強透水地層帷幕灌漿參數(shù)的確定

王 豐

(新疆水利水電科學(xué)研究院，烏魯木齊 830049)

0 引言

帷幕灌漿在我國已經(jīng)有多年的發(fā)展歷史，也是在防滲工程中常采用的處理措施，但由于進行帷幕灌漿的相關(guān)條件在試驗室很難做出模型試驗，大部分試驗都依附在建工程進行現(xiàn)場試驗。在中葛根水庫的圍堰防滲工程施工中，就遇到在河床砂卵石地層中的防滲問題，特別是在地下水流速較高的情況下的帷幕灌漿就顯得的更加困難，由于原設(shè)計是采用高壓噴射灌漿的方法進行防滲處理的，但在施工過程中發(fā)現(xiàn)，在遇到粒徑較大的卵石地層時防滲效果比較差，不能滿足設(shè)計要求。為了解決這個難題，針對強透水地層帷幕灌漿開展了專題試驗。傳統(tǒng)的砂卵石地層防滲帷幕灌漿，大都采用灌注以黏土為主加少量水泥的混合漿液，并需布置3排以上的灌漿孔，才能保證帷幕的防滲效果。這樣就提高了灌漿的造價，由于黏土灌漿只是利用黏土顆粒填充砂卵石的空隙，其一般的強度都比較低，在工程運行后，往往會發(fā)生滲流破壞，從而導(dǎo)致整個工程的失敗。

所以，本次試驗是以單排帷幕灌漿、選用合適的灌漿材料為突破口，探索出一種造價低、工期短、性能好的帷幕灌漿方法。并根據(jù)工程實際對不同地質(zhì)情況、處理深度、防滲效果等進行試驗，確定出該方法的適用范圍、應(yīng)用條件和不同的滲漏情況選用相應(yīng)的施工參數(shù)和施工工藝，使之達到設(shè)計要求。該方法成功的應(yīng)用于中葛根水庫圍堰防滲工程，為在類似工程的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

1 灌漿實驗

1.1 試驗內(nèi)容

本次試驗主要內(nèi)容為:灌漿實驗(室內(nèi)試驗和現(xiàn)場試驗)、灌漿壓力的確定、灌漿工藝、灌漿控制參數(shù)的選定。

1.2 灌漿試驗

為了驗證這種施工工藝在強透水地層防滲中的適應(yīng)性，為施工提供必要的技術(shù)參數(shù)，需要做相應(yīng)的室內(nèi)試驗和現(xiàn)場試驗。

1.2.1 室內(nèi)試驗

1)灌漿材料的選擇:砂礫石層的防滲帷幕灌漿，大都是灌注以黏土為主加少量水泥的混合漿液，但黏土顆粒在水流的作用下，宜被水流沖刷帶走，需要多排帷幕才能達到防滲標準。其造價也相應(yīng)較高。為了降低工程造價，只有采用單排帷幕灌漿，為了保證防滲效果，應(yīng)對漿液進行選擇。水泥是常用的灌漿材料，本次試驗就采用水泥作為強透水地層的灌漿主要材料，并把水玻璃作為促凝劑。2)模擬地層試驗的取材:取用庫區(qū)的砂卵石料，根據(jù)地質(zhì)資料提供的當(dāng)?shù)夭煌貙蛹壟淝闆r，模擬出細顆粒較少的砂卵石、細顆粒較多的砂卵石、細砂層、細砂層與砂礫石混合料。3)灌漿材料:選采用42.5R普通硅酸鹽水泥和水玻璃。4)漿液配比:漿液濃度采用重量比為 1∶1、0.8∶1、0.5∶1 共 3 個比級，水玻璃摻入量按不同的配比分別為5%、10%、15%。5)模型設(shè)計:試驗?zāi)Ｐ筒捎脽o縫鋼管，主要模擬漿液的擴散和灌后地層抗?jié)B性，其模型要求能承受3～4 Mpa壓力。

1.2.2 現(xiàn)場試驗

1)試驗段的選擇:試驗段選擇在奇臺縣中葛根水庫圍堰地段。河床壩基寬約 20～30 m，第四系覆蓋層厚 11～17.5 m，巖性為砂卵石層，表層實測天然密度為 2.1～2.26 g/cm3，室內(nèi)試驗最大干密度為2.29 g/cm3，相對密實度為0.69－0.84。抽水試驗砂卵石覆蓋層的滲透系數(shù)為36.32 m/d。河床基底巖體為角礫巖，系良好的壩基巖體，根據(jù)鉆孔壓水試驗其透水率＜5 lu的界線的埋深為25 m。2)漿液配比:選用了同室內(nèi)試驗相同的配比 1∶1、0.8∶1、0.5∶1。水玻璃摻入量也與室內(nèi)試驗相同為5%、10%、15%。

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最后經(jīng)過分析比較在工程中應(yīng)用了8% ～12%的水玻璃配比進行施工。最后經(jīng)過分析比較在工程中應(yīng)用了0.8∶1的配比進行灌漿施工。

1.2.3 試驗結(jié)果

經(jīng)室內(nèi)和現(xiàn)場試驗最終得出以下結(jié)果并應(yīng)用到工程實際施工:1)采用單排帷幕即可達到防滲效果;2)漿液濃度采用重量比為0.8∶1;3)水玻璃摻入量為8% ～15%。

2 灌漿壓力試驗

灌漿壓力均由理論計算與現(xiàn)場試驗來確定，砂卵石地層由于結(jié)構(gòu)疏松，有效孔隙較大，自身結(jié)構(gòu)所平衡的灌漿壓力非常有限，灌漿壓力由灌漿段以上的蓋重來平衡灌漿壓力。一般都以不使地層結(jié)構(gòu)破壞作為確定允許灌漿壓力，同時考慮防止?jié){液過遠流失到帷幕范圍以外，而造成注漿材料的浪費。

2.1 灌漿壓力的計算

灌漿壓力經(jīng)驗計算公式為:

式中:P為允許灌漿壓力;β為系數(shù)，在1—3范圍內(nèi)選擇;γ為砂礫石層之上的蓋重層的重度，kN/m3;T為蓋重層的厚度;C為與灌漿次序有關(guān)的系數(shù)，Ⅰ序孔c=1，Ⅱ序孔c=1.25，α為與灌漿方式有關(guān)的系數(shù)，自上而下灌漿α=0.8，自下而上灌漿α=0.6;λ為灌漿段以上砂礫石層的平均重度，kN/m3;h為蓋重層底面至灌漿段段頂?shù)纳疃?，m，無蓋重層時，自砂礫石表面算起;經(jīng)計算灌漿壓力應(yīng)控制在1.5～2.5 kPa

2.2 現(xiàn)場試驗

為了確定合理的灌漿壓力，在中葛根水庫圍堰試驗段進行了試驗，根據(jù)現(xiàn)場灌漿試驗可知，上述計算的灌漿壓力是可行的。

3 灌漿工藝試驗

灌漿工藝采用跟管灌漿法，為防止輸漿管堵死，采用雙管輸液，雙液在灌漿部位混合。

帷幕排數(shù)為單排。按照試驗確定的灌漿壓力和漿液配比進行灌漿。

1)試驗的內(nèi)容:試驗內(nèi)容包括鉆孔方法、灌漿方法、試驗灌漿材料及漿液配比、試驗灌漿效果分析、灌漿后帷幕的滲透系數(shù)及允許水力坡降。同時，收集鉆孔地層地質(zhì)結(jié)構(gòu)，取土樣室內(nèi)試驗，作分段分層壓水試驗。

2)試驗場地的選擇:試驗場地選擇在圍堰樁號0+080處。

3)施工工藝流程:帷幕灌漿施工依據(jù)“分序加密”的原則，分兩序施工，即先進行Ⅰ序孔，然后Ⅱ序孔施工。布孔—造孔—拔管—灌漿—封孔。

4)鉆孔方法:金剛石清水循環(huán)鉆進，全孔套管跟進，鉆孔直徑75～110 mm。

5)灌漿方法:采用自下而上分段灌漿法。

6)灌漿方式:采用純壓式灌漿。由于在砂卵石層灌漿注入量較大，因此必須控制，當(dāng)漿液注入量＞50 L/min時，應(yīng)采用雙漿液灌漿的辦法進行，水玻璃的參量為水泥漿量的8%～15%為宜，水玻璃通過管路上的閥門進行控制，雙漿液在孔口封閉器處混合，混合后的漿液會立即變稠，通過壓力將雙漿液壓入砂卵石空隙內(nèi)，達到控制控制的目的。

7)灌漿壓力的控制:根據(jù)試驗提供的數(shù)據(jù)，該地層的允許灌漿壓力為2.5 kPa，在實際s施工中，根據(jù)地層吸漿情況以及對地表的觀察，視有無冒漿或抬動變形情況再做壓力調(diào)整，由低逐漸加大，最終達到試驗確定的灌漿壓力。灌漿段長度為1 m。

8)漿液質(zhì)量控制:選擇合格的水泥、水玻璃進行施工，在灌漿過程中采用泥漿比重計進行檢測，不符合要求的水泥漿作為廢漿棄掉。

9)封孔:當(dāng)灌漿達到最大壓力后，累積灌入的漿液總量達到設(shè)計要求后，灌漿即可結(jié)束。然后立即用拔管機將套管拔出，采用置換法將孔內(nèi)的稀漿置換出來后灌注0.5∶1的濃漿進行封孔，待孔內(nèi)水泥漿凝固后，再采用水泥砂漿進行封堵，并將孔口抹平即可結(jié)束。

4 灌漿效果檢查

4.1 滲水量檢查

在圍堰的帷幕灌漿前后分別作注水試驗來檢查灌漿效果。由試驗可知，灌漿前砂卵石層的滲透系數(shù)在3.7×10－2～1.4×10－1cm/s，灌漿后為滲透系 2.4 ×10－4cm/s，滿足了設(shè)計要求。并在圍堰截流后灌漿之前圍堰后架設(shè)了3臺60 m3/h的潛水泵不間斷抽水，相當(dāng)于每小時滲水量為180 m3，在帷幕灌漿完成后滲水明顯減少，1臺60 m3/h潛水泵停0.5 h抽水0.5 h，相當(dāng)于滲水量為30 m3/h，通過灌前灌后抽水量的對比，也反映出灌漿效果是非常明顯的。

4.2 探坑檢查

1)漿液完全將砂卵石中的空隙填滿，形成良好的防滲體，膠結(jié)牢固，達到了設(shè)計要求。2)一序與二序灌漿孔的漿體之間連接良好，兩孔之間已形成密實牢固的土體，在同一深度上厚度較為均勻，從開挖的6 m深度的探坑來看，影響厚度為2～3 m，達到了設(shè)計要求。在兩孔結(jié)合中心處通過取芯試驗，其滲透系數(shù)均＜10－4cm/s。5組所取巖芯的滲透系數(shù)均在設(shè)計規(guī)定的標準之內(nèi)。

5 結(jié)語

1)將常規(guī)的灌漿技術(shù)應(yīng)用到了強透水層，特別是在飽和砂礫石層水流流速比較大的情況下能夠在較短的時間內(nèi)將漿液進行控制技術(shù)，并且有效地控制了漿液的影響范圍在2～3 m。使原砂卵石地層的滲透系數(shù)由10－1～10－2cm/s，達到10－4cm/s，滿足了相關(guān)設(shè)計要求。

2)通過控制漿液的凝固時間，縮小了灌漿影響范圍，降低了工程成本。根據(jù)該工程實例經(jīng)初步估算可降低成本約30%。

3)從改變以往多排帷幕灌漿為單排帷幕灌漿，從而節(jié)省了成本，縮短了工期。

4)在強透水層灌漿中發(fā)現(xiàn)了經(jīng)常漿液被抱死的現(xiàn)象，并找到了新的解決方法，首次提出了采用雙管孔底混合灌漿法，從而提高了施工效率和灌漿效果。

5)經(jīng)過施工工藝和漿液配合比的試驗，采用純水泥漿液克服了黏土漿液的抗沖刷能力低的問題。采用雙液輸入水泥漿液和外加劑的工藝，有效地防止了輸漿管堵死的現(xiàn)象，顯著地提高了施工效率。

6)該方法具有質(zhì)量可靠、投資省、見效快、工期短的特點，為相似工程提供了參考。

［1］劉文清.水利水電灌漿工程施工工藝與技術(shù)標準實用手冊［M］.合肥:安徽文化音像出版社，2004.

［2］宋玉才.砂礫石地基垂直防滲［M］.北京:中國水利水電出版社，2009.