黃島地下水封洞庫注漿堵水方案及應(yīng)用研究

黃島地下水封洞庫注漿堵水方案及應(yīng)用研究摘要：為確保地下水封洞庫的正常運(yùn)行，保證水封效果，洞庫應(yīng)在洞室開挖完成后及時(shí)進(jìn)行灌漿堵水處理，以減少對地下水位的影響。以黃島地下水封洞庫為研究出發(fā)點(diǎn)，針對地下水封洞庫在前期注漿施工中出現(xiàn)的細(xì)微裂隙透水不吸漿、回漿變濃，以及注漿質(zhì)量檢查孔壓水試驗(yàn)透水率滿足設(shè)計(jì)要求但仍存在面域滲水超標(biāo)的施工部位，提出采用超細(xì)水泥漿液對滲水點(diǎn)進(jìn)行淺孔密布后注漿施工，并進(jìn)行檢查孔透水率試驗(yàn)和檢查孔注漿封孔。試驗(yàn)結(jié)果報(bào)告表明，本次超細(xì)水泥淺孔后注漿試驗(yàn)施工完成情況良好，滲流量及壓水試驗(yàn)透水率均明顯減少，注漿效果顯著。關(guān)鍵詞：水封洞庫；超細(xì)水泥；淺孔后注漿；降低滲水量1引言石油作為世界各國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)能源，由于其不可再生性，決定了在沒有發(fā)現(xiàn)替代品之前，石油價(jià)值具有不可逆轉(zhuǎn)的特性。由于我國國內(nèi)石油資源不足，原油產(chǎn)量供需矛盾突出，缺乏健全完善的能源安全預(yù)警應(yīng)急體系及國際公認(rèn)的石油戰(zhàn)略儲備和商業(yè)儲備等一系列因素，我國于2003年正式啟動(dòng)建立石油儲備體系。地下水封洞庫具有安全、儲藏容量大、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，因此近幾十年得到了長足的發(fā)展。地下水封洞庫的原理是利用洞室周邊巖體裂隙水壓力與洞庫中的油壓力之差封存洞庫中的原油[1-3]。我國正加緊在東部沿海地區(qū)建造大型地下水封洞庫工程，但是對于地下水封洞室的滲水性要求極高。有效的減少洞室滲流量，不僅可以保證地下滲流場穩(wěn)定，還可延長工程使用壽命，降低洞庫后期運(yùn)行費(fèi)用。本文研究黃島國家石油儲備地下水封洞庫在滲水率滿足設(shè)計(jì)要求但仍存在面域滲水超標(biāo)的施工部位，采用超細(xì)水泥淺孔注漿技術(shù)[4-6]有效的解決面域滲水問題，且在實(shí)際工程中應(yīng)用較廣,并取得了良好的堵水效果和經(jīng)濟(jì)效益。2工程概況2.1洞庫區(qū)概況黃島地下水封洞庫位于青島市黃島區(qū)，總占地面積約57.1公頃，包括地下工程和地上輔助設(shè)施兩部分，設(shè)計(jì)石油儲備庫容300×104m3。地下工程主要由主洞室群、豎井、水幕系統(tǒng)及施工巷道等組成，主洞室群分成3組，每組3個(gè)洞室，共9個(gè)洞室，每組洞室之間由施工巷道連通。洞室群頂部設(shè)水幕系統(tǒng)，由水幕巷道和水幕孔組成，覆蓋整個(gè)洞庫上方，注水巷道底板高程+5.00m，寬5.0m，高4.5m，為城門洞型。2.2地質(zhì)概況洞庫區(qū)處于膠南臺隆北緣，屬低山丘陵地貌。庫區(qū)內(nèi)的地層巖性可分為4大類：第四系殘坡積、洪積層（Q4el+dl+pl），早白堊世二長花崗巖(K1ηγ)，晚元古界花崗片麻巖(Pt3gg)，及早白堊世中煌斑巖脈、閃長巖脈(K1χ、δ)。主洞室埋深均較大，根據(jù)地質(zhì)條件分析，主洞室圍巖除個(gè)別不良地質(zhì)帶為Ⅳ、Ⅴ圍巖、地質(zhì)條件較差外，大部分為Ⅱ、Ⅲ類圍巖，地質(zhì)條件較好。洞庫影響深度范圍內(nèi)各級巖體所占比例見表1。表1洞庫各級巖體所占比例表2.3水文地質(zhì)概況洞庫區(qū)含水介質(zhì)為晚元古界花崗片麻巖，地下水主要存類型為基巖裂隙水，裂隙水深度變化不一，主要受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和結(jié)構(gòu)面發(fā)育的影響。根據(jù)鉆孔水位觀測資料知庫區(qū)內(nèi)地下水位為93.07m~268.48m，地下水位變化幅度一般小于5m，地下水位變化基本與地形一致。主洞室⑨上層開挖揭露0+660m～0+690m洞段圍巖為Ⅲ1級，此洞段地質(zhì)條件較為特殊具有一定的代表性，故選取該洞段施工進(jìn)行試驗(yàn)分析，其地質(zhì)條件主要表現(xiàn)為巖石整體性較好、強(qiáng)度較高，但橫向節(jié)理、節(jié)理組特別發(fā)育，節(jié)理發(fā)育密集區(qū)高達(dá)15～17條∕m，大部分節(jié)理被巖石碎屑、灰色硬質(zhì)礦物、白色高嶺土填充，此洞段大面積線狀滲水。3水封洞庫主洞室⑨0+660m～0+690m注漿堵水方案3.1注漿質(zhì)量要求通過注漿在破碎帶上方形成注漿隔水帷幕，封堵含水層的過水通道，使受注段的水封洞庫滲水點(diǎn)水量有效降低，滿足《黃島國家石油儲備地下水封洞庫工程主動(dòng)室及水幕巷道施工技術(shù)要求》和《地下水封石洞油庫施工與質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》的要求。3.2水封洞庫主洞室⑨0+660m～0+690m前期注漿施工情況3.2.1前期隨機(jī)注漿施工情況為不影響地下水位下降，在未完成系統(tǒng)支護(hù)的情況下，對右側(cè)頂拱兩個(gè)滲水量達(dá)20～30L∕min的集中滲水點(diǎn)，先期進(jìn)行隨機(jī)后注漿封堵和系統(tǒng)后注漿施工，注漿孔布孔見圖1。圖1主洞⑨上0+660~主洞⑨0+690段隨機(jī)后注漿布孔圖3.2.2前期系統(tǒng)后注漿及深孔加密注漿施工情況隨機(jī)后注漿施工結(jié)束后，滲水量下降至2～5L∕min。在完成系統(tǒng)后注漿施工后，滲水點(diǎn)發(fā)生位置變化，且向節(jié)理發(fā)育密集區(qū)集中，未取得理想效果。在查看現(xiàn)場圍巖情況和地質(zhì)展示圖后，根據(jù)現(xiàn)場滲水跡線決定沿破碎帶跡線兩側(cè)，分為左、右側(cè)不同樁號段布設(shè)長10m相向45°斜穿后注漿孔，分兩段進(jìn)行施工（第一段4m、第二段6m），在破碎帶上方形成帷幕，（見圖2），但灌后收效甚微。圖2主洞⑨上0+660~主洞⑨0+690段加密后注漿布孔圖3.3超細(xì)水泥淺孔后注漿施工方案3.3.1注漿孔布置根據(jù)隨機(jī)后注漿及系統(tǒng)后注漿成果進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)此段后注漿吸水不吸漿，且部分注漿壓力并未達(dá)到設(shè)計(jì)要求，故前兩次后注漿未達(dá)到堵水目標(biāo)。隨后對主洞室⑨上層0+670m～0+683m中四個(gè)滲漏量較大的位置再一次進(jìn)行面域滲水測量，滲水量分別為52.92L∕h、15.36L∕h、29.76L∕h、54.84L∕h，合計(jì)36.69L∕d·m2，滲水量較大。上述四個(gè)滲漏量較大滲水點(diǎn)主要沿著0+675節(jié)理跡線分布，最終采用淺孔密布方式對此段進(jìn)行后注漿施工，要求注漿孔深5m，間排距1m×1m，傾向大樁號，外傾角45°，并按照環(huán)間分序、環(huán)內(nèi)加密、孔內(nèi)分段進(jìn)行施工，具體布設(shè)詳見（圖3）Ⅰ序排、Ⅱ序排總后注漿平面圖3后注漿平面示意圖3.3.2超細(xì)水泥淺孔后注漿深度和段高分析知此洞段以微小節(jié)理為主，普通硅酸鹽水泥顆粒較大導(dǎo)致無法注入節(jié)理內(nèi)，決定采用1250目的超細(xì)水泥淺孔密布方式對此段進(jìn)行后注漿施工，要求注漿孔深5m。注漿段高是指一次注漿的鉆孔長度,分段注漿是保證注漿質(zhì)量的重要技術(shù)措施之一[7]。段高的大小依據(jù)含水層賦存狀況、裂隙發(fā)育程度及連通性、富水性、地層受注能力及注漿能力等確定,同時(shí)也要滿足《黃島國家石油儲備地下水封洞庫工程主動(dòng)室及水幕巷道施工技術(shù)要求》和《地下水封石洞油庫施工與質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》的要求，對注漿層段的劃分如表2所示。表2注漿段分布一覽表3.3.3注漿參數(shù)花崗巖微裂隙漿液的有效擴(kuò)散半徑約為0.5m，注漿孔間排距為1m×1m，傾向大樁號，外傾角45°，采用分段注漿方式，第一段最大注漿壓力1.0Mpa，第二段最大注漿壓力2.5Mpa。3.3.4注漿材料根據(jù)主洞室固結(jié)注漿施工中出現(xiàn)的細(xì)微裂隙透水不吸漿、回漿變濃等情況，針對注漿質(zhì)量檢查滿足設(shè)計(jì)要求但仍存在滲水超標(biāo)的施工部位，選用直徑滿足Dmax≤35.0μm、D50≤6～10μm的超細(xì)水泥顆粒進(jìn)行加密注漿，提高較小裂隙可注性和漿液擴(kuò)散半徑。制漿用水必須符合拌制水工混凝土用水的要求，PH=7。水泥漿液均采用水灰比2:1、1:1和0.5:1（重量比）三個(gè)比級進(jìn)行注漿，開注時(shí)注水灰比2:1，由稀到濃逐級改變，并遵循如下漿液變換原則：a.當(dāng)注漿壓力保持不變，注入率持續(xù)減少，或當(dāng)注入率保持不變而灌漿壓力持續(xù)升高時(shí)，不得改變水灰比。b.當(dāng)注入率大于30L/min時(shí)，根據(jù)具體情況越級變濃；當(dāng)某一比級水灰比漿液的注入量已達(dá)到300L以上，或注漿時(shí)間已達(dá)30min，而注漿壓力和注入率均無顯著變化時(shí)，改濃一級水灰比注漿。3.3.5注漿方式因地下水封洞室注漿孔深小，主洞室段橫向節(jié)理、節(jié)理組特別發(fā)育，節(jié)理發(fā)育密集區(qū)高達(dá)15～17條∕m，大部分節(jié)理被巖石碎屑、灰色硬質(zhì)礦物、白色高嶺土填充，故采用循環(huán)式注漿法，環(huán)（排）間分兩序。3.4超細(xì)水泥漿淺孔注漿堵水工藝與施工注漿鉆孔施工質(zhì)量的優(yōu)劣,對注漿效果影響很大。因此在鉆孔施工中應(yīng)嚴(yán)格按鉆孔勘探規(guī)范及注漿施工組織設(shè)計(jì)的要求,嚴(yán)格控制鉆孔施工質(zhì)量,提高注漿效果。注漿鉆孔不同于一般的地質(zhì)勘探鉆孔,有些特殊要求。注漿孔的結(jié)構(gòu)是指鉆孔由開孔至整個(gè)注漿深度的換徑次數(shù)和孔徑變化。它可以根據(jù)地層條件、注漿孔段直徑和注漿方式來確定,為了方便施工,鉆孔結(jié)構(gòu)要求簡單。在鉆孔過程中一定要注重注漿孔的測斜、防斜和糾偏。對注漿孔的測斜,通常采用鉆孔測斜儀來測量;對鉆孔的防斜,為保證鉆孔的偏斜率,除定距監(jiān)測外,在施工現(xiàn)場設(shè)備安裝、鉆具組合、鉆進(jìn)操作等應(yīng)有一定的防斜措施;斜孔的糾偏處理方法是凡在鉆進(jìn)施工中經(jīng)測斜發(fā)現(xiàn)鉆孔偏距迅速加大,有超偏勢、或已超偏的,均應(yīng)立即停止鉆進(jìn),進(jìn)行定向糾偏。3.5注漿堵水效果注漿工程竣工后，通過對注漿段剩余滲水量的實(shí)際統(tǒng)計(jì)，該段實(shí)測滲水量及堵水效果見圖4所示。圖4主洞⑨0+660~主洞⑨0+690滲水量檢測圖由圖可知,注漿工程結(jié)束后,整個(gè)注漿段的剩余滲水量均達(dá)到設(shè)計(jì)要求規(guī)范,注漿堵水效果顯著。注漿后有效避免了地下水位下降的發(fā)生,并且漿液充填了地層裂隙,改善了受注地層的水文地質(zhì)和工程地質(zhì)條件,提高了地下水封洞室的水封效果,保證了洞室施工質(zhì)量。4結(jié)論本次采用超細(xì)水泥淺孔后注漿試驗(yàn)施工完成情況良好，注漿效果顯著，滲流量及壓水試驗(yàn)透水率均明顯減少。因此選擇合適的注漿材料、合理的孔深以及灌漿壓力在對花崗片麻巖面域滲水注漿施工中尤為重要。參考文獻(xiàn)：[1]蔣中明,馮樹榮,曾鈴,等.水封油庫地下水位動(dòng)態(tài)變化特性數(shù)值研究[J].巖土工程學(xué)報(bào),2011,33（11）:1780-1785[2]王玉洲,代云清,安佰燕.地下水封巖洞儲油庫地下水控制[C]//第二屆全國巖土與工程學(xué)術(shù)大會,2006:862–865[3]郭書太.地下儲油庫工程中地下水的利用和處理[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào),2008[4]鄺鍵