陶望雄,馮遠(yuǎn)余,李錫佳,張愛恒

(1.長沙有色冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司,湖南 長沙 410019;2.廣西大藤峽水利樞紐開發(fā)有限責(zé)任公司，廣西 南寧 530200)

隨著水利水電工程建設(shè)的不斷發(fā)展，在帷幕灌漿技術(shù)方面，中國積累了豐富的理論與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)[1-2]，近年來，隨著國家大力倡導(dǎo)“綠色礦山”建設(shè)，帷幕灌漿技術(shù)在礦山行業(yè)開始得到重視與發(fā)展，國內(nèi)一些大水礦山開始應(yīng)用帷幕灌漿技術(shù)進(jìn)行防治水，并且取得了良好的效果[3]。礦山帷幕灌漿具有其自身的特殊性，在灌漿目的、防滲標(biāo)準(zhǔn)以及灌漿參數(shù)(孔深、壓力、段長等)等方面與水利帷幕灌漿存在一定差異性，礦山帷幕工程多為深孔灌漿，孔深最深達(dá)到1 000 m[4-5]。考慮到巖溶地區(qū)地質(zhì)條件的復(fù)雜性，在帷幕工程大規(guī)模施工前進(jìn)行灌漿試驗(yàn)，旨在論證擬采用的灌漿方法在技術(shù)上的可行性、施工效果的可靠性以及經(jīng)濟(jì)上的合理性，利用灌漿試驗(yàn)成果推薦合適的灌漿布置、灌漿方法及灌漿參數(shù)[6-7]。

1 工程概況

大藤峽水利工程蓄水后，盤龍鉛鋅礦區(qū)的東側(cè)河段回水位將達(dá)到61.0 m，水位抬高約20～30 m，將在一定程度上增大礦坑涌水量，通過論證，擬采用防滲帷幕減少江水滲漏帶來的影響。礦區(qū)南北部均為近東西走向的相對隔水層，北部為下泥盆統(tǒng)二塘組(D1e)地層，南部為下泥盆統(tǒng)郁江組(D1y)地層，均具有較好的隔水性能，可以作為帷幕幕肩，擬在礦區(qū)東、西側(cè)各布置一道懸掛式防滲帷幕(圖1)，帷幕南北兩端與隔水層搭接，幕底進(jìn)入弱透水層。帷幕主要阻隔下泥盆統(tǒng)上倫組(D1sl)白云巖巖溶含水層?xùn)|西向的地下徑流[8]。

圖1 盤龍礦區(qū)帷幕區(qū)地質(zhì)

本次灌漿試驗(yàn)?zāi)康脑谟冢孩衮?yàn)證不同孔距、排距下漿液的擴(kuò)散效果，選擇經(jīng)濟(jì)、合理的孔距、排距；②選擇適用于巖溶區(qū)地層的灌漿材料及其配合比；③確定合適的灌漿工藝和灌漿參數(shù)，包括灌漿壓力、段高、結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)及特殊問題的處理方法等。

2 試驗(yàn)過程

2.1 試驗(yàn)場地選擇

根據(jù)前期地質(zhì)資料，沿帷幕軸線地質(zhì)條件差異較大，故本次灌漿試驗(yàn)選取了南、北2個試驗(yàn)區(qū)，南部試驗(yàn)區(qū)布置在地質(zhì)條件一般地段，北部試驗(yàn)區(qū)布置在巖溶強(qiáng)烈發(fā)育地段，試驗(yàn)區(qū)選址具有一定的代表性。

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

本次灌漿試驗(yàn)區(qū)布置如下[8]。

a)南北試驗(yàn)段各布置灌漿試驗(yàn)孔14個，檢查孔4個，采用雙排直線布孔，排間距為3.0 m。北部試驗(yàn)段孔間距按4.0、6.0、8.0 m進(jìn)行布置，南部試驗(yàn)段孔間距按4.0、5.0、6.0 m進(jìn)行布置，各排分兩序孔施工，見圖2。

b)根據(jù)地質(zhì)條件選用純壓式或孔內(nèi)循環(huán)式灌漿。

c)初始水灰比為5∶1，分5個漿液比級按照規(guī)范要求的漿液變換原則，逐級變濃。

d)帷幕灌漿試驗(yàn)結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)：灌漿壓力達(dá)到設(shè)計(jì)終壓后，單位灌漿量不大于1 L/min，繼續(xù)灌注30 min，即可結(jié)束該段灌漿，灌后簡易壓水透水率小于5 Lu，可進(jìn)行下段灌漿。

e)帷幕幕底標(biāo)高定為-125 m，灌漿孔深度在190～210 m，屬于大孔深灌漿。

f)綜合考慮帷幕的水頭衰減系數(shù)、帷幕體內(nèi)的允許水力坡降及蓄水以后的水頭值等因素，初步設(shè)計(jì)要求的防滲帷幕厚度為6 m。

圖2 試驗(yàn)段孔位布置

2.3 灌漿試驗(yàn)材料

本次灌漿試驗(yàn)以純水泥漿液作為主要材料，但在處理溶洞、巖溶寬大裂隙或溶蝕砂層等地層時，往往水泥漿液的耗漿量大、復(fù)灌次數(shù)多且耗時長，為能夠有效控漿，減少無效漿液消耗量，本次試驗(yàn)在上述地層孔段采用水泥黏土漿和水泥黏土膏漿，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，水泥黏土膏漿具有可控凝結(jié)性和時變性的特點(diǎn)，采用可控高壓脈動方式進(jìn)行灌注，一方面能夠提高瞬時灌漿壓力，另一方面又能使?jié){液的擴(kuò)散范圍得到有效的控制[9-11]。

施工現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)室通過對水泥黏土漿和水泥黏土膏漿的配比進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)以及反復(fù)試驗(yàn)調(diào)整，對不同配比漿液的流動度和結(jié)石體進(jìn)行取樣試驗(yàn)，得到適合巖溶地區(qū)特殊地層的灌漿漿液配比(表1)，根據(jù)地層的巖溶發(fā)育強(qiáng)弱特征，按1—5號逐級變換。

施工耗時表顯示，采用純水泥漿液灌注溶洞、寬大裂隙或溶蝕砂層孔段時，平均復(fù)灌次數(shù)為3～5次，而采用水泥黏土膏漿灌注后復(fù)灌次數(shù)僅為1～2次，大大減少了單段灌漿耗時，提高了施工效率；從檢查孔取芯情況來看，采用水泥黏土漿灌注孔段附近的檢查孔均發(fā)現(xiàn)有膏漿結(jié)石(圖3)，且膏漿結(jié)石強(qiáng)度及抗?jié)B性能均能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。因此，本次試驗(yàn)證明，水泥黏土膏漿在巖溶發(fā)育的松散、強(qiáng)透水地層，能夠在灌漿孔周圍快速、均勻擴(kuò)散，形成良好的連續(xù)帷幕體，此外，水泥黏土漿液具有經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性，在帷幕灌漿工程中值得推廣應(yīng)用。

圖3 EJ01孔膏漿結(jié)石

表1 水泥黏土膏漿配比及部分指標(biāo)

3 試驗(yàn)成果分析

3.1 疊加效應(yīng)分析

根據(jù)本次灌漿試驗(yàn)成果統(tǒng)計(jì)，按灌漿先后順序?qū)υ囼?yàn)各序孔的單位注入量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見表2，分析如下。

表2 各序孔的單位注入量及透水率統(tǒng)計(jì)

a)南、北兩試驗(yàn)段各排單位注入量對比，各排Ⅱ序孔比Ⅰ序孔均有明顯的降低，說明Ⅰ序孔灌漿漿液已經(jīng)填充了試驗(yàn)段巖層中的大的徑流通道，降低了基巖裂隙的連通性，Ⅰ、Ⅱ序孔灌漿漿液在其有效擴(kuò)散范圍內(nèi)已經(jīng)明顯搭接，Ⅱ序孔灌漿進(jìn)一步充填了細(xì)微裂隙。

b)南、北部灌漿試驗(yàn)段的黔江排單位注入量分別僅為礦區(qū)排單位注入量的46%和38%，黔江排單位注入量明顯小于礦區(qū)排，表明漿液在其有效擴(kuò)散范圍內(nèi)已經(jīng)明顯搭接，符合帷幕灌漿的一般性規(guī)律。

c)兩試驗(yàn)段各排平均透水率對比，Ⅱ序孔比Ⅰ序孔均有明顯的降低，灌漿后地層透水率減小。疊加效應(yīng)是指前序孔(上游排孔)灌漿后對后序孔(下游排孔)的灌漿量(或巖層透水率)的影響，灌漿量(或巖層透水率)一般呈現(xiàn)出后序孔(下游排孔)小于前序孔(上游排孔)的趨勢[12-13]。本次試驗(yàn)Ⅰ、Ⅱ序孔及礦區(qū)排、黔江排之間單位注入量疊加遞減趨勢明顯，反映出Ⅰ、Ⅱ序孔及礦區(qū)排、黔江排之間的巖溶通道得到了連續(xù)、有效的充填，符合帷幕灌漿的一般規(guī)律。

3.2 單位注入量變化曲線分析

單位注入量變化曲線是通過將所有灌漿孔的單位注入量分次序連接起來后形成相應(yīng)的連續(xù)曲線，可以反映前序孔灌漿對后序孔的影響[14]，變化曲線分3種類型，所代表的灌漿效果見表3。

表3 曲線類型相應(yīng)質(zhì)量評價

所有灌漿試驗(yàn)孔的平均單位注入量按Ⅰ、Ⅱ分次序連接起來后形成的變化曲線見圖4、5，對變化曲線區(qū)段分析。①礦區(qū)排(下游排)：北部試驗(yàn)段礦區(qū)排因?yàn)樘厥獾刭|(zhì)條件使得ES07(Ⅱ序孔)單位注入量高于個別Ⅰ序孔(ES11)，造成礦區(qū)排變化曲線類型(3)為交互型；南部試驗(yàn)段礦區(qū)排則因?yàn)镋S23(Ⅰ序孔)單位注入量偏小，低于兩側(cè)的Ⅱ序孔，造成礦區(qū)排變化曲線類型(3)為交互型。②黔江排(上游排)：北部試驗(yàn)段和南部試驗(yàn)段變化曲線類型均為(1)Ⅰ>Ⅱ型，Ⅱ序孔單位注入量明顯小于Ⅰ序孔，表明Ⅱ、Ⅰ序孔灌漿漿液在其有效擴(kuò)散范圍內(nèi)已經(jīng)明顯搭接。③單位注入量變化曲線可以看出，黔江排(上游排)單位注入量明顯小于礦區(qū)排(下游排)單位注入量，表明礦區(qū)排、黔江排灌漿漿液在其有效擴(kuò)散范圍內(nèi)已經(jīng)明顯搭接。

圖4 北部試驗(yàn)段單位注入量變化曲線

圖5 南部試驗(yàn)段單位注入量變化曲線

3.3 檢查孔壓水試驗(yàn)

南、北兩試驗(yàn)段檢查孔壓水試驗(yàn)透水率統(tǒng)計(jì)成果見表4，由表可知，除8 m孔距外，其余各孔距范圍內(nèi)檢查孔壓水試驗(yàn)透水率小于5 Lu的試段百分比均大于90%，由此證明本次灌漿試驗(yàn)段4、5、6 m孔距范圍所形成的帷幕體能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求的5 Lu的防滲標(biāo)準(zhǔn)。

表4 各孔距檢查透水率統(tǒng)計(jì)

4 孔距及排距合理性分析

4.1 孔距合理性分析

北部試驗(yàn)段孔距分別為4、6、8 m。據(jù)圖6可知，各孔距條件下灌漿效果存在如下差異：①對于礦區(qū)排4、6 m 孔間距，Ⅰ序孔施工完成后，該排Ⅱ序孔的透水率和單位注入量均有明顯減少，而8 m區(qū)段無此規(guī)律；② 8 m孔距檢查孔壓水試驗(yàn)合格率小于90%，且EJ03 單位耗漿量較大、鉆孔巖心較破碎且未取到有效膏漿結(jié)石，表明8 m孔距灌漿效果不理想，達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。

南部試驗(yàn)段孔距分別為4、5、6 m。據(jù)圖7可知，各孔距條件下灌漿效果存在如下差異：礦區(qū)排4、5、6 m 孔間距的Ⅰ序孔和Ⅱ序孔的透水率和灌漿量規(guī)律性不明顯，說明漿液沿帷幕軸線方向的擴(kuò)散能力相對較弱[15]；從檢查孔來看，4、5、6 m孔距下的檢查孔的透水率合格率均大于90%，說明6 m孔距同樣能達(dá)到4、5 m 孔距的灌漿效果，并且減小后的透水率和單位注入量相差不大。

綜上分析，8 m孔距達(dá)不到設(shè)計(jì)的灌漿效果，選擇6 m孔距是合適的。

圖6 北部灌漿試驗(yàn)段礦區(qū)排不同孔距下單位注入量對比

圖7 南部灌漿試驗(yàn)段礦區(qū)排不同孔距下單位注入量對比

4.2 排數(shù)及排距合理性分析

關(guān)于單排孔和雙排孔的選擇問題，分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，礦區(qū)排(下游排)灌漿孔完成后，在3 m排距布置下，黔江排(上游排)Ⅰ序孔灌前壓水試驗(yàn)透水率仍有較多大于5 Lu的灌漿段，其中北部試驗(yàn)段黔江排Ⅰ序孔灌前透水率大于5 Lu的灌漿段百分比為100%，南部灌漿試驗(yàn)段黔江排Ⅰ序孔灌前透水率大于5 Lu的灌漿段百分比為25%，可見，單排孔形成的帷幕體有效厚度無法達(dá)到設(shè)計(jì)要求的防滲標(biāo)準(zhǔn)。但從雙排孔灌漿完成后的檢查孔壓水試驗(yàn)來看，漿液沿垂直帷幕軸線方向的擴(kuò)散較好，雙排孔形成的帷幕體可以滿足設(shè)計(jì)要求。因此，采用梅花型布置的雙排孔是合適的。

4.3 孔深合理性分析

帷幕軸線勘察成果顯示(表5)，礦區(qū)0 m標(biāo)高以上為巖溶強(qiáng)發(fā)育帶，0～-120 m標(biāo)高段為巖溶相對中等發(fā)育帶，-120～-500 m標(biāo)高段為巖溶相對弱發(fā)育帶，因此，本次試驗(yàn)將幕底高程定為-125 m。但在施工過程中發(fā)現(xiàn)，個別灌漿孔孔底達(dá)到-125 m標(biāo)高以后，孔段灌前壓水試驗(yàn)透水率仍大于5 Lu，因此，考慮巖溶垂向上發(fā)育的不均一性，要求幕底高程不僅應(yīng)達(dá)到-125 m標(biāo)高，同時所有灌漿孔孔底進(jìn)入弱透水層(<5 Lu)深度不小于10 m。

5 結(jié)論

采用疊加效應(yīng)、單位注入量曲線分析等方法，結(jié)合檢查孔壓水試驗(yàn)成果，對不同孔距、排距下漿液的擴(kuò)散效果進(jìn)行了研究，進(jìn)而選擇經(jīng)濟(jì)、合理的孔距、排距，以及適用于巖溶區(qū)地層的灌漿材料及其配合比，為確定合適的灌漿工藝和灌漿參數(shù)等提供參考。本次灌漿試驗(yàn)得到以下結(jié)論。

表5 帷幕區(qū)地層巖溶垂向發(fā)育分帶

a)疊加效應(yīng)、單位注灰量曲線分析均顯示灌漿試驗(yàn)采用兩序孔施工時，后序孔較前序孔灌漿量有明顯減小，說明分序施工效果明顯，符合分序遞減、分排遞減的灌漿一般性規(guī)律。

b)孔距(排距)過大往往很難使帷幕達(dá)到防滲效果，過小則容易造成投資浪費(fèi)，經(jīng)濟(jì)上不合理。利用試驗(yàn)成果對主要灌漿參數(shù)的合理性進(jìn)行了分析，顯示排距3 m、孔距6 m梅花型布置灌漿孔，既能夠滿足設(shè)計(jì)要求的防滲標(biāo)準(zhǔn)，且經(jīng)濟(jì)上合理。

c)巖溶區(qū)帷幕幕底高程主要由巖溶的垂向發(fā)育深度決定，對于無隔水層作為幕底的懸掛式帷幕，應(yīng)要求幕底必須進(jìn)入弱透水層，且進(jìn)入弱透水層深度不應(yīng)小于10 m。

d)采用水泥黏土漿液處理溶洞、寬大裂隙或溶蝕砂層等特殊地層時，能夠在灌漿孔周圍快速、均勻擴(kuò)散，有效減少單段灌漿耗時，提高施工效率，且膏漿結(jié)石強(qiáng)度及抗?jié)B性能均能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。此外，水泥黏土漿液具有經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性，在帷幕灌漿工程中值得推廣應(yīng)用。