復合水泥基—水玻璃雙液注漿材料在土石壩防滲施工中的應用

劉國柏

(遼寧潤中供水有限責任公司，遼寧 沈陽 110000)

隨著經濟建設的發(fā)展，注漿技術在水利工程壩基防滲中得到了廣泛的使用。在注漿過程中，注漿材料的選擇具有重要意義，如果選擇不當不僅會影響注漿施工的質量，還會大幅抬升施工成本。目前，在水利工程防滲施工過程中主要采用水泥漿和化學漿兩種注漿材料。其中，水泥漿成本較低、結石體強度高，但流動性較差，結石率低；化學漿具有結石率高、易于施工的優(yōu)勢，但成本較高、易污染，同時耐久性較差[1]。因此，研究開發(fā)新型復合水泥基注漿材料，對水利工程水害防治具有重要意義。本文根據不同的壩基地質狀況，設計了復合水泥基—水玻璃雙液注漿材料，具有間隔低廉、性能良好、原料廣泛且不污染環(huán)境的優(yōu)點，具有較高的推廣價值。

1 注漿技術在土石壩防滲中的適用性分析

近年來，我國水利工程投資和建設力度不斷加大，水利工程大壩設計標準也不斷提高，但在小型水利工程中仍存在大量的土石壩。這種壩型的壩體主要由土和砂石構成，由黏土或混凝土構成壩心。在土石壩的施工過程中雖然對壓實度進行了必要的控制，但并不能完全避免部分區(qū)域存在質量缺陷，在蓄水之后這些部位的滲透作用仍會對土石壩產生一定的負面影響。例如，嚴重的滲流就會引起管涌，從而對壩體本身以及穿壩管涵造成明顯的不利影響，輕則影響到這些水工建筑物的使用年限，重則影響土石壩的整體穩(wěn)定性。因此，必須要采取一定的措施來消弱滲流現象。

大壩的防滲處理措施多種多樣，這些防滲措施也各有優(yōu)缺點，在實際施工應根據具體工程特點選擇合適的防滲處理措施。對土石壩而言，由于壓實度相對較高(一般土石壩的壓實度不小于0.98)，一般不會出現比較嚴重的滲流問題，因此沒有必要采取成本高、施工技術復雜的混凝土防滲墻[2]；由于大壩土的壓實度較高，開溝造槽困難，不易采取垂直膜防滲技術[3]。注漿防滲技術近年來獲得了較大的發(fā)展，其中劈裂注漿適用于處理范圍大、問題性質和部位不能準確確定的隱患。因此極為適合土石壩防滲處理。

2 復合水泥基—水玻璃雙液注漿材料

2.1 原材料分析

(1)水泥

復合水泥基—水玻璃雙液注漿材料所用的水泥采用的是PO.425普通硅酸鹽水泥。之所以選用普通硅酸鹽水泥是由于雙液材料的凝膠時間極短，不會產生嚴重析水現象，同時這種水泥成本較低，具有顯著的經濟優(yōu)勢[4]。

(2)粉煤灰

漿液選用的粉煤灰為二級灰，細度為18%，需水量為103%，燒失率為7.3%。加入粉煤灰的目的不僅是為了降級施工成本，其后期的水化作用也會對揭示體的后期補強起到重要作用。此外，由于粉煤灰顆粒呈球狀且粒徑較小，可以有效增加漿液的和易性，增大漿液的流動性[5]。

(3)鈉基膨潤土

在灌漿材料中加入鈉基膨潤土的目的是抵消注漿材料的體積干縮，防止由于干縮而與原土體之間的產生縫隙從而形成滲流通道。另一方面，加入此種材料還有助于改善與周圍土體之間的親和性，提高注漿效果。鈉基膨潤土的理化性能指標見表1。

表1 鈉基膨潤土的理化性能指標

(4)水玻璃

水泥和水玻璃可以通過化學反應促進水泥漿的快速硬化[6]，其反應原理如下：

Ca(OH)2+NaO·nSiO2+mH2O→Ca·nSiO2·mH2O+NaOH

2.2 配合比的確定

結合相關研究結論和實際經驗，按照水泥占60%～70%，粉煤灰占25%～35%，膨潤土占5%；水玻璃與復合水泥漿的體積比為1∶1、1∶2、1∶3，9組試驗配合比見表2，對試件按照恒溫恒濕條件進行養(yǎng)護。

表2 材料試驗配合比

對上述9組不同配合比的復合水泥基—水玻璃雙液注漿材料進行膠凝時間以及結石體的抗折和抗壓強度試驗，獲得表3數據。由表3數據可知，將普通硅酸鹽水泥作為漿液的基本材料能夠有效保證結石體的強度，提高結石體的抗?jié)B性能；加入一定的水玻璃可以明顯縮短漿液的膠凝時間，但是會降低結石體的抗折與抗壓強度；添加粉煤灰雖然有助于提高漿液的流動性，易于施工的順利進行，但是會降低結石體的后期強度，延長漿液的膠凝時間。通過對試驗結果的綜合分析，選定B2為最佳配合比。

表3 不同配合比漿液試驗數據

3 注漿施工

3.1 施工工藝流程

土石壩復合水泥基—水玻璃雙液注漿防滲施工普通注漿防滲施工工藝類似，其工藝流程如圖1所示。

圖1 注漿施工流程

3.2 注漿參數和孔位設計

利用復合水泥基—水玻璃漿液進行土石壩防滲雙液注漿時，采用后退式劈裂注漿模式，注漿管采用直徑46mm的鋼花管，管壁厚5mm，具體的注漿參數見表4，注漿孔設計如圖2所示。

表4 注漿參數表

圖2 注漿孔設計示意圖

3.3 施工方法

3.3.1鉆孔

在灌漿施工前，首先利用測量放線的方式確定注漿孔位。采用工程地質鉆機進行鉆孔，鉆孔的位置偏差不大于10cm，鉆孔的方向和深度嚴格按照設計要求進行。在注漿孔鉆成之后，需要使用大水流或壓縮空氣沖洗鉆孔，以排除孔內的渣屑。在施工前利用注漿壓力80%的壓力水進行裂隙的沖洗，直至回水清凈。在鉆孔過程中利用套管進行孔位定位，鉆孔直徑為89mm，在鉆進100mm后放置止?jié){塞。在鉆孔施工過程中要做好記錄，并對孔位的土層與地質特征進行描述，并將其作為注漿量判斷和調整注漿參數的重要依據。

3.3.2安裝空口管

孔口管的直徑為46mm，用水泥、水玻璃砂漿進行孔口管的埋設，并在關口安裝直徑為46mm的球形閘閥，以封閉鉆孔過程中出現的涌水。

3.3.3注漿作業(yè)

注漿系統(tǒng)的示意圖如圖3所示。

圖3 注漿系統(tǒng)示意圖

在注漿施工過程中，注漿壓力要由小到大緩慢提升，直到達到起裂壓力，促使壩體產生劈裂。如果孔口壓力明顯下降或出現負壓時，應該及時調整注漿壓力和漿液密度繼續(xù)注漿。在土石壩劈裂注漿過程中應該堅持“少注多復”的方法，每個注漿孔都需要反復多次注漿，以提高注漿效果。具體的注漿次數和注漿總量應該依據壩體的滲漏隱患程度以及注漿孔的深度確定。采取分段注漿方式，注漿段長設計為0.6～1.0m為宜。在自下而上結束上一段注漿后上提注漿芯管，進行下一段注漿，反復循環(huán)，直至單孔注漿結束。

3.3.4注漿結束標準

鑒于土石壩注漿工藝特征，注漿結束標準采取定量與定壓相結合的原則。當注漿壓力穩(wěn)步上升，達到設計的終壓標準，注漿量達到設計值的80%以上時，再持續(xù)注漿10min即可種植注漿并封孔。其中，注漿量和注漿壓力的計算公式如下：

Q=πR2Lnαβ

(1)

式中，Q—注漿量，m3；R—注漿擴散半徑，m；L—注漿長度，m；n—地層孔隙率；α—地層填充系數，一般取0.8；β—漿液消耗系數，一般取1.1。

注漿最大容許壓力計算公式：

Pmax=γh+σ

(2)

式中，P—注漿壓力，MPa；γ—地基天然重度，kN/m3；h—注漿位置以上土柱高度，m；σ—土的抗拉強度，kPa。

4 結論

(1)在復合水泥基注漿材料中加入水玻璃，可以明顯縮短漿液的膠凝時間，但是加入比例過大則會影響注漿結石體的物理性能。

(2)在漿液中摻入粉煤灰會延長凝結時間、降低結石體的后期物理性能，但是粉煤灰的摻入能夠明顯改善漿液的流動性，還可以降低施工成本。

(3)復合水泥基—水玻璃雙液注漿材料適合土石壩防滲施工，建議采用采用后退式劈裂注漿模式，并注意嚴格按照施工要求操作，保證施工質量。

[1]LiuJ,SongJ,ZhangZ,etal.InfluenceoftheGroundDisplacementandDeformationofSoilaroundaTunnelCausedbyShieldBackfilledGroutingduringConstruction[J].JournaofPerformanceofConstructedFacilities,2016,31(03):04016117.

[2] 袁劍軍. 土石壩防滲墻黏土混凝土材料的工程應用初探[J]. 水利建設與管理,2013(02):33-35.

[3] 龐瓊, 王士軍, 谷艷昌, 等. 土石壩垂直防滲加固措施綜述[J]. 水利水運工程學報,2014(04):28-37.

[4]DuBS,MaL.Applicationofcomprehensivereinforcetechnologyinsoftandcrumblysurroundingrockinhighstress[J].AdvancedMaterialsResearch,2012(393):608-613.

[5] 李本友, 安雪蕾. 淺析水泥基無機注漿材料的研究發(fā)展[J]. 綠色環(huán)保建材,2017(06):69-70.

[6] 劉紅彬, 唐偉奇, 肖凱璐, 等. 水泥基注漿材料的研究進展[J]. 混凝土,2016(03):71-75.