淺談膨潤土水泥漿在微細裂隙地層帷幕灌漿工程中的應用

陳華俊

（云南保山萬潤水利電力勘測設計有限公司 678000）

1 工程概況

紅巖水庫建于怒江左岸支流蒲縹河上游，位于保山市隆陽區蒲縹鎮雙河村紅巖腳，地理位置為東經99°03′，北緯25°01′，距保山城區32.0km。水庫壩型為粘土心墻石渣壩，最大壩高61.0m，總庫容1525萬m3，水庫設計灌溉面積1820hm2，防洪保護面積4.0km2。是一座以農業灌溉為主，兼有對下游村鎮及農田的防洪保護作用的中型水庫。

2 工程地質條件

工程區位于橫斷山脈南段的青、藏、滇、緬、印尼巨型“歹”字形構造體系西支中段與經向構造復合部位。構造斷裂縱橫交錯，主要由近北西向的壓性或壓扭性斷裂組成。區內地震活動頻繁。地震基本烈度為8度。地震動峰值加速度為0.20g，地震動反應譜特征周期為0.45s。

庫區自南向北分別出露石炭系（C3w）、二疊系（P1q）、三疊系（T2h）等地層，壩址左岸T2h和P1q地層為滲漏區的主要地層。滲漏區除沖溝發育外，其他物理地質現象不發育。庫區東、南、西三面水文工程地質條件簡單，不存在庫水外滲的永久滲漏通道。

壩基巖體以順河斷層F6為界，兩盤地層巖性及產狀均不同，左岸（下盤）為P1q白云質灰巖，右岸（上盤）為T2h白云巖、灰質白云巖，F6為張扭性斷層，對兩盤巖體的破碎作用不強烈，構造破碎帶后期充填膠結較好，壩基的承載能力滿足建壩要求?；鶐r上覆第四系松散層，厚度不均勻，物理力學指標較差。壩基深部存在浸水易軟化的凝灰巖，最小埋深為41.0m，且不連續，不存在沿軟弱結構面滑動的可能。左岸邊坡節理裂隙主要為垂直剪切，地層層面平整度差；右岸巖體較為完整，產狀近于水平；壩岸邊坡總體評價穩定性好，但庫區巖層微細裂隙發育，壩基、壩肩存在嚴重滲漏，需進行防滲處理。

3 膨潤土水泥漿方案的選用

2007年12月30日，壩基及左岸帷幕灌漿工程開工，為了確定適合紅巖水庫帷幕灌漿工程施工的可行性方案，分階段進行了帷幕灌漿生產性試驗。

第一階段布置了3個試驗區，施工時間為2008年2月22日～6月3日，歷時103天?？拙?.5m，單排孔，最初采用“分段卡塞灌漿法”，由于地層原因，高壓卡塞很難卡住，后均改為“孔口封閉法”灌漿。水泥漿液采用6個比級的純水泥漿液進行灌注。試驗結束后，得出以下結論：采用普通水泥漿液灌漿，經檢查孔檢查，各試區巖體的大裂隙能夠堵住，透水性大大降低，但總體上不能滿足設計的小于5Lu的防滲要求，微細裂隙不能很好得到充填；分段卡塞灌漿法不能滿足施工要求?？卓诜忾]灌漿法經常性的回漿失水變濃使得施工難度很大。為此進行了新的生產性試驗，目的在于調整工藝參數，優化灌漿材料。

第二階段布置了1個試驗區，施工時間為2008年5月27日～8月10日，歷時46天。分1.5m、2.0m、2.5m三種孔距布置，單排孔，分為膨潤土水泥漿灌區和復合漿液（膨潤土水泥漿+化學漿材）灌區?？滋枮镚K175～GK183，計11個灌漿孔，其中GK175～GK179、GK183孔采用膨潤土水泥漿液灌注，GK180～GK182孔采用膨潤土水泥漿液+改性硅酸鹽類化學漿材復合灌注?？紤]到漿液失水回濃現象比較嚴重，GK175～GK179孔采用分段卡塞灌漿和模袋阻塞灌漿，GK180～GK183孔采用孔口封閉法灌漿（本文只對膨潤土泥漿進行闡述）試驗結束后，得出以下結論：帷幕灌漿按不大于2.0m的孔距布置，采用膨潤土水泥漿液灌注，巖體的透水率能夠滿足設計小于5Lu的防滲要求；試驗所采用的鉆孔、灌漿工藝技術基本適宜，具有可操作性。

根據第二階段的試驗結果，確定了壩基及左岸帷幕灌漿工程采用膨潤土水泥漿、“孔口封閉法”工藝進行灌漿。

4 原材料及配合比

4.1 水泥

采用P.O42.5普通硅酸鹽水泥，主要性能指標見表1。

4.2 膨潤土

采用二級鈉基膨潤土，主要性能指標見表2。

表1 水泥主要性能指標

表2 膨脹土主要性能指標

4.3 配合比

該工程采用的膨潤土水泥漿液，是將膨潤土、水泥按照一定的比例進行配制，使漿液可灌性增強，達到粒徑1mm左右，并可滲入滲透系數為10-2cm/s的土層、0.2mm寬的巖石裂隙之中。膨潤土是以蒙脫石為主要礦物成分的粘土，遇水顆粒分散并產生膨脹膠體，膨潤土中的粘粒含量比普通粘土的高得多，加入水泥漿中能吸附并制止水泥顆粒的沉積，使漿液成為穩定漿液。膨潤土還吸收水泥硬化的離析水繼續水化膨化，水化膨化后的膨潤土膠體可與水泥顆粒結合形成凝固物。

4.3.1 膨潤土水泥漿液的性能

純膨潤土泥漿具有顆粒細、分散性和穩定性好等優點，但由于其結石強度較低，因此抗滲壓、抗沖蝕性能較弱。水泥漿液的性能恬好與其互補，兩者按一定的比例配合，能形成滿足不同要求的漿液。

4.3.2 膨潤土水泥漿液配合比

經過綜合考慮，該工程采用的膨潤土∶水泥漿灰土為100∶80，水固比為 5∶1、4∶1，純水泥漿液為 0.5∶1，主要用于大滲漏通道的封堵灌注。膨潤土水泥漿液配合比及性能指標見表3。

表3 膨脹土水泥漿液配合比及性能指標

5 施工工藝

5.1 施工程序

帷幕灌漿按分序加密的原則進行，共分三序施工。同次序灌漿孔可同時施工，下一次序孔與上次序孔之間，在基巖中鉆孔灌漿的間隔高差大于15m后下一次序孔方可開始施工。

施工工藝流程見圖1。

圖1 帷幕灌漿施工工藝流程

5.2 孔位布置

灌漿孔單排布置，孔距2.0m，鉆孔平面布置情況見圖2。

5.3 鉆孔

鉆孔采用地質鉆機、金剛石鉆頭或合金鉆頭、清水鉆進工藝。灌漿孔及檢查孔開孔孔徑均為91mm，終孔孔徑均為75mm。

在鉆孔過程中若孔壁掉塊，卡鉆現象嚴重，或孔口不返水，應中止鉆進或縮短鉆孔段長。

5.4 鑲鑄孔口管

各孔均鑲鑄孔口管，非灌段鉆孔結束后，下入準89的鋼管并導正，向管內注入0.5∶1的純水泥漿液,直至從管壁外側返出后待凝48h。

5.5 裂隙沖洗及壓水試驗

灌漿孔每段鉆孔結束后，均采用大水量進行鉆孔沖洗，直至孔口回水澄清。

各孔段在灌漿前均結合壓水試驗進行了裂隙沖洗，直至回水清凈時止。

灌漿孔段在灌前均進行建議壓水試驗，壓水壓力為該段次灌漿壓力的80%，并小于1MPa。壓水時間20min，每隔3～5min測讀一次壓入流量，以終值作為計算流量。

灌漿孔所有灌后原位壓水孔段及檢查孔的淺表1～2段采用單點法壓水試驗。灌后壓水試驗壓力為該段次灌漿壓力的80%，并不大于1MPa；檢查孔1～2段壓水壓力為0.3MPa。壓入流量的穩定標準為：在穩定的壓力下每3～5min測讀一次流量，連續4次讀數中最大值與最小值之差小于最終值的10%，或最大值與最小值之差小于1L/min時，本階段試驗即可結束，取最終值作為計算流量，按透水率q=壓入流量Q/（作用于試段內的全壓力P×試段長度L）計算透水率。

圖2 帷幕灌漿布孔示意圖

檢查孔第二段一下的孔段采用3級壓力3點法壓水試驗，3 級壓力分別為 0.2MPa、0.4MPa、0.6MPa。

5.6 膨潤土水泥漿灌注

采用自動集中制漿站制備漿液，水泥、膨潤土等固相材料及加水量均采用稱重法稱量，稱量誤差小于5%。漿液在施工前過篩，自制備至用完時間小于4h。

灌漿分段和灌漿壓力按表4執行。

表4 各次序灌漿孔使用壓力

灌注漿液由稀到濃逐漸變換，先灌注水固比5∶1的膨潤土水泥漿液，當漿液注入量達到600L以上，或灌漿時間已達1h，而灌漿壓力和注漿率均無改變或改變不顯著時，改濃至4∶1的漿液灌注。

灌漿結束條件：在最大設計壓力下，孔段注入率不大于1L/min時繼續灌注60min。

全孔灌漿結束后采用壓力灌漿法封孔，封孔壓力采用該孔首段灌漿壓力，封孔時間30min。

5.7 特殊情況處理

a.灌漿過程中，發現冒漿、漏漿，應根據具體情況采用鑲縫、表面封堵、低壓、濃漿、限流、限量、間歇灌漿等方法進行處理。

b.灌漿過程中，灌漿壓力或注入量突然改變較大時，立即報告給監理工程師，共同查明原因，采取相應措施。

c.灌漿過程中，每隔15～30min測記一次漿液濃度。當發生回漿變濃時，應換用相同水灰比的新漿進行灌注，若效果不明顯，延續灌注30min，可停止灌注或按監理工程師的指示執行。

d.帷幕灌漿過程中如發生串漿時，采用以下方法處理：

?如被串孔正在鉆進，要立即停鉆；

?串漿量不大于1L/min時，可在被串孔內通入水流；

?串漿量較大，在串漿孔具備灌漿條件時，盡可能與被串孔同時進行灌漿，應一泵灌一孔，但應注意控制灌漿壓力，防止巖體抬動或襯砌變形。否則應將串漿孔塞住，待灌漿孔灌漿結束后，應立即掃開串漿孔沖洗，而后再行灌注。

e.灌漿工作必須連續進行，若因故中斷，可按照下述原則進行處理：

?盡可能縮短中斷時間，及早恢復灌漿；

?若中斷時間超過30min，則要沖洗鉆孔，如無法沖洗或沖洗無效，則應進行掃孔，而后恢復灌漿；

?恢復灌漿后，開始應使用中斷前的水灰比，如吸漿量相似或略有減少，則應逐漸加濃漿液，直至灌漿結束。如吸漿量較中斷前減少很多，且在很短時間內停止吸漿，則認為該灌漿段不合格，應采取補救措施。

5.8 完成工程量

該工程施工從2008年5月27日開始，至2009年7月28日完成，歷時428天。施工機組10個，20臺XY—2型地質鉆機，10臺3SNS灌漿泵，一套集中制漿系統。完成鉆孔30786.19m，灌漿29153.21m。

6 質量檢查及成果分析

6.1 質量檢查

該次施工共布置了36個檢查孔，檢查孔均分段做三點法壓水試驗。共完成壓水試驗521段，合格515段，合格率98.8%，滿足設計要求。

6.2 成果分析

6.2.1 壩基帷幕灌漿

壩基下游排Ⅰ序灌漿孔的單位注灰量為246.0kg/m，Ⅱ序灌漿孔的單位注灰量為224.8kg/m，Ⅲ序灌漿孔的單位注灰量為196.2kg/m，其中Ⅱ序孔比Ⅰ序孔遞減了8.6%，Ⅲ序孔比Ⅱ序孔遞減了12.7%；孔序之間逐序遞減。

壩基上游排Ⅰ序灌漿孔的單位注灰量為208.2kg/m，Ⅱ序灌漿孔的單位注灰量為187.0kg/m，Ⅲ序灌漿孔的單位注灰量為174.7kg/m，其中Ⅱ序孔比Ⅰ序孔遞減了10.2%，Ⅲ序孔比Ⅱ序孔遞減了6.6%；孔序之間逐序遞減。

壩基各次序孔的平均單位注灰量均遵循逐序遞減的規律，同時下游排和上游排之間也遵循逐排遞減的規律，說明隨著灌漿次序及排序的增進，巖體逐漸被灌注密實。而且隨孔序的增加，低透水率灌漿段頻率增加，較大透水率的孔段頻率明顯減少。

6.2.2 右岸帷幕灌漿

右岸Ⅰ序灌漿孔的單位注灰量為234.2kg/m，Ⅱ序灌漿孔的單位注灰量為184.1kg/m，Ⅲ序灌漿孔的單位注灰量為147.5kg/m，其中Ⅱ序孔比Ⅰ序孔遞減了21.4%，Ⅲ序孔比Ⅱ序孔遞減了19.9%；孔序之間遞減趨勢明顯。

右岸各次序孔的平均單位注灰量均遵循逐序遞減的規律，說明隨著灌漿次序的增進，巖體逐漸被灌注密實。而且隨孔序的增加，低透水率灌漿段頻率增加，較大透水率的孔段頻率明顯減少。

6.2.3 灌漿洞帷幕灌漿

灌漿洞下游排Ⅰ序灌漿孔的單位注灰量為170.6kg/m，Ⅱ序灌漿孔的單位注灰量為184.9kg/m，Ⅲ序灌漿孔的單位注灰量為121.3kg/m，其中Ⅱ序孔比Ⅰ序孔增加了8.4%，Ⅲ序孔比Ⅱ序孔遞減了34.4%。其中I、Ⅱ序灌漿孔沒有遵循逐序遞減的規律，主要原因是地層復雜，巖石可灌性較差，內部裂隙連通性較差，少數孔注入量不均勻。通過I、Ⅱ序孔灌漿Ⅲ序孔平均透水率逐序遞減規律明顯。灌漿洞上游排Ⅰ序灌漿孔的單位注灰量為187.6kg/m，Ⅱ序灌漿孔的單位注灰量為138.1kg/m，Ⅲ序灌漿孔的單位注灰量為104.8kg/m，其中Ⅱ序孔比Ⅰ序孔增加了26.4%，Ⅲ序孔比Ⅱ序孔遞減了24.1%；孔序之間遞減趨勢明顯。

灌漿洞各次序孔的平均單位注灰量雖然有反常情況，但基本還是遵循逐序、逐排遞減的規律，說明隨著灌漿次序的增進，巖體逐漸被灌注密實。而且隨著孔序的增加，低透水率灌漿段頻率增加，較大透水率的孔段頻率明顯減少。

7 結語

膨潤土水泥漿液的可灌性較好，具有良好的流動性和可控性，有利于地層內微細裂隙的漿液灌注。紅巖水庫工程微細裂隙較為發育的灰巖地區采用膨潤土水泥漿液灌注，經檢查和驗證，是可行的。取得了較好的效果，達到了預期目的。