黏土水泥漿液在壩基帷幕灌漿中的應(yīng)用研究

李長(zhǎng)存，周永昌

(沈陽(yáng)市遼中區(qū)水利建筑工程公司，遼寧 沈陽(yáng) 110000)

壩基帷幕灌漿工程是一項(xiàng)隱蔽工程，耗用水泥量大，成本高，且不便于檢測(cè)，灌漿質(zhì)量的高低對(duì)于工程的安全與長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義，那么就要求灌漿材料必須具有足夠的耐久性[1]。

如何準(zhǔn)確評(píng)判帷幕灌漿的安全性一直是工程界的重要話題，建立合理的評(píng)價(jià)體系指標(biāo)是一方面[2]。耐久性對(duì)于安全至關(guān)重要，其本質(zhì)上包括灌漿材料和帷幕體結(jié)構(gòu)兩方面的耐久性，施工過(guò)程中的壓力波動(dòng)和控制、施工工藝、外加劑的使用、配合比等均會(huì)對(duì)帷幕灌漿的質(zhì)量產(chǎn)生影響[3- 5]。水泥漿液一直以來(lái)都是壩基帷幕灌漿的首選材料，其在合理的施工工藝條件下可以達(dá)到良好的防滲效果，并保持足夠的耐久性[6]，但水泥耗用量高，在很多巖性不夠好的地區(qū)，往往使投資成本大大增加，影響工程的投資效益，故而選擇一種既能達(dá)到良好的防滲效果，又能達(dá)到工程造價(jià)目的的替代材料一直工程界比較活躍的話題，而黏土水泥漿液則成為開(kāi)發(fā)和研究的重點(diǎn)[7- 12]。

黏土在很多地方可以就地取材，不僅節(jié)約了運(yùn)輸成本，還節(jié)約了水泥和外加劑使用量，但目前國(guó)內(nèi)針對(duì)黏土漿液的研究大多傾向于其性能，對(duì)于耐久性的研究還不夠完善，因此本文通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)例來(lái)驗(yàn)證黏土水泥漿液在壩基帷幕灌漿中的可行性和有效性。

1 試驗(yàn)簡(jiǎn)介

試驗(yàn)黏土取自某在建電站當(dāng)?shù)兀嗖捎肞O42.5普通硅酸鹽水泥，氧化鈣成分占比約為55%，試驗(yàn)拌制時(shí)采用實(shí)驗(yàn)室當(dāng)?shù)刈詠?lái)水，水溶蝕及抗?jié)B試驗(yàn)時(shí)采用電站當(dāng)?shù)氐叵滤渲饕x子成分為K+、Na+、Ca2+、Cl-等。試驗(yàn)配比分別為5組，即水灰比為2∶1、1.1∶1、0.5∶1的3組純水泥漿，水灰比為2∶1、水固比為1.1∶1的黏土水泥膏漿(加入少量的改性劑：偏鋁酸鈉、石膏及膨潤(rùn)土)以及黏土水泥漿液，見(jiàn)表1。分別進(jìn)行水溶蝕試驗(yàn)：測(cè)量CaO溶出量、試件質(zhì)量損失率；抗?jié)B試驗(yàn)：測(cè)量各組滲透系數(shù)。

表1 試驗(yàn)配合比

2 試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

2.1 抗水溶蝕性能分析

2.1.1CaO隨浸泡時(shí)間的溶出量變化

將配置養(yǎng)護(hù)好的試件浸泡在地下水中，前期(0～10d)每隔2d測(cè)一次CaO含量，后期(11～60d)每隔10d測(cè)量一次CaO含量。各試件的CaO溶出量隨時(shí)間的變化關(guān)系如圖1所示。從圖1中可以看到：在各組試件中，隨著浸泡時(shí)間的增加，變化規(guī)律基本一致，即前期溶出量快速增大，中后期溶出速率減緩；隨著水灰比的增大，CaO的累計(jì)溶出量也相應(yīng)增大，這是因?yàn)楣杷猁}水泥的水化產(chǎn)物Ca(OH)2是最為容易分解的成分，水泥量越多，生成的Ca(OH)2含量越高，溶出量也就越大；同等水灰比的黏土水泥膏漿，其溶出量要小于純水泥組和黏土水泥漿液，這是因?yàn)樵陴ね了喔酀{中，黏土取代了部分水泥，可起到減緩CaO溶出的作用，同時(shí)加入的改性劑中可能會(huì)生成具有活性的凝膠物質(zhì)，增強(qiáng)了黏土的強(qiáng)度，減少CaO的溶出。這也說(shuō)明，黏土水泥膏漿具有良好的抗溶出能力，較同等水灰比的黏土水泥漿液和純水泥組更好。

圖1 CaO溶出量測(cè)試結(jié)果

2.1.2質(zhì)量損失對(duì)比分析

對(duì)相同水灰比下的純水泥組、黏土水泥膏漿組以及黏土水泥漿液組的質(zhì)量進(jìn)行了浸泡前后的質(zhì)量測(cè)定，其相對(duì)質(zhì)量損失率計(jì)算結(jié)果如圖2所示。從圖2中可以看出，黏土水泥膏漿組及黏土水泥漿液組在前測(cè)試時(shí)，質(zhì)量反而有所增加，這有可能是因?yàn)榻Y(jié)石體內(nèi)的水泥尚未完全反應(yīng)，在浸泡過(guò)程中繼續(xù)反應(yīng)，吸收水并形成結(jié)晶體，故而質(zhì)量有所增加；相同水灰比下，黏土水泥膏漿組的質(zhì)量損失率與純水泥組相差不大，而黏土水泥漿液組的質(zhì)量損失率要稍大于純水泥組。可見(jiàn)，黏土水泥膏漿組在水環(huán)境下具有良好的穩(wěn)定性能。

圖2 質(zhì)量損失隨浸泡時(shí)間變化關(guān)系

2.2 抗?jié)B性能分析

利用ZH- 201A自動(dòng)控制滲透儀，對(duì)養(yǎng)護(hù)7和28d的各試驗(yàn)組試件進(jìn)行滲透試驗(yàn)，其結(jié)果對(duì)比如圖3所示。從圖3中可以看出，不同齡期的各組試件其滲透系數(shù)變化規(guī)律一致，養(yǎng)護(hù)齡期越長(zhǎng)，其內(nèi)部反應(yīng)越充分，連通孔隙結(jié)構(gòu)越少，滲透系數(shù)越小；在純水泥組中，水灰比越大，孔隙含量越多，其滲透性越強(qiáng)，抗?jié)B能力越差；相同水灰比下，均表現(xiàn)為：K4

圖3 滲透系數(shù)對(duì)比

3 工程實(shí)例論證分析

3.1 工程概況

某水電站為沅水干流上第五梯級(jí)開(kāi)發(fā)電站，裝機(jī)容量為83萬(wàn)kW，該電站由大壩、廠房、引水系統(tǒng)以及通航系統(tǒng)等工程組成。其中，根據(jù)前期地質(zhì)勘查，壩基附近上層主要為紅層-灰?guī)r地層、下層主要為礫巖層，先導(dǎo)孔壓水試驗(yàn)揭示該地區(qū)的透水率主要分布在10～30Lu，屬中等透水區(qū)域，有些巖層段透水率大于100Lu。由于帷幕灌漿工程量大，且投資控制難度較大，在灰?guī)r等巖層地區(qū)更是存在灌漿質(zhì)量差、技術(shù)難度高等特點(diǎn)，為了提高整體的防滲效果，并結(jié)合工程造價(jià)，在紅層—灰?guī)r段采用黏土水泥膏漿，而在礫巖層主要采用黏土水泥漿液進(jìn)行灌注，灌注方法均采用空口封閉法。

采用常規(guī)壓水試驗(yàn)對(duì)試驗(yàn)孔進(jìn)行灌漿后滲透率測(cè)試，采用疲勞壓水試驗(yàn)進(jìn)行耐久性測(cè)試，來(lái)綜合判定灌漿效果。

3.2 灌漿效果分析

取1#試驗(yàn)孔作為例子分析，該段5～20.65m為紅層灰?guī)r，20.65～56.8m為礫巖層。以每5m作為一個(gè)試驗(yàn)段，測(cè)定各段的透水率結(jié)果見(jiàn)表2。從表2中可以看出：經(jīng)過(guò)黏土水泥膏漿和黏土水泥漿液帷幕灌漿后，其灌后的透水率均小于3Lu，透水率明顯降低，完全滿足灌漿防滲的需要，表明黏土水泥膏漿和黏土水泥漿液應(yīng)用于壩基帷幕灌漿是可行的，且效果良好。

表2 1#試驗(yàn)孔壓水試驗(yàn)成果

分別對(duì)相似地質(zhì)情況的4#試驗(yàn)孔進(jìn)行疲勞壓水試驗(yàn)，每2h測(cè)定一次透水率，連續(xù)不間斷測(cè)2d，得到的疲勞壓水透水率隨時(shí)間的變化曲線如圖4所示。從圖4中可以看到：不管是灰?guī)r段還是礫巖層段，其疲勞透水率均隨時(shí)間呈負(fù)冪函數(shù)型降低，當(dāng)測(cè)試時(shí)間達(dá)到10h后，其疲勞透水率基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，穩(wěn)定的透水率值分別為0.5和1.55Lu，均小于規(guī)范要求的5Lu值，可見(jiàn)經(jīng)過(guò)黏土水泥膏漿和黏土水泥漿液帷幕灌漿后，其耐久性也是滿足相關(guān)要求的，不僅解決了灌漿技術(shù)難度問(wèn)題，還大大節(jié)省了工程投資。

圖4 疲勞透水率隨測(cè)試時(shí)間的變化

4 結(jié)論

(1)黏土水泥膏漿和黏土水泥漿液具有良好的抗溶蝕和抗?jié)B性能，同等水灰比下的黏土水泥漿液的耐久性強(qiáng)于純水泥漿液。

(2)通過(guò)工程實(shí)例分析，黏土水泥(漿液)膏漿應(yīng)用于不同的壩基巖性地層均具有較好的灌漿效果，其透水率均滿足相關(guān)規(guī)范要求，表明黏土水泥漿液的耐久性是滿足帷幕灌漿工程的相關(guān)技術(shù)要求的，且可大大節(jié)省工程投資。