可控粘土复合膏浆灌注技术在岩溶地层中的应用

赵迪华

（湖南五凌电力有限公司 长沙市 410004）

谭 勇 宾 斌 夏 杰

（湖南宏禹水利水电岩土工程有限公司 长沙市 410007）

1 粘土复合膏浆灌注技术简介

目前常用于岩溶地层处理的灌浆材料主要有水泥浆、水泥粘土浆、水泥砂浆等。采用水泥浆或水泥粘土浆应用于岩溶地层时，因其流动性好，在灌注裂隙发育、连通性好、透水强烈的岩溶地层时，容易出现灌浆量相当大、长时间不起压，无效灌浆量过多，造成工程施工时间长，材料损耗大；采用水泥砂浆时，须用砂浆泵进行灌浆，在灌浆过程中容易出现砂浆离析、堵管、灌浆压力不够等，造成帷幕效果较差。

粘土复合膏浆灌注技术是采用以粘土为主的膏状浆液，浆液的流动度控制在（60～130）mm 之间，利用高压力、大流量的双缸泵，脉动式地进行挤压灌注密实。主要技术原理是利用高压力、大流量的双缸泵将流动性较小的粘土复合膏浆，以挤压方式注入到岩溶洞穴中，通过充填、挤压密实方式将溶洞充填物挤密固结，从而达到控制浆液扩散半径，快速形成有效防渗幕体的目的。

2 粘土复合膏浆灌注方法及工艺参数

（1）灌浆材料及灌浆设备。

水泥：通用普通硅酸盐水泥。

粘土：就近选用优质粘土或粉质粘土，通过使用粘土复合制浆机制成粘土原浆，密度控制在（1.25～1.30）g/cm3，并存放在浆池中备用，必要时加入微量抗粘土沉淀剂。

固化剂：主要是水玻璃，按水泥重量的3%～6%控制；速凝剂按水泥量的3%～5%掺加，根据浆液稠度，选择一种或两种同时掺加。

外加剂：掺加量按水泥重量的0.50%～1%控制，调节浆液的稠度。

灌浆设备：采用研究开发的双缸间歇往复泵，最大灌浆压力可达到15MPa，单缸泵送流量大于15 L/次，一分钟泵送次数可达15次。

（2）浆液制备。

制浆采用高速制浆机制取水泥浆，搅拌时间不少于30 s，浆液制备完成后，送入搅拌桶中；然后泵送入粘土原浆，搅拌（3～5）min；加入固化剂搅拌，最后加入外加剂。根据地层的灌入量和灌浆压力情况，调整固化剂和外加剂的掺合比，控制浆液的灌浆半径。

（3）灌浆方法。

采用自下而上分段灌浆的方法，灌浆过程中孔口不封闭，如果孔口冒浆，说明浆液的稠度达不到控制灌浆的要求，须改变配合比，增浓浆液，直到孔口不冒浆。

（4）施工参数。

① 灌浆段长：每段段长长度可为（10～15）m，单次提升灌段长原则上为（0.3～0.5）m，遇特殊情况，如构造破碎带，遇溶洞及特殊地层时，回水减少或消失时，段长则不受上述限制，应立即灌浆。

② 灌浆压力：灌浆压力根据段深进行控制，孔口段灌浆压力1.0MPa左右，孔口段以下大于2.0MPa。

（5）灌浆顺序。

各孔分序进行施工，先施工Ⅰ序孔，再施工Ⅱ序孔，帷幕灌浆孔完成14天后再施工检查孔。

（6）单孔施工程序。

自下而上膏浆灌注施工程序：施工准备—→钻孔放样—→钻机定位安装—→钻进第一段长—→制浆—→送、灌浆至本段灌浆结束—→继续扫孔钻进，穿过溶洞至完整岩段—→下入灌浆管—→灌浆设备安装—→制浆—→送、灌浆—→分段提管送、灌浆—→重复至全孔灌浆结束—→封孔—→单孔资料整理提交。

3 工程应用

3.1 沅水托口水电站河湾地块防渗工程

3.1.1 工程地质概况

地层主要为：砾石加粘土、全风化砾岩、全风化泥岩、泥岩和页岩、岩和砾岩溶蚀接触带、灰岩。其中：灰岩段：灰白色，岩芯破碎，呈块状～短柱状，破裂面溶蚀迹象明显，溶蚀面呈黄褐色。此层位溶洞较发育，半充填-无充填状态，高度（0.3～3）m 左右，主要分布在红层底部接触带。灰岩段岩溶较发育。

3.1.2 施工工艺参数

根据工程地质特性，Ⅰ序孔采用粘土水泥复合膏浆灌注技术，主要对红层段、红层与灰岩段接触带、灰岩岩溶等进行灌浆；Ⅱ序孔采用粘土水泥稳定浆液方案进行灌注施工。

（1）粘土水泥复合膏浆材料配比及选用原则（表1）。

表1 改性粘土水泥膏浆配比和结石性能

其中GJ1#适用于一般红层灌浆段，GJ2#、GJ3#适用于红层与灰岩接触带灌浆、灰岩岩溶充填灌浆等耗浆量较大的部位。对于灌浆量较大的溶洞，再加入适量外加剂。

（2）灌浆压力及控制参数（表2）。

3.1.3 效果分析

根据已完成试验孔，Ⅰ序孔膏浆施工计165.30m，灌入浆量419 781 L，单耗2 539.5 L/m。Ⅱ序孔稳定浆液施工计82.65m，灌入浆量25131L，单耗260.5L/m。统计成果表明序次上与常规灌浆规律存在较大的差别，Ⅱ序孔单耗较Ⅰ序孔减少89.7%。这种情况充分说明：

（1）灰岩地层岩溶发育，可灌性强。

（2）灰岩段通过Ⅰ序孔灌浆后，Ⅱ序孔灌浆量明显减少，仅为Ⅰ序孔的10.3%。

（3）灌浆量明显受灰岩地层内的岩溶发育情况所控制，65%的灌浆量直接消耗于明显无充填物溶洞段的充填。

在生产性灌浆试验各区，施工检查孔后，测得红层、不整合接触带灌后渗透系数在（3.70×10-6～2.35×10-5）cm/s之间，灰岩层灌后透水率均＜5 Lu，基本符合防渗标准要求。

3.2 江西宜丰竖井帷幕防渗工程

3.2.1 工程概况

工程位于宜丰县新庄镇口溪村与高安市村前镇交界处，主井拟建井筒直径4.0m，井深500m。副井拟建井筒直径5.0m，井深500m。

主、副井上部分布第四系砂卵石和砾岩岩溶强含、透水层。前期勘察时，揭露红层砾岩溶洞岩溶水含、透水层后，抽水试验深井潜水泵安装在孔深28 m处，采用大吸程、大泵量进行，测得单井最大出水量为3 442.18m3/d，渗透系数为1.701m/d，单位涌水量为118.73m3/d·m。据水文、工程、环境地质预测，主、副提升井开凿时，将对紧邻主、副提升井的周边房屋建筑、地面、地表水系产生不同程度影响，甚至引发地质灾害。因此，设计对砂卵石层采用高喷灌浆（上部0～11.3m），对砾岩岩溶层进行帷幕灌浆（下部11.3m～80m）防渗处理，确保施工及周边建筑物安全。

3.2.2 工程地质条件

工程部位自上而下岩性为：

（1）（0.0～11.30）m 为第四系粉质粘土、中粗砂、砂卵石，其中中粗砂、砂卵石透水强烈。

（2）（11.30～63.70）m 为白垩系南雄群，灰白色、棕红色、浅灰色砾岩，层状构造。砾质成分大部为灰岩、花岗岩，少量为砂岩、硅质岩，钙、泥质胶结，裂隙较发育，裂面见溶蚀现象。

（3）（63.70～500.30）m 为花岗斑岩。 上部风化较剧烈，裂隙发育，下部岩体完整。

主、副提升井白垩系南雄群灰白色、棕红色、浅灰色的砾岩中钻孔遇有六层溶洞，其中规模最大的溶洞为（43.05～46.15）m 段，洞高 3.10m，其余洞高分别在（0.20～0.85）m之间。溶洞内砂、砾石及泥质物充填，半充填状，与上部第四系连通性好，含丰富的岩溶地下水，钻进该层时，回水全部漏失。

3.2.3 岩溶帷幕灌浆设计

针对地层的可灌性，灌浆孔按单排布置，孔距2 m，灌浆孔深进入花岗斑岩层内透水率＜3 Lu以下5m。覆盖层用Φ130开孔，埋入Φ127mm钢管（埋管既作为灌浆孔口管，又作井筒护壁钢管桩使用），灌浆孔分Ⅱ序施工，采用水泥灌浆结合粘土复合膏浆进行处理，I序孔中 （11.30～63.70）m采用粘土复合膏浆进行处理，灌浆压力都采用（2～3）MPa，其它孔、段采用水泥灌浆进行处理，水泥灌浆采用采用孔口封闭法，灌浆压力（1.5～2.0）MPa。粘土水泥复合膏浆材料配比为粘土∶水泥∶水玻璃∶外加剂=600∶400∶20～30∶1～2，浆液流动度控制在为（70～85）mm。

3.2.4 灌浆效果分析

该工程主井、副井按照相关设计布置和相关技术要求，施工共完成32个孔，累计灌浆段长2160.7m，灌入水泥1 716.38 t，单位注入量794.36 kg/m，灌入粘土881.25 t。帷幕灌浆施工完成后，综合效果表明帷幕灌浆质量较好，达到预期效果。

（1）单位注入量逐序减少明显。主井先施工的?序孔单位注入量1 225.7 kg/m，后施工的Ⅱ序孔单位注入量165.2 kg/m。副井先施工的Ⅰ序孔单位注入量1589.3 kg/m，后施工的Ⅱ序孔单位注入量145.3 kg/m。

（2）砾岩内岩溶充填密实。通过检查孔钻孔表明，钻孔岩芯多呈柱状，胶结良好，可见明显长柱状水泥、粘土结石体，说明灌浆效果较好。

（3）主井、副井岩溶帷幕灌浆检查孔压水试验透水率均＜3Lu，满足设计要求。施工检查孔3个（主井2个，副井1个），压水试验39段，透水率均＜3Lu，全部合格。

4 结语

（1）可控粘土复合膏浆灌浆在岩溶地层、粗大孔隙内灌浆相比常规灌浆具有鲜明的优点。主要体现在：施工期短，见效快；掺加固化剂及外加剂基本无毒，价格较低，容易采购和保存；适应性强，不受场地大小、施工环境条件限制；施工周期短、见效快；灌浆材料主要为水泥和粘土，造价低，经济、节能环保优势显著。

（2）可控粘土复合膏浆灌注技术对于地层内粗大孔隙的漏水处理具有见效快、工期短、不受地质条件、环境因素制约、适用性强，能快速解决工程建设中出现的各种因强透水而引发的工程问题，是防渗堵漏的一种简便、快捷的处理方法，在工程上具有广阔的应用前景。但由于浆液组成的特殊性和工具参数选择的多变性，合理把握浆液配合比、施工工艺及参数是该方法成败的关键，有效注入量的控制直接决定防渗堵漏的效果与经济性。