壩下砂礫石層劈裂注漿漿液擴散半徑試驗研究

姜鵬程

（遼寧潤中供水有限責任公司，遼寧沈陽110000）

1 工程概況

遼寧省小望海水庫是一座以供水為主，兼具防洪、旅游、養殖等諸多功能為一體的中型水利樞紐工程[1]。鑒于水庫淤積情況比較嚴重，庫容量已經明顯縮小，已經影響到其供水功能的發揮。因此，在水庫除險加固中擬對大壩進行加高培厚，將壩頂高程由原來的260.58 m 提高到271.58 m，壩頂寬由5 m 增加至6 m，以增加水庫庫容量，提高水庫的供水能力。根據現場地質勘測資料，大壩加高加固施工區河床內存在大量由水流沖刷、搬運后形成的砂礫石層，厚度分布不均，一般為2.5～13.5 m，主要分布在河槽和河床部位。由于大壩施工過程中在該部位覆蓋了人工填土以保護壩基，全部開挖置換工程量較大，因此采用注漿加固的方式進行地基處理。

2 試驗過程

2.1 試驗材料

研究采用水泥漿液進行注漿試驗，試驗用水泥為32.5 R 普通硅酸鹽水泥。由于原型砂礫石層的土體粘聚力較小，因此在試驗中選擇滑石粉和輕質碳酸鈣作為膠結材料，在加入5%的水和黏土之后保證其與原型地層在粘聚力和內摩擦角上的一致性[2]。注漿地層的細砂和砂礫石材料取自于工程現場。

2.2 試驗裝置

試驗裝置由試驗箱體、荷載補償系統、注漿系統、水壓加載系統及數據采集系統構成。其中，試驗箱體的外徑、內徑和高度分別為160，140和135 cm，在箱體的四周設有水壓施加孔和傳感器引線孔，上部和下部設有進水孔和出水孔；水壓加載系統可以提供最高壓力為3.0 MPa 的持續水壓；上部荷載系統可以利用液壓泵提供最大10.0 MPa的補償荷載，以模擬地層的壓力；注漿系統可以模擬實際注漿施工過程，最大注漿壓力為0.6 MPa；數據采集系統可以實時采集試驗過程中的各種數據信息。

2.3 試驗方案設計

試驗前查閱了注漿施工研究領域的相關文獻資料，認為地層特征、注漿壓力和材料參數是影響漿液擴散的主要因素[3，4]。由于此次研究采用水泥單漿液，因此選取的影響因素為注漿壓力P（MPa）、滲透系數k（cm/s）以及漿液的水灰比m。由于在試驗過程中地層滲透系數通過5 組不同的材料級配進行控制和實現，因此另外兩個因素也選擇5 個因素水平[5]。其中，注漿壓力的5個水平分別為0.2，0.3，0.4，0.5 和0.6 MPa；漿液的水灰比為1.1，1.0，0.9，0.8 和0.7。利用正交試驗原理進行試驗方案的具體設計，結果如表1 所示。

表1 試驗方案設計表

2.4 試驗過程

首先按照不同的滲透系數確定試驗用注漿介質的配比，然后在試驗箱中分層鋪設試驗注漿介質材料，并分層擊實至指定高度[6]。在鋪設完畢之后，對試驗箱進行加水，待材料吸水飽和后靜置12 h 再進行注漿試驗[7]。試驗前首先將各試驗系統相互連接，啟動上部荷載系統進行補償荷載的加壓；根據設計的水灰比制作好水泥漿并灌入試驗裝置的儲液罐，打開注漿系統的空氣壓縮機，調整壓力至注漿壓力，然后開始注漿[8]。待漿液徹底凝固之后，對模型進行開挖，對漿液的擴散半徑進行計算。

3 試驗結果與分析

3.1 漿液擴散半徑

漿液擴散半徑r（cm）是影響注漿效果的重要指標，試驗過程中的測量結果顯示：SY1-SY5 等5個試驗方案的漿液最大擴散半徑分別為13.4，68.0，24.6 ，21.1 和43.3 cm。對試驗結果進行非線性函數擬合分析，獲得擴散半徑和3 個試驗參數之間的關系為：

利用公式（1）對5 個方案的擴散半徑進行計算，結果如表2 所示。結果顯示計算值和實測值的差別不大，說明擬合公式具有良好的擬合度。

表2 漿液擴散半徑的計算與實測結果

利用擬合公式（1），對不同水灰比、不同注漿壓力及不同滲透系數，保持其中兩個因素不變條件下的漿液擴散半徑進行計算，結果顯示上述3 個因素均與漿液的擴散半徑成顯著的正相關關系，也就是3 個因素的值越大，漿液的擴散半徑也就越大。其中，注漿壓力對漿液的擴散半徑影響最為顯著，其次為漿液的水灰比，滲透系數的影響最小。

3.2 注漿量的影響分析

試驗中，先將注漿壓力設定到預定值，在注漿過程中對注漿量進行實時監測，并對注漿流量和速率進行計算，根據計算結果繪制出如圖1 和圖2所示的注漿量和注漿速率變化曲線。根據注漿過程中注漿量和注漿速率的變化規律，將注漿過程劃分為充填、壓密、初次劈裂和后續劈裂4 個不同的階段。其中，充填階段的注漿阻力小，因此注漿速率快、注漿量小，持續的時間也較短；壓密階段的注漿阻力有所增大，因此注漿的速率不高，注漿量也相對較小；初次劈裂階段，由于砂礫層中形成了劈裂通道，注漿的壓力迅速降低，因此注漿速率高，注漿量也迅速增加；在后續劈裂階段，初次劈裂通道發育完畢，漿液又開始壓密，注漿壓力回升，注漿速率減小，同時注漿層內出現部分水平向劈裂。

對不同試驗方案而言，編號SY1 在初次劈裂之后注漿量基本沒有變化，注漿速率的起伏也不明顯；編號SY4 在初次劈裂階段之后注漿量稍微增加，說明后續劈裂階段的表現并不十分明顯，其余試驗方案與上述描述相符。因此，水灰比、注漿壓力和滲透系數對注漿量和漿液的擴散過程存在明顯的影響。此外，注漿速率的變化是不均勻的，存在多個波峰和波谷，主要與注漿過程中砂礫層的劈裂裂縫發育過程有關。因此，在砂礫層的注漿過程中，并不是單一擠壓到塑性破壞劈裂的過程，而是反復漿液輸送、擠壓、劈裂的過程。

圖1 注漿量變化曲線

圖2 注漿速率變化曲線

4 結論

注漿加固是防止壩基滲漏，提高大壩承載能力和安全性的重要手段。此次研究以遼寧省小望海水庫大壩加高加固工程為例，對壩下砂礫石層注漿加固進行了室內試驗研究。試驗結果顯示，注漿壓力、水灰比和砂礫石層滲透系數值越大，漿液的擴散半徑也就越大，按照影響力大小排序為注漿壓力＞漿液的水灰比＞滲透系數。另一方面，根據注漿過程中注漿量和注漿速率的變化規律，注漿過程并不是單一的擠壓到塑性破壞劈裂的過程，而是反復的漿液輸送、擠壓、劈裂的過程。此次研究成果對地質特點相似的壩基注漿工程施工具有一定的借鑒和指導意義。當然，受到壩基地質環境復雜性的影響，在具體施工中還需要結合工程實際，選擇最合適的注漿方式和參數，保證施工效果。