改良固壁泥浆在坝基防渗处理工程中的试验研究与应用

改良固壁泥浆在新疆下坂地坝基防渗处理工程中的试验研究与应用【摘要】新疆下坂地水利枢纽工程大坝基础属于典型的深厚覆盖层地基，砂砾石覆盖层厚度最大达到150m，而在深厚覆盖层内进行坝基防渗处理，防渗墙及帷幕灌浆造孔施工中的难题就是如何避免塌孔。工程中在膨润土泥浆基础上分别掺加CMC及重晶石粉、腐殖酸钾、聚丙烯酰胺等外加剂改良泥浆，改良后泥浆具有良好的抑制性和固—液相间的流变性，封堵性能良好，护壁性能强，孔壁稳定，解决了深厚覆盖层经常塌孔问题。【关键词】深厚覆盖层；砂砾石；防渗；改良固壁泥浆1工程概况1.1工程总体概况下坂地水利枢纽工程位于新疆塔里木河源流叶尔羌河主要支流之一的塔什库尔干河中下游，是塔里木河流域近期综合治理中唯一的山区水库枢纽工程，主要任务是以生态补水及春旱供水为主，结合发电的综合性Ⅱ等大（2）型工程。水库正常挡水位2960m，总库容8.67亿m3，电站总装机150MW。枢纽建筑物由拦河坝、导流泄洪洞、引水发电洞和电站厂房四部分组成。大坝为沥青混凝土心墙砂砾石坝，坝顶高程2966.00m，最大坝高78m。导流泄洪洞布置在右岸，引水发电洞布置在左岸，穿越哈木勒提沟拐向正东。电站厂房布置在坝址下游8.5km河道的左岸。下坂地水利枢纽工程坝基下为冰碛砂砾石覆盖层，最大厚度约150m，成分复杂，渗透系数变化大；覆盖层的防渗处理采用上部深85m、厚1m的混凝土防渗墙下接4～５1.2右岸坝基防渗工程施工概况施工墙顶（孔口）高程：0+218.0～0+254.0段为2897m（一期），0+254.0～0+381.2段为2888m（二期）；最大墙深85m，最大镶管（墙内预埋管）深度80m，最大灌浆深度161m。其中墙下帷幕灌浆工程：桩号0+218.0～0+300.0段布置4排灌浆孔，桩号0+300.0～0+360.0段布置5排灌浆孔，桩号0+360.0～0+381.2段（混凝土防渗墙下为基岩）布置单排灌浆孔；坝轴线上游布置1～2排孔，下游布置2排孔；中间排与坝轴线重合，施工防渗墙时预埋φ121×5.5帷幕灌浆套管。完成总工程量：防渗墙总成墙面积9125.4m2；帷幕灌浆总钻孔进尺24197.5m，其中灌浆进尺12919m，空钻进尺11278.5m1.3工程地质条件下坂地枢纽工程坝轴线处河床宽约280m，坝基覆盖层自下而上可分为三大类地层：冰碛层、砂层、冲洪积和坡积层。（1）冰碛层：厚度80～148m，岩性复杂，结构极不均匀，主要以漂石、块石、砾石及砂为主，成分以花岗岩、片麻岩、片岩及灰黑色变质岩组成。结构松散，夹有砂层透镜体，大孤石及块石架空现象。冰碛层自然状态平均颗粒级配如表1。表1冰碛层的天然粒径组成成果表土粒组成漂石或块石卵石或块石圆砾或角砾砂粒粉粒粘粒粗中细粗中细极细粒径大小(mm)>20020～6060～2020～55～22～0.50.5～0.250.25～0.10.1～0.05<0.05含量(%)4.127.85.12.6砂层透镜体位于坝基左侧偏上游冰碛层中，顺河向长约460m以上，宽约170～250m，埋深18～35.4m，最大厚度43.7m，空间展布成“杏仁状”。其上下均为Q3gl冰碛碎石、块石层。综合测定法(筛析法和比重计法)进行的颗粒大小分析试验成果如表2，垂直方向上砂层结构组成不均一，相变较大，砂层渗透性基本均一，属弱～中等透水性，天然干密度ρ=1.50～1.60g/cm3。表2砂层颗粒分析试验成果表层数统计组数颗粒组成(mm)平均粒径不均匀系数曲率系数砾粒粗砂中砂细砂粉粒粘粒>2２～0.5D50%mmCuCc上层221.79.613.835.332.47.２0.10213.61.8中层380.66.515.30.10310.11.8下层38.97811.42.2（2）冲洪积和坡积层：分布在河床、漫滩表层，厚度2.0～29.3m。结构复杂，相变较大；颗粒由碎石、粗砾及砂组成，以粗砾为主，小于0.1mm含量<10%，块石最大直径可达1～4m，大多弱风化，坚硬松散且无胶结。孔施工完成后，先向孔内注入0.5:1的纯水泥浆液，然后下设Φ121～89mm的无缝钢管作为护壁套管，待凝48h以上开始下部灌浆段施工。根据地层特点，帷幕灌浆的施工机具按“两机两泵”进行配置，即一个机组的施工设备由两台地质钻机（XY-2型）、两台高压灌浆泵（3SNS型，1台输送钻孔护壁泥浆，1台进行压水、灌浆）和其它必要的设备（双筒搅拌机等）组成。3覆盖层施工主要技术难点及对策3.1深厚覆盖层建造混凝土防渗墙本标段防渗墙造孔设计最深为85m，在国内如此深的防渗墙施工记录寥寥无几，并且是在冰碛层、砂层、冲洪积和坡积层等地层的覆盖层中造孔成墙。本工程覆盖层结构松散且极不均匀，夹有砂层透镜体，富含漂石、块石、砾石及砂，块石最大直径超过1m，岩性复杂，大多弱风化，坚硬松散且无胶结，有大孤石及块石架空现象。在如此复杂的覆盖层中造孔成槽绝非易事，如不及时观察施工时槽孔情况变化并采取相应的技术处理措施，极易导致漏浆、塌孔、塌槽、卡钻等等事故的发生，对工程顺利进展产生严重的消极影响。因此，只有合理利用造孔机械，使用整套的钻、抓、砸、爆等技术措施，并在造孔泥浆及其它堵漏方法上狠下功夫，既保证钻得快，又保证槽孔安全。3.2覆盖层内深孔钻孔灌浆分析本工程的地质条件并借鉴前期帷幕灌浆试验施工情况，不难得知本工程的砂砾石层帷幕灌浆钻孔难度非常大，迄今为止，全套管跟进75m深砂砾石层，国内尚无先例；而且最大帷幕灌浆孔深达到161m，极易出现孔斜超标、卡钻等事故。因此，在提高钻机的完好率和精确度、稳固钻机和加长粗径钻具、采用高精度的DUZ-D多点照相测斜仪进行孔斜测量等措施予以控制孔斜的同时，重点控制钻孔护壁泥浆质量，确保已钻孔段站得住、立得稳，不塌孔、不掉块，尽量减少孔内事故，提高工作效率，推动工程施工顺利前进。4泥浆的试验研究通过上述分析，不难看出，在如此复杂的覆盖层中造孔成槽和钻孔灌浆绝非易事，而且在其他工程，如西藏直孔、四川田湾河、四川向家坝、沙湾、瀑布沟、狮子坪等防渗工程中均存在类似问题。根据下坂地防渗处理工程施工过程中出现的多次塌孔现象，施工单位对现场膨润土泥浆进行配比试验，主要对新制泥浆、槽孔泥浆、清孔泥浆进行试验对比，以上三种浆液分别加CMC及重晶石粉、腐殖酸钾、聚丙烯酰胺，泥浆比重控制在1.05、1.10、1.15三组。目的在于提高泥浆的整体性能，增强泥浆的护壁能力，解决深厚覆盖层钻进过程中的孔壁稳定及造孔工效问题。4.1膨润土掺合料选择（1）CMC（羧甲基纤维素钠）羧甲基纤维素钠（又称羧甲基纤维素钠盐，羧甲基纤维素，CMC），是当今世界上使用范围最广、用量最大的纤维素种类，也称为“改性纤维素”。本品为纤维素羧甲基醚的钠盐，属阴离子型纤维素醚，为白色或乳白色纤维状粉末或颗粒，密度0.5-0.7g/cm3，几乎无臭、无味，具吸湿性，易于分散在水中成透明胶状溶液，在乙醇等有机溶媒中不溶。CMC具有粘合、增稠、增强、乳化、保水、悬浮等作用，在本工程覆盖层钻孔中作为泥浆稳定剂添加于膨润土护壁泥浆。（2）重晶石粉重晶石粉，是提取钡的原料磨成的细粉，故又名天然硫酸钡，其化学组成为BaSO4，晶体属正交（斜方）晶系的硫酸盐矿物，常呈厚板状或柱状晶体，多为致密块状或板状、粒状集合体。质纯时无色透明，含杂质时被染成各种颜色，条痕白色，玻璃光泽，透明至半透明。摩氏硬度3-3.5，比重4.0-4.6。作为钻探用的环流泥浆加重剂，冷却钻头，带走切削下来的碎屑物，润滑钻杆，封闭孔壁。表6钻探用重晶石粉的质量要求项目单位指标密度g/cm≥4.2细度－200目%≥97－325目≥85～90水溶物%≤0.1粘土效应Pa.s≤0.125硫酸钡含量%≥90（3）腐殖酸钾腐殖酸钾，是一种高分子非均一的芳香族羟基羧酸盐，外观为黑色颗粒或粉状固体，是由褐煤精细选后用KOH液体反应提取后的产物，溶于水，呈碱性，含有羧基、酚羟基等活性基团，可用作地质、石油、煤炭及矿山钻井，兼有降粘、降失水和防塌的作用，并且抗温可以达到180℃。应用于本工程，主要起防止孔壁坍塌的作用。表7腐殖酸钾技术性能指标理化性能项目技术指标水分≤15%水不溶物（以分析基计量）≤10%水溶性干基腐殖酸（以分析基计量）≥50%钾含量（以分析基计量）≥10%PH值9--10淡水钻井液滤失量25℃/690kpa不增加原钻井液滤失量抑制指标（用相对膨胀RSR表示）≤50%（4）聚丙烯酰胺聚丙烯酰胺（PAM），为水溶性高分子聚合物，不溶于大多数有机溶剂，具有良好的絮凝性，可以降低液体之间的磨擦阻力，按离子特性可分为非离子、阴离子、阳离子和两性型四种类型，其技术指标见表8。表8聚丙烯酰胺技术性能指标项目型号外观分子量（万）固含量%离子度或水解度%残余单体%使用范围阴离子型白色颗粒或粉末300—2200≥88水解度10—35≤0.2水的PH值为中性或碱性阳离子型白色颗粒500-1200≥88离子度5-80≤0.2带式机离心式压滤机非离子型白色颗粒200—1500≥88水解度0-5≤0.2水的PH值为中性或碱性两性离子型白色颗粒500—1200≥88离子度5-50≤0.2带式机离心式压滤机聚丙烯酰胺的作用原理包括：1）絮凝作用：PAM用于絮凝时，与被絮凝物种类表面性质，特别是动电位、粘度、浊度及悬浮液的PH值有关，颗粒表面的动电位，是颗粒阻聚的原因加入表面电荷相反的PAM，能使动电位降低而凝聚；2）吸附架桥：PAM分子链固定在不同的颗粒表面上，各颗粒之间形成聚合物的桥，使颗粒形成聚集体而沉降；3）表面吸附：PAM分子上的极性基团颗粒的各种吸附；4）增强作用：PAM分子链与分散相通过种种机械、物理、化学等作用，将分散相牵连在一起，形成网状。其中，非离子聚丙烯酰胺系列产品是具有高分子量的、低离子度的线性高聚物，由于其具有特殊的基团，便赋予它具有絮凝、分散、增稠、粘结、成膜、凝胶、稳定胶体的作用，广泛用于石油工业、采油、钻井泥浆、废泥浆处理，防止水窜、降低摩阻、提高采收率。在本工程中，聚丙烯酰胺作为钻井凝聚剂使用，同时利于泥浆回收再利用。4.2膨润土泥浆试验在下坂地大坝右岸坝基防渗处理工程施工中，笔者对改良泥浆进行了20余组室内研究与现场试验，在分散型膨润土泥浆基本组分（水+膨润土+碱）基础上，分别掺加CMC及重晶石粉、腐殖酸钾、聚丙烯酰胺等外加剂，配比见表9，性能见表10。所用膨润土按SY/T5060-93标准检测为二级。表9改良泥浆配方与分散型泥浆配方对比表编号水(g)膨润土(g)碱(g)CMC(g)重晶石粉(g)腐殖酸钾(ml)聚丙烯酰胺(g)备注新浆100100.30.2程序1100100.30.2膨化程序2100100.30.21程序3100100.30.210程序410050.30.210程序5100100.310程序6100100.320程序7100100.37程序8100100.31.3程序9100100.30.12程序10100100.31程序11100100.30.1现场程序12100100.30.1膨化程序13100表10改良泥浆性能对比表编号密度(g/cm3)马氏漏斗粘度(s)表观粘度(MPa.s)塑性粘度(MPa.s)动切力(Pa)静切力(Pa)失水量(ml/30min)PH值泥皮厚度（mm）新浆1.046020.0810.6512.284593程序11.0616025.01015.3315.3311102程序21.1411038.5919.9320.4411.5104-5程序31.0712035.51627.598.6871892程序41.1930029.01220.4427.59410.593-4程序51.10509.054.0883.57719.0102程序61.153182.04431.0112程序71.063713.576.6433.5772091.5-2程序81.053710.064.5993.57723.4112程序91.05368.553.5773.06621.1112-3程序101.04358.553.5771.53328.4122程序111.04358.054.0883.06621.5112程序121.04358.054.0883.06621.5112程序131.051506.542.5552.04444.512表9、表10分别列出了经反复室内研究与现场试验确定的泥浆配比及其性能对比结果。可以看出，改良泥浆与传统分散型泥浆相比性能更好，漏斗黏度、表观黏度、动切力、静切力均明显大于分散型泥浆，因此固壁效果和钻渣悬浮、携带能力都优于分散型泥浆。5泥浆的现场应用在大坝右岸坝基防渗处理工程施工中，2007年进行0+218.0～0+254.0段帷幕灌浆施工时使用了常规分散型泥浆，2008年以后施工0+254.0～0+381.2段时使用改良型泥浆。表11、表12分别为改良泥浆使用前、后部分帷幕灌浆孔钻孔工效统计表。表11常规泥浆钻孔工效统计表孔号孔深(m)工时利用情况（h）工效（m/台班）钻进辅助迁安故障停工总工时钻进生产平均I-288070.717.90.0103.517.0209.013.5910.854.59I-298087.011.00.035.012.0145.011.039.806.62I-308078.536.50.060.51.0176.512.238.355.44I-3180102.528.50.531.50.0163.09.377.305.89I-328087.030.54.043.55.0170.011.097.945.68III-328075.518.00.011.5181.0286.012.7210.273.36III-348068.520.58.092.50.0189.514.019.905.07IV-358071.024.52.049.5420.0567.013.529.851.69IV-408079.523.04.566.048.0221.012.088.974.34平均4.74表12改良泥浆钻孔工效统计表孔号孔深(m)工时利用情况（h）工效（m/台班）钻进辅助迁安故障停工总工时钻进生产平均I-338067.516.52.012.52.5101.014.2211.169.50I-348083.521.50.029.00.0134.011.509.147.16I-358081.024.51.032.51.0140.011.859.016.86I-368076.024.50.043.01.0144.512.639.556.64I-378074.517.00.019.01.5112.012.8910.498.57III-358064.59.53.03.00.080.014.8812.4712.00III-368069.516.54.021.07.0118.013.8110.678.14III-378161.513.50.05.51.582.015.6112.8011.71III-388081.512.512.50.00.0106.511.789.019.01III-398063.09.55.521.01.5100.515.2412.319.55III-408054.514.56.012.00.087.017.6112.8011.03IV-368077.021.03.027.012.0140.012.479.506.86IV-378074.517.50.020.59.0121.512.8910.437.90IV-388072.58.00.02.01.584.013.2411.9311.43IV-398056.511.54.010.02.584.516.9913.3311.36平均9.18帷幕灌浆的钻孔施工，根据设计要求,在完成镶管施工（边排孔）后应分段进行，一般根据灌浆段总长度选取φ75mm、φ56mm金刚石钻头进行一级或两级变径。造孔过程中，每2h在送浆管路上抽检一次新制泥浆比重、粘度等指标，以指导泥浆配制和钻孔施工。需要特别注意的是，钻孔过程中更要重视重复利用的泥浆质量，避免深孔施工的孔内事