黃河沖積粉土堤防工程劈裂注漿防滲加固技術研究

丁秋菊

(運城市水利工程建設局有限公司，山西 運城 044000)

黃河堤防作為我國最大的堤防工程，其安全運營十分重要，由于黃河堤防一般由黃河沖積土填而成，但黃河沖積土的工程性質又較差，在運行多年后，時常發生滲漏、管涌、散浸等險情，給兩岸生產生活帶來極大的安全隱患，因此對于黃河兩岸沖積土堤防的防滲加固是關鍵工作[1]。

對于堤防工程而言，一般采用垂直防滲、水平防滲、排水減壓等諸多方式，但最常用的防滲加固方式仍為垂直方向的水泥基注漿加固技術[2-3]。由于單水泥漿液凝固時間長、易沉淀析水，易流失和浪費，因此目前水泥-水玻璃為最常用的注漿材料，但是雙漿液也存在一些問題，如抗水蝕和抗滲的能力較差等，故有必要根據注漿加固對象土層的性質，利用一定的手段來對水泥-水玻璃漿液進行改性[4-5]。

本文根據黃河堤防工程沖積土的特殊性質[6]，利用外摻粉煤灰和膨潤土的方式對水泥-水玻璃漿液進行改良，并開展了現場劈裂注漿試驗，對注漿效果進行了評價，以期能為類似工程地質的堤防工程防滲加固提供借鑒。

1 試驗概況

1.1 試驗材料

(1)試驗土樣：取自黃河運城段某堤防工程附近，距離河道中心約為500m，顆粒以<0.075mm的粒徑為主(0.002～0.074mm粒徑占比高達80%以上)，不均勻系數Cu=3.5，曲率系數Cc=1.5，液限為24.9，塑限為15.5，塑限指數為9.4，粘聚力為10.8kPa，內摩擦角為23.7。，平均滲透系數為5.4×10-5cm/s。根據GB/T 50145—2007《土的工程分類標準》可知：試驗土樣為級配不良的低液限低滲透性粉土。

(2)試驗水泥：選用P·O42.5普通硅酸鹽水泥，主要成分為CaO(62.5%)和SiO2(22.7%)，水玻璃的波美度為40。Be，模數為3.3，粉煤灰為Ⅱ級粉煤灰，主要成分為SiO2(54.7%)和Al2O3(28.1%)，膨潤土吸水率420%(2h)、膨脹容為49ml/g、水分為9%、膠質價630ml/15g、粒度(75μm干曬過篩率)為95%。

1.2 注漿材料配比方案設計

根據前人研究經驗[7-8]，在進行注漿材料配合比設計時，將水固比固定為1∶1，同時膨潤土雖然可以改善漿液的穩定性和流動性，提高漿液的滲入能力，但摻量過高時會影響水泥漿液的水化反應，降低結石體的強度和耐久性，因此將膨潤土摻量固定為5%，水泥-水玻璃(C-S)體積比為1∶1、2∶1、3∶1和4∶1，粉煤灰摻量為20%、25%和30%，對應的水泥摻量為75%、70%和65%。具體試驗方案見表1。

表1 注漿材料配合比方案設計

1.3 試驗內容

(1)凝膠時間：利用倒杯試驗法測試不同配合比方案下漿液的凝膠時間，得到C-S體積比和粉煤灰摻量對漿液凝膠時間的影響程度。

(2)強度特征：制作尺寸4cm×4cm×16cm的棱柱體和10cm×10cm×10cm的正方體試件，并在標準養護環境下養護28d，然后利用萬能試驗機測試試件的抗折強度和抗壓強度。

2 試驗結果分析

2.1 凝膠時間

不同配合比方案下漿液的凝膠時間變化規律如圖1所示。從圖1中可知：當粉煤灰和膨潤土摻量一定時，隨著水泥-水玻璃(C-S)體積比的增大，凝膠時間逐漸縮短，相同C-S體積比下，粉煤灰摻量越高，凝膠時間越長，這是因為漿液的凝膠時間與水泥的產量有關，從而影響水灰比的大小，當C-S體積減小或者粉煤灰摻量增大后，相當于水灰比增大，同時摻入的膨潤土也會影響水泥的水化反應，從而使漿液的凝膠時間延長。

圖1 不同配合比方案下凝膠時間曲線

2.2 抗折強度

不同配合比方案下漿液的抗折強度變化規律如圖2所示。從圖2中可知：當粉煤灰和膨潤土摻量一定時，隨著C-S體積比增大，結石體的抗折強度呈先增大后減小的變化特征，當C-S體積比為2時，結石體試件的抗折強度最大，這是因為水泥摻量增加后，水化反應越充分，生成的C-S-H膠凝物質更能起到填充和膠結作用，但是，當摻量超過一定值后，由于水泥摻量過剩，反而導致部分未水化的水泥顆粒在試件中形成薄弱面，影響力學性能；相同C-S體積比時，隨著粉煤灰摻量增加，試件的抗折強度也是呈先增大后減小的變化特征，當粉煤灰摻量為25%時，抗折強度達到最大值。

圖2 不同配合比方案下抗折強度曲線

2.3 抗壓強度

不同配合比方案下漿液的抗壓強度變化規律如圖3所示。從圖3中可知：相同粉煤灰和膨潤土摻量下，隨著C-S體積比的增大，結石體試件的抗壓強度也是呈先增大后減小的變化特征，當C-S體積比為3時，抗壓強度達到最大值，但是C-S體積比為2～4時，抗壓強度相差并不大；相同C-S體積比下，粉煤灰摻量越高，抗壓強度越小；C-S體積比增大，意味著水玻璃含量減小，當C-S體積比超過一定值后，會導致Ca(OH)2無法進行充分反應，因而強度降低，當粉煤灰摻加時，意味著水泥含量降低，水化反應不充分，因而強度也會降低。

圖3 不同配合比方案下抗壓強度曲線

2.4 討論

綜合結石體凝膠時間、抗折強度和抗壓強度等試驗結果，認為當水泥摻量為70%，粉煤灰摻量為25%以及膨潤土摻量為5%，C-S體積比為2∶1時，固結體的綜合性能最佳，決定在現場以此配合比作為施工配合比。

3 現場應用

3.1 注漿參數

在注漿施工過程中，漿液的擴散半徑與漿液性質、注漿壓力、注漿時長等因素有關，為了在最經濟的前提下達到最好的注漿效果，需要對注漿參數進行優化設計，因此在現場開展了注漿試驗。注漿孔距：在砂性土層中，劈裂注漿的孔距一般取0.8～1.2m，在粘性土層中，劈裂注漿的注漿孔距一般取1～2m，采用“一字型”變孔距方式來進行現場試驗，孔間距分別為0.8、1、1.2、1.4m，如圖4所示。注漿壓力：起劈壓力為60kPa，最大劈裂注漿壓力≤150kPa，單孔注漿量控制在0.3～0.4m3。

圖4 現場注漿孔布置示意

3.2 機械設備

鉆孔采用汽車鉆，注漿設備為高壓注漿泵，注漿花管的長度為3m，直徑為48mm，注漿花管一端的孔間距為40cm，另外一端孔間距為20cm。

3.3 注漿試驗過程

注漿試驗過程示意如圖5所示。①注漿場地準備：在試驗場地周圍挖長度為8.4m、寬度為5m、深度為0.1m的正方體注漿槽，并往槽中澆筑C25混凝土，標準養護7d；②放線定孔位以及鉆孔：利用汽車鉆進行鉆孔施工，開孔、終孔直徑分別為15、11cm，鉆孔深度為3m；③按照試驗5組的配合比方案配制漿液，漿液配制完成后進行過濾，以防止粗顆粒堵塞注漿導管；④安設孔口管，并用常規C-S漿液填充膜袋的以上部分；⑤注漿：采用跳注法進行注漿施工，向1、5號孔注漿，然后2、4號孔注漿，最后3號孔注漿。

圖5 注漿試驗過程

3.4 效果評價

在注漿過程中，1號孔的注漿量僅為160L，其余孔均在300～360L，單孔注漿量不滿足設計要求，故對2～5號孔進行了開挖勘探，主要對漿脈厚度進行分析，結果顯示，3號孔的漿脈平均深度最大(注漿間距為1.2m時注漿效果最好)，達到5.8cm，平局滲透系數僅為4.4×10-6cm/s，小于1×10-5cm/s，表明利用粉煤灰和膨潤土改性水泥-水玻璃雙漿液形成的結石體滿足堤防工程的防滲加固要求。3號孔注漿脈檢測結果如圖6所示。

圖6 3號孔注漿脈檢測結果

4 結語

黃河沖積粉土屬于級配不良的低液限低滲透性粉土，利用水泥-水玻璃雙漿液防滲加固時，存在抗水蝕和抗滲能力差的問題，故對其進行正交改性試驗。結果表明：當水泥:粉煤灰:膨潤土=14∶5∶1、C-S體積比為2∶1時，改良漿液和固結體的綜合性能最好；在現場注漿過程中，應根據地層情況設計好注漿壓力、注漿量等參數，同時注漿孔距不宜過小或者過大，否則單孔注漿量達不到設計要求，亦或是漿液不能完全擴散至周圍土體，當注漿孔間距為1.2m時防滲加固效果最好。限于研究精力，本文僅對復合水泥-水玻璃漿液的注漿效果進行了研究，關于其它漿材的注漿效果還需在今后做進一步補充。