加重泥浆在乌金峡围堰防渗墙施工中的应用

2010-07-11曹增强

水利建设与管理 2010年10期

曹增强

（中国水电基础局有限公司天津 301700）

1 工程及工程地质概况

1.1 工程概况

乌金峡水电站位于甘肃省白银市靖远县境内的黄河干流乌金峡谷出口段，枢纽主要由大坝、河床4台贯流式电站厂房、左岸3孔泄洪闸、开关站等建筑物组成。大坝最大坝高55m，电站装机容量14万kW，保证出力6.87万kW，多年平均发电量6.83亿kW·h，总库容0.24亿m3，枢纽主要建筑物为3级。是一座以发电为主的中型水库枢纽工程。

根据乌金峡电站枢纽布置特点，本工程施工导流分两期进行：第一期为束窄原河床过水，在左岸岸边进行导流明渠即泄洪闸工程施工；第二期河床截流，导流明渠即泄洪闸工程过水，在主河床进行大坝和河床式厂房施工。

围堰分为上游围堰和下游围堰，承担着保护河床基坑施工任务，其挡水运行时间为2年，建筑物设计等级为Ⅳ级，设计洪水标准P=10%，对应流量Q=4150m3/s。除挡水外，二期上、下游围堰还是施工期沟通坝址区两岸交通的重要通道。

1.2 工程地质概况

乌金峡水电站位于黄河上游，枯水期河水位1423.60m。围堰左岸为泄洪闸右导墙，透水性极微；右岸为I级阶地，砂砾石层，基岩地形起伏较大；河床部位为人工杂填砂砾石、冲积砂卵砾石层及淤砂层所覆盖，最大厚度45.40m，从堰顶起算最大厚度57m。其中，人工杂填砂砾石最大厚度12m，主要分布在坝右0+000～0+165段；砂砾石最大厚度36.90m，从堰顶起算47.90m，其间夹有薄层状及透镜体粉细砂并零星分布有孤石及块石，层位无规律；砂层最大厚度12.70m，主要分布在河床的右下角基岩与砂砾石层之间。其下为加里东期花岗岩与白垩系紫红色、灰绿色砂岩及粘土岩，以断层的形式接触。覆盖层透水率大，需要进行防渗处理。左右堰头采用高喷防渗墙方案，河床部位采用混凝土防渗墙方案。混凝土防渗墙施工平台与河水位高差只有2m左右，防渗墙造孔施工极易引发塌孔事故。

2 护壁材料

对于每一类地层，都必须按照一定的配比，使用各种配浆原材料和化学处理剂配置成所需的护壁泥浆，或者将它们添加到正在使用的护壁泥浆中，以随时调节和维护护壁泥浆的性能。随着护壁泥浆体系的不断更新，配浆原材料和处理剂的品种也在不断地增加。

20世纪六七十年代我国地下连续墙发展早期，建造槽孔的护壁材料绝大部分是当地粘土。进入80年代，尤其是90年代后，护壁泥浆的制浆材料主体已经变为膨润土，这是一种以膨润土为主要成分的矿物原料。近几年在各种新型聚合物、正电胶和聚合醇等高效处理剂的研究方面取得了新的发展。

3 护壁泥浆的作用

泥浆的正确使用和泥浆性能的控制是泥浆护壁挖槽法成败的关键。泥浆的功能主要体现在以下几方面：

a.防止槽壁坍塌。泥浆的浆柱压力可抵抗槽壁上的土压力和水压力，并防止地下水渗入槽内；同时，泥浆渗透到地层中的一定范围，粘结该范围内的地层颗粒，并在槽壁表面形成泥皮。这种双重作用减少了槽壁坍塌的可能性。

b.防止渗漏。防渗墙在施工过程中，孔内泥浆在浆柱压力的作用下注入地层，堵塞渗漏通道，防止泥浆大量漏失，使施工能顺利进行。静止状态的泥浆在受压脱水后，具有较高的抗渗性能；防渗墙与两侧的泥皮和泥浆渗入带共同起防渗作用，提高了防渗墙的整体防渗效果。

c.悬浮和携带钻渣，清洗孔底，提高钻进工效，使造孔挖槽施工有效地进行。对于用抽砂筒出渣的冲击钻进，泥浆有悬浮钻渣的作用；对于循环出渣的各种钻进方式，泥浆有携带钻渣和清洗孔底的作用。

d.冷却钻具，防止钻头过早磨损。

4 护壁泥浆的构成及应用

本工程选用膨润土作为造浆材料。在泥浆中掺入了重晶石粉作为加重剂。分散剂为工业碳酸钠（Na2CO3）。

选择使用膨润土泥浆有以下原因：为保证槽孔上部地层的稳定性，考虑到砂卵砾石地层的强透水性，膨润土泥浆能形成致密的泥皮，可减少和防止槽孔孔壁的透水，保证槽孔的稳定；膨润土本身含砂量很低，所制作的泥浆密度较普通粘土泥浆小，有利于泵吸反循环清孔；膨润土泥浆悬浮能力强，清孔后可保持槽孔底部较长时间内无钻渣沉淀。

选择使用重晶石粉的原因是：由于本工程地下水位较高且地层夹有巨厚粉细砂层，为了防止在造孔过程中发生流砂和塌孔事故，在泥浆中掺入重晶石粉作为加重剂，以增加泥浆的比重。

4.1 制浆材料

4.1.1 膨润土

膨润土是具有高度吸水膨胀性能的特殊粘土，膨润土颗粒具有很强的阳离子交换能力和水化作用，能吸附大量的水分子，吸水后体积膨胀几倍至十几倍。膨润土在水中具有良好的分散性，能形成稳定的胶体——悬浮液，并具有一定的粘度和良好的触变性能，用少量的膨润土即可拌制出性能指标符合要求的泥浆。因此，膨润土是适于拌制护壁泥浆的粘土，本工程选用膨润土作为制浆材料。

膨润土质量因产地、出厂时间及粒径大小等的不同而有非常大的差异。膨润土的基本性质见表1。

膨润土吸水膨胀的程度依表面吸附离子的不同而异。根据膨润土所吸附的交换性阳离子的种类和数量的不同，可分为钠膨润土和钙膨润土。钠膨润土比钙膨润土Na2O成分含量高，有更强的吸水性和膨胀性（用1g膨润土所能吸收的水量用mL表示湿胀度），膨胀度为8～15，pH值为8.5～10.6，在水中有很好的分散性，呈现较稳定的胶体悬浮液；钙膨润土膨胀度为3～5，pH值为6.4～8.5，虽可在水中迅速分散，但稳定性较差。

表1 膨润土的主要物理性能

钠膨润土的制浆性能优于钙膨润土，使用钠膨润土制浆一般不用加碱；但由于料源、单价、运距等因素，实际使用的多为钙膨润土。使用钙膨润土制浆，最常用的措施是制浆时加纯碱（Na2CO3）处理，用Na+去交换钙土层间的Ca2+，以提高粘土分散度和造浆率。

拌制泥浆的膨润土，应对其矿物成分和化学成分进行化验，以判断其类型。商品膨润土的质量分级可参考SY/T5060，具体参数见表2。一般防渗墙工程，可用三级膨润土制浆，地质条件复杂和重要工程，宜用二级膨润土制浆。

表2 钻井液用膨润土分级

4.1.2 加重剂

加重剂应密度大、磨损性小、易粉碎，且不溶于泥浆，也不与泥浆中的其他物质发生化学反应。泥浆的加重剂有重晶石粉、铁砂、铜矿渣、方铅矿粉等。其中最常用的是重晶石粉，它取材容易，在泥浆中不易沉淀。掺重晶粉还能增大泥浆的粘度及凝胶强度。

重晶石粉是一种以BaSO4为主要成分的天然矿石，经过机械加工后制成的灰白色粉末状产品，密度为4.2g/cm3，粉末细度要求通过200目筛网时的筛余量小于3.0%。重晶石粉一般用于加重密度不超过2.3g/cm3的水基和油基钻进液，它是目前应用最广泛的一种钻井液加重剂。

当使用膨润土泥浆护壁时，由于膨润土泥浆的比重较小，在地下水位高或有承压水、地基非常软弱（N值小于1）、土压力非常大（在路下或坡脚处施工）三种情况下，可能难以维持孔壁稳定。作为一种措施，可在泥浆中掺入加重剂，以增加泥浆的比重。由于本工程地下水位高且地层夹有巨厚粉细砂层，为防止在造孔过程中发生流砂和塌孔事故，在本工程护壁泥浆中首次掺入了重晶石粉加重剂，以增加泥浆比重。

4.1.3 分散剂

分散剂能够提高泥浆中粘土颗粒的负电荷，置换有害离子或使其惰性化，从而起到提高粘土颗粒吸附水分子的能力、增加水化膜厚度、分散粘土颗粒、保持泥浆稳定性的作用。除钠质膨润土泥浆外，新制泥浆一般均需加分散剂，否则泥浆的稳定性和粘度难以满足要求。分散剂还可以使因受Ca2+等阳离子污染而性质变坏的泥浆再生。

混凝土防渗墙护壁泥浆主要采用纯碱（Na2CO3）作为分散剂，它可与Ca2+起化学反应，使Ca2+惰性化。掺加量随膨润土种类的不同而有差异，本工程掺入量为膨润土含量的5%左右。

4.2 膨润土泥浆配合比及性能

在泥浆中掺入重晶石粉加重密度，既要达到防止粉细砂层造孔过程中发生流砂和塌孔事故的目的，又要保证混凝土浇筑质量，浇筑过程中混凝土能够将泥浆顺利浆置换出去。根据本工程的实际情况和施工经验，拟定加重后泥浆密度为1.15g/cm3左右。为了选择最佳的造孔护壁泥浆配合比，施工中对膨润土和重晶石粉进行了若干组泥浆配合比试验。经过技术参数对比、经济成本分析筛选，最终选定的泥浆配合比见表3。