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GIN法帷幕灌浆在小浪底工程中的应用和发展
GIN法帷幕灌浆在小浪底工程中的应用和发展
罗鲁生
摘要小浪底水利枢纽帷幕灌浆首次引进了G1N法灌浆新技术。
经过灌浆试验、试验性生产和生产上较大量的采用,形成了一套具有小浪底特色的GIN法灌浆工艺,研制出实用的浆液配方,取得了满意的效果。
GIN法帷幕灌浆比常规灌浆法可节约水泥1/3~1/2,同时提高工效。
其他相关工程从中可以得到一定启迪,使GIN灌浆法不断完善和创新,更加广泛地应用于工程实践中。
关键词GIN法小浪底帷幕灌浆引进应用发展
自从瑞士灌浆专家隆巴迪(Lombardi)等人提出GIN灌浆法以来,尽管存在一些不同认识和争论,小浪底工程依然采用GIN法灌浆,按照注重试验、总结经验、不断改进、逐步推广的原则,形成了一套具有小浪底特色的GIN法灌浆工艺。
1995年进行了GIN法的灌浆现场试验;1996年在右岸二叠系地层、左岸三叠系地层完成了3815m的GIN法实验性生产;2000年4月至年底在左岸山体,帷幕线桩号DGO-558.0~DC0-735.17和副坝以北,DGO-(1+023.89)~DG0-(1+264.89)计418m帷幕线上完成了钻灌总进尺24080m的GIN法帷幕灌浆的施工,取得了满意的效果。
一、GIN法在小浪底工程中的改进和发展
CIN法灌浆是建立在纯压灌注基础上的灌浆方法。
在我国,绝大部分帷幕灌浆工程均采用循环灌浆方法。
而循环灌浆方法从乌江渡电站工程首创小口径、孔口封闭,孔内循环的灌浆工艺以后,20多年来已被国内各个水电工程认可并广泛采用。
小浪底:
了程CIN法灌浆的引进就是建立在孔门封闭,孔内循环灌浆方法上的。
1.稳定浆液的研制
CIN灌浆法的特点之一就是采用单—配比的稳定浆液。
稳定浆液要具有较小的析水率、较低的凝聚力和较好的流动性,近似于宾汉液体的中等浓度的浆液。
为了配制稳定浆液,需进行大量的室内、外试验工作。
(1)通过大量试验,得到了可以在现场应用的两种配方(见表1)。
表1 现场实际应用配方
编号
水灰比
膨润土掺量(%)
减水剂名称
减水剂掺量(%)
马氏黏度
(S)
密度
黏聚力
(N/m2)
2小时析水率(%)
1
0.70
2.0
RC-M
0.6
32
1.63
3.1
1.23
2
0.75
0.8
UNM-5
0.80
33
1.64
0.51
2.00
注:
黏聚力用旋转黏度计测试
(2)制浆工艺流程(见图1)。
①成品膨润土膏是膨润土经过充分膨化后获得的,一般浸润时间要6小时以上。
②加水泥后必须高速搅拌,使水泥颗粒充分分离。
③由于原材料的不均质性,必须对浆液进行经常性的现场指标测试。
图1 制浆式艺流程图
2.GIN值的确定
隆巴迪建议了5种C1N值和相应的包络线,他认为在大多数情况下,推荐采用150Mh·L/m的中等灌浆强度值。
根据小浪底工程的具体情况并参照在勘测阶段的灌浆试验的压力值,根据不同深度选用了3种不同的强度值包络线(见图2)。
3.结束标准的确定
根据隆巴迪的理论,不难看出,当给定了GIN包络线以后,灌浆过程线只要和包络线的任何一个部位相交,均可视作灌浆结束。
然而在我国常规灌浆中,必须达到规范规定的灌浆结束标准。
结束标准中规定了灌注压力、单位灌注量和灌注时间。
(1)当灌浆压力达到最大压力Pmax或GIN值,每5m段长注入率小于1L/min或2L/min,延续10分钟或30分钟结束。
(2)当灌浆量达到y一,但小于灌浆强度值时,间歇30分钟后恢复灌浆,如果达到GIN值,按
(1)的要求结束,否则应再间歇30分钟重复灌浆,直至达到
(1)要求的结束标准。
耗浆量特大的孔段,当实际灌浆量达到2000L/时也可结束。
(3)当灌浆过程线与P哑或GIN相交时,5m段长注入率超过2L/min或1L/min,可允许沿GIN曲线降压下滑以达到小于2L/min或1L/rain的目的。
图2 小浪底工程选用的GIN包络线
(4)灌浆结束后原则上不待凝,但对于个别低压力大耗浆量的孔段要视情况待凝8~24小时再进行以下孔段的钻进。
4.灌浆过程监控
GIN法灌浆的全过程是在计算机的监控下进行的。
通过计算机对灌浆机组不断地发出指令,使灌浆机组人员按照指令调整灌浆压力和速率,达到正常的结束标准。
与此同时把灌浆的各种过程曲线(—般为五种)和灌浆参数进行自动输入、存贮和打印。
监控装置由工业主控机、监视器、打印机、数据采集及转换器、压力传感器和流量传感器等组成。
目前由中国水利水电基础工程局与西安交通大学联合开发的GMS一2001注浆数据一监控采集及处理系统可以实现8个通道的GIN灌浆监控。
GIN法灌浆的过程控制,大体可分为三种情况,即:
微细裂隙地层、中等发育裂隙地层和宽大张开裂隙地层。
二、灌浆成果及分析
1.GIN法灌浆试验
1995年在左岸单薄山体北端垭口副坝基础帷幕线上,主要地层为三迭系下统T1s、T14岩组。
灌浆试验分直孔和斜孔两组。
(1)灌浆试验成果资料。
从表2可以看出,直、斜孔组灌浆试验有一个共同的规律,I序孔灌浆效果不十分明显,只有在Ⅱ序孔灌浆以后,情况才发生根本的变化,在Ⅲ序孔灌浆以后才完全达到设计要求。
平均单位注入量I、Ⅱ序差别不是很大,只是在Ⅲ序孔,注入量才显著降低,这正是GIN灌浆的特点。
表2 GIN法帷幕灌浆试验成果汇总表
组次
序次
孔号
段数
灌浆基岩
厚度
(m)
岩芯
采取率
(Lu)
灌前
透水率
(Lu)
单位
灌浆量
(L/m)
纯灌
灰量
(kg)
平均
单耗
(kg/m)
灌浆强度
范围值(MPa·L/m)
纯灌
时间
(h)
备注
直
孔
组
Ⅰ
A1
10
55.12
98.6
16.28
90.8
4617.1
83.8
48.8-209.4
15.48
该组灌浆试验水泥总废弃量为23246.2kg.
A2
11
58.30
97.8
9.66
43.3
2330.3
40.0
4.6-177.5
11.42
合计
21
113.42
6947.4
26.90
Ⅱ
B
11
56.00
98.2
12.90
101.8
5261.7
94.0
9.2-211.8
14.78
Ⅲ
C1
11
55.60
98.3
2.70
63.5
3257.7
58.6
20.4-196.6
12.08
C2
11
55.90
98.8
1.39
104.3
5377.9
96.2
17.8-214.0
13.03
合计
22
111.50
8635.6
25.11
总计
54
280.92
20844.7
66.79
斜
孔
组
Ⅰ
A′1
11
54.50
96.0
11.07
156.0
7126.0
144.0
57.3-233.9
18.35
1.A′孔第11段,段长5m,因孔故未灌浆。
2.该组灌浆试验水泥总废弃量为28281.3kg。
A′2
11
54.80
98.6
10.44
106.4
5380.3
98.2
49.7-211.5
15.46
合计
22
109.30
12506.5
30.01
Ⅱ
B′
11
54.50
99.3
9.52
112.9
5675.8
104.1
18.6-201.0
14.60
Ⅲ
C′1
11
54.85
97.9
1.90
56.6
2866.5
52.3
22.4-207.9
11.55
C′2
11
55.20
99.5
2.41
70.3
3579.0
64.8
46.4-208.1
12.36
合计
22
110.05
6445.5
23.91
总计
55
273.85
24627.8
72.52
(2)效果检查。
在灌浆结束14天以后,直孔和斜孔组合各打了一个检查孔,即J和J′孔,发现了大量的水泥结石充填层,一般厚度O。
3~1.Omm,少数大于2mm。
检查孔压水成果见表3。
压水试验结束满足设计防渗标准(≤5Lu),说明设计参数基本合理。
2.GIN法试验性生产
GIN灌浆试验以后,分别在进行帷幕灌浆施工的2号灌浆洞和4号灌浆洞,各选取了一段帷幕进行GIN法试验性生产。
2号灌浆洞选取了桩号
DG0+764.25-DGO+807.00,4号灌浆洞选取了桩号DGO-559.00~DGO-591.02。
表3 检查孔压水试验成果表
孔号
压水段数
压水区间(段数/频率)Lu值
≤1
≤2
≤3
≤5
〉5
J
11
9/82
10/91
1/9
J′
11
4/33
6/55
8/73
10/91
1/9
J+J′
22
13/60
16/73
18/82
20/91
2/9
表4 2号灌浆洞GIN法帷幕灌浆综合成果表
桩号
次号
孔数
灌浆总长(m)
总耗灰量(kg)
平均单耗(kg/m)
DG0+764.25~
DG0+807.00
Ⅰ
7
390.75
104099.7
266.4
Ⅱ
8
443.11
111330.6
251.3
Ⅲ
13
710.29
105922.7
149.0
合计
28
1544.15
32135.0
208.1
(1)成果资料。
2号灌浆洞和4号灌浆洞用GIN法试验性生产成果见表4和表5。
表5 4号灌浆洞GIN法帷幕灌浆综合成果表
桩号
次序
孔数
灌浆总长(m)
总耗灰量(kg)
平均单耗(kg/m)
DG0-559.00~DG0-591.00
Ⅰ
5
333.5
25229.8
75.7
Ⅱ
4
258.00
13420.1
52.0
Ⅲ
8
516.8
16380.4
31.7
合计
17
1180.3
55030.3
49.7
表6 检查孔压水试验成果表
洞号
检查孔数量
段数
透水率(Lu)区间(段数/累计频率)
≤1
≤2
≤3
2号
6
64
47/73.4
61/95.0
64/100
4号
2
26
20/76.9
26/100
从灌浆成果可以看出:
①随着次序的增加单位注入量均呈递减趋势。
②I、Ⅱ序递减不甚明显甚至不递减,只在Ⅲ序时才呈明显的递减,这正是GIN的特点,说明I、Ⅱ序孔基本上在独立地对地层进行灌注,I序对Ⅱ序孔影响很小。
(2)灌浆效果检查。
灌浆结束14天以后,2号灌浆洞和4号灌浆洞分别布置了6个和2个检查孔。
表6列出了压水试验成果。
根据检查孔压水试验成果以及和灌前的透水率曲线对比分析,灌浆效果是非常好的,远远满足了设计防渗标准(5Lu)。
3.GIN法生产应用
试验和试验性生产成果表明,GIN法灌浆已具备了直接应用于生产的条件。
因此,2000年3月份在进行左岸山体帷幕灌浆招标投标时,划出了两个标段4子标(DGO-558.0~DGO-735.17)由中国水电三局承担,6子标(DGI+023.89-DGl+264.89)由中国水电基础局承建。
专门按GIN法进行施工。
(1)灌浆综合成果。
灌浆综合成果见表7和表8。
可以清楚地看出,随着灌浆排序的递增,单位注入量呈现明显减小的趋势。
与此相适应,从单位注入量的频率分布变化也可看出,随着孔排序的递增,低注入量的孔段频率在逐渐增加,而高注入量的孔段频率在逐渐降低,这都是灌浆效果的具体体现。
表7 4子标溢洪道北侧4号洞北端灌浆综合成果表(DG0-558.0~DG0-735.17)
排序
灌浆次序
孔数
灌浆总长度(m)
注入泥总量(kg)
平均单耗(kg/m)
灌浆段数
上
游
排
Ⅰ
22
1609.42
346647.07
215.39
330
Ⅱ
22
1608.67
22736.93
141.34
330
Ⅲ
44
3217.84
430078.41
133.65
660
合计
88
6435.93
1004087.41
156.01
1320
下
游
排
E
6
438.94
306113.29
697.39
90
Ⅰ
16
1170.05
82279.34
703.21
240
Ⅱ
22
1609.45
919839.96
571.52
330
Ⅲ
44
3218.88
1138419.39
353.67
660
合计
88
6437.32
3187164.98
495.11
1320
总计
176
12873.25
4191252.39
325.58
2640
表8 6子标副坝以北帷幕灌浆综合成果表(DG1+023.89~DG1+264.89)
孔 排
孔序
孔数
灌浆总长(m)
总耗灰量(kg)
平均单耗(kg/m)
段数
上游排
Ⅰ
10
628.5
214413.0
341.2
127
Ⅱ
10
632.1
259098.8
409.9
127
Ⅲ
19
1225.9
340834.7
278.0
247
合计
39
2486.5
814346.5
327.5
501
下游排
Ⅰ
31
2282.7
2144820.7
939.6
456
Ⅱ
32
2244.1
1414733.4
630.4
452
Ⅲ
59
4193.6
1970789.7
470.0
840
合计
122
8720.4
5530383.7
634.2
1748
总计
161
11206.9
6344730.2
566.1
2249
(2)灌浆效果检查。
根据灌浆规范的要求,在上述两个部位灌浆结束以后均布置了帷幕检查孔,通过压水试验来评价帷幕是否满足设计要求。
从表9可以看出,两个部位按GIN法灌浆以后,均满足了设计的防渗标准。
4子标段,97.4%的孔段Lh值小于1Lu,100%的孔段小于3Lu;6子标段86.0%的孔段小于3Lu,92.4%的孔段小于5Lu,基本满足了单排孔5Lu双排孔3Lu的防渗标准;从先导孔和检查孔Lu值频率区间对比也定性可以看出灌浆的明显效果。
如上述两个部位灌前>3Lu的频率分别为73.4%和65.8%,灌后降为0和14.0%,效果十分显著。
表9 先导孔和检查孔压水试验成果表
部位
孔别
孔数
段数
透水率(Lu)区间(段数/累计频率)
≤1
≤3
≤5
〉5
4子标
先导孔
6
90
20/22.2
24/26.6
31/34.4
58/65.6
检查孔
18
265
258/97.4
265/100
0/0
6子标
先导孔
10
152
37/24.3
52/34.2
54/35.5
98/64.5
检查孔
13
198
145/73.2
171/86.0
183.92.4
15/7.6
4.GIN灌浆法的优点
小浪底工程经过GIN灌浆试验,试验性生产到推广应用,采用GIN灌浆法有以下优点:
(1)由表10可以看出,GIN法与常规灌浆法相比能够节约水泥1/3~1/2,同时提高工效,因此经济效益十分显著。
表10 GIN和常规灌浆方法对比表
部位
方法
纯灌时间
平均单位注入量(kg/m)
常规灌浆部位
左岸垭口
GIN
16.18(min/m)
91.5
地质条件基本相同的左岸山 梁的常规灌浆试验
常规
25.94(min/m)
137.5
2号灌浆洞
GIN
1.54(h/孔段)
149.34
同部位
常规
2.12(h/孔段)
274.48
4号灌浆洞
GIN
0.86(h/孔段)
49.7
同部位
常规
1.14(h/孔段)
158.8
4子标
GIN
325.6
3子标(5子标)
常规
788.5(593.9)
6子标
GIN
460.5
6子示和副坝相邻地段各取20个孔
常规
832.0
(2)由于采用了单一配比的浆液,出电脑监控灌浆全过程,简化了工艺,节约了人力,减轻了工人的劳动强度。
(3)给灌浆的自动化操作创造了条件。
三、结语
通过小浪底工程GIN灌浆法的引进和发展,归纳起来有以下几点认识:
(1)小浪底工程地质条件复杂,裂隙发育,灌浆的可灌性非常好,符合GIN灌浆的特点,使GIN灌浆的优越性得到了充分地发挥,获得了成功。
然而在相对完整的地质条件下,它的优点能否充分体现,尚需进一步研究和实践。
(2)GIN灌浆法是一个科学的有使用价值的灌浆方法,经过小浪底工程的改造,在相似的地质条件下,可以推广使用。
如能成功地应用,将产生巨大的经济效益。
(3)GIN灌浆法的应用必须和先进的设计思想结合起来。
否则,默守成规,不考虑经济效益,一味求稳,不可能推广和发展GIN灌浆技术。
(作者为小浪底工程咨询有限公司教授级高级工程师)
责任编辑党维勤
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