CN106368188A - 岩溶地区管道型集中渗漏定量控制反向灌浆封堵方法 - Google Patents

岩溶地区管道型集中渗漏定量控制反向灌浆封堵方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种岩溶地区管道型集中渗漏定量控制反向灌浆封堵方法，该方法以水泥浆液为封堵材料，以反向灌浆作为主要封堵手段，包括“定量控制灌浆数学模型构建”、“止水灌浆盒封堵装置安装”、“施工工艺标准化建立”和“封堵定量控制标准确定”的封堵新方法，其应用于岩溶地区水利水电工程高压力、大流量管道型集中渗漏封堵处理工程。该方法解决了实际封堵过程中施工难度大，现行处理方法不具有普遍可行性，一次性封堵成功率低，材料浪费严重，反复工作量大，耗时长，处理成本较高，给工程安全带来较大的隐患和造成较大经济浪费等问题。

Description

岩溶地区管道型集中渗漏定量控制反向灌浆封堵方法
技术领域
本发明涉及灌浆封堵工程，具体涉及一种岩溶地区管道型集中渗漏定量控制反向灌浆封堵方法，其应用于岩溶地区水利水电工程高压力、大流量管道型集中渗漏封堵处理工程。
背景技术
在水利水电工程建设当中，高水头大流量管道型集中渗漏问题时有发生，特别是在岩溶地区，发生的频率更为普遍，如：湖北清江的隔河岩水电站、高坝洲水电站、水布垭水电站；乌江的银盘水电站、洪家渡水电站、索风营水电站、构皮滩水电站以及嘉陵江亭子口水电站等，在工程建设或投产蓄水运行期间均发生过高水头大流量管道型集中渗漏问题，严重影响工程建设期进度和运行期效益发挥。可以说，高水头大流量管道型集中渗漏问题已成为水利水电界亟待解决的难题。
针对高水头大流量管道型集中渗漏问题，现行的处理思路为：结合实际工程渗漏水压力、流速、流量和渗漏通道位置，工程师依靠工程经验提出对应封堵处理方法。概括起来主要为以下两种处理模式：
(1)动水处理模式：即在渗漏水流动条件下，采用抛投颗粒料、灌浆等工程措施封堵渗漏通道。依据渗漏封堵措施实施的部位，又可分细为入渗口封堵和中间嵌堵两种。入渗口封堵主要是通过对入渗区抛投防渗料来封堵渗漏通道。中间嵌堵法一般采用钻孔抛投卵石或级配料、灌注混凝土或砂浆、水泥浆等方式形成一道连续防渗帷幕，来实现对渗漏通道的封堵。
(2)静水处理模式：即在防渗封堵前，采取平压处理措施，临时性降低渗漏水流速，使之达到静水或低流速状态，实现变动水条件为静水环境后再进行封堵处理。
工程实际表明，上述两种处理模式存在以下不足：
(1)靠人为主观确定封堵所需材料总量，增加工程风险、造成材料浪费。
无论动水处理模式还是静水处理模式，由于缺乏渗漏的定量控制研究，工程师无法确定封堵渗漏通道究竟需要多少封堵材料量。在实际施工过程中，现行封堵方法基本靠主观人为确定封堵材料总量，具有较大不确定性和不可预知性，常常导致多次重复施工才能完成渗漏通道的封堵，一次封堵成功率极低，不仅带来封堵材料浪费、成本增加、工期延长等问题，而且给工程留下了重大隐患。
(2)水利水电工程客观条件限制，应用范围十分有限。
动水处理模式：水利水电工程中，管道型渗漏大多与江水或库水连通，入渗口一般位于水下甚至是深水区，查明入渗口数量及位置难度非常大；中间嵌堵法也需查明渗漏通道的发育走向与位置，但受限于复杂的地形地质条件，往往也难于查明，受上述客观条件限制，动水处理模式常常难以实施。
静水处理模式：静水处理模式一般仅适用于低水头渗漏处理。面对高水头、大流量的管道型集中渗漏，平压处理措施难以降低渗漏水流速，无法确保创造动水为静水条件，使得静水处理模式常常不能用于高水头、大流量的集中渗漏处理。
发明内容
本发明针对现行岩溶地区高压力、大流量管道型集中渗漏封堵方法在实际应用过程中，存在应用范围有限、渗漏封堵理论尚缺、主观动态控制为主等问题，提供了一种岩溶地区管道型集中渗漏定量控制反向灌浆封堵方法，该方法以水泥浆液为封堵材料，以反向灌浆作为主要封堵手段，包括“定量控制灌浆数学模型构建”、“止水灌浆盒封堵装置安装”、“施工工艺标准化建立”和“封堵定量控制标准确定”的封堵新方法，其应用于岩溶地区水利水电工程高压力、大流量管道型集中渗漏封堵处理工程。该方法解决了实际封堵过程中施工难度大，现行处理方法不具有普遍可行性，一次性封堵成功率低，材料浪费严重，反复工作量大，耗时长，处理成本较高，给工程安全带来较大的隐患和造成较大经济浪费等问题。
为实现上述目的，本发明所设计一种岩溶地区管道型集中渗漏定量控制反向灌浆封堵方法，包括以下步骤：
1)构建封堵定量控制数学模型
运用隧洞封堵体抗滑稳定理论，模拟计算封堵渗漏通道所需封堵体长度Ld；运用宾汉姆流体浆液扩散理论，将水泥浆液假设为宾汉姆流体，模拟计算水泥浆液在静水条件下，灌浆压力P作用下，浆液沿渗漏通道周边裂隙的扩散范围Lf；假设渗漏通道及裂隙截面为圆形，根据浆液的实际扩散范围Ld和Lf计算封堵所需水泥浆液总量；构建数学模型如式1
2)确定封堵定量控制指标
封堵定量控制指标为水泥浆液总体积V，确定控制指标需依据实际工程情况，结合定量控制数学模型(式1)逐步确定，具体步骤如下：
3)建立标准化实施工艺
a.地面崁缝加固：首先对集中渗漏沿程全面系统地进行清查，对其软弱缝面、岩体破碎区、溶蚀区进行封闭防渗、加固；
b.根据渗漏点的数量、渗漏量大小及所处位置地形条件确定止水灌浆盒的大小，将止水灌浆盒安放在集中渗漏点上；
c.安装完止水灌浆盒后，清理止水灌浆盒周边浮渣，固定止水灌浆盒，然后在止水灌浆盒四周止水，至达不漏水为止；
d.依据地勘资料、试验资料和测量资料，确定原始输入计算参数，将原始计算输入参数带入定量控制数学模型，确定封堵定量控制指标“水泥浆液总体积V”。
f.再在止水灌浆盒上安装排水管，通过排水管将漏水引排至作业区外排泄；
g.根据渗漏压力的大小，在止水灌浆盒及其周边浇筑混凝土；浇筑完毕后，在靠近排水管的出口处安装控制闸阀，安装完毕后，关闭控制闸阀进行耐压试验；
h.在控制闸阀外侧的排水管的出口处安装变径接头，接通灌浆管路后，采用灌浆压力P开启控制闸阀反向灌浆作业，
i.通过灌浆记录仪自动记录实时记录灌入水泥浆液体积Vt，当Vt＝V时，即达到封堵定量控制指标时，结束灌浆，集中渗漏通道封堵完毕。
进一步地，所述步骤2)中，确定封堵定量控制指标的具体步骤如下：
①根据集中渗漏规模、地质条件的复杂程度确定安全系数K；
②现场测定渗漏出口流量、流速，计算岩溶管道直径dd及总渗漏水头h0。根据地勘试验确定渗漏通道容许剪切应力τ，根据式(1-1)计算封堵体长度Ld；
③通过现场灌浆试验确定反向灌浆压力P，根据式(1-2)计算浆液在裂隙中的扩散距离Lf；
④根据地质素描图、钻孔岩心等地勘资料，通过Monte Carlo方法生成符合预期概率形式的一系列裂隙结构面参数，模拟生成渗漏通道周边裂隙总数量N和裂隙平均直径df，根据式(1-3)最终确定封堵定量控制指标“水泥浆液总体积V”。
再进一步地，所述灌浆压力P为0.05～0.15MPa。
再进一步地，所述步骤3)第h小步中，灌浆采用水泥与水按质量比1∶1～1：3混合水泥浆。
本发明的有益效果：
本发明的高压力、大流量集中渗漏封堵新技术突破了传统理念与模式的束缚，将渗漏处理问题提升至定量可控状态，开启了集中渗漏处理的新思维，具有广阔的应用空间和良好的市场前景。经湖北清江隔河岩水电站、湖北清江水布垭水电站、重庆乌江银盘水电站等工程施工应用证明，该方法封堵集中渗漏通道可控、快捷、经济、高效，具有以下优点：
(1)理论依据可靠，实施过程可控。以“隧洞封堵体抗滑稳定理论”和“宾汉姆流体浆液扩散理论”作为理论依据，构建封堵定量控制数学模型，并提出封堵定量控制指标。将高压力、大流量集中渗漏问题由人为经验控制提升至科学定量控制，即能保证封堵效果、质量，提高封堵可靠性，又可以最大限度降低水泥的浪费。
(2)适应范围广，适应性强。本发明为一整套封堵方法，并形成了标准化实施工艺，克服了传统封堵方法存在的缺点。既适用于高压力、大漏量型管道式大型集中渗漏处理工程，也适用于漏量与压力较小的一般性集中渗漏处理工程，具有广泛的应用范围和较强的适应性能。
(3)“采用标准化实施工艺”，施工工期大大缩短。如清江某水电站、清江某水电站集中渗漏封堵处理如采用传统方法施工，工期需3～4个月，而采用本发明技术均在20d内完成施工；乌江某水电站特大型岩溶集中渗漏封堵处理如采用传统方法施工，工期至少需10～12个月，而采用本本发明技术在3个月内完成施工。
(4)封堵手段技术成熟、质量可靠。本发明以反向灌浆作为封堵手段，完全可按现行行业灌浆规范执行，施工技术成熟且有规可依，封堵质量可靠，防渗效果良好。
(5)工程投资小。本发明实现了封堵材料的定量控制，克服了浆液浪费现象，工程投资大幅减少，经济效益显著。与传统的方法相比，隔河岩水电站节约投资约80万元，水布垭水电站节约投资约100万元，银盘水电站节约投资1500万元以上。
(6)一次成功、质量可靠。清江隔河岩水电站、清江水布垭水电站、乌江银盘水电站等工程集中渗漏处理后均布置了多个钻孔检查，其中乌江某水电站还经历了深竖井开挖检验，均无一再出现渗漏现象，处理效果显著。
该方法经湖北清江某水电站、湖北清江某水电站、重庆乌江某水电站等大型工程应用，效果良好，可在集中渗漏事故处理中推广应用。
附图说明
图1为“管道型”渗漏出口反向控制灌浆计算模型的示意图；
图2为本发明装置的整体图；
图中，1.止水灌浆盒，2.排水管，3.控制闸阀，4.灌浆管路，5.止水加固板，6.膨胀螺栓或锚杆，7.变径接头，8.法兰盘，9.加强筋、水泥浆液10、地下水11、裂缝12。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述，以便本领域技术人员理解。
图2中所示一种高压力大流量集中渗漏灌浆处理装置，该处理装置包括止水灌浆盒1和排水管2；止水灌浆盒1底部开口，止水灌浆盒1上设置有排水管2，靠近排水管2出口处的管道上设置有控制闸阀3，排水管2出口连接有灌浆管路4。
止水灌浆盒1底部四周设置有止水加固板5。止水加固板5上设置有多个膨胀螺栓或锚杆6，止水加固板5上还设置有加强筋9。排水管2与灌浆管路4的连接处上设置有变径接头7。排水管2上还设置有法兰盘8。
如图1～2所示：一种岩溶地区管道型集中渗漏定量控制反向灌浆封堵方法，包括以下步骤：
1)确定原始计算输入参数。搜集地勘资料、试验资料、渗流量等测量资料，经分析计算确定总渗漏水头h0，岩溶管道直径和裂隙截面直径dd和df，容许剪切应力τ，灌浆压力P，管道周围裂隙总数N计算输入参数。
2)确定封堵定量控制指标。根据封堵定量控制数学模型(式1)，计算封堵段总长度Ld、裂隙浆液扩散距离Lf，并最终确定封堵定量控制指标“水泥浆液总体积V”。
3)地面崁缝加固：首先对集中渗漏沿程全面系统地进行清查，对其软弱缝面、岩体破碎区、溶蚀区进行封闭防渗、加固；
4)根据渗漏点的数量、渗漏量大小及所处位置地形条件确定止水灌浆盒1的大小，将止水灌浆盒1安放在集中渗漏点上；
5)安装完止水灌浆盒后，清理止水灌浆盒1周边浮渣，固定止水灌浆盒，然后在止水灌浆盒1四周止水，至达不漏水为止；
6)再在止水灌浆盒1上安装排水管2，通过排水管2将漏水引排至作业区外排泄；
7)根据渗漏压力的大小，在止水灌浆盒1及其周边浇筑混凝土；浇筑完毕后，在靠近排水管2的出口处安装控制闸阀3，安装完毕后，关闭控制闸阀3进行耐压试验；
8)在控制闸阀3外侧的排水管2的出口处安装变径接头7，接通灌浆管路后，灌浆采用1:1～3:1浓水泥浆灌注，灌浆压力P采用0.05MPa～0.15MPa，开启控制闸阀反向灌浆作业，
9)通过灌浆记录仪自动记录实时记录灌入水泥浆液体积Vt，当Vt＝V时，即达到封堵定量控制指标时，结束灌浆，集中渗漏通道封堵完毕。
其它未详细说明的部分均为现有技术。尽管上述实施例对本发明做出了详尽的描述，但它仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例，人们还可以根据本实施例在不经创造性前提下获得其他实施例，这些实施例都属于本发明保护范围。

Claims (4)

1.一种岩溶地区管道型集中渗漏定量控制反向灌浆封堵方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)构建封堵定量控制数学模型
运用隧洞封堵体抗滑稳定理论，模拟计算封堵渗漏通道所需封堵体长度Ld；运用宾汉姆流体浆液扩散理论，将水泥浆液假设为宾汉姆流体，模拟计算水泥浆液在静水条件下，灌浆压力P作用下，浆液沿渗漏通道周边裂隙的扩散范围Lf；假设渗漏通道及裂隙截面为圆形，根据浆液的实际扩散范围Ld和Lf计算封堵所需水泥浆液总量；构建数学模型如式1
2)确定封堵定量控制指标
封堵定量控制指标为水泥浆液总体积V，确定控制指标需依据实际工程情况，结合定量控制数学模型(式1)逐步确定，具体步骤如下：
3)建立标准化实施工艺
a.地面崁缝加固：首先对集中渗漏沿程全面系统地进行清查，对其软弱缝面、岩体破碎区、溶蚀区进行封闭防渗、加固；
b.根据渗漏点的数量、渗漏量大小及所处位置地形条件确定止水灌浆盒的大小，将止水灌浆盒安放在集中渗漏点上；
c.安装完止水灌浆盒后，清理止水灌浆盒周边浮渣，固定止水灌浆盒，然后在止水灌浆盒四周止水，至达不漏水为止；
d.依据地勘资料、试验资料和测量资料，确定原始输入计算参数，将原始计算输入参数带入定量控制数学模型，确定封堵定量控制指标“水泥浆液总体积V”；
f.再在止水灌浆盒上安装排水管，通过排水管将漏水引排至作业区外排泄；
g.根据渗漏压力的大小，在止水灌浆盒及其周边浇筑混凝土；浇筑完毕后，在靠近排水管的出口处安装控制闸阀，安装完毕后，关闭控制闸阀进行耐压试验；
h.在控制闸阀外侧的排水管的出口处安装变径接头，接通灌浆管路后，采用灌浆压力P开启控制闸阀反向灌浆作业，
i.通过灌浆记录仪自动记录实时记录灌入水泥浆液体积Vt，当Vt＝V时，即达到封堵定量控制指标时，结束灌浆，集中渗漏通道封堵完毕。
2.根据权利要求1所述岩溶地区管道型集中渗漏定量控制反向灌浆封堵方法，其特征在于：所述步骤2)中，确定封堵定量控制指标的具体步骤如下：
①根据集中渗漏规模、地质条件的复杂程度确定安全系数K；
②现场测定渗漏出口流量、流速，计算岩溶管道直径dd及总渗漏水头h0；根据地勘试验确定渗漏通道容许剪切应力τ，根据式(1-1)计算封堵体长度Ld；
③通过现场灌浆试验确定反向灌浆压力P，根据式(1-2)计算浆液在裂隙中的扩散距离Lf；
④根据地质素描图、钻孔岩心等地勘资料，通过Monte Carlo方法生成符合预期概率形式的一系列裂隙结构面参数，模拟生成渗漏通道周边裂隙总数量N和裂隙平均直径df，根据式(1-3)最终确定封堵定量控制指标“水泥浆液总体积V”。
3.根据权利要求1或2所述岩溶地区管道型集中渗漏定量控制反向灌浆封堵方法，其特征在于：所述灌浆压力P为0.05～0.15MPa。
4.根据权利要求3所述岩溶地区管道型集中渗漏定量控制反向灌浆封堵方法，其特征在于：所述步骤3)第h小步中，灌浆采用水泥与水按质量比1∶1～3混合水泥浆。
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