中国水利水电第十一工程局有限公司 河南郑州 450001
摘要：本文通过研究隘口工程强岩溶防渗帷幕灌浆试验中的施工技术及存在的技术难题，总结强岩溶灌浆时特殊情况采取的处理措施，为后续大规模的帷幕施工提供了技术指导，也可供类似工程参考借鉴。
关键词：强岩溶发育地层；帷幕灌浆试验；技术难点分析；溶蚀裂隙、溶洞灌浆技术
引言
针对特殊或复杂的地质条件，要在现场进行灌浆试验，验证灌浆方法在技术上是可行的、施工的可靠性、经济上的合理性。隘口水库工程特殊的强岩溶发育地层，通过灌浆试验的施工，为后续施工生产推荐合理的灌浆技术参数，在施工方法、施工程序的优化，及质量检查方法具有很大的指导意义。
1 工程概况与工程地质概况
1.1 工程概况
隘口水库枢纽由大坝、溢洪道和取水塔组成，大坝为碾压式沥青混凝土心墙堆石坝，最大坝高86.20m，坝顶宽10.0m，最大坝底宽237.8m，坝顶长249.015m。左岸坝肩溢洪道泄流净宽16m，右岸坝前布置有高55.10m岸边斜卧式取水塔及引水隧洞。
大坝防渗帷幕采用悬挂式帷幕，帷幕沿坝轴线布置，左、右岸防渗线路走向上均与坝轴线有一定夹角，河床段长140.6m。大坝左岸防渗线长517.9m，大坝右岸防渗线长724.5m，防渗线合计总长1383m。左右岸沿高程分别布置三条灌浆平洞，灌浆平洞与坝内灌浆廊道相接。各层灌浆平洞之间的高差在15～80m之间，大坝帷幕主要在基础廊道和灌浆平洞内完成。
1.2 工程地质概况
水库两岸有较多的暗河及岩溶大泉汇入，水库范围内主要地层有前寒武系、寒武系，奥陶系及志留系地层，此外在河谷谷底及两岸还有第四系松散堆积。
库区在大地构造上属武陵坳陷褶皱束（Ⅲ级）。构造上位于钟灵复式背斜北西翼与平阳盖向斜南西扬起端接触带。岩层走向一般20～70°，倾向 290～340°。测区内断层以纵向断层为主。
根据地质资料，河床部位的岩溶发育情况为：河床部位的平均溶洞直线率高达23.23%，以泥质充填为主。帷幕试验区位置位于坝基廊道最低处，该处坝基覆盖层开挖时揭示的地层条件为：除砂砾石及块石外，分部有大片的强烈溶蚀残留体，坝基部位的地质条件极为复杂。
2 帷幕试验概况
2.1 试验目的
⑴验证孔口封闭灌浆方法作为该处强岩溶发育地层的灌浆方法的可行行，特别是在孔段100m以下施工时的可行性。
⑵寻求适合本工程地质条件的灌浆材料和浆液配比，确定合适的灌浆压力、段长、孔间排距及结束标准等技术参数。
⑶总结强岩溶地层处理最优化的处理方法，即保证质量又不影响施工进度。
2.2 试验布置形式
帷幕试验区分为A、B两区，A区位于右岸EL465灌浆廊道内，B区位于EL463平台。共布置三排孔，排距1.2m，孔距2.0m，钻孔均为铅直孔。布置形式见下图
2.3 试验区施工技术难点和难度分析
试验区正处于坝基强岩溶发育地段，在强溶蚀区段的施工难度会突出表现在以下几个方面：因岩溶区，地层充填物多为黄泥沙和砂砾石，钻孔造孔困难，对于深孔段成孔困难；设计孔深较深对于孔斜的控制难度大；采用孔口封闭灌浆法易出现无压力无回浆等大漏量现象，对于深孔段灌注时易发生铸管现象；溶蚀孔段耗浆量大，存在多次扫孔复灌，水泥耗量大，对施工进度很有大的影响。
2.4 试验区完成情况
试验区各孔完成孔深见下表：
帷幕试验区部份孔在钻进到40m左右开始出现涌水，钻进至100～140m时涌水流量达到55～70L/min，涌水压力为0.08～0.17MPa。具体涌水情况见表3。
试验区溶洞段钻进时，孔内返出大量的泥砂充填物，由于孔内有涌水现象，即使泥砂堵塞钻杆和钻头后对钻孔的返水情况很难判断，致使冷却水无法循环，导致烧钻。前期钻溶洞段时烧钻现象较频繁，经过总结后，遇溶洞段钻进时采用注浆泵注入冷却水的方式，加大冷却水的压力，防止泥砂堵塞钻杆和钻头，大大减少了烧钻现象的发生。
试验区帷幕灌浆孔涌水情况统计表
钻孔分段与灌浆分段一致。钻孔孔斜测量采用上海地质仪器厂生产KXP-1型轻便测斜仪，施工中，重点控制孔深20m内的孔斜，终孔进行全孔测斜。钻孔孔底偏距不大于2.0m（孔距），经过统计，试验孔最大孔斜偏差为1.48m，最小孔斜偏差为0.97m。
3 帷幕试验施工技术
3.1施工程序
帷幕试验孔的灌浆按分序加密的原则进行施工，并按先下游排、后上游排、再中间排，每排先Ⅰ序孔，后Ⅱ序孔，再Ⅲ序孔的施工顺序进行。
施工工艺流程为：测量定孔位→钻孔口段→简易压水试验→灌孔口段→铸孔口管→待凝72h→自上而下分段简易压水及循环式灌浆→封孔。
3.2灌浆方法
采用孔口封闭灌浆，自上而下的灌浆方法，孔口段则采用在孔口阻塞、孔内循环灌浆法。帷幕的试验数据采用全自动记录仪采集和记录，真实、准确的反应灌浆情况并实时记录。
（1）帷幕灌浆孔采用金刚石钻头清水循环钻进成孔，终孔孔径φ60mm，质量检测孔终孔孔径为φ76mm，抬动观测孔终孔孔径为φ76mm。检查孔按规范要求采集岩芯并进行岩芯描述，对采集的岩芯拍照并绘制钻孔综合柱状图。
除检查孔外的所有孔在第一段灌浆结束后均要镶铸孔口管，孔口管为φ75mm的无缝钢管，孔口管一般按深入基岩2m。
（2）试验孔每段灌浆开始前，要对即将进行灌浆孔段进行裂隙冲洗和简易压水试验，灌浆孔段的冲洗采用大流量水冲洗，裂隙冲洗采用压力水冲洗，冲洗压力为灌浆压力的80%，但不大于1MPa，冲洗时间为回水澄清10分钟结束，对回水达不到澄清要求的孔段，需继续冲洗，孔内残存沉积物厚度不得超过20cm。
压水试验在裂隙冲洗后进行，一般灌浆孔采用“简易压水”进行压水试验。如试验孔施工中，遇到充填型溶洞（有黄泥、黄泥夹砂层），则不进行压水试验。
（3）在灌浆过程的压水和灌浆作业中，人工观测记录千分表，并适时对抬动值进行预警。
（4）灌浆材料采用P.O42.5级普通硅酸盐水泥，采用采用3:1、2:1、1:1、0.8:1、0.5:1五个比级，开灌水灰比采用3:1。
（5）灌注时，采用自上而下分段灌浆。针对试验区A、B分区，对各灌浆段采取不同的压力。灌注正常孔段时应尽快达到设计压力，如遇泥沙砾石孔段，则应分级分段升压，保证灌注流量不大于设计要求值。灌注过程中各种浆液变换的主要原则是：浆液由稀至浓，逐级变换。
（6）钻灌过程中特殊情况的处理：钻灌过程中遇溶蚀发育强烈的孔段，在钻孔过程中首先采用高压水泵给钻机供水，钻进一段进尺后停止，待孔口返水无明显的泥沙后再进行钻进。对于岩溶发育较长的孔段，高压进水效果已不太明显。采用水泥浆液护壁的方式进行钻进，用水泥浆液置换出孔段内部的充填物。
在灌注过程中控制压力和注入率的关系，保证灌注过程中的回浆量，采取“限压、限流、间歇、分级升压”等处理措施。对于受溶蚀影响较长的孔段，则适宜进行分段处理，一般以2.5～3m为一段，灌注处理时待上部处理完毕后再进行下一段的处理。
4灌浆成果的分析
4.1各次序孔灌浆前透水率递减规律
每一灌浆孔段均进行了灌前压水试验，共进行了285段压水，透水率q=0.43～85.25Lu，平均透水率为7.24Lu。透水率区间分布情况是：q＞10Lu，51段，占18%；q=5～10Lu，57段，占20%；q＜5Lu，177段，占62%，说明岩体的透水性大。从灌前压水试验成果表看，Ⅰ序孔平均透水率为：10.79Lu，Ⅱ序孔平均透水率为：6.37Lu，Ⅲ序孔平均透水率为：1.70 Lu。Ⅰ序与Ⅱ序间平均透水率递减趋势明显，Ⅱ序与Ⅲ序间平均透水率递减趋势明显增大。
4.3灌浆效果检查
灌浆效果检查采用选定检查孔钻孔取芯及灌后的压水试验。灌浆试验区布设了2个检查孔A-J1、B-J1，灌后透水率为0.21Lu～4.84Lu，平均透水率为2.07Lu，共计压水59段，合格59段，合格率100%，试验区防渗效果达到了设计要求（q≤5Lu）。灌后检查孔钻孔芯样中可以见到水泥结石。从钻出的黄泥芯样可以明显看出，溶洞内充填物黄泥已被充分挤密，强度和完整度较灌前有很大提高。
5 帷幕试验施工总结
5.1机械设备的选型
针对强岩溶，帷幕灌浆孔较深的特点，设备、仪器的控制主要在以下几个方面：一是投入的设备要满足试验施工的要求，比如钻孔、灌浆设备等，要满足深孔钻灌和大口径钻孔的要求；二是保证设备、仪器的完好率，确保施工顺利进行。在施工中经常对设备进行定期保养、维护，对故障部件及时维修或更换是达到这一要求的必要手段；三是对于自动数据采集系统要不定期的进行校验，使仪器的准确度在允许的范围内。
5.2钻孔控制
对于地层复杂的情况，钻进时要根据地层情况随时调整钻压、转速、泵压和泵量等技术参数，提高钻孔效率并保证钻孔质量。钻进过程中，随时注意返水和地层情况，防止烧钻、塌孔等事故发生。
遇强岩溶孔段，造孔困难，选用高压水冲洗、水泥浆液置换法，起到非常好的效果，保证岩溶区施工的正常进行。
由于试验区内设计帷幕灌浆孔深较深，如何保证孔斜也是保证帷幕质量的重心。对于试验区的特殊地层，在孔斜控制上主要采用测斜仪分段控制钻孔孔斜，发现孔斜超过设计值时及时进行纠偏处理。
5.3溶洞段灌浆处理措施
首先，查明试验区岩溶发育规模（包括发育方向、顶底板高程等）、充填物的性质，二是按特殊情况进行施工，即采取综合处理方式，不按序次进行处理，待通过溶蚀段后再按序次施工，三是遇到充填黄泥的溶洞或溶蚀时，可不进行裂隙冲洗。
鉴于溶蚀区的充填物多为黄泥砂，灌注时易和水泥浆液混合，待浆液配比很浓，灌注压力大时，极易杜塞灌浆管路，造成铸管现象。所以灌注前，需采取高压冲洗方法，大流量的清水冲洗出孔内的细沙，对于大颗粒砾石，则采用水泥浆液置换的方法进行处理。孔段内的充填物返出的程度达不到杜塞管道时即开始灌浆作业。
对于大耗浆量的孔段，灌浆则采用“限压、限流、间歇”等处理措施，灌注过程中分级升压，各段次灌注限量水泥量后进行待凝，待凝24～48h小时后则进行扫孔复灌，直至达到设计压力。具体处理措施为：
①一般采用低压浓浆、限流限量、间歇待凝、加速凝剂灌注法。当低压浓浆仍无法达到结束标准时，采用限流、限量灌注法。在采用“低压浓浆”、“限流限量”两种方法仍不能达到结束标准时，再采用间歇待凝、复灌或掺加速凝剂的方法进行灌注，待凝后，再扫孔复灌，直至达到灌浆结束标准。
复灌、待凝控制的标准为：每次复灌注入浆材总量达10T。在灌浆过程中，只有在灌注“浆材达到10T”后且“注入率没有明显减少、压力没有明显升高”时，才可考虑待凝措施；在任一灌浆阶段，如果“注入率明显减少或压力明显升高”，均须持续灌注直至灌浆结束标准。
②为了保证帷幕厚度的有效形成，避免材料浪费，根据复灌吸浆量，采取以下措施：
a．根据注入率和灌入量的具体情况，在浆液中加入适量的水玻璃。
b．复灌时采用限流、间歇灌注等方法：限流灌注时，其注入率控制在30L/min左右。
遇到大的溶洞时，一直钻至基岩，如出现塌孔等原因无法继续钻进时，进行灌浆处理，以能成孔为原则，待钻至基岩后，对溶洞段进行灌浆处理，直至达到设计要求。试验区GA-1（127.3m-140m），GB-1（135m-145m）和GB-2（133.2m-139.5m）溶洞段均采用此方法处理。
5.4选用特殊浆液
遇到大耗浆量孔段活着难以成孔的孔段，则选择使用了水泥水玻璃混合浆液。
1）配比选择：水泥—水玻璃浆液亦称CS浆液，C代表水泥浆（Cement），S代表水玻璃（Silicate）,是以水泥浆和水玻璃作为主剂的灌浆材料。水泥—水玻璃浆液的胶凝时间可调范围有限，一般从几秒到十几分钟，水泥—水玻璃浆液的胶凝时间主要受以下几个因素影响：（1）C/S的影响：水泥浆与水玻璃的体积比在1:0.3～1:1，即水玻璃用量较少，胶凝时间较短；（2）水灰比的影响：在其他条件相同时，水灰比越小，胶凝时间越短；（3）水玻璃浓度的影响：其他条件相同时，随着水玻璃溶液浓度的减小，浆液的胶凝时间缩短。
本次试验采用的水泥浆的水灰比为0.5:1，水玻璃浓度为40波美度（出
厂水玻璃浓度为50－60波美度，模度为2.4-3.0，使用时应加水进行稀释），浆液试验在借鉴其它工程的基础上，通过现场实验，选定了水泥—水玻璃浆液配比，在施工中根据现场情况选用，水泥—水玻璃浆液性能下表。
（2）灌注方式：灌注方式试验了三种，一种是在浆液灌注的同时在回浆筒内掺入水玻璃。第二种就是水玻璃直接加入搅拌槽内，随浆液一起灌入地层中。在施工过程中，两种方式都有一定的风险，需要控制好加量，否则会把灌浆泵铸死，损坏设备。但只要控制好加量和加入的时机，效果还是很好的。具体操作是：在水泥浆灌注量达到待凝控制标准时，在剩余的400L浆液中按比例加入水玻璃，灌注结束后立即冲洗灌浆泵，然后待凝。
6 体会
根据帷幕灌浆生产性试验成果分析，证明试验是成功的，其成功可靠，钻孔和灌浆的各项试验技术要求对强岩溶深孔帷幕灌浆时可行，可以达到设计要求的防渗标准。针对强岩溶的帷幕处理施工有以下体会：
⑴溶洞处理：溶洞处理属于非常规灌浆，因此当钻孔遇到溶洞、溶隙时，首先，查明岩溶发育的顶底板高程和充填物的性质，确定施工方案。然后按照既定方案进行施工，施工中可以采取一些特殊措施：如取消压水（充填型溶洞）、缩短或加长段长、不分序施工等；
⑵灌浆压力：地处强岩溶发育的帷幕灌浆，对于这种地层，过大的压力使浆液流失很远，造成浪费，压力过大还会增加铸管的机率。因此在过程中注意控制压力和流量的关系，保持回浆量大小。
⑶灌浆材料：本次灌浆采用的是PO42.5普通硅酸盐水泥，强度很高，在遇到吸浆量大、灌浆历时较长的情况下，铸管机率较大。在灌注溶蚀发育严重的灌浆施工中则考虑复合浆液材料的使用。
论文作者:潘龙龙
论文发表刊物:《基层建设》2017年第33期
论文发表时间:2018/2/26
标签：浆液论文; 岩溶论文; 水玻璃论文; 帷幕论文; 钻孔论文; 试验区论文; 溶洞论文; 《基层建设》2017年第33期论文;