CN103498478A - 岩石坝基帷幕灌浆施工方法 - Google Patents

岩石坝基帷幕灌浆施工方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种岩石坝基帷幕灌浆施工方法，涉及帷幕灌浆施工领域，供一种能够解决帷幕灌浆中的“回浆返浓”问题的岩石坝基帷幕灌浆施工方法。岩石坝基帷幕灌浆施工方法包括如下步骤：a、在岩石坝基内钻出若干灌浆孔，在各个灌浆孔中选择一部分作为水力压裂孔，b、向水力压裂孔内挤注压裂液，压裂液使水力压裂孔的孔壁岩石产生裂缝；c、向水力压裂孔内挤注带有支撑剂的携砂液，携砂液可以使裂缝继续向前延伸并支撑已经压开的裂缝，使其不闭合；d、向水力压裂孔内注入顶替液，顶替液将携砂液全部顶入裂缝；e、通过灌浆孔对岩石坝基进行普通帷幕灌浆操作。本发明将“水力压裂”技术应用到帷幕灌浆中，改善岩石坝基可灌性。

Description

岩石坝基帷幕灌浆施工方法
技术领域
本发明涉及帷幕灌浆施工领域，尤其涉及一种岩石坝基帷幕灌浆施工方法。
背景技术
水电行业中的帷幕灌浆是指在岩石或砂砾石地基中，用深孔灌浆方法建造一道连续防渗帷幕，以阻止或减少地基中地下水的渗透，并降低渗透水流对挡水建筑物的扬压力。帷幕灌浆一直是水工建筑物地基防渗处理的主要手段。然而，随着水电工程规模不断增大，一大批200米级别以上高坝大库工程陆续上马，使得帷幕灌浆孔深、灌浆压力越来越大，帷幕灌浆难度随之增大。目前在帷幕灌浆中常遇到的问题有：灌浆过程中普遍出现的“回浆返浓”现象；地基承压水涌水现象；局部地质缺陷造成的渗透耐久性问题等。其中尤以“回浆返浓”现象最普遍，对帷幕灌浆防渗质量（透水率）影响最大。
“回浆返浓”现象，普遍认为原因是由于岩体中广泛存在的隐微裂缝发育，造成浆液中清水流失而水泥颗粒无法进入隐微裂缝造成。传统处理方法多数侧重于施工过程控制及工序改进或改变灌浆材料，例如增加一排帷幕灌浆孔、适当增大灌浆压力、改用细水泥灌浆等。某些工程在采用细水泥灌浆后仍然无法能达到规范要求的渗透系数，而化学灌浆又由于造价昂贵、工期较长等原因无法大规模应用。因此，亟需引入一种新的施工技术解决帷幕灌浆中的“回浆返浓”问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种能够解决帷幕灌浆中的“回浆返浓”问题的岩石坝基帷幕灌浆施工方法。
为解决上述问题采用的技术方案是：岩石坝基帷幕灌浆施工方法包括如下步骤：
a、在岩石坝基内钻出若干灌浆孔，各灌浆孔根据帷幕灌浆需要成排设置，在各个灌浆孔中选择一部分作为水力压裂孔，剩下的灌浆孔为普通灌浆孔；
b、向水力压裂孔内挤注压裂液，压裂液对水力压裂孔的孔壁岩石施加超过岩石破裂压力的压力使岩石产生裂缝，继续持续向水力压裂孔内挤注压裂液，裂缝继续向岩石内部扩张；
c、向水力压裂孔内挤注带有支撑剂的携砂液，携砂液进入裂缝之后，一方面可以使裂缝继续向前延伸，另一方面可以支撑已经压开的裂缝，使其不闭合；
d、向水力压裂孔内注入顶替液，顶替液将水力压裂孔内的携砂液全部顶入裂缝；
e、通过水力压裂孔和普通灌浆孔对岩石坝基进行普通帷幕灌浆操作。
进一步的是：设置有两排以上灌浆孔时，水力压裂孔在最接近渗透水源的一排灌浆孔中选择。
进一步的是：水力压裂孔和普通灌浆孔交替设置。
具体的：压裂液为水
具体的：支撑剂为石英砂。
进一步的是：步骤d和e合并进行，顶替液为普通帷幕灌浆操作初期阶段采用的稀水泥浆。
本发明的有益效果是：利用“水力压裂”技术使岩体中形成人工裂缝（组），从而使水泥颗粒能够进入裂缝，在不破坏底层完整性、不显著降低基础承载力的前提下，改善岩石坝基可灌性，避免“回浆返浓”，提高帷幕灌浆防渗质量。
附图说明
图1是灌浆孔布置俯视图；
图2是水力压裂孔剖视图；
图中标记为：灌浆孔1、渗透水源2、岩石坝基3、普通灌浆孔4、水力压裂孔5、裂缝6、压裂液7、支撑剂8。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。
岩石坝基帷幕灌浆施工方法包括如下步骤：
a、在岩石坝基3内钻出若干灌浆孔1，各灌浆孔1根据帷幕灌浆需要成排设置，在各个灌浆孔1中选择一部分作为水力压裂孔5，剩下的灌浆孔1为普通灌浆孔4；
b、向水力压裂孔5内挤注压裂液7，压裂液7对水力压裂孔5的孔壁岩石施加超过岩石破裂压力的压力使岩石产生裂缝6，继续持续向水力压裂孔5内挤注压裂液7，裂缝6继续向岩石内部扩张；
c、向水力压裂孔5内挤注带有支撑剂8的携砂液，携砂液进入裂缝6之后，一方面可以使裂缝6继续向前延伸，另一方面可以支撑已经压开的裂缝6，使其不闭合；
d、向水力压裂孔5内注入顶替液，顶替液将水力压裂孔5内的携砂液全部顶入裂缝6；
e、通过水力压裂孔5和普通灌浆孔4对岩石坝基3进行普通帷幕灌浆操作。
步骤b、c、d实质上与目前广泛应用于石油和天然气行业中的“水力压裂”技术相同。应用于石油和天然气行业中的“水力压裂”技术作用是利用压裂液使岩石中产生裂缝，便于石油、天然气或者页岩气排出。本发明将“水力压裂”与帷幕灌浆技术结合，“水力压裂”技术作用使岩石中产生裂缝6，便于水泥颗粒能够进入裂缝6，在不破坏底层完整性、不显著降低基础承载力的前提下，改善岩石坝基可灌性，避免“回浆返浓”，提高帷幕灌浆防渗质量。
“水力压裂”为广泛应用的现有技术，本发明步骤b、c、d具体设计及施工方式与“水力压裂”技术一致，因此不存在不能实现的问题。设计时在坝基选取具有代表性试验孔，进行小型生产性压裂试验。得到各高程段的岩体破裂压力值、裂缝重张压力、瞬间闭合压力、裂缝方位以及压裂液滤失系数、减阻率等。根据所得资料进行滤失分析、磨阻分析、应力校正和初步“水力压裂”设计。将前面得到的参数代入“水力压裂”相关设计模型，优化施工参数，完成“水力压裂”方案设计。
裂缝6应该基本垂直于渗水方向。“水力压裂”的压力一般不超过70Mpa，裂缝6长度不宜大于灌浆孔1孔距的70%，应尽力避免裂缝6间贯通，对地基完整性造成影响。裂缝6开口宽度L不宜大于2mm。
为提高帷幕的防渗性能，有的帷幕灌浆施工需要设置有两排以上灌浆孔1，此时水力压裂孔5只需在最接近渗透水源2（即渗入岩石坝基内水的来源，例如河流、水库、地下水等）的一排灌浆孔1中选择，不需在其它排的灌浆孔1内进行“水力压裂”。水力压裂孔5和普通灌浆孔4最好交替设置。
石油和天然气行业中中压裂液7有水基压裂液、油基压裂液和泡沫压裂液等。本发明为了节省成本，便于取材，压裂液7可以为水，经试验水作为压裂液7可以达到施工要求。
支撑剂8通常有石英砂和人造陶粒等，石英砂适用于浅层或中深层的压裂，成功率很高，与本发明施工要求相符。
为了简化操作，可将步骤d和e合并进行，顶替液为普通帷幕灌浆操作初期阶段采用的稀水泥浆。即不专门往水力压裂孔5内注入顶替液，进行普通帷幕灌浆时，浆液浓度由稀变浓，稀水泥浆即作为顶替液5，普通帷幕灌浆操作既起了灌浆作用也起了注顶替液作用。
需要说明的是本发明的岩石坝基帷幕灌浆施工方法并不适用于所有帷幕灌浆施工中。需要对施工条件进行判断，具体如下：
（1）“水力压裂”形成的裂缝6通常为坝基内沿地应力主方向的面状裂缝群。裂缝6方向（主地应力）方向须与防渗方向（水流向）呈接近垂直向，才能互相搭接，形成连续的防渗帷幕。从构造地质学来说，大多数峡谷河流满足这一条件，但在宽阔河谷及平原地区，坝基地应力主方向即裂缝6主方向有可能沿顺河向，或与顺河向小角度相交，不利于人造裂缝的相互搭接，此时则不宜采用“水力压裂”技术。根据工程经验，帷幕灌浆孔深与建基面起算的两侧山体高度的比值大于1.0的情况不宜本发明的岩石坝基帷幕灌浆施工方法。
（2）防渗帷幕灌浆通常与基础固结灌浆平面区域重叠，有可能出现后续“水力压裂”施工对已完成的固结灌浆造成破坏，降低坝基岩石的完整性和承载能力。因此本发明的岩石坝基帷幕灌浆施工方法不宜用于帷幕灌浆孔在固结灌浆重叠范围内的人造裂缝施工。
（3）“水力压裂”大体可形成垂直裂缝和水平裂缝两种方位，由于帷幕灌浆区域在挡水建筑物下方，从地基受力角度来说，水平裂缝组相对竖向裂缝组不易出现因承受上部荷载出现裂缝贯通的情况，显然更为有利。常见坝址帷幕灌浆孔深在200m以内，通常由地壳浅表水会产生竖直裂缝，此时应对“水力压裂”工艺平应力占主导地位，即水平主应力大于竖直主应力。（裂缝面总是垂直与最小主应力方向）
σH＞σh＞σV
此时可形成水平裂缝组，但个别工程或较大埋深区域出现σV大于水平主应力情况，则进行专门设计，防止出现纵向裂缝贯通情况。

Claims (6)

1.岩石坝基帷幕灌浆施工方法，其特征在于包括如下步骤：
a、在岩石坝基（3）内钻出若干灌浆孔（1），各灌浆孔（1）根据帷幕灌浆需要成排设置，在各个灌浆孔（1）中选择一部分作为水力压裂孔（5），剩下的灌浆孔（1）为普通灌浆孔（4）；
b、向水力压裂孔（5）内挤注压裂液（7），压裂液（7）对水力压裂孔（5）的孔壁岩石施加超过岩石破裂压力的压力使岩石产生裂缝（6），继续持续向水力压裂孔（5）内挤注压裂液（7），裂缝（6）继续向岩石内部扩张；
c、向水力压裂孔（5）内挤注带有支撑剂（8）的携砂液，携砂液进入裂缝（6）之后，一方面可以使裂缝（6）继续向前延伸，另一方面可以支撑已经压开的裂缝（6），使其不闭合；
d、向水力压裂孔（5）内注入顶替液，顶替液将水力压裂孔（5）内的携砂液全部顶入裂缝（6）；
e、通过水力压裂孔（5）和普通灌浆孔（4）对岩石坝基（3）进行普通帷幕灌浆操作。
2.根据权利要求1所述的岩石坝基帷幕灌浆施工方法，其特征在于：设置有两排以上灌浆孔（1）时，水力压裂孔（5）在最接近渗透水源（2）的一排灌浆孔（1）中选择。
3.根据权利要求2所述的岩石坝基帷幕灌浆施工方法，其特征在于：水力压裂孔（5）和普通灌浆孔（4）交替设置。
4.根据权利要求3所述的岩石坝基帷幕灌浆施工方法，其特征在于：压裂液（7）为水。
5.根据权利要求4所述的岩石坝基帷幕灌浆施工方法，其特征在于：支撑剂（8）为石英砂。
6.根据权利要求1至5任一项所述的岩石坝基帷幕灌浆施工方法，其特征在于：步骤d和e合并进行，顶替液为普通帷幕灌浆操作初期阶段采用的稀水泥浆。
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