黃 毅，楊興海，古 松

(四川二灘國際工程咨詢有限責(zé)任公司，四川 成都 610072)

1 前 言

烏江構(gòu)皮灘水電站位于貴州省余慶縣構(gòu)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(fā)的主要任務(wù)是發(fā)電，兼顧航運(yùn)、防洪等綜合效益。水庫總庫容64.51億m3，電站裝機(jī)容量3 000MW。

在EL500灌漿平洞K0+245樁號部位開挖時(shí)下游側(cè)邊墻(傾角約60°)揭露出一個(gè)溶洞，溶洞傾斜左岸上游沿層間錯動帶發(fā)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(dāng)掘進(jìn)通過溶洞時(shí)，采用錨桿、竹跳板和鋼管制作護(hù)欄支撐等臨時(shí)封堵以保持充填物達(dá)到相對穩(wěn)定狀態(tài)后繼續(xù)正常向前掘進(jìn)；在掘進(jìn)貫通進(jìn)行混凝土襯砌倉面準(zhǔn)備前，拆除臨時(shí)封堵體清理溶洞充填物。由于清理時(shí)間正值雨季(2006年6月)，在已經(jīng)垮塌的溶洞充填物清理即將結(jié)束時(shí)，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(dá)30余米，中斷了正在進(jìn)行的混凝土襯砌作業(yè)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(shù)量及狀況無法預(yù)測或準(zhǔn)確探明，經(jīng)多方共同研究確定，在對涌入平洞內(nèi)的垮塌充填物清理到不侵占設(shè)計(jì)混凝土襯砌斷面后(實(shí)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(jié)合永久襯砌澆筑鋼筋混凝土封閉，并預(yù)留管道通往剩余垮塌充填物頂部以備將來灌注細(xì)石混凝土或砂漿回填空腔。溶洞規(guī)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(qū)域的帷幕灌漿時(shí)，多數(shù)孔段經(jīng)復(fù)灌多次均不能達(dá)到結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)，漿液向溶洞區(qū)串漏，卸壓后漿液回流(夾有大量溶洞充填物)現(xiàn)象普遍。為了形成有效幕體切斷該部位帷幕灌漿時(shí)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(jīng)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(jié)充填物。鉆孔穿過溶洞充填物進(jìn)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(qū)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(fù)合材料，使?jié){液具有很大的屈服強(qiáng)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(fā)育規(guī)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(guī)灌漿方法顯然難以在短期內(nèi)收到效果，其原因正是普通水泥漿液在均質(zhì)松散體內(nèi)的劈裂作用，漿液可以在這種介質(zhì)中沿一個(gè)方向流動很遠(yuǎn)，第二次復(fù)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(cè)均沒有可以阻擋漿液流失的地層條件，每次重復(fù)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(qiáng)度和塑性粘度的特性，希望灌注的漿液能均勻擴(kuò)散并盡可能縮小擴(kuò)散范圍，提前在大范圍的溶洞充填物中形成一個(gè)較近邊界。這就是這次帶有試驗(yàn)性質(zhì)的施工方案的理論基礎(chǔ)。

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(chǎn)的普通硅酸鹽42.5水泥，水泥細(xì)度滿足規(guī)范要求，水泥必須保持新鮮，不使用受潮、結(jié)塊水泥，水泥性能符合GB200-2003標(biāo)準(zhǔn)要求，相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)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(chǎn)的“湘仁”牌鈣基膨潤土，其物理性能符合標(biāo)準(zhǔn)要求，相關(guān)數(shù)據(jù)見表2。

表1 水泥性能試驗(yàn)指標(biāo)

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(qū)津航建材化工有限公司生產(chǎn)的MF-4型增塑劑，主要成分是多種高效減水劑經(jīng)科學(xué)復(fù)合而成，增加了緩釋、增粘、保塑功能，對硅酸鹽水泥適應(yīng)性好，無氯、低堿，對鋼筋無銹蝕作用，其主要均勻性指標(biāo)和物理性能指標(biāo)見表3、4。

3.4 配合比實(shí)驗(yàn)

為提高漿液的初始粘度，提高可控性，避免漿液擴(kuò)散較遠(yuǎn)，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(jìn)行調(diào)制。同時(shí)為了保證漿液的可灌性、結(jié)石強(qiáng)度等要求，在實(shí)驗(yàn)過程中通過調(diào)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(yàn)室進(jìn)行了室內(nèi)強(qiáng)度試驗(yàn)。結(jié)果表明，7天抗壓強(qiáng)度代表值為23.2MPa，滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)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(biāo)

表4 增塑劑物理力學(xué)性能指標(biāo)

表5 施工配比

現(xiàn)場實(shí)際施工時(shí)由于有大量黃泥返回，堵管現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生?，F(xiàn)場采用的是1號施工配合比。

3.5 膏狀漿液的制備及現(xiàn)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(tǒng)制備輸送至工作面膏漿制漿站內(nèi)，膏漿中所摻入的膨潤土及增塑劑均須秤量，以干摻法準(zhǔn)確加入。膨潤土在加入過程中須經(jīng)濾網(wǎng)(5mm)篩流入攪拌槽，防止結(jié)塊及雜質(zhì)進(jìn)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(jī)無法攪拌，因此本次施工時(shí)對普通攪拌機(jī)筒體鋼板進(jìn)行了加厚，采用以XY-50型鉆機(jī)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(jì)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(gè)性能指標(biāo)，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(jīng)常發(fā)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(jì)測量，所以采用流動度來標(biāo)定漿液的粘稠度。測量流動度是將一個(gè)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(nèi)，將頂部漿液刮平，錐體提開30s，測量漿液在玻璃板上的擴(kuò)散直徑(以mm計(jì))。

根據(jù)現(xiàn)場灌注設(shè)備及機(jī)具的實(shí)際情況，施工過程中采用的流動度指標(biāo)為100～160mm。

4 膏狀漿液加強(qiáng)固結(jié)處理方案

4.1 鉆孔布置

在樁號K0+240～K0+253范圍內(nèi)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(shí)，射漿管可根據(jù)實(shí)際情況下至適當(dāng)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(jié)束標(biāo)準(zhǔn)

采用定量灌注和壓力控制二個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。若灌漿時(shí)達(dá)到設(shè)計(jì)壓力且吸漿量小于1L/min時(shí)，不必屏漿直接結(jié)束該段灌漿，繼續(xù)下一段的鉆孔灌漿作業(yè)；若不能達(dá)到設(shè)計(jì)壓力，則一段灌注干料達(dá)10t即可結(jié)束該段灌漿，待凝2～4h后開始下一段的鉆孔灌漿作業(yè)。不管什么情況，若灌漿結(jié)束后有孔口返漿，均應(yīng)作閉漿處理，時(shí)間為4h。

4.5 合格標(biāo)準(zhǔn)

灌漿施工結(jié)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(diǎn)法壓水試驗(yàn)壓力為1MPa，合格標(biāo)準(zhǔn)為1Lu。溶洞泥段取芯應(yīng)采用干鉆等措施，以綜合評價(jià)灌漿效果。

5 質(zhì)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(shí)，因同時(shí)打開的孔數(shù)較多，串漿情況普遍，且遵循由近孔再遠(yuǎn)孔的規(guī)律，先串出的是水而后是稀泥最后是原狀的溶洞泥；串漿時(shí)有冒氣和出水變熱的情況發(fā)生，初步推測是由于膏狀漿液粘度大，在溶洞泥中擠壓產(chǎn)生了一定的熱量所致。從實(shí)際灌漿效果看，經(jīng)過一段時(shí)間的持續(xù)灌注后，灌注時(shí)串漿的情況明顯減少，后期施工成孔率明顯好轉(zhuǎn)，灌漿時(shí)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(jié)束后，監(jiān)理工程師根據(jù)現(xiàn)場施工情況，在該部位布置2個(gè)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(shè)計(jì)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(jié)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(jié)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(jié)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(xiàn)象已少有發(fā)生，灌漿壓力也明顯高于封閉灌漿實(shí)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(dá)到了預(yù)期的目的。

6 膏漿在構(gòu)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(dǎo)致第9～10號物探孔無法成孔(樁號分別為K0+350和K0+390)，根據(jù)8號物探孔(K0+295)以及K0+293～0+398區(qū)域先導(dǎo)孔鉆孔取芯揭示，孔深10～30m段為中厚層生物碎屑灰?guī)r與少量碳泥質(zhì)灰?guī)r，巖芯破碎，裂隙密集發(fā)育，夾層風(fēng)化，內(nèi)含溶蝕空洞無充填。

在第一秩序孔鉆灌過程中發(fā)現(xiàn)壓水試驗(yàn)透水率和耗灰量巨大(深度70m的孔個(gè)別達(dá)150～600t)，多數(shù)孔段需要水泥砂漿復(fù)灌多次甚至十多次(最多超過23次)才能結(jié)束，平均單位耗灰量達(dá)2t以上。為此，在133號孔和141號孔之間增加了一個(gè)深度為25m的物探孔，在鉆孔過程中未發(fā)生掉鉆現(xiàn)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(jìn)去，為此暫停了砂漿灌注施工作業(yè)。

根據(jù)以上情況及地質(zhì)素描進(jìn)一步證實(shí)，該段地質(zhì)條件復(fù)雜，巖石完整性差，裂隙發(fā)育且溶蝕強(qiáng)烈，在帷幕軸線范圍內(nèi)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(dǎo)致限流、降壓、灌注砂漿和反復(fù)待凝等常規(guī)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(jīng)驗(yàn)，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(jìn)行水泥濃漿灌注直到結(jié)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(shù)均不超過8次。在灌漿結(jié)束統(tǒng)計(jì)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(jié)束后布置的19個(gè)檢查孔壓水試驗(yàn)成果均滿足設(shè)計(jì)的防滲標(biāo)準(zhǔn)，并取出大量水泥結(jié)石，說明該段帷幕灌漿取得了成功。

7 結(jié)束語

膏狀漿液在構(gòu)皮灘水電站工程中的成功應(yīng)用，說明在砂性土、黏土的巖溶地區(qū)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(kuò)散范圍，提高巖土自身強(qiáng)度，也是一個(gè)行之有效的處理手段。