的隐伏岩溶系统和管道系统，且连通性好。开展咨询活动中全国多名地质及灌浆专家判定：德厚水库工程地质条件极其复杂，大坝基础处理（特别是防渗帷幕灌浆工程）面临的挑战十分罕见。
1.2、施工重难点及处理措施
德厚水库库区帷幕灌浆工程设计施工技术要求开展2个生产性帷幕灌浆试验区，设计灌浆参数要求：Ⅰ序孔灌浆压力2.5MPa、Ⅱ序孔灌浆压力3.0MPa、Ⅲ序孔灌浆压力3.5MPa，采用“孔口封闭、孔内循环、自上而下”的灌浆方法，灌浆采用纯水泥浆为主结合掺砂灌注的方式。在施工期间主要存在反复劈裂冒浆、吃浆量较大的情况，由于反复劈裂冒浆待凝、吃浆量大达到1t/m待凝等实际情况，灌浆施工工效仅为单台钻机0.6m/d，施工成本、工程投资控制、施工进度等都无法满足工程要求。施工期间请中国灌浆知名专家到现场指导、咨询，专家组反复研究地质情况、灌浆资料建议调整灌浆压力，设计单位结合工程实际情况确定调整后的灌浆压力为：Ⅰ序孔灌浆压力1.3～1.5MPa、Ⅱ序孔灌浆压力1.7～2.0MPa、Ⅲ序孔灌浆压力2.3～2.5MPa。压力调整后同区域孔段复灌次数略有减少、单位注入量降低30%左右、施工工效仍不足单台钻机1.0m/d。由于压力调整后效果仍未达到预期，经过试验总结研究提出开展膏浆试验区的施工方案，即采用膏浆进行回填、挤密、有限劈裂复合可控灌浆进行地质改良，再用纯水泥浆补充灌浆形成防渗帷幕。
1.3、混合可控膏浆施工工艺
1.3.1、大空隙岩石层复合可控膏浆施工
通过统计分析，已完成试验区Ⅰ序孔材料耗量占比例大（约70～80%），水泥等灌浆材料在Ⅰ序孔施灌期间主要起充填、挤密等效果。该地质条件采取常规帷幕灌浆工艺施工工效低、成本高，工程投资得不到有效控制及工程进度得不到保障，针对本工程大空隙岩石层特殊地质段采用膏浆进行充填灌注改良地质，主要施工规划如下：
（1）施工区域内所有Ⅰ序孔先进行膏浆灌注，采用膏浆对溶洞、溶槽、软弱夹层、破碎带、宽大裂隙等特殊地质进行改良灌注，膏浆灌注自上而下分层分段开展，全孔分为2～3大段，每段膏浆灌注按30m～45m自下而上实施，为确保膏浆灌注的均匀性需要下射浆管至距离孔底1m，注入量或压力达到预定之后拔管1m进行上一米灌注，依次循环直至完成一段膏浆灌注，每段膏浆灌注完后待凝48h以上开始扫孔并进行下部钻孔、压水，直至设计孔深，对于膏浆灌注期间未达到预定压力条件采取限量灌注的部位，待凝后扫孔复灌直至达到预定压力值；
（2）根据高压脉动灌浆泵有效输送距离，将帷幕轴线按100m/段分区域组织膏浆施工，每套高压脉动灌浆泵配置6～8台XY-2地质钻机进行造孔；
（3）先导孔、Ⅰ序孔完成膏浆灌注后将钻机搬至邻近Ⅰ序孔施工，已完成的孔待凝3d后扫孔自上而下分段灌注水泥浆，采用水泥浆灌注仍存在吸浆量大的孔段二次采用膏浆复灌；
（4）Ⅰ序孔采用水泥浆灌注结束后，开始Ⅱ序孔施工，施工期间存在落水、掉钻、大吸浆等特殊情况下及时组织膏浆充填灌注，膏浆灌注后待凝3d再进行扫孔采用纯水泥浆灌注达到结束标准。
（5）Ⅲ序孔自上而下分段灌注纯水泥浆达到结束标准。
1.3.2、覆盖层、泥夹层、破碎带地层膏浆施工
地质条件描述：0m～8m为粘土覆盖层，黄色为主，中间夹杂少量石块；8m～36m为三叠系中统个旧组灰岩、白云质灰岩：灰色或灰白色，岩质较硬；全风化～强风化，溶蚀裂隙十分发育，溶隙内多为泥质物充填；岩芯较破碎，基本为碎块状或短柱状。本段溶蚀裂隙较发育，表现为40～100cm长度的溶隙或溶槽以黄色泥质物全充填的形式垂向连续分布；36m以下岩芯逐渐完整，但溶隙仍较发育，溶蚀面处有泥质物充填；岩芯较破碎，多呈短柱状，少量长柱状；下部岩芯相对完整呈柱状，多见微弱溶蚀现象，仍存在较大溶洞及溶蚀裂隙溶洞。
该地质条件施工期间主要存在问题为：进入岩层钻孔过程中回水多为泥黄色，主要表现为土石混杂，并且泥夹层宽窄不一，几公分至数米厚等等不一。从孔内成像能看出灌浆后膏浆、水泥浆全部置换孔壁附近泥夹层。
灌前压水普遍存在透水率随持续时间延长逐渐增大，透水率稳定性极差，甚至孔位周边出现冒水。
采用水泥浆进行常规帷幕灌浆冒浆特别严重，每段需要多次复灌才能达到设计结束条件，存在水泥平均单位注入量较大、成本高、进度慢等难点。
（1）鉴于地质条件的特殊性，经过不同方案的试验，在多次灌浆专家指导及施工总结的基础上，确定采取先将类似地质条件所有孔上部30m～45m覆盖层、土石混杂的特殊部位进行膏浆灌注，膏浆施工分三序施工，按分序加密的原则开展。完成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ序孔上部30m～45m覆盖层、土石混杂的特殊部位膏浆施工后形成固结体，对45m以下灌浆起到盖板作用，尽量减少冒浆导致的材料浪费、待凝时期人员机械设备闲置、扫孔复灌造成的施工成本增加等问题。该部位膏浆灌注压力以不发生明显劈裂、抬动为准，且最小不低于2.0MPa。
（2）在所有孔完成上部30m～45m覆盖层、土石混杂的特殊部位膏浆施工后，进行Ⅰ序孔45m以下钻孔灌注膏浆，膏浆灌注压力以不发生劈裂、抬动为准，最大灌浆压力按6MPa进行控制。
（3）完成Ⅰ序孔45m以下膏浆灌注后扫孔自上而下分段灌注水泥浆，采用水泥浆灌注仍存在吸浆量大的孔段二次采用膏浆补充；
（4）Ⅰ序孔采用水泥浆灌注结束后后，开始Ⅱ序孔施工，施工期间存在落水、掉钻、大吸浆等特殊情况下及时组织膏浆充填灌注，膏浆灌注后待凝3d再进行扫孔采用纯水泥浆灌注达到结束标准。
（5）Ⅲ序孔自上而下分段灌注纯水泥浆达到结束标准，遇到溶洞等特殊地质后仍启动膏浆灌注。
1.3.3、膏浆施工工艺
施工总程序：施工准备→场地平整→钻孔放样→钻孔、压水→分层分段膏浆灌浆（膏浆灌注段长为30m）→待凝→自上而下分段扫孔（按设计划分段长）→灌纯水泥浆→资料整理。
膏浆单孔施工工艺流程：钻孔定位→固定机具→钻孔、裂隙冲洗、压水（按5m分段压水，完成 30m）→分层分段灌膏浆（膏浆灌注段长为30m）→待凝→钻进（按5m分段压水，完成 30m）→灌膏浆→……→至设计孔深→自上而下分段扫孔→灌纯水泥浆→孔口管镶铸→待凝72h→扫孔→灌纯水泥浆……→至设计孔深→封孔→单孔资料整理。
遇掉钻、溶洞等特殊情况时先进行膏浆灌注，规模较大的无充填型溶洞先采用级配料进行回填，级配料投放按粒径逐级摸索投放，级配料充填满后，采用膏浆灌注，最后再采用纯水泥浆灌注至结束标准。
1.3.4、膏浆灌注结束的压力条件及限量灌注
膏浆灌注以限量、限压双重控制的结束条件，即压力达到预定标准结束灌注、每米注入量达到预定条件时结束灌注，主要控制条件如下：
（1）孔深60m以下：以脉动压力控制，结束灌浆时孔口峰值表压力为5Mpa～6Mpa；
（2）孔深30m～60m：以脉动压力控制，结束灌浆时孔口峰值表压力为3Mpa～5Mpa；
（3）孔深30m以上：以脉动压力控制，结束灌浆时孔口峰值表压力不大于3Mpa；
（4）膏浆注入量控制标准：无压力的孔段按3～5m3/m、压力达到1.5MPa以上的孔段按2～3m3/m、复灌的孔段适当增加注入量，但不超过6m3/m。
1.3.5、膏浆的特性
膏浆控制性灌注是一种结合充填灌浆、渗透灌浆、劈裂灌浆、挤密灌浆的综合灌浆方式。膏浆具有可根据时间、压力及外部环境而控制其变化的特殊浆体，利用新型脉动高压灌浆泵设备与工艺技术，综合了充填、渗透、有限劈裂、挤密等符合灌浆机理，在较高冲击压力条件下，将具有随时间变化和不容易被地下水稀释的膏状浆体灌入到裂隙和内，置换裂隙和空腔内的水、泥质充填物、空气等，使被灌介质形成完整的固结体，浆液扩散具有良好的可控性。
膏浆是一种低流动性浆液，对大空腔地层、高流速地下水、既有块石架空、又有细颗粒沉积、土石混杂、石渣料、软弱破碎带、软弱夹层、覆盖层等基础处理具有较好地可控性。借助全液压无极调速高压脉动灌浆泵瞬间高压将膏状浆液挤入，浆液在地层内多向放射状扩散，能有效控制浆液的扩散范围。
1.3.6、膏浆配合比及试验参数
通过多次试灌和取样试验分析，结合工程地质条件主要选择以下五种配合比（见表1、表2）。
表1 各浆液配合比表
2、复合可控膏浆的可行性及经济合理性
2.1、施工质量有保障
在强漏失覆盖层、基岩大裂隙、强岩溶发育、泥质充填软弱夹层、破碎带等特殊地层，采用常规水泥灌浆漏失量大、浆液扩散不均一防渗效果不理想。通过高压脉动灌浆泵灌注复合可控膏浆，借助脉动高压推动低流动度复合可控膏浆，既能有效控制浆液扩散范围，又能使浆体灌浆孔周围均匀扩散充填大空隙、溶槽、溶沟等强透水区域、置换或挤密泥质充填软弱夹层、破碎带形成固结体改良地质，为后续水泥浆灌注提供良好灌浆介质，通过少量的水泥浆的补充灌注形成连续帷幕体，较好地解决了常规工艺在强漏失覆盖层、基岩大裂隙、强岩溶发育、泥质充填软弱夹层、破碎带等复杂地层单位注入量大、浆液扩散不均一、防渗效果不理想等一系列技术难题。
2.2特殊地质段膏浆灌注效果
2.2.1灌后检查孔压水
Ⅰ序孔膏浆灌注后Ⅱ、Ⅲ序孔灌浆材料耗量大幅度降低、施工工效明显提高，检查孔压水均优于设计防渗标准。
2.2.2溶洞、溶沟、溶槽等膏浆灌注后的效果
膏浆灌注后采用孔内成像仪摄像，能清晰看出溶沟、溶槽、溶洞等特殊区域被膏浆充填、挤密的效果。下图为孔内成像仪摄像后相应软件生成的图片，见图1中白色部分为基岩、黄色部分为膏浆。
图1 膏浆灌注后的效果图
2.3、施工成本降低、工程投资可控
在强漏失覆盖层、基岩大空隙、强岩溶发育需要大量浆液回填的地层，掺入大量粘土、砂等当地材料，减少水泥用量，降低每延米灌浆材料成本，有效控制工程投资。
通过高压脉动灌浆泵灌注复合可控膏浆改良地质，在纯水泥浆灌浆期间大幅减少复灌次数，提高施工工效。在复杂地层灌浆与常规灌浆工艺比较，降低每延米灌浆所需的人员机械设备费用、电费、灌浆材料等综合费用，节约投资。
2.4、施工进度加快
通过灌注复合膏浆对特殊地层进行改良后，对大空隙充填、软弱夹层破碎带挤密置换灌注，形成相对密实并有一定强度的固结体，再结合纯水泥浆灌注细小的裂隙形成有效的防渗体。与常规灌浆工艺比较，大幅度减少复灌次数，施工工效翻倍，施工进度得到提高。
3、结论
在岩溶形态较为发育，有溶蚀洼地、溶蚀槽谷、石芽坡地、土石混杂等地质区域，微地貌形态主要表现为漏斗、落水洞、溶井、溶隙、溶管、溶洞等，采用常规水泥浆液灌浆存在单位注入量大、施工工效低等重难点，针对强岩溶强漏失地区防渗工程，采用“可控复合膏浆高压脉动灌浆技术”进行膏浆灌注改良地质后纯水泥浆补充灌注形成帷幕的处理措施，较好地解决常规灌浆工艺浆液扩散不均一、频繁冒浆、材料耗量大、施工工效低、难以形成有效防渗帷幕等一系列灌浆技术难题。
在满足工程质量的前提下大幅度降低水泥等主要灌浆材料用量，加快施工进度，节约工程投资，是强岩溶地区防渗处理经济有效的施工工艺。
参考文献：
[1]夏可风、赵存厚等．水工建筑物水泥灌浆施工技术规范SL62-2014．中华人民共和国水利部，2014-10-27.
[2]夏可风．夏可风灌浆技术文集．中国水利出版社，2015-7．
[3]彭春雷．可控灌浆新工艺处理复杂地层技术及工程应用．湖南宏禹工程集团有限公司．
[4]王鹏禹、肖恩尚等.水电水利工程控制性灌浆施工规范DL/T5728-2016.中国电力出版社.2016.
论文作者:赵光龙,李晓松
论文发表刊物:《防护工程》2018年第32期
论文发表时间:2019/2/28
标签：岩溶论文; 压力论文; 地质论文; 浆液论文; 泥浆论文; 裂隙论文; 水泥浆论文; 《防护工程》2018年第32期论文;