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岩溶地区灌浆[译文]



         [摘要]Logan Martin 坝由Alabama 电力公司所拥有和管理，自从1964年该坝竣工以来，控制通过岩溶基础的渗漏一直是个问题。曾几次尝试通过基础灌浆来切断渗流，然而，近来的水文地质调查表明最初的灌浆帷幕不能延伸到岩石足够深的地方来隔断主要的渗流通道。最初的灌浆帷幕只能延伸到基岩平均30米深处，但已发现的渗流区的深度超过了122米。本文主要介绍新近所采用的钻孔和灌浆技术。


概述
Alabama 电力公司在美国Alabama 的Coosa河上拥有并管理7座水力发电站，Logan就是其中之一。在坝的规划阶段，勘测了Vincent附近的好几个地点，所有可能的地点都位于岩溶基础上。设计者和承包商都认为通过修建大约1.5倍水头深度的灌浆帷幕便可控制坝的下方渗流。尽管这样的标准适合大多数地方，但对于岩溶地区却不适用。自从1964年水库蓄水以来，渗漏一直是个问题。1989年进行的水文地质研究表明渗流通过的路径比开始的灌浆帷幕要深得多。

现场试验
1991年，为了采用灌浆工艺修建152米深的灌浆帷幕进行了一次试验性灌浆。东坝段91米长的部分被选作该试验。选这个地方有两个原因：一是该试验区覆盖了大部分河床，而这些河床的基岩被看作最可能产生渗漏；二是该地区被后来称作“target zone断层”的垂直断层带所分开。

修建深层帷幕和浅层帷幕是大不相同的。当钻孔至深度超过91米的岩溶岩石时，钻杆会经常被折断。为了解决该问题，采取了直径为15.2厘米的钻孔，以便使用直径是11.4厘米的钻杆。在下阶段灌浆中，深层帷幕灌浆采用分距离灌浆方式，开始孔间中心距离为12m,到溶洞岩层，为避免上阶段深度不够的教训，灌浆孔加密至9m。

灌浆孔是在坝上游斜坡的马道上，套管穿过坝体嵌入岩石0.6～1.5米深处。进行套管灌浆，以便封闭岩石和土层的交接面。人们在寻找在岩溶基础上的最佳钻探方法进行了大量工作：旋转钻进和冲击钻进。两种方法各有利弊：用水的旋转钻进能够记录岩石中的水分损失，从而确定潜在灌浆量，但旋转钻进比冲击钻进慢，并且钻头在有空洞及粘土充填的岩石中易发生走偏。冲击钻进主要是通过孔下的潜孔锤来钻孔。尽管冲击钻进速度快，但是驱动钻头的空气会在碎岩中压力过高。两种方法相比较前30米采取旋转钻进，以免破坏坝体底部；30米以下到灌浆底部，两种方法同时使用。

由于在坝体的底部附近可能存在断层，在灌浆过程中必须考虑坝体底部可能受到的压力破坏。为了保护整个结构不受破坏，把基础分成了两个部分，每个部分用不同的灌浆工艺。第一部分从岩层顶部到27.4米深处；第二部分从27.4米往下到帷幕的底部。第一部分最大灌浆压力为69kPa，第二部分最大灌浆压力为23 kPa/m，孔口管最大压力为1380 kPa。在第二部分钻孔之前，必须完成第一部分完成1序孔和2序孔。

由于岩石的自然特性，灌浆栓塞选择非常关键。将栓塞置于灌浆孔的岩石裂隙或粗糙的地方，会导致栓塞的破坏或栓塞的渗漏，以至把栓塞灌入了灌浆孔中。对于该项工程来说，这两种情况都将造成浪费。为了解决这项难题，把栓塞放在适当位置，每一段都描绘钻孔柱状图。如果条件允许，就在这一段顶部放置一个直径为11.4厘米的可膨胀灌浆塞。浆液在拌和楼里用两个0.6m3双桨式柴油机/液力驱动拌和机中配制，然后通过输送泵送到孔中。水泥从拌和机上的60吨散装水泥大槽中获得。

现场试验是在1994年结束的，在整个试验过程中，共施工了48个灌浆孔，其中最小深度离坝底部152米，用了207932袋水泥。试验目的是减小该地带下游的测压水位。27#测水堰中70%以上的渗流都得到了控制。灌浆技术的发展将解决基础剩余部分的渗漏。


目前灌浆工艺
从上面的现场试验可以看出在未来的灌浆工艺中，拥有更大灌浆量，功能齐全的灌浆站是必要的。1994年一个新的灌浆站在Logan Martin 建成了。这个灌浆站全部实现了电气化和自动化。集中制浆站包括普通的水槽供给两套分离的拌和机，拌合机为高速胶体混合机。该灌浆站已全部实现计算机控制，工厂的操作员可以在任何时候得到199种不同的拌和料。灌浆拌和机的速度非常快，每个拌和机都有一个运输系统，从制浆站能同时向两个孔进行灌浆。配料设备有一个水泥大槽、三个4.6m3带有传输装置的骨料仓、三个液体罐供掺加外加剂及膨润土。除了制浆站本身，这个地区还有大的骨料伫存仓、一个水处理池和一个大的水泥和粉煤灰贮藏室。

一般的配料系统能够运输按照不同水灰比所组成的骨料和液体外加剂，混合浆液的水灰比可达0.6:1（体积比），浓度更大的浆液需要加入高效增塑剂。灌浆泵能够泵送含有骨料直径为1cm的浆液。所有的灌浆管和钻杆都是平直结合，直径为5厘米。

粗填料在有效封堵水面下的大孔洞时是必要的。最常用的粗填料是压碎的石灰岩，压碎的石灰岩通常被加工成两种直径：混凝土砂和1cm的骨料。另外一些填料也用轻骨料，像锯沫、1.3cm的木屑、杉木刨屑、蛭石、棉籽壳。木屑不仅便宜，而且还有膨胀作用。相当数量的木屑被掺进浆液中，并在不同的灌浆阶段注入。木屑的最大缺点是密度太小。

灌浆过程中，有时要在浆液中加入液体外加剂。大多数常用的液体外加剂都含有抗冲成分。这些抗冲成分不仅能减少浆液析水，更重要的是他能使水泥浆在注入水中时不分散。如果在混合浆液中加入了抗冲成分，灌入的水泥浆在水流速不超过0.6m/s时，都不会被稀释。另外的一些外加剂有液态氯化物促进剂和超强塑化剂等。

除了在灌浆站有多种选择外，向灌浆孔注入材料有时需要经验。为了限制灌浆路程，在浆液中加入了水玻璃，促使浆液速凝。但是在孔口不能注入水玻璃，因为浆液在离开钻杆前就胶凝了。于是设计了一个特殊的灌浆塞，该灌浆塞允许在灌浆机底部注入水玻璃。为此，购买了双芯灌浆塞，并进行了改进，这样含有浆液/水玻璃的浆液在压力下通过灌浆塞并搅拌，使浆液在速凝前充分混合。这种灌浆设备同时还能用到其他化学灌浆中。

本工程中，进行了大量的聚氨酯化学灌浆试验，最初用具有膨胀能力的憎水性聚氨酯加入到水泥中来有效封堵大漏洞。但问题是如何在聚氨酯未和水反应前，将聚氨酯送到400英尺的地方。在改进的栓塞上安装了逆止阀和高压管子。这样，化学浆液在栓塞底部和水泥浆混合前就不会遇到水了。

另一问题是聚氨酯浆液在高压下的膨胀能力。压力为276，552和886kPa的试验结果表明，在828kPa压力下，树脂只能膨胀300%，而通常情况下可以膨胀1800%，压力超过828 kPa，膨胀还将进一步减小。所以，没有足够的膨胀率，聚氨酯灌浆不是一个经济选择。也曾用亲水聚氨酯。起初想通过1.3厘米的管路来泵送亲水性聚氨酯浆液，但没有成功，因为化学浆液有很大粘滞性。最后在栓塞顶部用了一个逆止阀，并通过直径为5厘米的灌浆管泵送。亲水性聚氨酯在通常情况下膨胀并堵住涌水。可是在天然裂隙和有流水的孔洞中，随着浆液反应发泡，浆液就被冲走了。浆液只有在溶洞中遇到其他阻碍物才会停下来。在灌浆中将会消耗大量浆液，价格昂贵。亲水性聚氨酯灌浆的另一不利条件是很难控制反应时间。

考虑到灌浆的经济性，可以在浆液中加入C级粉煤灰。用C级粉煤灰主要是其胶结性能良好。不用F级粉煤灰是因为在动水条件下浆液会分离。F级粉煤灰自身也不稳定。C级粉煤灰甚至在不加水泥的条件下都能有强度。加入粉煤灰的试件抗压强度如下：

水 灰 比
水泥：粉煤灰（%）
抗压强度（Pa）

0.8:1
60:40%
2992(7天)

0.8:1
40:60%
1626(7天)

0.6:1
60:40%
806(24小时)

0.5:1
35:65%
495(24小时)

坐落在东坝段的标号为EP56+45的灌浆孔出现了最复杂的条件。录像显示，在高程为94米到高程为86米的地方有一个大溶洞。洞中的水一开始呈静止状态，可是经过几次灌浆后，在录像中出现了向上的水流和交叉水流。对EP56+45孔采用了另外灌浆一种方法。在孔口用了一塞子，这个塞子允许接两个灌浆管，混合浆液可以同时被送到孔中。另外，一个独立的阀门能够将粗麻布条和聚丙烯袋随浆液一起灌入。其理论根据是注入的材料能随着溶洞通道流动直到有阻挡物质。袋子就在该地堆积起来，并将流水堵住。在模袋后灌入灌浆材料，形成永久封堵。用此方法可以封堵孔中的可见水流，但这个孔仍然能吸入大量浆液。显然在摄像机的可见范围外孔的更深处还存在大的溶洞。为了堵住水流，制作了一个更大的漏斗安装在孔的顶部，直径达5厘米的卵石骨料随浆液一道灌入孔中。灌入EP56+45孔中的材料达2550m3，相当于一个宽12米，高3米，长69米的溶洞。

试验结果
通过灌浆，结构物上的观测仪器显示出了好的结果，东坝段顶部的观测孔记录显示测压水头减少了7.5米。

坝段渗漏在大坝的观测中有重要作用。27#测水堰坐落在东坝段下游坝趾处，灌浆前的最大排泄量达47L/s，灌浆后，该坝段的渗漏减少到了14L/s。

在东坝端尾水渠道15#测水堰进行的大量染色剂跟踪和灌浆试验显示：通往15#测水堰的主要水力通道主要为桩号55+00到58+00的灌浆孔。这个高度距坝顶大约122米（400英尺），灌浆后，15#测水堰的渗漏量减少了126L/s。
结论
总之，岩溶地区的灌浆具有很大的挑战性。岩溶地区的灌浆量要比其他地层高得多，从一层到另一层，地质条件变化非常大。如果浆液凝结时间太短，灌浆孔将被堵住；另一方面，如果浆液凝结时间太长，地层在混合物到达前将被冲走。也还存在无底洞灌浆的情况，这些孔能够吸收泵送的任何东西。对于Logan Martin 坝工程来说所有的这些情况都有。人们一直在努力寻找好的方法来控制灌浆，形成有效的截水墙来堵水。随着灌浆帷幕沿着坝不断加长，坝基底部的测压管压力也在不断降低，同时测试坝段的渗漏量也在不断减少。尾水地区的出水口调查显示，虽然仅仅完成了一小部分的灌浆帷幕，出水口的数量减少了16%。对于岩溶基础来说，这已是一个很大的成就了。