鑲嵌碎裂結(jié)構(gòu)巖石中的灌漿研究

史新華

(黃河工程咨詢有限責(zé)任公司 鄭州 450003)

1 工程概況

大西溝水庫是烏魯木齊河的龍頭水庫，屬中型工程，總庫容6985萬m3，攔河壩為粘土心墻壩，最大壩高90m，屬1級建筑物，壩基巖性為鑲嵌碎裂結(jié)構(gòu)凝灰?guī)r。基坑地下水豐富。水中含有硫酸根離子，有較濃硫化氫氣味體逸出。2008年開工建設(shè)，2010年3月，在已完成開挖的右壩肩0+130～0+381段進行了壩基灌漿試驗。2010年4月，河床段壩基開挖完成，揭示地質(zhì)條件與右壩肩有差異，監(jiān)理部提出了在河床段進行灌漿試驗的要求，但因工期緊迫，經(jīng)業(yè)主、設(shè)計、監(jiān)理、施工四方協(xié)商在河床段進行生產(chǎn)性壩基灌漿試驗。2010年7月，已完成部位河床段壩基固結(jié)灌漿，經(jīng)施工單位自檢(監(jiān)理見證)，固結(jié)檢查孔壓水試驗60%合格，40%不合格。2010年8月，由第三方對壩基地質(zhì)情況及已完成的固結(jié)灌漿和帷幕灌漿質(zhì)量進行了檢查，查孔取芯基本沒有發(fā)現(xiàn)水泥結(jié)石，散狀巖芯有少量未凝結(jié)的水泥漿液，壓水試驗透水率較大，存在灌后透水率大于灌前的現(xiàn)象。聲波測試波速無明顯提高，個別孔甚至降低。檢查全部不合格。2010年8～9月，邀請國內(nèi)知名專家張景修、孫釗、楊曉東等召開專題會，結(jié)合專家意見，決定采用硫鋁酸鹽水泥進行帷幕灌漿試驗。考慮到工程的復(fù)雜性，邀請中國水電基礎(chǔ)局進行此次試驗。

2 實驗材料

水泥采用快硬硫鋁酸鹽水泥(P.O 42.5)，比表面積不小于350m2/kg，初凝時間不小于25min，終凝時間不小于180min，1天抗壓強度可達40MPa，具有抗硫酸根離子和硫化氫氣體腐蝕的特點。

膨潤土采用二級膨潤土。主要性能指標為:細度75μm，篩余量不大于2.5%，粘度計600r/min讀數(shù)31，含水率9.6%。

硅溶膠是一種無毒、無嗅的水溶性化學(xué)灌漿材料，具有造價低、施工方便、凝結(jié)迅速的特點，已在國內(nèi)外水利工程上得到應(yīng)用。

3 實驗方案

3.1 孔位布置

灌漿試驗區(qū)灌漿孔布置遵循分排分序逐漸加密的原則，采用梅花形布置。試驗區(qū)Ⅰ序孔孔距2.00m、Ⅱ序孔孔距2.00m，見下圖。

3.2 孔深計布置說明

試驗區(qū)布置15個灌漿孔，孔深20m;灌漿孔G1兼作灌前檢查孔，孔深20m;灌后檢查孔暫定2個，孔深20m，如果需要可在抬動孔附近增加一個水泥灌漿檢查孔;抬動觀測孔1個，孔深22m;總計鉆孔數(shù)量18個。為了驗證硅溶膠漿液的灌漿效果，在G6、G7灌漿孔采用硅溶膠漿液灌漿。灌漿孔僅做簡易壓水試驗;灌漿孔G1作為灌前檢查孔進行分段單點壓水試驗，灌后檢查孔分段進行五點壓水試驗。灌漿采用自上而下、孔口封閉、循環(huán)灌漿方式。

3.3 漿液配比

大西溝水庫帷幕灌漿試驗布孔圖

灌漿以摻加膨潤土的快硬硫鋁酸鹽水泥混合漿液為主。漿液比級初始選定為 10∶1、5∶1、3∶1、0.5∶1 四個比級，后在上游排和中間排地施工中為了更好地充填裂隙又增加了7∶1的比級。膨潤土的摻量初期根據(jù)透水率的大小確定為10%、30%、50%，透水率大的選用10%，小的選用50%，適中的選用30%，后根據(jù)試驗情況統(tǒng)一調(diào)整為50%。

3.4 灌漿壓力設(shè)置

灌漿壓力為巖石不產(chǎn)生劈裂破壞的最大壓力，試驗開始灌漿壓力按表1控制。

表1 灌漿壓力值參考值

3.5 漿液變換

試驗中當累計注入量大于600L時變濃一級。并根據(jù)情況，如注入率過大，不能正常結(jié)束，就待凝一天再復(fù)灌;對于透水率大而注入量很小的孔，也進行復(fù)灌處理，盡可能地充填巖石的細小裂隙。灌漿過程中灌漿壓力和注入率相適應(yīng);控制注入率在10～30L/min之間，小流量緩慢達到最大壓力，避免對巖石的劈裂，以避免抬動。

4 施工工藝

4.1 裂隙沖洗及壓水試驗

各孔段在灌漿前均結(jié)合壓水試驗進行了裂隙沖洗，直至回水清凈為止。在灌前進行簡易壓水，試驗壓水壓力為該段次灌漿壓力的80%，并不大于1MPa。壓水時間20min，每3～5min測讀一次壓入流量，以終值作為計算流量。

灌漿孔每段鉆孔結(jié)束后，均采用大水量進行鉆孔沖洗，直至孔口回水澄清。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(wěn)定標準:在穩(wěn)定的壓力下每3～5min測讀一次流量，連續(xù)4次讀數(shù)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(jié)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(nèi)的全壓力P×試段長度L)計算透水率。

檢查孔第二段以下的孔段采用三級壓力五點法壓水試驗，三級壓力為 0.2 MPa、0.4MPa、0.6MPa。

4.2 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，自制備至用完時間不應(yīng)大于4h。

灌漿分段和灌漿壓力先按表1執(zhí)行。灌漿過程中根據(jù)灌漿抬動情況進行了調(diào)整，最終確定為見表2。

表2 灌漿壓力值

注漿液由稀到濃逐漸變換，先灌注水固比10∶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7∶1的漿液灌注。

灌漿結(jié)束條件:在最大設(shè)計壓力下，孔段注入率不大于1L/min時繼續(xù)灌注60min。

全孔灌漿結(jié)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。

4.3 特殊情況處理

灌漿過程中，每隔15～30min測記一次漿液濃度。當發(fā)生回漿變濃時，應(yīng)換用相同水灰比的新漿進行灌注，若效果不明顯，延續(xù)灌注30min，可停止灌注或按監(jiān)理工程師的指示執(zhí)行。

帷幕灌漿過程中如發(fā)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(nèi)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(yīng)一泵灌一孔，但應(yīng)注意控制灌漿壓力，防止巖體抬動或襯砌變形。否則應(yīng)將串漿孔塞住，待灌漿孔灌漿結(jié)束后，應(yīng)立即掃開串漿孔沖洗，而后再行灌注。

灌漿工作必須連續(xù)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(fù)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(yīng)進行掃孔，而后恢復(fù)灌漿;恢復(fù)灌漿后，開始應(yīng)使用中斷前的水灰比，如吸漿量相似或略有減少，則應(yīng)逐漸加濃漿液，直至灌漿結(jié)束。如吸漿量較中斷前減少很多，且在很短時間內(nèi)停止吸漿，則認為該灌漿段不合格，應(yīng)采取補救措施。

4.4 完成工程量

灌漿實驗從2010年12月27日開始，至2011年1月30日結(jié)束，歷時44天。施工機組2個，2臺XY—2型地質(zhì)鉆機，1臺3SNS灌漿泵，一臺2JZ計量泵，一套集中制漿系統(tǒng)。完成鉆孔253m，灌漿225m。

本次施工共布置了2個檢查孔，檢查孔均分段做五點法壓水試驗。共完成壓水試驗8段，合格8段，透水率均小于5Lu，結(jié)石全孔可見，合格率100%，滿足設(shè)計要求。

5 成果分析

5.1 灌漿成果分析

下游排Ⅰ序灌漿孔的單位注灰量為109.92kg/m，Ⅱ序灌漿孔的單位注灰量為94.85kg/m，其中Ⅱ序孔比Ⅰ序孔遞減了13.71%，孔序之間逐序遞減。

上游排Ⅰ序灌漿孔的單位注灰量為148.06kg/m，Ⅱ序灌漿孔的單位注灰量為94.35kg/m，其中Ⅱ序孔比Ⅰ序孔遞減了36.3%，孔序之間逐序遞減。

中間排Ⅰ序灌漿孔的單位注灰量為65.29kg/m，Ⅱ序灌漿孔的單位注灰量為14.95kg/m，其中Ⅱ序孔比Ⅰ序孔遞減了77.10%，孔序之間逐序遞減。整個試驗區(qū)Ⅰ序灌漿孔的單位注灰量為112.73kg/m，Ⅱ序灌漿孔的單位注灰量為78.67kg/m，Ⅱ序孔比Ⅰ序孔遞減了30.21%。

下游排灌漿孔的單位注灰量為103.35kg/m，上游排灌漿孔的單位注灰量為126.57kg/m，中間排灌漿孔的單位注灰量為48.51kg/m，上游排比下游排灌漿孔單位注灰量遞減18.35%，中間排比下游排灌漿孔單位注灰量遞減53.06%，中間排比上游排灌漿孔單位注灰量遞減61.67%。灌漿段共60段，其中20段灌前壓水透水率小于5Lu，占總段數(shù)的1/3。從統(tǒng)計數(shù)據(jù)中看，透水率和注入率并不成正比，透水率大的注入率并一定大。吃水不吃漿的現(xiàn)象普遍存在，達到劈裂壓力后(巖石劈裂以后)注入率明顯變大。但各孔的劈裂壓力并不一致，大致在1.8～2.5MPa之間。試驗區(qū)各次序孔的平均單位注灰量均遵循逐序遞減的規(guī)律，I序孔灌漿II序孔平均透水率逐序遞減規(guī)律明顯。同時中間排和上下游排之間也遵循逐排遞減的規(guī)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。其中上游排、下游排灌漿孔沒有遵循逐序遞減的規(guī)律，主要由試驗區(qū)曾用高抗硫水泥3MPa高壓灌過，地層復(fù)雜，巖石可灌性較差，內(nèi)部裂隙連通性較差，少數(shù)孔注入量的不均勻性所致。灌漿孔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(guī)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，特別是中間排。較大透水率的孔段頻率明顯減少。

5.2 檢查孔情況

2月10日檢查孔J1、J2開始鉆孔取芯，2月12結(jié)束。J1為硅溶膠灌漿檢查孔，J2為膨潤土灌漿檢查孔。兩孔取芯較為完整，采用分段壓水。成果見表3。

表3 大西溝水庫冬季帷幕灌漿試驗檢查孔取芯壓水統(tǒng)計結(jié)果

從檢查孔情況看，硅溶膠灌漿效果明顯好于膨潤土混合漿液，說明硅溶膠灌漿合格保證率更高。

6 經(jīng)驗與建議

從試驗結(jié)果來看，3排1m×1m梅花形的帷幕孔孔排距是合適的，由于河床基巖基礎(chǔ)節(jié)理裂隙發(fā)育，無大的貫通性裂隙巖石巖塊間結(jié)合緊密，間隙較小，顆粒性材料不易灌入，容易產(chǎn)生吸水不吸漿現(xiàn)象，試驗選用小壓力、限流、不劈裂的灌漿方法決定了漿液的擴散半徑不會很大。因此帷幕灌漿的孔排距不宜過大。膨潤土水泥漿液是適合大西溝水庫地質(zhì)條件的，灌漿過程中，吃水不吃漿現(xiàn)象普遍存在，分析原因主要是地層復(fù)雜，巖石可灌性較差，內(nèi)部裂隙連通性較差，膨潤土的顆粒比水泥細、可灌性較好，具有良好的流動性和可控性，有利于地層內(nèi)微細裂隙的漿液灌注。試驗結(jié)果也說明了這一點。灌漿過程中，流量稍大就會造成抬動，原因是地質(zhì)特征極不均勻，各孔的巖石劈裂壓力不一致，總結(jié)試驗數(shù)據(jù)，試驗區(qū)找到的巖石劈裂臨界壓力范圍為1.8—2.5MPa。試驗區(qū)的巖石劈裂壓力，不一定適用壩基的所有地段，下一步施工過程中還要不斷總結(jié)試驗數(shù)據(jù)，尋找各個地段的巖石劈裂臨界壓力，在不抬動的情況下多灌漿液。灌漿試驗場地壩基地質(zhì)條件屬中等偏好水平，具有較好的代表性，但以前用3MPa的壓力高抗硫水泥灌過，透水率有明顯改善，這一點從灌前壓水的透水率可以看出，但壩基地質(zhì)特征極不均勻，在地質(zhì)條件更為復(fù)雜的右岸和未灌過的地段水泥膨潤土漿液也不一定能滿足設(shè)計要求，建議輔以硅溶膠灌漿補灌。

7 實驗成果

設(shè)計單位最終確定采用硫鋁酸鹽水泥和膨潤土混合漿液輔以硅溶膠進行帷幕灌漿的壩基處理方案，于2011年5月下發(fā)設(shè)計變更通知。完全采用了本次實驗確定的孔排距和灌漿參數(shù)。