王绍平 黄 磊 刘 兵
(1.马钢(集团)控股有限公司南山矿业公司，安徽 马鞍 243000；
2.湖南宏禹工程集团有限公司，湖南 长沙 410007)
由于矿石和围岩中含有硫化矿物，在矿山开采过程中经氧化、分解并与水结合形成大量酸性矿山废水[1-3]，为了防止污染，避免酸水影响周边居民的生存环境，许多矿山对污水进行了建坝集中处理[4-5]。但随着矿山的开采，许多开采时间已久且在长期水头作用下的酸水库坝出现了不同程度的渗漏问题，为避免污水向外渗漏对周围环境造成污染，亟须对渗漏通道进行充填封堵[6-7]。注浆是一种经济、高效的防渗治理方法，但由于酸水库长期渗透水恶化了坝基水文和地质条件，水流沿坝体内透水通道渗透，长期掏刷侵蚀土层和裂隙间可溶物，扩大了渗透通道，采用常规水泥浆注浆存在浆液沿大渗透通道随水冲走、浆材浪费、注浆量大的问题，此外，酸性条件下会延长水泥的凝结时间，更不利于注浆封堵。黏土水泥浆液表现出较好的抗酸稳定性，且在强透水地层的防渗中具有较好的应用效果[8-9]，本文以安徽马钢南山矿酸水库防渗灌浆施工为依据，介绍黏土水泥膏浆在大渗透通道中的堵水应用。
马钢南山矿酸水库位于安徽省马鞍山市雨山区向山镇徐山村境内，为蓄存铁矿酸性处理水于20世纪70年代人工筑坝形成，水库汇水面积约0.1km2，大坝坝体长400m，坝顶宽40m，坝高40m，坝顶高程67～68m，水库稳定水位60m[10]。因历时较长，在水头作用下，库水穿过坝体薄弱部位从下游坡脚呈散状渗出。勘察表明，大坝渗漏主要集中于坝体填土颗粒较粗部位及坝基强风化岩层。坝体填土渗透系数多在10-3～10-4cm/s，最大达3.5×10-2cm/s，属于中等透水，局部强透水；
坝基存在8～18m厚的强风化层，钻探取芯查明，岩体破碎，节理裂隙发育，压水试验透水率q=1～10Lu，局部大于10Lu，属于弱—中等透水带。水库用于选矿中所产生的酸性水储存，pH值为3.6～3.7，水流沿坝体内透水性较强的土层和坝基强风化岩体裂隙渗透，长期掏刷侵蚀土层及裂隙间可溶物，使渗漏通道持续不断扩大，且酸性渗透水对基础及土壤有明显的腐蚀作用。在长期渗透水流的影响下，恶化了坝基水文、工程地质条件。为解决酸水对下游农田和周边环境的污染问题，保证环境安全，依据补充勘探资料，需对酸水渗漏进行防渗灌浆处理。对于渗流的防渗注浆存在以下难题：
a.在酸性条件下，纯水泥浆存在凝结时间较长甚至难以达到初凝的问题，常规注浆材料难以起到注浆效果。
b.该酸水库年限较久，酸水腐蚀严重，透水部位土层松散、岩体破碎，渗透通道粗、渗流量大，常规浆液容易在较大水流下被水冲泡，导致无效灌浆。
黏土水泥复合膏浆灌浆技术是采用具有流动可灌性与高塑性变形强度的特殊膏状注浆材料，利用其可控凝结、低流动性及触变性的特点，达到有效控制浆液扩散范围，保证浆体在钻孔周围较均匀扩散充填透水孔隙，从而在松散强透水地层或松散软弱地层内快速形成防渗效果较好的连续帷幕体的技术。该技术适用于松散软弱地基防渗灌浆处理；
特别适用于全(强)风化岩体、松散土层、砂层等强透水地层的防渗处理。基于此，对于本工程中经水流冲刷的松散土层与节理裂隙密集发育岩体采用复合膏浆灌浆技术进行渗漏通道的充填封堵。
4.1 灌浆工艺
灌浆帷幕幕顶高程至水库稳定水位(高程60m处)，帷幕幕底应进入基岩以下2m。采用“孔内浆体自凝封闭、自下而上分段纯压式可控灌浆法”。
灌浆深度范围：灌浆顶部在高程60m处，底部深入基岩2m，平均深度28.77m。灌浆时先将注浆管下入孔底，然后按每2.0m一个灌浆段，每灌段按0.3～0.5m逐步上提灌浆管，自下而上灌浆至灌浆顶部。
4.2 工艺流程
施工总程序：施工准备→钻孔放样→膏浆钻孔先导孔施工(可作为Ⅰ序孔)→Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ序孔施工→质量检查→资料整理。
灌浆单孔施工程序：施工准备→钻孔定位→固定机具→坝体非灌段跟管钻进→非灌浆段孔口管镶筑→坝体灌浆段跟管钻进→接触段灌浆→起拔套管→待凝→注浆管安装及封闭→安装拔管机及注浆管路→启动注浆泵注浆→提升、拆卸注浆管→自下而上重复注浆与提升→注浆至设计段顶→压力封孔。
4.3 孔位布置
孔位布置图见图1。钻孔按设计图纸轴线(0+022-0+310)指定桩号，采用全站仪配合钢卷尺进行钻孔放样，钻孔开孔直径为127mm，终孔孔径不小于75mm，钻孔采用XY-200型地质钻机配金刚石钻头跟管回转钻进。
图1 施工孔位布置
4.4 孔口管安装和注浆管安装
4.4.1 孔口管安装
孔口管采用φ127钢管，埋设后待凝8h以上，经检查合格后进行下一工序施工。孔口管埋设后应及时查看孔口管接头是否有脱节，并用水平尺校铅直度、卷尺测量控制嵌入深度、注水检查管外侧是否漏水。
4.4.2 注浆管安装
钻孔达到要求深度后，下入灌浆管至孔底,然后用黏土或细砂回填灌浆管与钻孔之间的环隙至钻孔顶部。开灌前，将孔口封闭的回浆管开关打开，然后开泵压入封孔浆体填满灌浆管与孔口管壁之余留空隙，待回浆口排出较浓的浆液时关闭回浆管口开关，开始试压浆灌注。如果在灌浆时或上提灌浆管后，出现从孔口管和覆盖层间隙处冒浆现象，可再次待凝10min左右，进行有效止浆。
4.5 灌浆材料
酸水库坝体重点透水部位土层松散、岩体破碎、裂隙发育，对于裂隙连通性极好的透水部位堵水注浆材料十分关键，浆液的凝结时间、抗冲蚀性、流动性等特点尤为重要。
针对这类地层选择水泥、黏土作为主要原材料，并添加可提高浆材早期强度、抗水流冲刷能力与抗酸稳定性的外加剂，将各种材料以适宜的比例拌和，制备具有扩散范围可控的触变型黏土水泥膏状浆液。
4.5.1 灌浆原材料
a.水泥：采用耐酸抗侵蚀的特种水泥；
在施工过程中对水泥的强度、细度、凝结时间进行抽样检查。
b.黏土：要求塑性指数大于14，黏粒(粒径小于0.005mm)含量不小于20%，粉粒(粒径0.005～0.05mm)含量一般不多于60%～70%，含砂量(0.05～0.25mm)不大于8%，有机物含量不大于2%。黏土配置浆液前，应进行粉碎、除砂、细分后再入池后碱化，进行浸泡溶胀待用。
c.水：水质符合灌浆用水要求。
d.外加剂：HY-1外加剂，使黏土水泥浆材的性能符合浆体可控的要求，实现浆材基本不发生析水、浆材的凝固时间可控的目的。
4.5.2 浆材配比
本项目采用的黏土水泥膏浆及稳定浆液配合比见表1。
表1 膏浆浆材配合比
4.5.3 浆材作用机理
以黏土为主的膏状浆液，浆液流动度控制在80～130mm之间，通过添加外加剂，使水泥中铝酸四钙、硫铝酸钙等成分水化、胶凝作用迅速产生早期强度；
通过铝酸钠、硫酸铝钾或硫酸铝与硅酸盐或其他化合物生成钙矾石，吸收浆液一定的自由水；
通过黏土粒子的崩架结构和水溶性膨胀高分子化合物，包裹浆体中大量的自由水，三者协同作用使浆液的初凝时间控制在几十分钟到几小时，使浆液在灌注过程中，达到有效控制浆液扩散半径的目的。同时浆液中黏土粒子包裹的自由水，可在搅拌剪切力下得到重新释放，使浆液产生流动性，见图2(a)；
在没有搅拌剪切力作用下，浆液静止并固化，见图2(b)，表现出良好的触变性能。利用浆液自身较大的内摩擦阻力、被灌介质的黏阻力实现灌浆压力平衡，可避免浆液在地层中无限制性地往最薄弱地层扩散，有效地避免了黏土水泥膏浆在浅层或局部弱面产生重复劈裂，减少了无效灌注与材料浪费。
图2 黏土水泥复合膏浆
4.6 注浆结束控制
“复合膏浆灌浆技术”是一种连续间隔提升灌注工艺，注浆结束主要由间隔提升段分段控制。注浆间隔提升段结束控制标准如下：
a.该注浆间隔提升段达到设计单位注入量，且注浆压力大于该注浆段最小设计压力时，可结束该间隔提升段注浆。
b.该注浆间隔提升段达到最大设计注浆压力，且注入量大于该注浆段最小设计单位注入量时，可结束该间隔提升段注浆。
4.7 特殊情况处理
a.钻孔串浆、地表冒浆、注浆中断的处理措施为：ⓐ立即停注，待凝20～30min后再注；
ⓑ立即在串浆的钻孔安装注浆装置，同时注浆；
ⓒ注浆中断时，如果中断时间短，可以再注；
如果中断时间较长，则应扫孔后再注。
b.注浆过程中若长时间达不到该注浆段位设计最小注浆压力，且注入量达到设计最大单位注入浆量时，可采用间歇灌注或掺加外加剂方法处理，如还达不到结束标准，按溶洞注浆方法处理。
c.注浆过程中若长时间达不到该注浆间隔段设计最小注入量，且注浆压力到达设计最大注浆压力时，延续灌注10min或注浆压力连续3次超过设计压力20%时可结束注浆。
南山矿酸水库渗漏处理工程从2020年10月1日开始施工，至2020年11月29日完工，历时60天完成钻孔施工工程量7516.5m，膏浆灌浆工程量5873.7m，非灌浆段封孔工程量1642.8m，孔口管镶筑582m，主要工程量见表2。
表2 工程量完成情况
施工前后透水对比见图3。施工完成后坝后未见明显渗漏水，堵水效果良好，达到业主的堵水要求，灌浆质量合格。采用黏土水泥膏浆作为注浆材料，与常规水泥浆比，减少了无效灌浆量，节省了大量注浆材料，大幅降低了施工成本，且经工程检验，复合黏土膏浆灌浆技术对于酸水侵蚀地层具有较好的防渗施工效果。
图3 施工前后透水对比
受长期酸性水流侵蚀影响，酸水库渗漏具有渗透通道粗、渗流量大的特点，因此其防渗注浆材料需满足一定的抗水流冲刷能力和化学稳定性。工程实践表明，采用黏土水泥膏浆注浆能对酸水侵蚀后的土壤、破碎岩层裂隙进行足量充填，满足南山酸水库的防渗要求，是一种堵水效果好、经济适用的酸水库防渗工艺。
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