岩溶库区帷幕灌浆技术及其工艺参数优化

陈华俊

(云南省水利水电建设管理与质量安全中心 昆明 650224)

1 研究背景

中国西南地区岩溶面积占该地区面积的1/3以上[1-2]。岩溶漏斗、落水洞等岩溶系统发育，导致地表储水条件很差，使得岩溶分布地区的地表水资源并不丰富[3-4]，严重影响当地的经济建设和社会发展[5-7]。利用岩溶洼地的有利地形条件修建水利工程并蓄存大气降水，是解决西南岩溶地区缺水问题的有效途径[8-9]。匡楚丰等[10]基于膏浆良好的可控性、抗冲蚀性及砂浆的骨架和填充加固作用等优势，通过大样本长周期室内试验，研制了一种可用于富水岩溶大孔隙地层灌浆充填的新型可控水泥砂膏浆材料。成胜等[11]通过分析川东明月峡背斜区各类排泄基准面控制的地下水循环模式，研究了明月山及所在的川东地区地下岩溶发育规律及岩溶发育深度。赵瑞等[12]针对陕西省某岩溶地区抽水蓄能电站，采用数值模拟分析方法，对比了库区在施加防渗帷幕后及天然情况下岩溶通道渗漏量，研究结果表明，防渗帷幕可降低渗漏量，降低量达94.5%以上。胡大儒等[13]针对北盘江某岩溶水库坝基渗透问题，通过数值模拟方法得到坝基渗漏量与灰岩渗透系数及溶蚀率呈正相关、与防渗帷幕深度呈反相关关系。余加松等[14]以岩溶发育强烈的三宝水库为研究对象，通过水文地质方法分析水流绕坝渗流和深部岩溶管道渗漏问题，确定水库右岸为渗漏危险区域。巩绪威等[15]针对某油车水库，根据施工经验确定方案、防渗线路、材料、灌浆压力等，在此基础上，通过基岩帷幕灌浆+覆盖层混凝土防渗墙的防渗方式，达到防渗目的。刘影等[16]对贵安新区东部区域岩溶地下水水化学特征进行了分析，为今后岩溶地下水资源的开发利用与保护提供依据。以上研究表明，灌浆帷幕是西南岩溶库区防渗漏的有效技术手段。但是，如何根据库区特殊的地质条件优化灌浆帷幕工程的参数，从而达到低成本高质量防渗目标，还需深入研究。

本文以德厚水库为例开展岩溶库区灌浆帷幕工程参数优化研究。根据室内试验结果优化灌浆材料的水灰比，通过数值模拟与现场试验确定帷幕底界以及分段灌注长度、优化灌浆材料配比、钻孔间距、灌浆压力等施工参数，实现德厚库区灌浆帷幕体系透水率<5 Lu的目标。该研究为德厚库区灌浆帷幕工艺参数优化提供理论与试验支撑，为西南岩溶发育区类似项目的建设提供参考。

2 库区水文地质条件

德厚水库枢纽工程位于云贵高原南部，是以工业供水和农业灌溉为主的综合型水库，总库容为1.13亿m3。库区范围内约70%～80%的地表面积为碳酸盐岩，地层自上而下依次为二叠系下统、石炭系的巨厚层状灰岩。在咪哩河库尾罗世鲊村附近长约2.8 km库岸及河间地块出露地层为个旧组上段(T2g)灰岩、白云质灰岩，灰岩岩溶发育率约为7%～11%，钻孔遇洞率约为2个/(100 m)。“咪哩河库区防渗线”是德厚库区重点防渗漏区域[17]，需进行灌浆帷幕防渗处理，并提高防腐等级，加强水工保护措施。

3 灌浆材料配比与钻孔参数优化

在咪哩河库尾右岸布置岩溶库区防渗线路，线路总长2 713 m，帷幕灌浆总进尺设计为17.06×104m，防渗总面积为24.70×104m2，工程量巨大。为了得到经济合理且质量可靠的帷幕灌浆工艺参数，本节通过试验获取灌浆材料的最优配比，并通过数值模拟优化灌浆压力和钻孔间距。

3.1 灌浆材料配比优化试验

采用排水法测试试件(其体积记为V)的孔隙率。具体步骤为：将试件充分饱和后测量其饱水质量m1，而后将其置于烘箱中48 h且烘干至恒重，测量其干燥质量m2。则孔隙率n可由式(1)计算，即

n=(m1-m2)/V×100%。

(1)

其渗透系数可由常水头渗透试验确定，具体试验方法参见文献[19]。由此得到不同水灰比条件下水泥试件的孔隙率和渗透系数。水灰比为1∶1～1∶5的材料孔隙率分别为0.187 8、0.190 3、0.198 8、0.201 3、0.234 7，材料渗透系数分别为1.98、2.08、2.33、2.74、3.94 mm/s，可知，当水灰比从1∶1增加至1∶5，水泥试件的孔隙率从0.187 8增加至0.234 7，渗透系数从1.98 mm/s增加至3.94 mm/s。特别是当水灰比超过1∶4之后，水泥试件的孔隙率、渗透系数出现非线性增加趋势，导致结石体阻水性能快速降低。此外，不同水灰比的水泥浆具有黏性差异，导致其能够进入不同开度的裂缝[20](表1)。因此，需根据钻孔数据确定灰岩岩溶裂隙发育程度，进而根据以下原则配置相应水灰比的水泥浆：当灰岩岩溶裂隙开度较大且渗透系数较高时，可以采用水灰比较低的水泥浆，在保证材料流动性的前提下降低结石体的渗透系数；而当灰岩岩溶裂隙开度较小且渗透系数较低时，可以采用水灰比较高的水泥浆，在保持水泥浆较高流动性的前提下，可以封堵更远处的灰岩孔裂隙。初步确定灌浆材料水灰比为1∶1～1∶3。

表1 不同水灰比水泥浆能够进入的最小孔裂隙尺寸[20]Table 1 Minimum openings of cracks permeable to cement slurry of different water cement ratios[20]

3.2 灌浆压力与钻孔间距优化模拟

数值模拟是实现低成本优化施工参数的重要方法。本节模拟旨在分析灰岩在不同弹性模量、渗透系数下，水泥浆随灌浆压力和钻孔间距的演化规律，从而对不同力学、水力学参数下的灌浆压力、钻孔间距进行优化。连续介质中流固耦合控制方程如下：

流体质量守恒方程为

(2)

力平衡方程为

(λ+μ)uj，ji+μui，ij+Fi+(αp)，i=0 。

(3)

式中：ρ为流体密度；n为孔隙度；q为渗流速率；p为流体压力；t为时间；W1为源汇项；uj，ji、ui，ij均为位移分量；i、j分别为三维坐标系下的方向；Fi为外力分量；λ、μ为拉梅常数；α为有效应力。

三组产妇的新生儿窒息情况（1 min Apgar评分）相比较，差异无统计学意义（P＞0.05）；与A组比较，B组、C组的硬膜外利多卡因用量及麻醉平面达T8所用时间明显减少，差异具有统计学意义（P＜0.05）。见表3。

在此基础上，以距咪哩河库尾749.336～765.336 m段为研究对象，建立平面应变数值计算模型，从俯视角度反映该试验段的灌浆帷幕工程。模型尺寸为长16 m×宽10 m，布置单排钻孔，共4个，由左至右钻孔间距l分别为1.5、2.0、3.0 m，以钻孔为圆心，设半径为r的渗漏区域，则渗漏长度d=l-2r。在模型边界施加2 MPa的应力，注浆压力p分别为0.5、1.0、2.0 MPa。灰岩密度为2 500 kg/m3。以弹性模量10 GPa，透水率200 Lu为基准，改变注浆压力、钻孔间距，从而得到在不同灰岩力学参数、渗透参数下，水泥浆扩散半径随注浆压力、钻孔间距的变化规律，进而针对地质条件优化工艺参数。部分数值模拟结果如图1所示。

由图1可知，在灰岩弹性模量10 GPa、透水率200 Lu条件下，灌浆压力<0.5 MPa时，水泥浆的扩散半径只有0.5 m左右，不足以形成完整的防渗体系。随着灌浆压力从1.0 MPa增加至2.0 MPa，水泥浆扩散半径也从0.85 m左右增加至1.50 m左右。这意味着布置单排钻孔，钻孔间距为2 m，灌浆压力为1.0 MPa即可满足要求。对于岩溶发育强烈且重点地段地区，可采用双排钻孔布置，增加灌浆压力至2.0 MPa或减小钻孔间距至1.5 m的方法降低防渗体系的透水率。

图1 不同钻孔间距和灌浆压力下水泥浆扩散面积Fig.1 Diffusion areas of cement slurry in the presence of varied borehole spacing under different grouting pressures

另外，将灌浆压力控制在0.5～2.0 MPa、钻孔间距控制在1.5～3.0 m，分析渗漏长度d随弹性模量E、透水率k的演化规律。

渗漏长度d越大，表明防渗体系越不完整。由计算结果可知，在l=1.5 m，p=2.0 MPa；l=1.5 m，p=1.0 MPa；l=2.0 m，p= 2.0 MPa；l=2.0 m，p=1.0 MPa条件下，当灰岩弹性模量在0.1～30.0 GPa、透水率在2～200 Lu范围内时，均有渗漏长度d=0 m成立。这表明在上述工程地质条件下，工艺参数为1.5 m≤l≤2.0 m、1 MPa≤p≤2 MPa可以保证防渗体系完整。优选令l=2.0 m、p=1.0 MPa，可以在尽可能少打钻孔(即降低成本)的前提下实现防渗目标。

4 帷幕灌浆现场试验

4.1 设计灌浆参数

选取咪哩河库区防渗线中段设置现场试验段，揭露地质条件为白云质灰岩、破碎带、宽大裂隙、溶沟溶槽、溶洞等大空隙地层且呈陡倾状分布，岩芯采取率较低，初始透水率达到200 Lu以上，具有较高的渗漏风险。

为保证防渗帷幕防渗性达到设计要求，初步拟定工艺参数为：防渗帷幕采用单排孔，孔距为1.5～3.0 m；分段灌注钻孔，第一段段长2 m，第二段段长3 m、第三段段长5 m，以后各段均保持在5 m左右；灌浆浆液水灰比控制为2∶1；灌浆段最大设计压力下的注入率控制在≤1 L/min时，继续灌注30 min后结束灌浆。设计帷幕灌浆压力见表2。

表2 设计帷幕灌浆压力Table 2 Design values of curtain grouting pressure

在试验施工期间，当钻孔间距为1.5 m时，按照表2所示的设计灌浆压力开展现场试验，存在如下问题：灌浆压力超过1.5 MPa时反复劈裂冒浆，冒浆点随孔深加深后距孔位越来越远，采取浓浆、间歇、限流、待凝扫孔复灌等措施均无任何效果，单段最多复灌次数为22次，造成材料注入量大、施工成本及工程投资不可控等。

当钻孔间距为3.0 m时，上述现象不再出现。但经72 h浆液凝固后，通过压水试验可知透水率远高于5 Lu(表3)。

表3 灌浆前后防渗帷幕的透水率(钻孔间距3 m)Table 3 Water permeability of anti-seepage curtain before and after grouting (with a drilling spacing of 3 m)

综上可知，设计灌浆参数并不能低成本地实现防渗帷幕透水性低于5 Lu的要求。需对灌浆参数进一步优化。

4.2 帷幕灌浆参数优化

与设计灌浆参数一致，防渗帷幕仍采用分段灌注，单排孔，灌浆帷幕底界深度为(Ld+10 m)，其中Ld为风化层深度。

考虑到设计钻孔间距为1.5 m和3.0 m时的冒浆、透水率过高等现象，将钻孔间距调整为2.0 m；根据数值模拟结果、前期现场试验结果确定灌浆压力为0.5～2.0 MPa，灌浆压力随着深度的增加而增大；随时调整水灰比，调整原则为：①当注入率持续减少而灌浆压力保持不变时或压力持续升高而注入率不变时，水灰比不改变；②当灌注时间已达30 min或水泥浆注入量达300 L而注入率和灌浆压力不变化或变化较小时，将水灰比改浓一级；③当注入率>30 L/min时，根据具体情况将水灰比越级变浓。

在此基础上，施工间距为2 m的3个试验钻孔，根据工程地质条件优化工艺参数，同时采用压水试验(利用一定压力向一段无护壁的钻孔内压水，记录单位时间内的漏水量，从而得出这段岩层原位透水性)测试优化工艺参数后帷幕透水率，结果如表4所示。

表4 灌浆压力及水泥灌注调整优化数据及透水率实测结果Table 4 Optimization data of grouting pressure and cement pouring adjustment and measured results of water permeability

由表4可知，在钻孔间距为3 m的条件下，经过水灰比、灌浆压力优化，可以保证帷幕体系的透水率<5 Lu，满足设计要求。现场试验结果与3.2节中数值模拟结果总体上保持一致；而在浅部51～61 m灌浆段，由于地应力较小，实际灌浆压力小于数值模拟结果。

4.3 帷幕灌浆质量验证

帷幕灌浆的质量可通过压水试验并辅以钻孔窥视结果加以验证。其中，压水试验所需的试验孔位于2个注浆孔中间，且需在灌浆前后分别开展一次，试验参数为：水压力为灌浆压力的80%，且≥1 MPa，持续压水20 min，压入流量需每隔5 min测读一次。根据式(4)计算灌浆后岩石的透水率。

(4)

式中：qt表示试段透水率；Q表示压入流量；P表示作用于试段内的全压力；L表示试段长度。

全压力P=P1+P2，其中，P1表示压力表指示压力，P2表示压力表中心至压力计算零线的水柱压力。压力计算零线为通过试段中点的水平线。当地下水位在试段以下时，压力计算零线为通过试段中点的水平线。当地下水位在试段以内时，压力计算零线为通过地下水位以上试段中点的水平线。当地下水位在试段以上时，压力计算零线为地下水位线。

由表3和表4数据可知，灌浆前试验段岩层的透水率多介于140～300 Lu。通过未经参数优化的灌浆工艺，可将岩层透水率降低至21～130 Lu；而通过灌浆工艺及其参数优化，即采用单排钻井布置，将水灰比控制在1∶(2～4)、注浆压力控制在0.5～2.0 MPa、钻孔间距控制在2.0 m、钻孔深度控制在(Ld+10 m)，可以实现灌浆帷幕体系的整体透水率降低至3 Lu以下，从而保证岩溶库区灌浆帷幕防渗工程的质量。

此外，采用表4所示的优化灌浆参数，在2个试验钻孔中间钻进窥视孔，发现灌浆后水泥结石将灰岩中的宽大溶沟、溶槽填充，形成渗透性较低的水泥-灰岩组合体(见图2)，从侧面验证了灌浆帷幕工程参数优化的合理性。

图2 钻孔窥视图Fig.2 Drilling view

5 结 论

本文采用室内试验、数值模拟和现场试验相结合的方法，对灌浆材料配比、钻孔间距、灌浆压力、帷幕底界和灌浆工艺进行优化。得到主要结论如下：

(1)数值模拟结果表明，在灰岩弹性模量0.1～30.0 GPa、透水率2～200 Lu范围内，当钻孔间距为1.5～2.0 m、灌浆压力为1～2 MPa时，可形成完整的防渗帷幕体系。

(2)室内试验结果表明，当灌浆材料的水灰比超过1∶4时，水泥结石体透水率会随水灰比出现非线性快速增加。低渗透区段采用高水灰比材料，高渗透区段采用低水灰比材料，有助于提高灌浆帷幕体系整体的防渗性。

(3)现场试验结果表明，单排钻孔布置、钻孔间距为2.0 m、灌浆压力为0.5～2.0 MPa、水灰比为1∶(2～4)，可避免出现冒浆、水泥浆扩散距离小于孔间距的情况，且可将岩层透水率降低至初始值的0.2%～3.8%，以达到降低成本、提高灌浆质量的目的。