厄瓜多爾CCS項目調(diào)蓄水庫浩林地層灌漿試驗探討

習(xí) 書 田， 王 勇， 高 強(qiáng)

(中國水利水電第十工程局有限公司,四川 成都 610072)

1 工程地質(zhì)情況

該調(diào)蓄水庫庫區(qū)位于Sinclair構(gòu)造帶。Sinclair構(gòu)造帶呈三角形，受NE和SN向垂直斷裂的影響，庫區(qū)內(nèi)的構(gòu)造裂隙多呈NW～SN向。庫區(qū)巖層在高程1 233 m以下以浩林地層為主。浩林地層的特點是：頁巖層與砂巖層交替出現(xiàn)且厚度較大。頁巖層屬微透水層，砂巖層屬強(qiáng)透水層。

取芯情況表明：試驗區(qū)巖層質(zhì)量呈現(xiàn)出整體質(zhì)量偏差、下部巖石質(zhì)量略好于上部巖石質(zhì)量的特點。試驗區(qū)巖石以透水性好的砂巖和滲透性差的頁巖為主，巖石破碎。高程1 233.5～1 218.5 m之間以黑色頁巖為主；高程1 218.5～1 190 m之間以灰白色的砂巖為主。

2 灌漿方法

帷幕灌漿試驗中，三種方法均采用自下而上分段卡塞的純壓式灌漿。該方法較孔口封閉自上而下分段循環(huán)式灌漿具有以下優(yōu)點：

(1) 鉆孔快，效率高。避免因自上而下分段灌漿所造成的頻繁起鉆、下鉆和灌漿結(jié)束后待凝時間長的問題。但是，對于鉆孔過程中由于地質(zhì)原因引起的塌孔、掉塊、漏水等造成無法繼續(xù)鉆進(jìn)的情況則要求起鉆并對該段進(jìn)行灌漿處理。

(2) 孔口封閉循環(huán)灌漿會對灌漿段以上的部位重復(fù)進(jìn)行灌注，勢必會造成該孔耗灰量較自下而上分段灌漿法的耗灰量稍大。

2.1 GIN法

GIN法是指運用單一配合比的穩(wěn)定漿液，由低壓逐漸升高壓力進(jìn)行灌漿。灌漿強(qiáng)度值GIN值=壓力P×單位灌漿段長度的注漿量V，該值反映出單位灌漿段所消耗能量的大小。GIN法的優(yōu)點是：工藝簡單，節(jié)約水泥；缺點為：對漿液的性能要求高，對灌漿過程的控制要求嚴(yán)格，GIN法灌漿不適于單純地對土壤層和巖溶層進(jìn)行灌漿處理。

灌漿前確定GIN值及最大壓力P和最大每m注漿量V，根據(jù)GIN包絡(luò)線圖對灌漿過程進(jìn)行控制。

GIN法灌漿采取逐級升壓、降壓的方法進(jìn)行控制。灌漿開始后，立即將壓力升至0.3 MPa，然后進(jìn)行監(jiān)測，每3 min記錄一個讀數(shù)。一旦出現(xiàn)流量小于3l L/min時則升壓，如此重復(fù)該過程。當(dāng)壓力升至最大設(shè)計壓力或GIN值達(dá)到要求的GIN值(此時每m注漿量小于要求的每m最大注漿量)，但仍未達(dá)到結(jié)束條件時開始降壓過程，每次降壓0.3 MPa，直至出現(xiàn)結(jié)束條件。

2.2 國內(nèi)傳統(tǒng)灌漿法

本試驗中的國內(nèi)傳統(tǒng)灌漿法采用5種水灰比：5∶1、2∶1、1∶1、0.8∶1、0.6∶1，根據(jù)變漿原則進(jìn)行變換。要求灌漿開始后，若無特殊情況(如漏漿、串漿等)發(fā)生，應(yīng)盡快達(dá)到設(shè)計壓力，直到到達(dá)結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 綜合法

在調(diào)蓄水庫的帷幕灌漿試驗中，根據(jù)GIN法灌漿和國內(nèi)傳統(tǒng)灌漿法的成果分析及施工工藝優(yōu)缺點的比較，我們研究出一種結(jié)合GIN法灌漿和國內(nèi)傳統(tǒng)灌漿優(yōu)點的綜合法。該方法結(jié)合了GIN法灌漿工序簡單、節(jié)約水泥和國內(nèi)傳統(tǒng)灌漿法灌漿過程控制簡單的優(yōu)點。灌漿所需漿液與GIN灌漿漿液一致，采用穩(wěn)定漿液。灌漿過程中的控制及結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)以傳統(tǒng)灌漿法為準(zhǔn)進(jìn)行控制和優(yōu)化。

灌漿開始后即升壓。當(dāng)注入率超過40 L/min時不允許加壓，維持該壓力；當(dāng)注入率小于40 L/min時則升壓。壓力達(dá)到設(shè)計灌漿壓力后，維持該壓力，直至達(dá)到灌漿結(jié)束條件。

3 施工工藝

帷幕灌漿試驗區(qū)選擇在庫區(qū)左岸1 233.5 m高程平臺區(qū)位置，采用原位灌漿試驗，帷幕灌漿底高程為1 190 m。試驗區(qū)由2塊構(gòu)成，第一塊位于L0+197.54～L0+215.54段間，共計13個生產(chǎn)孔，3個檢查孔；第二塊位于L0+182.54～L0+176.54段間，共計6個生產(chǎn)孔，1個檢查孔。該區(qū)域為單排帷幕，所有孔分布在帷幕軸線上。筆者主要對綜合法進(jìn)行探討。

3.1 鉆 孔

鉆孔采用重慶探礦機(jī)械廠生產(chǎn)的XY-2鉆機(jī)，生產(chǎn)孔均為垂直鉆進(jìn)，嚴(yán)格控制孔深、孔位偏差和孔斜。檢查孔均為斜孔，以求盡可能穿過生產(chǎn)孔吃漿量大的孔段。

3.2 洗 孔

鉆孔采用風(fēng)水聯(lián)合沖洗的方法洗孔。

3.3 地下水位測量

洗孔完成后，對鉆孔進(jìn)行地下水位測量。

3.4 壓 水

壓水采用“五點法”標(biāo)準(zhǔn)壓水。

3.5 飽 和

灌漿開始前，對地下水位線以上的孔段要求進(jìn)行壓水飽和。壓水飽和按最大20 m的段長進(jìn)行控制，壓力為灌漿壓力的80%且不大于1 MPa。

3.6 灌 漿

3.6.1 漿液的選取

漿液的選取對灌漿施工起到至關(guān)重要的作用，它是影響灌漿效果好壞的重要因素。綜合灌漿法采用穩(wěn)定的漿液。穩(wěn)定漿液是指具有賓漢流體特性的漿液。該漿液具有較小的析水率、較低的凝聚力、較好的流動性和中等稠度等特性。通常，穩(wěn)定漿液中都要求加入高效減水劑和膨潤土。加減水劑可以增強(qiáng)漿液的流動性、減小粘度，而加膨潤土的作用則是提高漿液的穩(wěn)定性，減小析水。穩(wěn)定漿液的性能要求見表1。

根據(jù)設(shè)計要求的漿液性能，經(jīng)過大量室內(nèi)和現(xiàn)場的試驗，最終選取的漿液配合比及其性能參數(shù)見表2。

表1 穩(wěn)定漿液性能參數(shù)要求表

表2 現(xiàn)場實際應(yīng)用配合比及其性能參數(shù)表

由表2可知，該配合比下的漿液滿足穩(wěn)定漿液所要求的性能。漿液自身有內(nèi)部結(jié)構(gòu)，不會很快沉淀、過早凝結(jié)；具有良好的流動性，滲透性強(qiáng)，能夠滿足漿液擴(kuò)散的要求；析水小，對裂隙的填充更加飽滿；凝固后強(qiáng)度高。

3.6.2 漿液的制備及性能控制

漿液的制備對漿液性能具有重要的作用。

膨潤土漿液由膨潤土干料和水按1∶3的比例混合均勻配制，要求混合12 h后方可用于漿液的拌制。

漿液拌制好后，按要求進(jìn)行漿液的粘度、漿液比重、析水率、溫度的測試并取樣，待28 d后進(jìn)行抗壓試驗。將不滿足性能要求的漿液棄掉、拒用。

漿液在輸送過程中，管路暴露在外，由于陽光照射會引起漿液溫度的升高，從而影響漿液的性能。故要求不定時對灌漿管路進(jìn)行淋水降溫處理。

3.6.3 灌漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)

當(dāng)壓力達(dá)到設(shè)計壓力，同時注入率小于1 L/min，持續(xù)灌注10 min即可結(jié)束。

4 不同灌漿方法的成果對比

4.1 生產(chǎn)孔灌漿對比

生產(chǎn)孔灌漿對比情況見表3。

表3 試驗區(qū)生產(chǎn)孔灌漿成果統(tǒng)計表

從表3可以看出，三種方法的單位耗灰量大小關(guān)系為：傳統(tǒng)灌漿法>綜合法>GIN法。GIN法較國內(nèi)傳統(tǒng)灌漿法和綜合法每m耗灰量可節(jié)省33.83 kg和13.6 kg，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

4.2 檢查孔成果對比

灌漿試驗中的先導(dǎo)孔和檢查孔各段壓水情況見表4。

表4 試驗區(qū)先導(dǎo)孔和檢查孔各段壓水情況統(tǒng)計表

從表4可以看出：采用傳統(tǒng)灌漿法和綜合法灌漿的檢查孔壓水呂榮值小于5的孔段達(dá)到100%。其中綜合法小于3的孔段為33.33%，小于5的孔段為66.67%。傳統(tǒng)法小于3的孔段為44.44%，小于5的孔段為55.56%。GIN法灌漿的檢查孔壓水呂榮值小于5的孔段為72.22%，大于5的孔段為27.78%，未達(dá)到設(shè)計對防滲帷幕壓水呂榮值的要求。另外，從先導(dǎo)孔和檢查孔透水頻率區(qū)間看，以上三種灌漿方法的灌漿效果均很明顯。上述三種方法在灌前所有孔段的壓水呂榮值均大于5。灌漿后，透水率大于5的頻率變?yōu)椋?、27.78%和0。

4.3 工效對比

不同灌漿方法的工效對比情況見表5。

表5 不同灌漿法的工效對比表

從表5可知，三種灌漿方法的工效對比情況為：GIN法>綜合法>國內(nèi)傳統(tǒng)灌漿法。GIN法灌漿每m所用時間分別為國內(nèi)傳統(tǒng)灌漿法和綜合法的56.29%和77.05%。綜合法每m所用時間為國內(nèi)傳統(tǒng)灌漿法每m所用時間的73.05%。

從表3、4、5可知：傳統(tǒng)灌漿法在水泥用量和功效方面均為最差，但壓水結(jié)果理想；GIN法在水泥用量和功效方面占有優(yōu)勢，但檢查孔壓水結(jié)果不甚理想；綜合法在水泥用量和功效方面均處在中等位置，但檢查孔壓水結(jié)果理想。按照灌漿質(zhì)量要求，首先將GIN法予以排除。在傳統(tǒng)灌漿法和綜合法中，綜合討論采用綜合法。首先，采用綜合法可節(jié)約大量的水泥和工期(表6)；其次，綜合法采用單一水灰比灌漿，較傳統(tǒng)灌漿法的多級漿液灌漿具有工藝簡單、操作簡便等優(yōu)點；最后，綜合法采用的灌漿過程和結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)較GIN法簡單易懂、便于操作。在現(xiàn)場實際施工過程中發(fā)現(xiàn)，由于GIN選用的漿液雖然是性能較好的穩(wěn)定漿液，但同國內(nèi)常規(guī)方法的漿液比較也算是較濃的漿液。但是，GIN的升壓過程太呆板且升壓較慢，對于灌漿效果來說較差于國內(nèi)常規(guī)方法中提倡的盡快達(dá)到設(shè)計壓力，所以，我們改進(jìn)創(chuàng)新的綜合法在這個方面更優(yōu)于GIN法。

表6 綜合法及傳統(tǒng)灌漿法水泥及灌漿工效對比表

注：灌漿時間按一套灌漿設(shè)備計算。

5 結(jié) 語

通過本工程采用的GIN法，我們進(jìn)一步認(rèn)識到GIN法灌漿節(jié)約水泥、高效率、制漿工藝簡化的優(yōu)點，了解到影響GIN灌漿效果的幾個重要參數(shù)：GIN值、Pmax、Vmax及漿液的性能要求和GIN法灌漿的過程控制和結(jié)束條件。同時，通過對GIN法和國內(nèi)傳統(tǒng)灌漿法進(jìn)行大膽改進(jìn)、發(fā)展出本工程中采用的綜合法，該綜合法吸取了GIN法和國內(nèi)傳統(tǒng)灌漿法各自的優(yōu)點，灌漿效果較好、施工工藝簡單、成本更低，值得推廣，可供類似工程參考。