膏浆在构皮滩工程中的应用

黄 毅，杨兴海，古 松

(四川二滩国际工程咨询有限责任公司，四川 成都 610072)

1 前 言

乌江构皮滩水电站位于贵州省余庆县构皮滩口上游1.5km的乌江上，上游距乌江渡水电站137km，下游距河口涪陵455km。工程开发的主要任务是发电，兼顾航运、防洪等综合效益。水库总库容64.51亿m3，电站装机容量3 000MW。

在EL500灌浆平洞K0+245桩号部位开挖时下游侧边墙(倾角约60°)揭露出一个溶洞，溶洞倾斜左岸上游沿层间错动带发育，洞壁围岩破碎，由黄泥和孤石充填，在K0+245处与平洞斜交，切割廊道底板延伸至上游。当掘进通过溶洞时，采用锚杆、竹跳板和钢管制作护栏支撑等临时封堵以保持充填物达到相对稳定状态后继续正常向前掘进；在掘进贯通进行混凝土衬砌仓面准备前，拆除临时封堵体清理溶洞充填物。由于清理时间正值雨季(2006年6月)，在已经垮塌的溶洞充填物清理即将结束时，大量的孤石夹带黄泥等充填物从上部垮塌下来，堵塞平洞，长度达30余米，中断了正在进行的混凝土衬砌作业且形成了更大的安全隐患。由于溶洞顶部深处剩余充填物的数量及状况无法预测或准确探明，经多方共同研究确定，在对涌入平洞内的垮塌充填物清理到不侵占设计混凝土衬砌断面后(实际清除充填物6 270m3)，迅速用I20工字钢以50cm的间距支撑剩余充填物，立即结合永久衬砌浇筑钢筋混凝土封闭，并预留管道通往剩余垮塌充填物顶部以备将来灌注细石混凝土或砂浆回填空腔。溶洞规模示意见图1。

图1 EL500灌浆洞K0+245溶洞剖面示意

2 膏状浆液灌注方案的选用

在施工EL500灌浆平洞K0+245溶洞区域的帷幕灌浆时，多数孔段经复灌多次均不能达到结束标准，浆液向溶洞区串漏，卸压后浆液回流(夹有大量溶洞充填物)现象普遍。为了形成有效幕体切断该部位帷幕灌浆时水泥浆液向塌方后形成的大空腔串漏线路，缩小溶洞处理范围，尽早形成有利的帷幕灌浆升压条件，经专题会议讨论，决定在灌浆平洞底板下游测(帷幕轴线下游)钻斜孔灌注膏状浆液固结充填物。钻孔穿过溶洞充填物进入岩体2m，以2m的段长分段灌注，将溶洞在灌浆平洞底板以下区域与上部隔离。

所谓膏状浆液就是在水泥浆液中通过填加增塑剂、速凝剂等复合材料，使浆液具有很大的屈服强度和塑性粘度，在灌浆过程中不仅具有很好的可控性，而且具有较好的抗水冲性能，适合于大孔隙和有地下水流的地层灌浆。EL500灌浆平洞K0+245溶洞发育规模巨大，上、下游边界均末探明，充填物以较松散的黏土为主，采用常规灌浆方法显然难以在短期内收到效果，其原因正是普通水泥浆液在均质松散体内的劈裂作用，浆液可以在这种介质中沿一个方向流动很远，第二次复灌可能形成新的通道，更主要的是K0+245溶洞在帷幕线的上、下游侧均没有可以阻挡浆液流失的地层条件，每次重复施灌在帷幕线上的挤密作用非常有限。因此，利用膏状浆液具有较大屈服强度和塑性粘度的特性，希望灌注的浆液能均匀扩散并尽可能缩小扩散范围，提前在大范围的溶洞充填物中形成一个较近边界。这就是这次带有试验性质的施工方案的理论基础。

3 膏状浆液的原材料及配合比

3.1 水 泥

膏浆选用的水泥为贵州新浦瑞安生产的普通硅酸盐42.5水泥，水泥细度满足规范要求，水泥必须保持新鲜，不使用受潮、结块水泥，水泥性能符合GB200-2003标准要求，相关实验数据见表1。

3.2 膨润土

膏浆选用的膨润土为湖南灃县湘北膨润土厂生产的“湘仁”牌钙基膨润土，其物理性能符合标准要求，相关数据见表2。

表1 水泥性能试验指标

表2 膨润土物理性能

3.3 增塑剂

本工程选用天津市武清区津航建材化工有限公司生产的MF-4型增塑剂，主要成分是多种高效减水剂经科学复合而成，增加了缓释、增粘、保塑功能，对硅酸盐水泥适应性好，无氯、低碱，对钢筋无锈蚀作用，其主要均匀性指标和物理性能指标见表3、4。

3.4 配合比实验

为提高浆液的初始粘度，提高可控性，避免浆液扩散较远，起到较好的封堵效果，在水泥浆(0.55∶1)中掺加一定量的膨润土和增塑剂进行调制。同时为了保证浆液的可灌性、结石强度等要求，在实验过程中通过调整膨润土和增塑剂掺量最终选取了3组具备可灌性的配合比，在试验室进行了室内强度试验。结果表明，7天抗压强度代表值为23.2MPa，满足设计强度要求。最后确定这3组配合比作为施工配合比。详见表5。

表3 增塑剂均匀性指标

表4 增塑剂物理力学性能指标

表5 施工配比

现场实际施工时由于有大量黄泥返回，堵管现象时有发生。现场采用的是1号施工配合比。

3.5 膏状浆液的制备及现场性能检测

配置膏状浆液的原浆(0.55∶1的水泥浆)是由自动化集中制浆系统制备输送至工作面膏浆制浆站内，膏浆中所掺入的膨润土及增塑剂均须秤量，以干掺法准确加入。膨润土在加入过程中须经滤网(5mm)筛流入搅拌槽，防止结块及杂质进入。所有原材料配齐后均匀搅拌3～5min(300～1 000r/min)即可使用。

由于膏浆具有较大的粘度，普通搅拌机无法搅拌，因此本次施工时对普通搅拌机筒体钢板进行了加厚，采用以XY-50型钻机作为动力以提升搅拌扭矩，使膏浆浆液得到充分均匀的搅拌。

膏浆制备完成后，要测计密度和流动度。密度使用比重称测量。流动度为膏状浆液最重要的一个性能指标，若流动度太大，失去膏浆的可控性；若流动度太小，浆液又不具备可泵性，会经常发生灌浆泵难以将浆液吸入以及堵管、爆管等事故。膏浆的粘稠度很大，无法使用漏斗粘度计测量，所以采用流动度来标定浆液的粘稠度。测量流动度是将一个上口直径为36mm、下口直径为64mm、高度为60mm的空截圆锥体置于玻璃板上，膏浆放入截锥体内，将顶部浆液刮平，锥体提开30s，测量浆液在玻璃板上的扩散直径(以mm计)。

根据现场灌注设备及机具的实际情况，施工过程中采用的流动度指标为100～160mm。

4 膏状浆液加强固结处理方案

4.1 钻孔布置

在桩号K0+240～K0+253范围内布置二排倾向下游45°的斜孔，钻孔交错布置，排距50cm，孔距1m，终孔深度按深入完整基岩2m控制。钻孔开孔孔径为φ91mm，终孔孔径为φ76mm。

4.2 灌浆方法

采用自上而下分段、孔口封闭灌浆法灌浆，若遇溶洞泥孔段有黄泥从回浆返出时，射浆管可根据实际情况下至适当深度即可。

4.3 灌浆压力及段长

分二序施工，Ⅰ序孔灌浆压力暂定为1.5～2MPa，Ⅱ序孔灌浆压力暂定为2～3MPa。灌浆段长初步定为2m，孔口管长度为2m。

4.4 灌浆结束标准

采用定量灌注和压力控制二个标准。若灌浆时达到设计压力且吸浆量小于1L/min时，不必屏浆直接结束该段灌浆，继续下一段的钻孔灌浆作业；若不能达到设计压力，则一段灌注干料达10t即可结束该段灌浆，待凝2～4h后开始下一段的钻孔灌浆作业。不管什么情况，若灌浆结束后有孔口返浆，均应作闭浆处理，时间为4h。

4.5 合格标准

灌浆施工结束后7天打检查孔，通过取芯和压水综合判定灌浆效果。压水段长5m，单点法压水试验压力为1MPa，合格标准为1Lu。溶洞泥段取芯应采用干钻等措施，以综合评价灌浆效果。

5 质量检查及成果分析

(1)膏浆在EL500灌浆平洞K0+245溶洞Ⅰ序孔灌注时，因同时打开的孔数较多，串浆情况普遍，且遵循由近孔再远孔的规律，先串出的是水而后是稀泥最后是原状的溶洞泥；串浆时有冒气和出水变热的情况发生，初步推测是由于膏状浆液粘度大，在溶洞泥中挤压产生了一定的热量所致。从实际灌浆效果看，经过一段时间的持续灌注后，灌注时串浆的情况明显减少，后期施工成孔率明显好转，灌浆时拒浆压力明显升高。其中I序孔单位耗量为5.8t/m，II序孔单位耗量为3.1t/m。

(2)在灌浆结束后，监理工程师根据现场施工情况，在该部位布置2个检查孔，孔深28m，压水6段，最大透水率为0.56Lu，最小为0.1Lu。满足设计要求。

(3)岩芯情况。L3-JGJ-1号检查孔0. 9～10.1m为挤密黄泥层，在1.0、1.8、2.9、5.8、6.4、6.8、7.5m处均可见水泥结石，大多呈片层状和块状。

L3-JGJ-2号检查孔在3.55～3.7m处有一条宽0.4cm的裂隙，充填水泥结石。在3.8～7.8m的孔段为挤密黄泥层，其中在5.9、6.1、6.3、7.0m处均有块状水泥结石。

(4)膏浆对后序帷幕灌浆的影响。膏浆封闭施工完成后，即开始主帷幕的施工。从施工情况看，浆液回流现象已少有发生，灌浆压力也明显高于封闭灌浆实施前的压力，吸浆量也明显减小，说明通过膏状浆液的灌注，向溶洞空腔的串漏通道已被有效封堵，施工达到了预期的目的。

6 膏浆在构皮滩工程其它部位的使用

在左岸高程640灌浆平洞K0+290～393段因岩体软弱和地层破碎，在钻孔灌浆初期就导致第9～10号物探孔无法成孔(桩号分别为K0+350和K0+390)，根据8号物探孔(K0+295)以及K0+293～0+398区域先导孔钻孔取芯揭示，孔深10～30m段为中厚层生物碎屑灰岩与少量碳泥质灰岩，岩芯破碎，裂隙密集发育，夹层风化，内含溶蚀空洞无充填。

在第一秩序孔钻灌过程中发现压水试验透水率和耗灰量巨大(深度70m的孔个别达150～600t)，多数孔段需要水泥砂浆复灌多次甚至十多次(最多超过23次)才能结束，平均单位耗灰量达2t以上。为此，在133号孔和141号孔之间增加了一个深度为25m的物探孔，在钻孔过程中未发生掉钻现象，但灌注砂浆20t后仍无压无回。另外，在131号与132号孔之间(K0+292)增一孔径为φ91的孔，灌注瓜米石，但灌注效果较差，根本就灌不进去，为此暂停了砂浆灌注施工作业。

根据以上情况及地质素描进一步证实，该段地质条件复杂，岩石完整性差，裂隙发育且溶蚀强烈，在帷幕轴线范围内可能存在较大的溶槽或溶洞，并且与之连通的裂隙张开较大，导致限流、降压、灌注砂浆和反复待凝等常规灌浆手段所取得的效果均不太明显。为此，借鉴膏状浆液在EL500灌浆平洞K0+245溶洞的成功经验，确定在该段增加一排帷幕，要求剩余的孔在灌注20t水泥砂浆仍无压无回的孔段采用膏浆灌注，在压力上升后，再进行水泥浓浆灌注直到结束。其中除第一排Ⅰ序孔132号孔第4段灌膏浆21次耗150.275t和第二排Ⅰ序82号孔第4段灌膏浆16次耗122t、Ⅰ序孔74号第3段11次耗61.638t、Ⅱ序孔78号孔第5段、80号孔第5段、88号孔第3段灌注膏浆11次以外，其余孔段灌浆待凝次数均不超过8次。在灌浆结束统计中，第2排第一秩序孔的平均单位耗灰量721kg/m，第二秩序孔的平均单位耗灰量537kg/m，第三秩序孔的平均单位耗灰量401kg/m，均小于第1排第三序孔的平均单位耗灰量873t。另外，在灌浆结束后布置的19个检查孔压水试验成果均满足设计的防渗标准，并取出大量水泥结石，说明该段帷幕灌浆取得了成功。

7 结束语

膏状浆液在构皮滩水电站工程中的成功应用，说明在砂性土、黏土的岩溶地区的帷幕灌浆以及大范围黄泥充填溶洞处理上，除了采用追挖清理以外，利用膏状浆液控制浆液扩散范围，提高岩土自身强度，也是一个行之有效的处理手段。