膏漿在構皮灘工程中的應用

黃 毅，楊興海，古 松

(四川二灘國際工程咨詢有限責任公司，四川 成都 610072)

1 前 言

烏江構皮灘水電站位于貴州省余慶縣構皮灘口上游1.5km的烏江上，上游距烏江渡水電站137km，下游距河口涪陵455km。工程開發的主要任務是發電，兼顧航運、防洪等綜合效益。水庫總庫容64.51億m3，電站裝機容量3 000MW。

在EL500灌漿平洞K0+245樁號部位開挖時下游側邊墻(傾角約60°)揭露出一個溶洞，溶洞傾斜左岸上游沿層間錯動帶發育，洞壁圍巖破碎，由黃泥和孤石充填，在K0+245處與平洞斜交，切割廊道底板延伸至上游。當掘進通過溶洞時，采用錨桿、竹跳板和鋼管制作護欄支撐等臨時封堵以保持充填物達到相對穩定狀態后繼續正常向前掘進；在掘進貫通進行混凝土襯砌倉面準備前，拆除臨時封堵體清理溶洞充填物。由于清理時間正值雨季(2006年6月)，在已經垮塌的溶洞充填物清理即將結束時，大量的孤石夾帶黃泥等充填物從上部垮塌下來，堵塞平洞，長度達30余米，中斷了正在進行的混凝土襯砌作業且形成了更大的安全隱患。由于溶洞頂部深處剩余充填物的數量及狀況無法預測或準確探明，經多方共同研究確定，在對涌入平洞內的垮塌充填物清理到不侵占設計混凝土襯砌斷面后(實際清除充填物6 270m3)，迅速用I20工字鋼以50cm的間距支撐剩余充填物，立即結合永久襯砌澆筑鋼筋混凝土封閉，并預留管道通往剩余垮塌充填物頂部以備將來灌注細石混凝土或砂漿回填空腔。溶洞規模示意見圖1。

圖1 EL500灌漿洞K0+245溶洞剖面示意

2 膏狀漿液灌注方案的選用

在施工EL500灌漿平洞K0+245溶洞區域的帷幕灌漿時，多數孔段經復灌多次均不能達到結束標準，漿液向溶洞區串漏，卸壓后漿液回流(夾有大量溶洞充填物)現象普遍。為了形成有效幕體切斷該部位帷幕灌漿時水泥漿液向塌方后形成的大空腔串漏線路，縮小溶洞處理范圍，盡早形成有利的帷幕灌漿升壓條件，經專題會議討論，決定在灌漿平洞底板下游測(帷幕軸線下游)鉆斜孔灌注膏狀漿液固結充填物。鉆孔穿過溶洞充填物進入巖體2m，以2m的段長分段灌注，將溶洞在灌漿平洞底板以下區域與上部隔離。

所謂膏狀漿液就是在水泥漿液中通過填加增塑劑、速凝劑等復合材料，使漿液具有很大的屈服強度和塑性粘度，在灌漿過程中不僅具有很好的可控性，而且具有較好的抗水沖性能，適合于大孔隙和有地下水流的地層灌漿。EL500灌漿平洞K0+245溶洞發育規模巨大，上、下游邊界均末探明，充填物以較松散的黏土為主，采用常規灌漿方法顯然難以在短期內收到效果，其原因正是普通水泥漿液在均質松散體內的劈裂作用，漿液可以在這種介質中沿一個方向流動很遠，第二次復灌可能形成新的通道，更主要的是K0+245溶洞在帷幕線的上、下游側均沒有可以阻擋漿液流失的地層條件，每次重復施灌在帷幕線上的擠密作用非常有限。因此，利用膏狀漿液具有較大屈服強度和塑性粘度的特性，希望灌注的漿液能均勻擴散并盡可能縮小擴散范圍，提前在大范圍的溶洞充填物中形成一個較近邊界。這就是這次帶有試驗性質的施工方案的理論基礎。

3 膏狀漿液的原材料及配合比

3.1 水 泥

膏漿選用的水泥為貴州新浦瑞安生產的普通硅酸鹽42.5水泥，水泥細度滿足規范要求，水泥必須保持新鮮，不使用受潮、結塊水泥，水泥性能符合GB200-2003標準要求，相關實驗數據見表1。

3.2 膨潤土

膏漿選用的膨潤土為湖南灃縣湘北膨潤土廠生產的“湘仁”牌鈣基膨潤土，其物理性能符合標準要求，相關數據見表2。

表1 水泥性能試驗指標

表2 膨潤土物理性能

3.3 增塑劑

本工程選用天津市武清區津航建材化工有限公司生產的MF-4型增塑劑，主要成分是多種高效減水劑經科學復合而成，增加了緩釋、增粘、保塑功能，對硅酸鹽水泥適應性好，無氯、低堿，對鋼筋無銹蝕作用，其主要均勻性指標和物理性能指標見表3、4。

3.4 配合比實驗

為提高漿液的初始粘度，提高可控性，避免漿液擴散較遠，起到較好的封堵效果，在水泥漿(0.55∶1)中摻加一定量的膨潤土和增塑劑進行調制。同時為了保證漿液的可灌性、結石強度等要求，在實驗過程中通過調整膨潤土和增塑劑摻量最終選取了3組具備可灌性的配合比，在試驗室進行了室內強度試驗。結果表明，7天抗壓強度代表值為23.2MPa，滿足設計強度要求。最后確定這3組配合比作為施工配合比。詳見表5。

表3 增塑劑均勻性指標

表4 增塑劑物理力學性能指標

表5 施工配比

現場實際施工時由于有大量黃泥返回，堵管現象時有發生?，F場采用的是1號施工配合比。

3.5 膏狀漿液的制備及現場性能檢測

配置膏狀漿液的原漿(0.55∶1的水泥漿)是由自動化集中制漿系統制備輸送至工作面膏漿制漿站內，膏漿中所摻入的膨潤土及增塑劑均須秤量，以干摻法準確加入。膨潤土在加入過程中須經濾網(5mm)篩流入攪拌槽，防止結塊及雜質進入。所有原材料配齊后均勻攪拌3～5min(300～1 000r/min)即可使用。

由于膏漿具有較大的粘度，普通攪拌機無法攪拌，因此本次施工時對普通攪拌機筒體鋼板進行了加厚，采用以XY-50型鉆機作為動力以提升攪拌扭矩，使膏漿漿液得到充分均勻的攪拌。

膏漿制備完成后，要測計密度和流動度。密度使用比重稱測量。流動度為膏狀漿液最重要的一個性能指標，若流動度太大，失去膏漿的可控性；若流動度太小，漿液又不具備可泵性，會經常發生灌漿泵難以將漿液吸入以及堵管、爆管等事故。膏漿的粘稠度很大，無法使用漏斗粘度計測量，所以采用流動度來標定漿液的粘稠度。測量流動度是將一個上口直徑為36mm、下口直徑為64mm、高度為60mm的空截圓錐體置于玻璃板上，膏漿放入截錐體內，將頂部漿液刮平，錐體提開30s，測量漿液在玻璃板上的擴散直徑(以mm計)。

根據現場灌注設備及機具的實際情況，施工過程中采用的流動度指標為100～160mm。

4 膏狀漿液加強固結處理方案

4.1 鉆孔布置

在樁號K0+240～K0+253范圍內布置二排傾向下游45°的斜孔，鉆孔交錯布置，排距50cm，孔距1m，終孔深度按深入完整基巖2m控制。鉆孔開孔孔徑為φ91mm，終孔孔徑為φ76mm。

4.2 灌漿方法

采用自上而下分段、孔口封閉灌漿法灌漿，若遇溶洞泥孔段有黃泥從回漿返出時，射漿管可根據實際情況下至適當深度即可。

4.3 灌漿壓力及段長

分二序施工，Ⅰ序孔灌漿壓力暫定為1.5～2MPa，Ⅱ序孔灌漿壓力暫定為2～3MPa。灌漿段長初步定為2m，孔口管長度為2m。

4.4 灌漿結束標準

采用定量灌注和壓力控制二個標準。若灌漿時達到設計壓力且吸漿量小于1L/min時，不必屏漿直接結束該段灌漿，繼續下一段的鉆孔灌漿作業；若不能達到設計壓力，則一段灌注干料達10t即可結束該段灌漿，待凝2～4h后開始下一段的鉆孔灌漿作業。不管什么情況，若灌漿結束后有孔口返漿，均應作閉漿處理，時間為4h。

4.5 合格標準

灌漿施工結束后7天打檢查孔，通過取芯和壓水綜合判定灌漿效果。壓水段長5m，單點法壓水試驗壓力為1MPa，合格標準為1Lu。溶洞泥段取芯應采用干鉆等措施，以綜合評價灌漿效果。

5 質量檢查及成果分析

(1)膏漿在EL500灌漿平洞K0+245溶洞Ⅰ序孔灌注時，因同時打開的孔數較多，串漿情況普遍，且遵循由近孔再遠孔的規律，先串出的是水而后是稀泥最后是原狀的溶洞泥；串漿時有冒氣和出水變熱的情況發生，初步推測是由于膏狀漿液粘度大，在溶洞泥中擠壓產生了一定的熱量所致。從實際灌漿效果看，經過一段時間的持續灌注后，灌注時串漿的情況明顯減少，后期施工成孔率明顯好轉，灌漿時拒漿壓力明顯升高。其中I序孔單位耗量為5.8t/m，II序孔單位耗量為3.1t/m。

(2)在灌漿結束后，監理工程師根據現場施工情況，在該部位布置2個檢查孔，孔深28m，壓水6段，最大透水率為0.56Lu，最小為0.1Lu。滿足設計要求。

(3)巖芯情況。L3-JGJ-1號檢查孔0. 9～10.1m為擠密黃泥層，在1.0、1.8、2.9、5.8、6.4、6.8、7.5m處均可見水泥結石，大多呈片層狀和塊狀。

L3-JGJ-2號檢查孔在3.55～3.7m處有一條寬0.4cm的裂隙，充填水泥結石。在3.8～7.8m的孔段為擠密黃泥層，其中在5.9、6.1、6.3、7.0m處均有塊狀水泥結石。

(4)膏漿對后序帷幕灌漿的影響。膏漿封閉施工完成后，即開始主帷幕的施工。從施工情況看，漿液回流現象已少有發生，灌漿壓力也明顯高于封閉灌漿實施前的壓力，吸漿量也明顯減小，說明通過膏狀漿液的灌注，向溶洞空腔的串漏通道已被有效封堵，施工達到了預期的目的。

6 膏漿在構皮灘工程其它部位的使用

在左岸高程640灌漿平洞K0+290～393段因巖體軟弱和地層破碎，在鉆孔灌漿初期就導致第9～10號物探孔無法成孔(樁號分別為K0+350和K0+390)，根據8號物探孔(K0+295)以及K0+293～0+398區域先導孔鉆孔取芯揭示，孔深10～30m段為中厚層生物碎屑灰巖與少量碳泥質灰巖，巖芯破碎，裂隙密集發育，夾層風化，內含溶蝕空洞無充填。

在第一秩序孔鉆灌過程中發現壓水試驗透水率和耗灰量巨大(深度70m的孔個別達150～600t)，多數孔段需要水泥砂漿復灌多次甚至十多次(最多超過23次)才能結束，平均單位耗灰量達2t以上。為此，在133號孔和141號孔之間增加了一個深度為25m的物探孔，在鉆孔過程中未發生掉鉆現象，但灌注砂漿20t后仍無壓無回。另外，在131號與132號孔之間(K0+292)增一孔徑為φ91的孔，灌注瓜米石，但灌注效果較差，根本就灌不進去，為此暫停了砂漿灌注施工作業。

根據以上情況及地質素描進一步證實，該段地質條件復雜，巖石完整性差，裂隙發育且溶蝕強烈，在帷幕軸線范圍內可能存在較大的溶槽或溶洞，并且與之連通的裂隙張開較大，導致限流、降壓、灌注砂漿和反復待凝等常規灌漿手段所取得的效果均不太明顯。為此，借鑒膏狀漿液在EL500灌漿平洞K0+245溶洞的成功經驗，確定在該段增加一排帷幕，要求剩余的孔在灌注20t水泥砂漿仍無壓無回的孔段采用膏漿灌注，在壓力上升后，再進行水泥濃漿灌注直到結束。其中除第一排Ⅰ序孔132號孔第4段灌膏漿21次耗150.275t和第二排Ⅰ序82號孔第4段灌膏漿16次耗122t、Ⅰ序孔74號第3段11次耗61.638t、Ⅱ序孔78號孔第5段、80號孔第5段、88號孔第3段灌注膏漿11次以外，其余孔段灌漿待凝次數均不超過8次。在灌漿結束統計中，第2排第一秩序孔的平均單位耗灰量721kg/m，第二秩序孔的平均單位耗灰量537kg/m，第三秩序孔的平均單位耗灰量401kg/m，均小于第1排第三序孔的平均單位耗灰量873t。另外，在灌漿結束后布置的19個檢查孔壓水試驗成果均滿足設計的防滲標準，并取出大量水泥結石，說明該段帷幕灌漿取得了成功。

7 結束語

膏狀漿液在構皮灘水電站工程中的成功應用，說明在砂性土、黏土的巖溶地區的帷幕灌漿以及大范圍黃泥充填溶洞處理上，除了采用追挖清理以外，利用膏狀漿液控制漿液擴散范圍，提高巖土自身強度，也是一個行之有效的處理手段。