復(fù)合材料注漿在地下水封石油洞庫(kù)工程中的應(yīng)用

歐陽(yáng)偉雄 賀寶林

1大慶油田設(shè)計(jì)院有限公司

2中國(guó)石油華北油田公司

地下水封洞庫(kù)工程具有占地小、安全性高、對(duì)景觀破壞小、維修費(fèi)用低、投資小、適合戰(zhàn)備要求的特點(diǎn)[1]，是國(guó)內(nèi)近年來發(fā)展建設(shè)國(guó)家石油戰(zhàn)略儲(chǔ)備庫(kù)的主要儲(chǔ)油方式。建設(shè)地下水封洞庫(kù)的關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)是在不良地質(zhì)條件下對(duì)圍巖進(jìn)行注漿、堵水、防滲處理，根據(jù)GB/T 504455—2020《地下水封石洞油庫(kù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》的相關(guān)規(guī)定“處理后的洞罐滲水量，每100×104m3庫(kù)容不宜大于200 m3/d”，目前我國(guó)已建及在建地下水封洞庫(kù)均采用以水泥注漿為主的堵水方式來滿足規(guī)范要求[2]。由于水泥是顆粒狀材料，其漿液為懸浮性漿液，容易出現(xiàn)料水分離現(xiàn)象[3]。在主洞室邊墻、一些花崗巖微細(xì)裂隙發(fā)育、斷層破碎影響帶、軟弱泥化夾層等區(qū)域的防滲處理過程中，發(fā)現(xiàn)常規(guī)的水泥漿液、超細(xì)水泥漿液在處理較細(xì)小裂隙的滲漏和破碎帶泥化夾層的效果不佳，因而反復(fù)調(diào)整注漿設(shè)計(jì)參數(shù)及工藝，采取水泥注漿及超細(xì)水泥多次補(bǔ)灌措施，但因巖層的特殊性和處理方式的局限性，仍然不能達(dá)到理想的效果[4]。

經(jīng)調(diào)研眾多水利水電、礦山、交通等地下工程，對(duì)于不良地質(zhì)條件下的圍巖，常采用復(fù)合材料進(jìn)行注漿封堵，效果良好。因復(fù)合材料為真溶液，是非顆粒狀漿材，漿材可以滲入花崗巖微小裂隙、斷層破碎影響帶、軟弱泥化夾層等區(qū)域；而水泥是顆粒狀漿材，不能灌入細(xì)微裂隙，因此復(fù)合材料的可灌性更好，也得到了廣泛的應(yīng)用。

我國(guó)東南地區(qū)某洞庫(kù)工程，建設(shè)規(guī)模為500×104m3，施工期主洞室頂層開挖完成后，洞室的總涌水量達(dá)到峰值，約為8 000～9 000 m3/d，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過詳細(xì)勘察階段預(yù)測(cè)的洞室最大涌水量。當(dāng)主洞室開挖全部完成后，再次進(jìn)行注漿堵水處理，洞室的總涌水量得到了有效的控制，但離規(guī)范要求的允許值1 000 m3/d 仍有一定的差距。為了滿足工程建設(shè)的要求，首次提出在普通水泥和超細(xì)水泥注漿的基礎(chǔ)上，進(jìn)行復(fù)合注漿生產(chǎn)性試驗(yàn)，優(yōu)選注漿工藝參數(shù)，注漿效果檢驗(yàn)后，已滿足了規(guī)范中涌水量的要求。同時(shí)本次工程的復(fù)合注漿生產(chǎn)性試驗(yàn)的成功應(yīng)用，可為類似工程提供相關(guān)經(jīng)驗(yàn)與指導(dǎo)。

1 工程概況

某地下水封石油洞庫(kù)位于我國(guó)東南沿海地區(qū)，庫(kù)址區(qū)東側(cè)和南側(cè)各有一條河流，東側(cè)河流寬約150 m，南側(cè)河流寬約200 m，兩側(cè)河流在庫(kù)址區(qū)東南側(cè)交匯后匯入海洋，距離海洋口僅約30 km，地下洞室距離南側(cè)河流最近約600 m，洞庫(kù)設(shè)計(jì)庫(kù)容500×104m3。

1.1 工程地質(zhì)條件

工程區(qū)屬波狀平原及濱海地帶，剝蝕殘丘地形，第四系殘積層地貌，地表植被茂盛，多為果樹林、農(nóng)田及雜草。工區(qū)地層巖性主要為：第四系殘坡積層；燕山一期片麻狀花崗巖、花崗閃長(zhǎng)巖；燕山中晚期煌斑巖脈、花崗偉晶巖脈、細(xì)晶狀長(zhǎng)英質(zhì)巖脈等各種巖脈。

根據(jù)勘察成果，庫(kù)址區(qū)揭露有3條斷層，分別為F1、F2 和F3。F1 斷層位于庫(kù)址北側(cè)，相距約800 m，產(chǎn)狀N80°W/NE∠75°，分布有斷層角礫巖及寒武系的變質(zhì)泥質(zhì)粉砂巖，推測(cè)延伸至庫(kù)址區(qū)東側(cè)河流，揭露厚度約150 m；F2斷層自西北向東南穿過整個(gè)庫(kù)區(qū)，產(chǎn)狀N38°W/SW∠66°～74°，有石英巖脈侵入及泥化現(xiàn)象，揭露厚度約4 m；F3斷層自西南向北東斜穿庫(kù)區(qū)東南角，產(chǎn)狀N55°E/SE∠75°，有石英巖脈及偉晶巖脈侵入及局部泥化現(xiàn)象，揭露厚度2 m～5 m。

揭露還有9 條貫通性的節(jié)理密集帶，分別為L(zhǎng)1～L9。施工期開挖至主洞室頂層時(shí)，又揭露有透水性較強(qiáng)的29 條f 結(jié)構(gòu)面（編號(hào)f1～f29）和68條l結(jié)構(gòu)面（編號(hào)l1～l68）。

因此，庫(kù)址區(qū)工程地質(zhì)條件極其復(fù)雜，為洞庫(kù)的注漿堵水帶來了巨大挑戰(zhàn)。

1.2 水文地質(zhì)條件

我國(guó)東南部屬熱帶和亞熱帶季風(fēng)氣候，終年受海洋氣候調(diào)節(jié)，年平均雨量1 395.5～1 723.1 mm（1981—2010 年氣候資料）。年降雨量充沛，4～9月為多雨季節(jié)，8月雨量最多，10月至次年3月雨量較少。低壓、熱帶風(fēng)暴、臺(tái)風(fēng)登陸影響較為頻繁。

庫(kù)址區(qū)地下水類型按埋藏條件及賦存介質(zhì)分為松散巖類孔隙潛水和裂隙潛水，其中裂隙潛水又可分為淺層的網(wǎng)狀裂隙水和深層的脈狀裂隙水?？紫稘撍x存于第四系松散地層中，裂隙潛水賦存于基巖裂隙中。其中深層脈狀裂隙水主要賦存于中風(fēng)化帶中深部及其以下的巖體中，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，為洞庫(kù)注漿堵水主要對(duì)象。

2 復(fù)合材料的生產(chǎn)試驗(yàn)

2.1 復(fù)合材料注漿的優(yōu)點(diǎn)及分類

復(fù)合材料注漿是將一定的化學(xué)材料（無機(jī)或有機(jī)材料）配制成溶液，用注漿泵等設(shè)備將其灌入地層或縫隙內(nèi)，使其滲透、擴(kuò)散、膠凝或固化，以增加地層強(qiáng)度、降低地層滲透性、防止地層變形，也是進(jìn)行混凝土建筑物裂縫修補(bǔ)時(shí)加固基礎(chǔ)、防水堵漏和混凝土缺陷補(bǔ)強(qiáng)的一項(xiàng)技術(shù)[5-6]。即復(fù)合材料注漿是化學(xué)材料與工程相結(jié)合，運(yùn)用化學(xué)科學(xué)、化學(xué)漿材和工程技術(shù)進(jìn)行基礎(chǔ)和混凝土缺陷的處理（加固補(bǔ)強(qiáng)、防滲止水），保證工程的順利進(jìn)行及提高工程質(zhì)量的一項(xiàng)技術(shù)[7]。

復(fù)合材料注漿的漿液優(yōu)點(diǎn)主要有可灌性好，無粒徑限制，凝膠時(shí)間、強(qiáng)度及彈模都可控制，抗?jié)B性好，耐久性優(yōu)良，可用于永久工程；缺點(diǎn)是價(jià)格貴、有不同程度的毒性[8]。目前最常用的復(fù)合注漿材料可分為兩大類：防滲止水類，有水玻璃、丙烯酸鹽、水溶性聚氨酯、彈性聚氨酯和木質(zhì)素漿等[9-10]；加固補(bǔ)強(qiáng)類，有環(huán)氧樹脂、甲基丙烯酸甲酯、非水溶性聚氨酯漿等。近年來應(yīng)用最多的是水玻璃、聚氨酯和環(huán)氧樹脂漿材。

2.2 復(fù)合材料有害性鑒定

環(huán)氧樹脂注漿材料經(jīng)中國(guó)建材檢驗(yàn)認(rèn)證集團(tuán)股份有限公司檢測(cè)，該材料有害物質(zhì)含量符合國(guó)家建材行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JC 1066—2008《建筑防水涂料中有害物質(zhì)限量》中規(guī)定的各項(xiàng)有害物質(zhì)限量指標(biāo)。經(jīng)相關(guān)部門檢測(cè)，環(huán)保型環(huán)氧樹脂注漿材料其LD50 指標(biāo)數(shù)值大于5 000 mg/kg，實(shí)際無毒。各項(xiàng)指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果見表1。環(huán)氧樹脂注漿材料表面張力為28.13 mN/m（1 h），與花崗巖接觸角為0°，表明環(huán)氧注漿材料浸潤(rùn)滲透性和動(dòng)水下可灌性強(qiáng)。同時(shí)委托有資質(zhì)的專業(yè)部門對(duì)廢棄材料進(jìn)行無害化處理，可確保對(duì)環(huán)境無污染。

表1 環(huán)保型環(huán)氧樹脂材料揮發(fā)性有機(jī)化合物檢測(cè)結(jié)果Tab.1 Detection results of volatile organic compounds in environment friendly epoxy resin materials

2.3 復(fù)合材料與原油的反應(yīng)試驗(yàn)

通過原油、環(huán)氧樹脂注漿材料化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)，并結(jié)合TG-DSC（同步熱分析）及SEM（掃描電鏡）等測(cè)試手段，分析原油和環(huán)氧灌漿材料固結(jié)體兩種樣品的熱穩(wěn)定性。由圖1可知，原油樣品測(cè)試前為液體，460 ℃時(shí)余重為39.8%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（圖中TG 為加熱溫度與余重的關(guān)系，DSC 為加熱溫度與測(cè)試體電位差的關(guān)系）。此時(shí)并未出現(xiàn)放熱或吸熱峰，原油電位差未發(fā)生急劇變化，說明失重是來自于液體揮發(fā)；加熱至586 ℃時(shí)的失重因固體殘留物的燃燒放熱，電位差變化速率加快，并達(dá)到峰值1.0 μV。由圖2可知，環(huán)氧注漿固結(jié)體樣品加熱至339 ℃時(shí)樣品出現(xiàn)了第一次明顯放熱峰，電位差變化速率加快，余重為33.75%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）；加熱至510 ℃時(shí)出現(xiàn)第二次放熱峰至完全煅燒干凈，電位差變化速率再次加快，并達(dá)到峰值0.4 μV。分析圖譜表明，原油和環(huán)氧灌漿材料固結(jié)體兩種樣品的熱穩(wěn)定好，不易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。試驗(yàn)結(jié)果見圖1～圖4。

圖1 原油TG-DSC測(cè)試Fig.1 TG-DSC test of crude oil

圖2 環(huán)氧注漿固結(jié)體TG-DSC測(cè)試Fig.2 TG-DSC test of epoxy grouted solid

圖3 固結(jié)體SEM浸泡前Fig.3 Grouted solid body before SEM immersion

圖4 固結(jié)體SEM浸泡后Fig.4 Grouted solid after SEM immersion

在對(duì)環(huán)氧樹脂材料毒性及與原油的反應(yīng)做了相應(yīng)的鑒定與試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，同時(shí)調(diào)研了三峽工程、向家壩水電站、溪洛渡水電站、南水北調(diào)中線一期工程、丹江口水利樞紐、清遠(yuǎn)抽水蓄能電站等多個(gè)重點(diǎn)水利水電工程，調(diào)研結(jié)果發(fā)現(xiàn)環(huán)氧樹脂材料對(duì)工程周邊水體環(huán)境無影響，且封堵效果很好。針對(duì)地下水封石油洞庫(kù)工程特點(diǎn)，環(huán)氧樹脂材料作為注漿材料既不與原油反應(yīng)又不污染周邊水體，符合地下水封洞庫(kù)開挖后期的注漿止?jié)B試驗(yàn)材料選用要求。

2.4 復(fù)合材料注漿試驗(yàn)

選擇洞室內(nèi)巖體質(zhì)量為Ⅱ級(jí)經(jīng)普通水泥+超細(xì)水泥多次處理過的典型部位，進(jìn)行復(fù)合材料注漿堵水補(bǔ)強(qiáng)試驗(yàn)。經(jīng)過統(tǒng)計(jì)分析試驗(yàn)區(qū)每個(gè)注漿孔的注前壓水實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得知，處理后整體透水性較弱，透水率主要分布在1.0～2.0 Lu，平均透水率為1.56 Lu，其中最大值3.20 Lu，最小值0.06 Lu（圖5）。由復(fù)合材料注漿單孔注入量可知（圖6），該段單孔注入量主要分布在40～60 kg，平均注入量為49.25 kg，其中最大值132.90 kg，最小值2.10 kg。由此表明，在巖體質(zhì)量相對(duì)較好的區(qū)域，復(fù)合材料仍具有較強(qiáng)的可灌性。

圖5 試驗(yàn)區(qū)注漿前透水率分布Fig.5 Distribution of permeability rate before grouting in test area

圖6 復(fù)合材料注漿單孔注入量分布Fig.6 Single-hole injection volume distribution of composite materials grouting

統(tǒng)計(jì)分析復(fù)合材料注漿前涌水量數(shù)據(jù)可知（表2），32 個(gè)注漿孔中有18 個(gè)孔有地下水水流滲出，占比66.6%。經(jīng)復(fù)合材料注漿后，再布設(shè)2 個(gè)檢查孔J1、J2，其滲水量可忽略不計(jì)，且兩個(gè)檢查孔的透水率分別為0.05 Lu和0.037 Lu。

由表2可知，進(jìn)行復(fù)合材料注漿后，表面僅為浸潤(rùn)，無明顯可量測(cè)滲水。注漿完成后布設(shè)的檢查孔平均透水率已降至0.044 Lu，注漿試驗(yàn)效果明顯。采用鉆孔取芯法檢查復(fù)合材料注漿效果，由鉆孔巖心可知，巖體中普通水泥及超細(xì)水泥都已無法滲入的裂隙部位，但復(fù)合材料可以滲入，且漿液擴(kuò)散明顯，膠結(jié)強(qiáng)度高。

表2 復(fù)合材料注漿前后注漿孔涌水量統(tǒng)計(jì)Tab.2 Statistics of water inflow of grouting hole before and after composite materials grouting

2.5 復(fù)合材料注漿試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)對(duì)該地下水封石油洞庫(kù)復(fù)合材料注漿的研究成果及試驗(yàn)結(jié)果，項(xiàng)目建設(shè)方邀請(qǐng)了化學(xué)注漿協(xié)會(huì)成員及國(guó)內(nèi)相關(guān)復(fù)合材料注漿專家召開了該工程復(fù)合材料注漿試驗(yàn)成果專家論證會(huì)，經(jīng)與會(huì)專家的討論與咨詢，認(rèn)為該試驗(yàn)方案與工藝總體可行：①根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)采用的水泥-環(huán)氧樹脂復(fù)合注漿試驗(yàn)結(jié)果，工程效果良好，達(dá)到了試驗(yàn)區(qū)域防水堵漏的預(yù)期目標(biāo)。②根據(jù)庫(kù)址區(qū)花崗巖巖體特征、揭露的導(dǎo)水構(gòu)造發(fā)育情況，在微小裂隙中存在連通性和滲透性較差的部位，普通水泥與超細(xì)水泥注漿均無法取得良好效果，而采用水泥-環(huán)氧樹脂的復(fù)合型材料注漿效果良好。③根據(jù)多項(xiàng)試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)論以及水利水電工程應(yīng)用案例，環(huán)氧樹脂漿材對(duì)原油和地下水環(huán)境條件不會(huì)產(chǎn)生不利影響，且具有良好的耐久性和穩(wěn)定性。

3 復(fù)合材料注漿的工程應(yīng)用

復(fù)合材料注漿技術(shù)已在國(guó)內(nèi)發(fā)展的較為成熟，部分技術(shù)處于國(guó)際領(lǐng)先水平。目前在國(guó)內(nèi)的水電站、建筑、交通和采礦等部門得到推廣應(yīng)用。國(guó)內(nèi)大型水利水電工程中復(fù)合注漿應(yīng)用時(shí)間見表3。

表3 國(guó)內(nèi)部分工程復(fù)合注漿材料應(yīng)用時(shí)間Tab.3 Application time of composite grouting materials in some projects in China

在經(jīng)過了復(fù)合材料試驗(yàn)和論證后，該地下水封石油洞庫(kù)的滲水部位以及增加的一些部位進(jìn)行復(fù)合材料注漿后均達(dá)到了較為理想的效果。以主洞室①，樁號(hào)0+620 m—0+632 m 段第四層左邊墻復(fù)合材料注漿為例，該段左側(cè)洞室?guī)r體主要為微風(fēng)化片麻狀花崗巖，節(jié)理稍發(fā)育-較發(fā)育，巖體較完整-較破碎，巖體強(qiáng)度高，圍巖等級(jí)為Ⅱ～Ⅲ級(jí)。該段洞室開挖后揭露滲水點(diǎn)，進(jìn)行過多次后注漿處理，目前洞室邊墻仍有滲水，地下水沿巖壁滲出，滲水量較大，約3.0 L/min。根據(jù)地質(zhì)素描情況，分析該段巖體導(dǎo)水裂隙比較發(fā)育，主要出水裂隙產(chǎn)狀為10°∠70°～80°和220°∠35°。

考慮到該區(qū)域存在多組滲水結(jié)構(gòu)面，地下水沿巖壁從多處滲出，且經(jīng)多次水泥注漿處理后仍有較大滲水，對(duì)整個(gè)區(qū)域進(jìn)行加密注漿處理（圖7）。經(jīng)處理后巖壁表面僅為濕潤(rùn)，再無地下水滲出現(xiàn)象。

圖7 主洞室①，樁號(hào)0+620 m—0+650 m段注漿孔布置Fig.7 Grouting hole layout of pile number 0+620 m-0+650 m,main cavern ①

4 結(jié)論

對(duì)于地下水封洞庫(kù)主洞室邊墻、頂拱一些花崗巖微細(xì)裂隙發(fā)育、斷層破碎影響帶、軟弱泥化夾層等區(qū)域，常規(guī)的水泥漿液和超細(xì)水泥漿液對(duì)這些區(qū)域位置進(jìn)行注漿堵水作業(yè)時(shí)，需反復(fù)調(diào)整注漿設(shè)計(jì)參數(shù)及工藝，采取多次補(bǔ)灌措施，且處理效果不佳。

環(huán)氧樹脂作為復(fù)合注漿材料在其他工程行業(yè)已有成熟的應(yīng)用，經(jīng)試驗(yàn)檢測(cè)環(huán)氧樹脂作為復(fù)合注漿材料，其有害物質(zhì)限量指標(biāo)含量符合國(guó)家建材行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)各項(xiàng)規(guī)定要求，其LD50 指標(biāo)數(shù)值大于5 000 mg/kg，為無毒材料，對(duì)環(huán)境無污染。同時(shí)經(jīng)檢測(cè)其表面張力為28.13 mN/m（1 h），與花崗巖接觸角為0°，表明環(huán)氧注漿材料浸潤(rùn)滲透性和動(dòng)水下可灌性強(qiáng)，在國(guó)內(nèi)某地下水封石油洞庫(kù)工程進(jìn)行復(fù)合材料注漿堵水補(bǔ)強(qiáng)試驗(yàn)后，場(chǎng)地平均透水率由1.56 Lu下降至0.044 Lu，無地下水滲出現(xiàn)象，注漿試驗(yàn)效果明顯，表明環(huán)氧樹脂作為注漿材料適合用于地下水封洞庫(kù)工程某些地質(zhì)條件復(fù)雜的區(qū)域，為其他類似工程的建設(shè)提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。