水泥、水玻璃浆液在锦屏工程涌水封堵中的应用

水泥、水玻璃浆液在锦屏工程涌水封堵中的应用摘要：水泥、水玻璃双液浆是以水泥和水玻璃作为灌浆材料的主剂，按要求的比例同时注入双液混合器内使其充分混合形成双液浆。这种双液浆具有价格便宜、无毒、凝结时间短、速度快、结石强度高等特点，不仅具有水泥浆液的优点，而且还有化学浆液的一些特性，凝结时间可以从几秒钟到几十分钟任意调节，灌后结石率可达100％，可灌性比纯水泥浆明显提高。在锦屏水电工程辅助洞(东端)涌水封堵灌浆施工过程中。采用水泥、水玻璃双液浆对涌水进行封堵，实践证明，封堵处理效果显著。对施工过程作了详细介绍，可供同类工程参考。关键词：水泥、水玻璃双浆液；灌浆；堵水；锦屏工程中图分类号：TV543．3文献标识码：A文章编号：1001—4179(2009)21—0032—03锦屏水电工程交通辅助洞由2条平行的单车道隧洞(A、B洞)组成，是锦屏一级、二级水电站前期工程的关键项目。其主要作用是沟通锦屏水电工程东、西端的交通，并兼做超前地质勘探。锦屏辅助洞具有大埋深、高地应力、高压大流量涌水等特点，是属于颇具挑战性的世界级工程。自2005年1月8日在东端B洞遇到高压涌水以来，锦屏辅助洞东端A、B洞多次出现大流量涌水，流量一直稳定在7800L／s左右，工程施工一度严重受阻。根据“预案在先、快速掘进、择机封堵、堵排结合”的原则，经过反复研究并结合工程实际，选择水泥、水玻璃双浆液注入渗水岩体进行封堵，是锦屏辅助洞东端堵漏灌浆的主要方法之一。至2008年l2月底，辅助洞东端涌水封堵灌浆工作取得了阶段性成功。水泥、水玻璃双浆液是以水泥和水玻璃作为灌浆材料的主剂，按要求的比例同时注入双液混合器内使其充分混合形成双浆液。这种双浆液具有价格便宜、无毒、凝结时间短、速度快、结石强度高等特点，不仅具有水泥浆液的优点，而且还有化学浆液的一些特性，例如它的凝结时间可以从几秒钟到几十分钟任意调节，灌后结石率可达100％，可灌性比纯水泥浆明显提高。1水泥、水玻璃双浆液性能试验研究1．1水泥、水玻璃双浆液试验在锦屏辅助洞及锦屏二级水电站引水隧洞的涌水处理过程中，对水泥、水玻璃双浆液特性进行了试验，部分试验成果如表1。表1水泥、水玻璃双浆液试验成果(部分)1．2水泥、水玻璃双浆液试验成果分析水泥、水玻璃双浆液的性能取决于水泥浆的水灰比、水玻璃模数和浓度，以及水玻璃与水泥二者的比例。根据图1所示浆液中水玻璃含量与凝结时间关系[1]，水玻璃的掺入量一般在水泥浆体积的25％一60％之间时，凝结时间较短、变化平缓。图1浆液中水玻璃含量与凝结时间关系水泥、水玻璃双浆液试验成果表明，水泥、水玻璃双浆液的凝结时间呈以下规律：(1)水玻璃模数较大时，SiO2含量高，凝结时间短，结石强度高；水玻璃模数较小时，SiO2含量低，凝结时间相对较长，结石强度较低。(2)其它条件相同时，随水泥浆浓度的增加，凝结时间缩短。(3)其他条件相同，水玻璃浓度为30°～50°Be′时，水玻璃浓度减小，凝结时问缩短。(4)其他条件相同时，水玻璃与水泥的体积比在0．3：1～1：1范围内时，水玻璃用量较少，凝结时间较短。1．3水玻璃酸碱性对双浆液的影响水玻璃化学灌浆材料大致分为在碱性区域凝胶化的碱类浆材和中性一酸性区域凝胶化非碱类浆材(即所谓的碱性水玻璃和酸性水玻璃)。碱性水玻璃浆液的主要缺点是凝胶体有脱水收缩和腐蚀现象(主要是因为发生SiO2的溶脱现象)，其耐久性较差并对环境有污染。酸性水玻璃可在中性区域内凝胶，凝胶体没有碱溶出，不存在碱性水玻璃的腐蚀现象和环境污染问题，耐久性较好。1．4双浆液结石的强度问题试验表明，水泥、水玻璃双浆液结石的抗压强度主要取决于水泥浆液的水灰比，并与水玻璃溶液的浓度、水玻璃与水泥浆液的比例有关系。(1)水泥浆浓度的影响。水灰比越小，结石的抗压强度越高。(2)水玻璃溶液浓度的影响。水玻璃溶液的浓度对结石的抗压强度影响较为复杂，当水灰比较小时，随着水玻璃浓度的增加，不同龄期结石的抗压强度均提高(现场施工中水灰比一般为0．6)；当水灰比较大时，则随着水玻璃溶液浓度的增加，不同龄期结石的抗压强度均出现不同程度的降低；当水泥处于中间状态时(如水灰比为1)，则规律性较差。水玻璃溶液的浓度对结石早期及后期强度影响不同，结石早期强度随水玻璃溶液浓度的增加而增大，而后期强度则是水玻璃溶液浓度越小抗压强度越高。(3)水玻璃与水泥体积比(s／c)的影响。水泥与水玻璃进行化学反应时，要有一个合适的比例，在这个比例时，反应可以完全，结石强度最高。当水泥浆水灰比较大时(W／C=1)，S／C越小，结石强度越高；当水泥浆水灰比较小时，适中的s／c(S／C=0．4—0．6)，结石强度更高。一般认为，使用较浓的水泥浆(W／C较小)，水玻璃用量也相应较多；使用较稀的水泥浆时(W／C较大)，则应使用较少的水玻璃。S／C对双浆液结石早期强度及早期强度的增加影响较为明显，S／C越小，浆液结石的早期强度越高，强度增长越快。根据上述试验结果，在锦屏辅助洞涌水封堵灌浆过程中，选择水玻璃掺人量为水泥浆体积的30％开展现场灌浆生产性试验，效果得到验证。2水泥、水玻璃双浆液灌浆施工工艺2．1孔位布置在涌水封堵灌浆施工过程中，根据所起作用的不同，可分为两类：分流减压孔、堵水灌浆孔。分流减压孔：主要是针对宽大裂隙及大涌水点而采取的措施，通过现场对涌水构造仔细观察，了解涌水构造的性质、特点、发育状况，在涌水构造带上游侧布置分流减压孔，一般梅花型布置2～3排，排距0．50～1．0／m、孔距0．50m，距涌水构造带40m以内。分流孔数量原则上是把涌水构造带的水引排干净为宜。堵水灌浆孔：根据引流后揭露出的裂隙结构面的产状(走向、倾向、倾角)布置堵水灌浆孔，使钻孔与裂隙在不同深度斜向相交，并尽可能垂直于裂隙结构面。孔位可根据现场情况适当调整，孔位偏差控制10cm以内。2．2造孔分流减压孔孔径为219mm、孔深小于40m。采用CM一351型液压钻机配XAHS376移动式空压机钻孔，为防止高压涌水射出形成的反冲力，在施工过程中对钻机进行加固，保证钻机在各个工作环节的安全运行。堵水灌浆孔孔径为76mm、孔深3～8m。采用ZQS一100B型冲击回转钻机配XAHS376移动式空压机钻孔。2．3镶管镶管采用模袋法，管材为厚壁地质管。为确保引流减压孔引水畅通，防止串浆时被封堵，故镶管应尽可能深一些(6～10m)。孔口管的直径为127～156mm，捆绑长度为3—5m。用自制的手压泵将水灰比为0．5：1的纯水泥浆压人捆绑的模袋中，水泥浆中加入速凝剂、微膨胀剂以加快镶管水泥尽快凝结以及凝结后镶结牢固，当流量逐渐减小且压浆较困难时即结束，待凝24h后开始下一道工序。分流减压孔孔口安装高压阀门，高压阀门需满足15MPa压力的要求。2．4水泥、水玻璃双浆液拌制水泥浆液采用ZJ一400型立式高速耐磨搅拌机拌制，然后输送到立式双桶储浆搅拌机内。水玻璃直接倒入储浆桶中。两种浆液均采用3SNS型灌浆泵或BW200／40灌浆泵直接泵入。不同的是输送水玻璃的灌浆泵上安装带控制阀的回浆管，以控制两种浆液的配比。2．5灌浆管路连接及浆液控制双液灌浆中的浆液变换：双浆液的凝结时间也可通过调节水灰比、水玻璃浓度及水泥浆与水玻璃比例来调节。双液灌浆管路连接：可以在孔口混合，也可在孔底混合。孔口浆液混合器安装于灌浆孔口，每个灌浆管路均安装了自制的高压逆止阀，以防止浆液倒流堵塞灌浆管路。施工过程中，为防止因瞬时高压造成事故，针对可能超压灌浆的特殊情况(10MPa)，采取在泵前安装自制的高压卸压安全阀的措施，取得了满意的效果。孔底混合是通过孔底混合双液塞实现的。灌浆时两种浆液(水泥和水玻璃)分别从塞子内管和外管进入孔底以充分混合，而灌浆过程中所使用的外管与内管是可拆卸的。在施工过程中，取得了两种浆液以60～70L／min的速度快速注入的正常数据。相关的管路连接见图2所示。根据不同的孔深，采用不同长度的双液灌浆塞。这给施工带来了极大的方便。图2双液灌浆管路示意双液灌浆控制：堵漏灌浆最重要的是凝结速度和结石强度，因此需准确控制浆液配比及凝结时间。主要措施是严格控制两种浆液的配比，特别是水玻璃的注入量，施工过程中采用回浆管控制流量的方法得到解决。2．6浆液的结束标准所有裂隙、岩溶管道型渗水环境涌水封堵灌浆结束标准：采用在设计压力下，当吸浆量小于10L／min时，继续灌注10min结束该段灌浆。2．7特殊情况处理(1)灌浆过程中遇断层、岩脉、溶洞等异常区时，应加强异常区可能连通部位的观测，为节省浆液用量，当发现跑、冒、串、漏浆现象必须及时封堵处理后方可恢复灌浆。(2)灌浆工作必须连续进行，若因故中断，必须马上处理，尽早恢复灌浆。如果中断超过30min，则应进行钻孔冲洗，如冲洗无效，则应扫孔。恢复灌浆时使用开灌比级的水泥浆进行灌注，如注入率为中断前的90％以上，即可采用中断前水泥浆的比级继续灌注，如注入率为中断前的70％～90％，逐级加浓浆液继续灌注，如注入率小于中断前的70％，且在短时间内停止吸浆，则该段灌浆应视为不合格。(3)灌浆施工过程中发现冒浆、漏浆时，根据具体情况采用嵌缝、表面封堵、降低压力、加浓浆液、限流、限量、间歇等方法进行处理。若漏的是水或稀浆时可继续灌注；若漏的是浓浆时降低压力，直至漏浆停止，逐渐升压至原来压力继续灌注。如降压无效再变浓水灰比灌注，如降压和变浓均无效，且漏浆量接近注入量，停止灌注进行待凝，待凝时间24h。如恢复灌浆后吸浆量接近于零或停止吸浆时，此段作为不合格孔段，视情况进行处理。对间歇灌浆时间超过30min的孔段，采取重新扫孔、重复灌注的方法处理。若遇串浆情况，采用封堵被串孔进行处理。2．8封孔(1)全孔灌浆工作完成后及时封孔。封孔前排除孔内稀浆，将孔内污物冲洗干净。隧洞腰线以上部位的灌浆孔采用“全孔灌浆封孔法”封孔，腰线以下部位根据现场实际情况，灵活采用封堵方法。(2)封孔压力不小于3MPa，时间不小于30min，孔口压摸齐平。(3)封孔材料采用掺轻烧MgO(掺量4％与水泥重量比)的高抗渗性水泥浆，强度等级M25，水泥浆的水灰比不大于0．5：1。(4)对孔口以下10～15cm深的孔段用抗压强度不小于40MPa的环氧砂浆抹平。3水泥、水玻璃双浆液堵漏灌浆效果与纯水泥浆灌浆不同，双浆液灌浆施工工艺略显繁琐。对压力大、流量也较大的涌水点或施工段采用纯水泥浆进行封堵时，因水泥浆凝结速度较慢，被水稀释或随水流走，导致灌浆效果不显著。采用水泥、水玻璃双浆液进行封堵，可以通过调节水泥浆与水玻璃的配比来控制浆液的凝结速度，从而达到良好的封堵效果。在辅助洞东端A洞K12+890处2个大涌水孔用纯水泥浆灌注，前后待凝5次，注浆量分别为9．369、9．781t，无法进行封堵；后使用水泥、水玻璃双浆液，2孔共用水泥浆分别为1．322、1．050t，水玻璃346、418kg，封堵效果良好。在A洞K12+908～K12+922(封堵前涌水量为200～300L／s)、A洞K11+210K11+160(封堵前涌水量约450～500L／s)及A洞K12+880～K11+890(股状涌水量约25L／s且与K12+908～K12+922处大涌水点连通)等高压固结区均应用了水泥、水玻璃双浆液施工工艺，都取得了很好的效果。辅助洞东端B洞K10+660处左边墙裂隙发育，围岩破碎，呈股状涌水，裂隙宽度较大(最宽处达100cm、长约150cm)，涌水中有夹泥现象，涌水量约600～700L／S，且与A洞K10+605～K10+620处涌水点(顶拱溶蚀管道股状涌水直径约80cm、涌水量约1000—1200L／s)连通。在大涌水点的封堵灌浆施工过程中大量使用了水泥、水玻璃双浆液，使该涌水点成功封堵。经观察，已完成灌浆处理近半年的部位，无再次渗水现象发生。4结语锦屏辅助洞高压涌水的封堵属世界级施工难题，．很多堵水灌浆的施工方法均是在堵水实践过程中不断摸索、总结得出的。水泥、水玻璃双浆液在锦屏辅助洞裂隙、岩溶管道型渗水环境涌水封堵灌浆中的成功应用，为锦屏水电工程辅助洞及引水隧洞高压涌水封堵奠定了坚实的基础。致谢在本