植物胶溶液在黄壁庄水库副坝防渗墙6＃塌坝段预堵漏灌浆工程中的应用

兰彩虹，沈增良，潘殿琦，赵瑞峰

（1.吉林省吉林市船营区农业水利局，吉林市132011；2.中国水电基础局有限公司，天津301700；3.长春工程学院勘察与测绘学院，长春130021）

1 工程概况

黄壁庄水库位于河北省石家庄市西北约30 km处，总库容12.1亿m3，枢纽建筑物主要由主坝、副坝、重力坝、正常溢洪道、非常溢洪道及水电站等组成。水库以防洪为主，兼顾城市供水、灌溉、发电和养殖等，且地理位置十分重要，但由于防洪标准较低，加上现有建筑物存在问题较多，因此，被列为全国首批43座重点病险库之一。

副坝存在问题最多、最严重，经国家有关部门审查批准，采用“坝顶组合垂直防渗墙方案”进行加固处理。其中副坝防渗墙工程第Ⅳ标段在76＋1槽孔的造孔过程中发生大范围坍塌（简称6＃塌坝段）。塌坑顺坝轴线方向长度46.2 m，垂直坝轴线宽度53.5 m，地表塌陷深度12.1 m。塌坑影响范围，顺坝轴线方向长度127 m，垂直坝轴线方向宽度79.5 m。估算总坍塌方量约4 000 m3。

根据6＃塌坝段工程地质勘察资料显示，塌坝段覆盖层厚度（含坝体土）50.2～62.6 m，基岩顶面高程64.4～76.8 m，岩性自上而下大致可分为6层：

（1）坝体土：以壤土为主，呈可塑—硬塑状态，局部软塑，厚度一般17.0 m，局部11.0～26.0 m。

（2）坝基壤土：多呈可塑状态，局部软塑，钻进中有缩孔现象，厚度一般4.0～6.0 m。塌坑范围内已无法与坝体土区分，与塌坝前的勘探孔相比，最大塌落深度15.3 m。

（3）细砂及中粗砂层：多呈稍密～中密状态，少量疏松状态，多夹壤土、砂壤土和砾石透镜体，厚度一般12.0～23.0 m。受坍塌影响，Ⅳ76＋1槽塌坝中心砂层厚度仅约3.35 m，周围厚度13.5 m～16.4 m。

（4）卵石层：卵石粒径一般2～8 cm，最大达40 cm，含量60%～80%，呈稍密—密实状态，局部砂粒充填或架空，厚度一般10～15 m，局部6 m左右。

（5）含碎石黏土层：细粒土以黏土为主，部分为壤土，碎石含量一般30%～40%，局部层段碎石含量较高可达60%～70%，碎石成分多为大理岩、灰岩、砂岩等，部分层位含有千玫岩，碎石块径一般2～10 cm，最大超过30 cm，棱角—次棱角状。部分碎石表面溶蚀、有架空，强度较低，碎石黏土层厚度5.5～6.0 m。此层是主要渗漏通道。

（6）基岩：为大理岩及大理岩与千玫岩互层，大理岩主要分布于坝轴线一带，溶蚀现象发育，有溶沟、溶槽、溶洞及较大的溶蚀裂隙分布，大理岩与千玫岩互层风化程度较深，表层多呈全、强风化。基岩面起伏较大。

塌坝发生后，为保证黄壁庄水库副坝剩余的这100多m防渗墙的最后安全合龙，先后召开过几次专家咨询会分板塌坝原因并提出处理方案。根据专家咨询会意见，6＃塌坝段预堵漏处理采用充填灌浆方案。即在防渗墙轴线两侧各布置一排灌浆孔（孔距2 m）和一排充填灌浆桩（桩距3 m），见图1。在上述预堵漏桩孔完成后，进行主体防渗墙的施工。

图1 黄壁庄水库副坝防渗墙6＃塌坝段预堵漏处理孔位布置图

充填灌浆桩采用冲击钻机造孔至终孔后（充填桩伸入基岩4.5 m），回填级配料至高程80.0 m，高程80.0 m以上浇筑塑性混凝土；桩本身的施工完成后，在桩中心钻孔（混凝土段可钻孔也可在浇筑混凝土时预埋灌浆管），并对高程80.0 m以下各渗漏地层进行灌浆。桩内灌浆孔终孔深度为伸入桩底基岩0.5 m；内两排灌浆孔施工时，对上部土层用护壁套管进行隔离，对下部各地层进行灌浆。上游排灌浆孔伸入基岩20.0 m，下游排灌浆孔伸入基岩5.0 m。

2 工程施工

2.1 主要工程量

预灌浆工程于2002年8月11日开工，至2003年3月结束。完成约17 000多m3灌浆钻灌工程量，共耗水泥、粉煤灰、黏土等干料5 200余t（水泥3 300余t）。

2.2 生产性试验

鉴于塌坝段原始地层因塌坑及几次加固处理而受到很大扰动，且砂卵石层灌浆因地质条件及施工工艺上的复杂性，需结合施工进行生产性灌浆试验，通过试验调整技术参数。经生产性试验最终确定施工技术参数见表1。

表1 生产性试验后确定施工参数表

2.3 内排灌浆孔施工

2.3.1 施工工艺

灌浆孔施工工艺流程见图2

图2 内排灌浆孔施工工艺流程

2.3.2 灌浆材料及品质要求

水泥：采用普通硅酸盐水泥P.O32.5（覆盖层）和P.O42.5（基岩）2种；

黏土：采用当地黏土，要求塑性指数大于17，黏粒含量为40%～50%。

2.3.3 制浆

采用WZ2m3卧式泥浆搅拌机集中拌制密度为1.42 g/cm3的黏土原浆，用3PN泥浆泵输送到制浆中转站，供各个机组根据不同需要调配成不同密度的黏土浆。制备密度11.42 g/cm3黏土原浆所需材料及浆液性能如表2所示。

表2 粘土原浆配比及性能表（1.5 m3）

水泥浆采用ZJ－400型高速搅拌机在制浆站集中拌制0.5∶1的水泥原浆，各机组根据需要调配不同比级水泥浆使用。配制水灰比0.5∶1（重量比）水泥原浆用料如表3所示。

表3 配制0.5∶1水泥原浆用料表（150 L）

水泥浆液搅拌时间应不少于30 s，自制备至用完不宜超过4 h。

2.3.4 坝体及坝基土层施工

该层施工工艺流程见图3。

图3 坝体土层钻孔工艺流程图

钻孔孔径采用Ф110～Ф155 mm，黏土浆作钻孔冲洗液：开始用最稀级黏土浆，遇到孔壁不稳，掉块或漏浆时，采取加浓泥浆的办法，如果用最浓级泥浆造孔时，孔口仍长时间不返浆，则停止钻进，直接用最浓黏土浆注浆，直至孔口返浆后再钻进。

为了节约成本和保护环境，对造孔泥浆进行回收、循环利用。

坝体土段（深度在20～25 m之间）钻完后直接下设Ф108～Ф152套管隔离不进行灌浆处理。

3 植物胶溶液的应用

3.1 植物胶溶液应用的原因

在经过大范围扰动的地层条件下采用灌浆进行堵漏处理，造孔成孔是关键因素。

（1）钻孔坍塌、缩孔

施工初期，钻孔普遍发生坍塌、缩孔现象，尤其是在26～35 m砾砂层段。由于造孔时发生坍塌、缩孔而造成卡钻、埋钻事故频频发生，严重制约工程进度、影响工程质量。根据地质资料显示，该孔深是在砾砂层段，由于塌坝的影响，该层大部分变为疏松状态，造孔时使用的普通泥浆悬浮、携带细砂的能力较弱，造成孔内细砂淤积过多而发生埋钻事故。同时，泥浆对砾砂层的固壁能力差，施工中极易发生因固壁效果不好而坍塌埋钻的事故。施工中虽然采取由有经验的操作手精心操作，并在该层每钻进1.0～1.5 m后，上下活动钻具至孔口管底部，这样对保持孔形，防止坍塌、缩孔虽然起到一定作用，但大大降低了该层工效，因坍塌而埋钻、卡钻事故仍时有发生，未能从根本上解决问题。

（2）钻进工效低，材料耗费大

在卵石、碎石层钻进时，由于地层中卵石、碎石的含量较高，并且级配不均，探头石较多。在造孔时孔壁不稳、缩孔现象严重，金刚石钻头在钻进过程中受力不均，再加之金刚石钻头钻进时的高转速，使钻杆、钻具产生强烈的振动，极易损坏钻头、钻具，并且大大降低钻进效率。在施工中虽然采取更换不同硬度的金刚石钻头，选择较合理的钻进参数，但大量的扫孔使钻头消耗大，钻进效率低。

（3）下设灌浆保护管，费时费力

在基岩面以下地层施工时，为了使用不同的压力及防止在进行基岩灌浆时上部覆盖层孔壁坍塌掉块，下设套管至基岩顶面，作为灌浆保护管。该地段基岩面孔深均在60 m左右，下设60 m深的套管难度较大，并且在起拔套管时，虽然使用液压拔管机，但在拔管过程中由于孔壁不稳固套管起拔困难，断管等事故时有发生，造成人力、物力与财力的极大耗费。

基于上述原因，采用SM植物胶，利用植物胶溶液做钻孔冲洗液，成功地解决了上述技术难题。

3.2 植物胶溶液的配制及特性

植物胶是多年野生草本植物根加工而成的土黄色粉末，主要成分为含多糖类的丰乳糖、甘露聚糖及纤维素等，其水溶液为棕红色半透明的黏稠胶体，无臭无味，具有特殊的滑性。其溶液在覆盖层钻孔取芯施工时，具有良好的固壁和提高岩样采取率的作用。

（1）植物胶溶液的配制

本工程所使用植物胶溶液配比如表1所示。

表1 植物胶溶液配比表

植物胶溶液的拌制采用ZJ－400型高速搅拌机，其具体制配方法：首先将碱加入水中进行溶解，然后将植物胶粉末缓缓加入水中（边搅拌边加入），搅拌20～30 min。搅拌以后浸泡24 h，待植物胶粉末充分溶解，浆液由浑浊变成半透明的棕红色胶体，稠化以后即可使用。

（2）植物胶溶液的特性

a.植物胶具有很好的水溶性，可根据地层的需要配制任何质量浓度的溶液；

b.植物胶溶液黏度高，失水量小；

c.植物胶溶液是一种黏弹性液体。

3.3 植物胶溶液的应用效果

（1）防止坍塌、缩孔，提高钻进效率

植物胶溶液黏度高，失水量小，有很好的护壁作用，在钻进过程中护壁、携沙效果十分理想，能保持良好孔形，减少淤积，防止因坍塌、缩孔而造成卡钻、埋钻事故的发生，大大减少在覆盖层中钻孔的辅助时间，提高钻进效率。

（2）延长钻头寿命，减少材料损耗

植物胶溶液润滑性好，在钻进中使孔内阻力减小，并减少钻头、钻具在孔内因孔壁不平整而发生的剧烈振动，使钻进功率消耗大大降低，减轻钻孔机具、钻头的使用磨损，延长钻头及机具的使用寿命，减少材料损耗。

（3）简化钻孔工序，降低劳动强度

未使用植物胶溶液做钻孔冲洗液前，在上游排基岩段灌浆前必须下入灌浆保护管，采用植物胶溶液做钻孔冲洗液后，实行坝基土以下的全孔裸孔钻进，不需下入灌浆保护管，减少了钻孔工序，简化了起下套管时间，降低了机组工人的劳动强度，提高了工效。

4 结语

（1）植物胶溶液成本高，是普通黏土浆的5～8倍，并且容易变质，应设专人管理植物胶冲洗液，并及时过滤，防止因溶液中悬浮物过多，而使溶液变质。

（2）植物胶溶液抗钙能力差，虽与水溶性低的水泥反应不明显，但长时间与水泥浆混合会影响植物胶溶液的性能，所以应尽量避免植物胶溶液与水泥等含钙物质接触。

（3）植物胶溶液的抗温性能差，不宜用于高热地带及超深孔的钻进。

植物胶溶液在黄壁庄水库副坝工程钻孔施工中的成功运用，为深厚覆盖层钻孔提供了一种更为实用、效率更高的方法，为今后相似地层解决成孔难题积累了经验。