砂礫石層可灌性分析與探討

王立彬 燕 喬 畢明亮

(三峽大學土木水電學院 湖北宜昌 443002)

1 研究背景

對砂礫石壩基進行防滲灌漿處理,首先要了解砂礫石層的可灌性。對于地層可灌性的研究,早在上世紀50年代,美國土木工程師學報上發(fā)表的S.J.Johnson文章,用 “可灌比值”判斷地層的可灌性。到目前為止,用 “可灌比值M”判斷地層可灌性意見尚未統(tǒng)一:Mitehell[1、2]認為M ≥25才能保證灌漿成功,且認為若M＜11,則水泥漿液不能用來灌注該地層;若11≤M＜19,則認為水泥漿液可能不能用來灌注該土壤。King和Bush認為[3]只有M≥16,才能保證灌漿成功。Bell[4]認為要保證水泥灌漿成功,水泥漿液顆粒直徑必須不大于土壤D10顆粒直徑的1/10。對以 “可灌比值”判斷地層可灌性的差異,張文倬[5指出其主要原因是:(1)可灌比值僅表示被灌地層與灌漿材料顆粒之間幾何關(guān)系,若以顆分曲線表示則二者都只是一個點,而通過該點可以有性質(zhì)不同的曲線族,當可灌比值相同時,未能完全反映某一曲線的性質(zhì);(2)可灌比值未包含灌漿作業(yè)的主要因素,如設(shè)計指標 (灌漿后達到的防滲標準)、灌漿壓力及漿液在孔隙中流動的阻力、施工工藝水平等。張作媚[6]指出除可灌比值外,尚有其它一些因素如漿液流變性和水力破壞現(xiàn)象等也影響砂礫石的可灌性。文獻[7]指出可灌性的含義應(yīng)該是,具有防滲加固作用的漿體的流動性和穩(wěn)定性的綜合效應(yīng),凡是影響漿體流變特征和穩(wěn)定性的因素都影響著漿體的可灌性。而張文倬[8]指出若要較好地反映地層的可灌性,則它至少是可灌比值M、防滲標準 、灌漿壓力P與地層中漿液流動阻力τ等主要因素的隱函數(shù),即 ,然而未就此進行深入研究。

本文在前人研究的基礎(chǔ)上,將明確砂礫石層可灌性的概念及其影響因素,綜合考慮地質(zhì)特性、漿液性能、灌漿壓力以及防滲標準等重要因素,從多角度分析砂礫石層的可灌性,在此基礎(chǔ)上,建立砂礫石層可灌性準則,為今后砂礫石層灌漿提供技術(shù)指導(dǎo)。

2 可灌性定義

可灌性是指砂礫石地層能接受灌漿材料灌入的一種特性。到目前為止可灌性還沒有一個完整的定義,一般都以可灌比值來表述地層的可灌性。傳統(tǒng)的可灌性只包括了漿液能否被灌進介質(zhì)的能力,而對漿液在介質(zhì)內(nèi)的滲透性卻似乎關(guān)注不夠,實際上這很重要。這里綜合考慮地質(zhì)特性、漿液性能、灌漿壓力以及防滲標準等重要因素,從實用性的角度將可灌性定義為:在確定被灌砂礫石層地質(zhì)條件的前提下,在一定的灌漿壓力作用下,所選適宜漿液滲透到其地層內(nèi)的能力和漿液在其地層內(nèi)的滲透能力,以及灌后其地層所能達到的防滲標準的能力。很顯然,砂礫石層的可灌性是決定灌漿效果的先決條件。

判定砂礫石層的可灌性時要綜合考慮以上各個因素,不能把它們相互孤立分割,忽略了任何一個因素來分析其可灌性都會導(dǎo)致錯誤的結(jié)果,進而影響其灌漿效果,甚至會直接影響到工程運行期的安全。下面將從這些主要影響因素出發(fā),分析探討砂礫石層的可灌性。

3 地質(zhì)特性對可灌性的影響

3.1 顆粒級配曲線

顆粒級配曲線對于判定其可灌性有較大作用。我國曾根據(jù)一些工程的資料整理出4條特征曲線作為地基對不同灌漿材料可灌性的界限,見圖1。當被灌地層顆粒級配曲線位于A線左側(cè)時,該地層容易接受水泥灌漿;當?shù)貙勇癫剌^淺 (約 5m～10m),其顆粒級配曲線位于B及A線之間時,該地層雖屬表層,但也可接受水泥粘土灌漿;當?shù)貙宇w粒級配曲線位于C及B線之間時,該地層容易接受一般的水泥粘土灌漿;當?shù)貙宇w粒級配曲線位于D及C線之間時,對該地層的灌漿就較復(fù)雜,須使用膨潤土與磨細水泥灌注,有時還需用加分散劑進行分散和降低粘滯度的細粘土作補充灌漿;當被灌地層顆粒級配曲線位于D線右側(cè)時,該地層很難進行灌漿處理。

圖1 判別土壤可灌性的顆粒級配曲線[4、8]

3.2 細粒含量

水利水電部門從砂礫石層中D0.1的含量考慮,假設(shè)砂礫石層的砂礫粒徑D已知且等徑,則按圖2中顆粒間斷面面積導(dǎo)出最小顆粒的當量直徑為d=0.032D(實際內(nèi)切圓直徑應(yīng)小于此值)。說明砂礫粒徑愈細,漿液材料粒徑愈大,含量愈高,則可灌性愈差。如按水泥顆粒組成中最小粒徑為0.0lmm(占29%～33%)估計,則砂礫石層顆粒粒徑應(yīng)大于0.4mm才具有可灌性,為此,施工中常用小于0.1mm粒徑的顆粒D0.1的百分含量來控制,一般當D 0.1含量少于5%時,灌注水泥粘土漿液才較順利[9]。

圖2 顆粒間直徑關(guān)系圖

3.3 滲透系數(shù)

從滲透系數(shù)考慮:通常認為滲透系數(shù)是直觀反映漿液可灌性的指標。砂礫石層天然有效粒徑與滲透系數(shù)有如下關(guān)系:

式中:K——砂礫石層的滲透系數(shù),cm/s;α——系數(shù);D0.1——砂礫石層的有效粒徑。

實際上滲透系數(shù)和有效粒徑可以當作同一個指標來看待。一般認為當K ＞60m/d～80m/d時,可以灌注水泥漿;K=30m/d～50m/d時,可以灌注水泥粘土漿;K＜30m/d時,用顆粒材料灌漿的效果就比較差,而宜采用化學灌漿[10]。

4 漿材性質(zhì)對可灌性的影響

4.1 漿液類型

溶液型漿液,理論上可以進入任意小的空隙,幾乎不受限制。但在實際上,如果被灌地層的孔隙很小 (如細顆粒的土砂層),它在空隙內(nèi)的流動速度將會很慢,到達預(yù)定距離所需的時間將會很長;在此時間內(nèi),由于漿液粘度進一步增大,在其到達預(yù)定地點以前,逐步增大的流動阻力就早已使其停止了流動,因此,溶液型漿液的可灌性受地層空隙和漿液流動阻力的影響。

含有水泥、粘土、砂子等固體顆粒材料的懸濁型漿液,使用時會受到更嚴格的限制。它的可灌性主要取決于漿材的粒度、土砂顆粒中孔隙的有效直徑。

4.2 灌漿材料的細度

灌漿材料的細度是影響漿液灌入能力的主要原因。原則上,只當灌漿材料的顆粒尺寸d小于地層的有效孔隙D P,即“凈空比”R(R=DP/d)大于1時,漿液才有可能進入地層孔隙。但在灌漿過程中,尤其當漿液的濃度較大時,材料往往以兩?；蚨嗔５男问酵瑫r進入地層孔隙,故而導(dǎo)致滲漿通道的堵塞。因此,僅滿足R＞1的條件是不夠的,還必須考慮由群粒堵塞作用帶來的附加影響。

漿液顆粒的細度不同,其可灌性是不同的,顆粒愈細,擴散半徑及灌漿效果就愈好。對于灌漿工程所用水泥的細度必須根據(jù)所灌砂礫石層的孔隙大小、地質(zhì)條件、灌漿壓力等綜合考慮,選擇不同細度的灌漿材料,以適應(yīng)各種復(fù)雜的灌漿工程要求[11?。

4.3 漿液的滲透性

漿液灌入能力是指漿液灌入地層孔隙的難易程度。漿液的滲透性是指漿液在一定的孔隙中的滲透性能。其不僅依賴于漿液的灌入能力,而且與所處理地層的孔隙尺寸有關(guān)。滲透性好,漿液在一定灌漿壓力下的擴散距離就遠。

4.4 漿液的流變性

文獻[7?指出,可灌性作為一種材料的屬性,應(yīng)排除工藝的影響。故可灌性的含義應(yīng)該是:具有防滲加固作用的漿液的流動性和穩(wěn)定性的綜合效應(yīng),凡是影響漿體流變特征和穩(wěn)定性的因素都影響著漿體的可灌性。因此,根據(jù)可灌性的含義,用流變性和穩(wěn)定性的可測量值塑性粘度和淤積流速 來表示,可灌性M為

式中:Vc——漿體的淤積流速 (cm/s);

ηpl——漿液的塑性粘度 (dyne?s/cm2);

K ——常數(shù)。

將上述公式用水泥的比表面積與漿體的水灰比表示ηpl和Vc,則不同漿體的可灌性可表示為圖3[7]。

圖3 可灌性與水灰比和比表面積的關(guān)系

由圖可見,漿體的水灰比在0.5～1.0的范圍內(nèi),可灌性隨著水灰比的增加而迅速增加;水灰比大于2.0時,可灌性隨著水灰比的增加而減小。細水泥漿(s＞5000cm2/g)的可灌性優(yōu)于普通漿體。綜合考慮各種漿體,最佳水灰比范圍是0.8～2.0之間。

5 灌漿壓力對可灌性的影響

可灌比值小于10時一般是不可灌的,但在實踐中卻出現(xiàn)與上述結(jié)論不一致的情況。有些壩基中雖含有不可灌的中細砂層,但卻能用粘土水泥漿灌好。這是灌漿壓力所起的作用,主要原理如下:

按照有效應(yīng)力的庫侖摩爾破壞標準,在各向同性地層中,材料的應(yīng)力狀態(tài)與式 (3)相符時即將發(fā)生破壞[12]:

式中:σ′1和 σ′3—— 有效大主應(yīng)力和有效小主應(yīng)力;φ′和c′——有效內(nèi)摩擦角和有效凝聚力。

地層中由于灌漿壓力的作用,將使砂礫石土的有效應(yīng)力減小。當灌漿壓力Pe達到式 (4)的標準時,就會導(dǎo)致地層的破壞:

式中:γ和γw—— 砂礫石土的容重和水的容重;h和hw)——灌漿層以上的土層厚度和地下水位高度;K ——主應(yīng)力比。

上述公式所代表的破壞機理可用圖4[6]的莫爾包線來解釋,圖中隨著孔隙壓力的增加,有效應(yīng)力就逐漸減小而至與破壞包線相切,表明砂礫石土開始發(fā)生劈裂。這種由灌漿壓力引起的水力劈裂,將使可灌的地層更加可灌,不可灌的地層變?yōu)榭晒唷＿@種地層的可灌性,將不受上述法則的約束,惟一限制它的是不能使地層的抬動帶來不良后果。

圖4 假想水力破壞機理

6 防滲標準對可灌性的影響

防滲灌漿通常以滲透性為標準,例如砂卵石層灌漿一般要求將滲透性降低到10-4～10-5cm/s,灌漿標準的含義實質(zhì)上是指灌漿體內(nèi)允許殘存多大尺寸的空隙。在對相同性質(zhì)的砂礫石層進行防滲灌漿時,若要求的防滲設(shè)計標準 (滲透系數(shù))不同,則其可灌性也是不同的。如某壩基沖積層設(shè)計要求防滲標準為1×10-4cm/s與5×10-4cm/s,算得相應(yīng)帷幕厚度為11.8m和24.6m,當用水泥粘土漿灌注,即其M值相同,前者不易達到而后者易滿足要求,顯然可灌性與防滲標準密切相關(guān)。對于同一地層,防滲標準低,其可灌性就好,反之,則相反。

7 可灌性準則的建立

鑒于可灌性的重要性,筆者結(jié)合可灌比、地層滲透系數(shù)、漿液性能、防滲標準等,建立以下可灌性準則,如圖5。

圖5 帷幕灌漿可灌性準則

從圖5可以看出,所建立的地層可灌性準則綜合考慮了地質(zhì)特性、漿液性能、防滲標準及灌漿壓力重要因素的影響,其包含兩層重要含義:一是確保漿材能灌入砂礫石層;二是漿液在進入砂礫石層后,由于其漿液的良好滲透能力和穩(wěn)定性,并在所選適宜壓力作用下,使?jié){液滲透得更遠,從而保證灌漿效果。

8 結(jié)論

本文在前人研究的基礎(chǔ)上,綜合考慮各影響因素,從實用性的角度給出了可灌性的定義,定義中明確包含了影響可灌性的主要因素:砂礫石層地質(zhì)特性、漿液性能、灌漿壓力以及防滲標準等,并分析了這些主要因素對可灌性的影響,從而得出重要結(jié)論;在此基礎(chǔ)上,并結(jié)合筆者關(guān)于可灌性的認識,建立了砂礫石層可灌性準則。

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7 王子明,黃大能,謝堯生.新拌水泥漿體的流變特性及其可灌性的研究[J].中國建筑材料科學研究院學報,1990,2(02):1-6.

8 張文倬.壩基灌漿若干問題芻議[J].四川水利,2001,(05):20-23.

9 林宗元主編.巖土工程治理手冊 [M].遼寧:科學技術(shù)出版社,1993.

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