一种适合岩溶堤坝高效控制注浆的新工法-稀浆脉动劈裂、膏浆脉动压密注浆

蒋买勇，梁经纬，王 飚，梅其勇(.湖南水利水电职业技术学院，长沙 0；.湖南省水利水电科学研究所，长沙0007；.邵阳市水利局，湖南 邵阳 000；.长沙理工大学，长沙0)

0 引 言

我国岩溶堤坝多建于20世纪50年代，在保障人民生命财产安全和促进经济社会发展等方面发挥了重要作用，但限于当时的经济条件和技术水平，大部分都存在防渗处理措施不到位的问题，岩溶渗漏问题十分突出。堤坝岩溶渗漏不仅会影响水库的正常运行效益，甚至可能造成渗透出逸坡降大于允许值形成渗透破坏致使溃坝，其防渗处理受到越来越多的关注[1]。

岩溶堤坝防渗处理实际上就是封堵渗漏通道(可溶岩在高水头长期作用下形成的裂隙管道、孔洞)[2-4]，目前岩溶堤坝防渗处理措施主要有大开挖回填和注浆两种，其中注浆具有施工工作量少，工期短，质量易保证等特点，在国内外岩溶堤坝防渗处理中广泛应用，如前南斯拉夫的姆拉丁坝、西班牙的卡内来坝、我国的乌江渡大型水电站等[5,6]。循环式注浆、纯压式注浆、孔口封闭注浆法或联合应用，在有压状态下，纯水泥浆液会在钻孔中最小主应力面窜浆，在溶洞内注浆时，耗浆量非常大；为控制浆液扩散，降低造价，提高稳定性，杨晓东等[7]提出了水泥膏浆注浆技术，在一定程度上实现了注浆的可控，但耐久性较差且造价较高。基于黏土水泥浆材的稳定性好、造价低、抗酸碱腐蚀性好等特点，张贵金[8,9]等结合水泥膏浆注浆技术提出了一种“膏浆高压压密、稀浆高压劈裂注浆”的新工艺对溶洞进行控制注浆，并在托口水电河湾地块防渗注浆中成功应用，但在浅层溶洞注浆时，由于高压劈裂所需的压力过大，常导致孔口冒浆，需要不断待凝，导致工期延长。

岩溶堤坝空隙率大、胶结性弱，如何能够在注浆过程中提高工效，降低造价，控制浆液在溶洞内的有效扩散范围，避免长距离跑浆和孔口冒浆，实现全溶洞有效灌注，研究提出“稀浆脉动劈裂、膏浆脉动压密”的新工法。

1 “稀浆脉动劈裂、膏浆脉动压密”新工法技术要点及经济性

“稀浆脉动劈裂、膏浆脉动压密”新工法，根据岩溶堤坝的空隙特征，配合相应的注浆材料，注浆可一次完成，避免多次复灌，设备系统如图1所示。

图1 注浆设备系统示意图

1.1 新工法技术要点

(1)稀浆脉动劈裂注浆。稀浆脉动劈裂灌浆，通过特制注浆泵施加压力[压力以一定频率在零到设计值(低压)间变换]，迫使稳定稀浆进入岩溶充填物以及溶洞周围软弱岩土体。在一定的峰值灌浆压力作用下，岩溶充填物以及溶洞周围软弱岩土体的裂隙能最大限度地弹性张开，毗邻的不连通的微细裂隙受压缩而闭合，使周围岩土体基本变为弹性体，在灌浆时受到预应力。当脉动泵的球阀落下，注浆压力被撤去，岩体回弹，灌入的浆材受到受灌岩土体回弹的挤压，利于浆液脱水和提高结石强度，增加受灌处土体的密实度。从而使灌浆能够及早升压，达到控制灌浆的目的。与稳压灌浆不同的是，脉动压力灌浆时，由于施加给受灌岩土体荷载的延滞效应和脉动叠加作用，使得灌浆压力与地应力之间总是存在或大或小、时正时负的压力差，如此，在岩溶充填物以及溶洞周围软弱岩土体内产生树枝状劈裂扩散浆脉[10]。

脉动压力灌注稳定稀浆，首先是脉动送浆劈裂岩溶充填物扩散，再脉动送浆渗透溶洞周围岩土体最弱孔隙，最后脉动送浆溶洞周围岩土体次弱空隙充填从而在溶洞一定范围内形成树枝状浆脉。

(2)膏浆脉动压密注浆。膏浆脉动压密注浆，通过特制注浆泵施加压力[压力以一定频率在零到设计值(高压)间变换]，迫使膏浆在注浆管出口处压密岩溶充填物并形成半球形浆泡，由于溶洞周围岩土体边界比较致密，充填物浆液中固体颗粒会被其骨架所阻拦，形成滤饼，而充填物中的自由水则被滤出，即发生压滤效应[11]，随着注浆继续，岩溶充填物以及溶洞周围岩土体不断被压密，浆泡不断增大，直至达到注浆结束标准。

注浆后岩溶充填物压缩固结形成的结石体和膏浆结石体以及树枝状稀浆浆脉形成的弹性体共同构成防渗体。这一注浆过程，可以有效控制浆液扩散距离，可以使用更高的注浆压力，注浆均匀性更好。

1.2 新工艺经济性

“稀浆脉动劈裂、膏浆脉动压密”是一种新型注浆工艺，它与传统注浆工艺的经济性对比分析如下：

(1)注浆单耗小。由于在灌注稳定稀浆过程中采用脉动供压，浆液的扩散距离可控，而传统注浆是持续给压，浆液扩散距离往往远超设计帷幕厚度，存在大量无效灌注，因此新工艺注浆单耗比传统工艺约小65%。

(2)工效高。新工艺采用自下而上分小段连续提升灌注，不需要长时间待凝，对比传统工艺，施工台月效益提高约30%。

(3)透水率小。新工艺采用膏浆高压脉动压密岩溶充填物和稀浆形成的帷幕体，由于膏浆的稳定性很好，基本不离析，因此可有效解决传统工艺岩溶充填物渗透性大等问题。

2 工法流程

“稀浆脉动劈裂、膏浆脉动压密”新工法对溶洞进行注浆，溶洞内自下而上分小段连续提升灌注。单孔注浆工法流程为：钻孔→注浆准备→孔口处下套管，并安装孔口封闭器→下注浆管→注浆段钻孔洗孔→按配比配制稀浆→注浆段脉动(低压高频)灌注稀浆→稀浆待凝→按配比配制膏浆→注浆段高压压密注浆，自下而上小间隔提升灌注→全孔注浆结束封孔。根据新工法施工特点、步骤和稀浆脉动劈裂以及膏浆压密灌浆机理，通过制作图片，描述整个施工过程，如图2～图4所示。

(1)钻孔：如图2所示，回转钻机钻孔，泥浆固壁。一次钻至设计注浆段孔深，段长为可为10～30 m。

图2 钻 孔

(2)稀浆脉动劈裂注浆：如图3所示，在孔口搅拌机内按比例配制好稀浆，设置好脉动泵的压力和脉动频率，采用脉动压力灌注稳定稀浆进行劈裂，2 h析出率小于5%的稳定浆液，具有较好的流动性和稳定性，脉动频率20～30 次/min，稳定稀浆在有压环境下就会在溶洞充填物及其软弱部位形成树枝状滤饼，从而形成整体的框架结构。为提高灌浆工效，进行稀浆脉动灌浆时，采用注浆段采用花管。

图3 稀浆脉动劈裂注浆

(3)膏浆脉动压密：如图3所示，在孔口搅拌机内按比例配制好膏浆，设置好脉动泵的压力和脉动频率，采用脉动高压灌注膏浆进行压密，膏浆的内聚力和黏度较大，流动度小，压力比灌注普通浆液大，脉动频率约为8～15 次/min，在注浆过程中，膏浆在有压环境下很快结石，从而快速注满整个注浆段。小段灌注完后，提升再进行下一段灌浆，每小段长度以0.5 m为宜。

图4 膏浆脉动压密注浆

(4)封孔：全孔段注浆结束，立即进行封孔。完成注浆后，由稀浆结石体、膏浆结石体、岩溶充填物以及周围挤密的岩土体共同形成防渗体。

3 应用试验研究

为充分论证研究提出的“稀浆脉动劈裂、膏浆脉动压密”的新工法，以及“改性黏土水泥膏浆”新材料在岩溶水库溶洞防渗工程中的应用技术可行性、工艺操作性、以及成本经济性，选取典型的岩溶地貌-湖南某水库库尾区域作为试验场地。

3.1 工程地质条件

为充分掌握试验区域地质情况，布置ZK11、ZK12、ZK13、ZK14共4个孔，如图5～图8。钻孔情况统计如表1所示。从表1可知，试验场地区域内发育溶洞，溶槽，及岩溶塌陷等岩溶类型，试验区域内存在5处溶洞，其位置位于ZK11孔深24.5～25.0，40.5～41，45.0～45.5 m、ZK144的48.5～49.0、53.2～53.7 m处。

表1 钻孔溶蚀情况统计表

图5 ZK11钻孔岩芯图 图6 ZK12钻孔岩芯图

图7 ZK13钻孔岩芯 图8 ZK18钻孔岩芯

3.2 防渗注浆

针对试验区进行防渗注浆布置(图9)，试验孔包括两个注浆孔(Ⅰ-1，Ⅰ-2)，和1个检查孔(J-1)，灌浆孔距2 m，孔深55 m，如图9所示。采用稀浆脉动劈裂、膏浆脉动压密的新工法对大坝溶洞进行处理，即钻孔结束后先脉动劈裂灌注黏土水泥浆液(按质量比黏土∶水∶水泥=1∶2∶1)，待凝一定时间后采用黏土水泥膏浆(按质量比黏土∶水∶水泥∶外加剂=1∶2∶1∶0.1)进行高压压密注浆直至到达注浆结束标准，其他部位均采用稳定浆液脉动灌注，现场施工如图10所示。

图9 岩溶防渗注浆布置图

图10 防渗注浆现场施工图

3.3 注浆质量检查

注浆结束14 d后，通过检查孔进行现场压水实验(采用单点法，孔内设止水栓塞，自上而下分段(5 m/段)进行)，各段压水实验压力按相应高程、幕前水头1.2倍控制，其中Ⅰ-1孔灌浆试验参数及压水试验结果如表2所列。

表2 Ⅰ-1孔注浆试验参数及压水试验结果统计表

试验表明：①灌浆前后压水试验对比，灌后透水率改善明显，最大为2.43 Lu；②检查孔取芯及竖井开挖表明，受灌体密实性较灌浆前明显提高，局部芯样可见浆脉结石，如图11所示。③下游渗漏出溢点，未见明显渗漏，注浆效果显著。④对比传统注浆工艺节省投资40%，且压水实验结果满足规范要求。

图11 竖井开挖及浆脉

4 结 语

“稀浆脉动劈裂、膏浆脉动压密”新工法，能有效地解决岩溶堤坝的防渗加固问题，对比传统注浆方法，单位注入量降低约65%，施工台月效益提高约30%，帷幕透水率较低。通过湖南某岩溶堤坝岩溶发育区进行现场应用试验，表明新工法能很好地解决岩溶充填物难以结石、浆液串浆耗浆大，等技术难题，且简单可行、成本可控、注浆效果良好。

新工法尚需对以下问题进一步研究：①稀浆脉动劈裂扩散模型；②膏浆脉动压密扩散模型；③工法实施过程中各环节的完善等，为在岩溶堤坝及其他类似地层的防渗加固工程中推广应用提供指导和相关依据。

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