黃島地下水封洞庫(kù)注漿堵水方案及應(yīng)用研究

黃島地下水封洞庫(kù)注漿堵水方案及應(yīng)用研究摘要：為確保地下水封洞庫(kù)的正常運(yùn)行，保證水封效果，洞庫(kù)應(yīng)在洞室開(kāi)挖完成后及時(shí)進(jìn)行灌漿堵水處理，以減少對(duì)地下水位的影響。以黃島地下水封洞庫(kù)為研究出發(fā)點(diǎn)，針對(duì)地下水封洞庫(kù)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(duì)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(kù)；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(guó)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(méi)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(guó)國(guó)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(guó)際公認(rèn)的石油戰(zhàn)略儲(chǔ)備和商業(yè)儲(chǔ)備等一系列因素，我國(guó)于2003年正式啟動(dòng)建立石油儲(chǔ)備體系。地下水封洞庫(kù)具有安全、儲(chǔ)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(zhǎng)足的發(fā)展。地下水封洞庫(kù)的原理是利用洞室周邊巖體裂隙水壓力與洞庫(kù)中的油壓力之差封存洞庫(kù)中的原油[1-3]。我國(guó)正加緊在東部沿海地區(qū)建造大型地下水封洞庫(kù)工程，但是對(duì)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(chǎng)穩(wěn)定，還可延長(zhǎng)工程使用壽命，降低洞庫(kù)后期運(yùn)行費(fèi)用。本文研究黃島國(guó)家石油儲(chǔ)備地下水封洞庫(kù)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(wèn)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(kù)區(qū)概況黃島地下水封洞庫(kù)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(chǔ)備庫(kù)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(kù)上方，注水巷道底板高程+5.00m，寬5.0m，高4.5m，為城門(mén)洞型。2.2地質(zhì)概況洞庫(kù)區(qū)處于膠南臺(tái)隆北緣，屬低山丘陵地貌。庫(kù)區(qū)內(nèi)的地層巖性可分為4大類(lèi)：第四系殘坡積、洪積層（Q4el+dl+pl），早白堊世二長(zhǎng)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(zhǎng)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(lèi)圍巖，地質(zhì)條件較好。洞庫(kù)影響深度范圍內(nèi)各級(jí)巖體所占比例見(jiàn)表1。表1洞庫(kù)各級(jí)巖體所占比例表2.3水文地質(zhì)概況洞庫(kù)區(qū)含水介質(zhì)為晚元古界花崗片麻巖，地下水主要存類(lèi)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(cè)資料知庫(kù)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(kāi)挖揭露0+660m～0+690m洞段圍巖為Ⅲ1級(jí)，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(kù)主洞室⑨0+660m～0+690m注漿堵水方案3.1注漿質(zhì)量要求通過(guò)注漿在破碎帶上方形成注漿隔水帷幕，封堵含水層的過(guò)水通道，使受注段的水封洞庫(kù)滲水點(diǎn)水量有效降低，滿足《黃島國(guó)家石油儲(chǔ)備地下水封洞庫(kù)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(kù)施工與質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》的要求。3.2水封洞庫(kù)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(duì)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(jiàn)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(chǎng)圍巖情況和地質(zhì)展示圖后，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)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(hào)段布設(shè)長(zhǎng)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(jiàn)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(duì)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(cè)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(duì)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(hào)，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(jiàn)（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(wú)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(duì)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(zhǎng)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(guó)家石油儲(chǔ)備地下水封洞庫(kù)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(kù)施工與質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》的要求，對(duì)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(hào)，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(duì)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(jí)進(jìn)行注漿，開(kāi)注時(shí)注水灰比2:1，由稀到濃逐級(jí)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(jí)變濃；當(dāng)某一比級(jí)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(wú)顯著變化時(shí)，改濃一級(jí)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(duì)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(kāi)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(lái)確定,為了方便施工,鉆孔結(jié)構(gòu)要求簡(jiǎn)單。在鉆孔過(guò)程中一定要注重注漿孔的測(cè)斜、防斜和糾偏。對(duì)注漿孔的測(cè)斜,通常采用鉆孔測(cè)斜儀來(lái)測(cè)量;對(duì)鉆孔的防斜,為保證鉆孔的偏斜率,除定距監(jiān)測(cè)外,在施工現(xiàn)場(chǎng)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(cè)斜發(fā)現(xiàn)鉆孔偏距迅速加大,有超偏勢(shì)、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(guò)對(duì)注漿段剩余滲水量的實(shí)際統(tǒng)計(jì)，該段實(shí)測(cè)滲水量及堵水效果見(jiàn)圖4所示。圖4主洞⑨0+660~主洞⑨0+690滲水量檢測(cè)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(duì)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(shù)榮,曾鈴,等.水封油庫(kù)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(chǔ)油庫(kù)地下水控制[C]//第二屆全國(guó)巖土與工程學(xué)術(shù)大會(huì),2006:862–865[3]郭書(shū)太.地下儲(chǔ)油庫(kù)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