復(fù)雜地基處理中化學(xué)灌漿及質(zhì)量控制的研究

劉安榮,陳秋華,李 根,祁亞麗,曹傳波

(1.河海大學(xué)水利水電工程學(xué)院,江蘇 南京210098;2.中國水電顧問集團 成都勘測設(shè)計研究院,四川成都610072)

0 引 言

目前,在我國西南地區(qū)的高壩大庫建設(shè)中,常常遇到斷層破碎帶、軟弱泥化夾層、動水等復(fù)雜地基。對其進行洞井混凝土置換處理,往往規(guī)模大、施工工序復(fù)雜,并且洞井的開挖對周邊巖體造成不同程度的的損傷破壞,對工期也有制約?；瘜W(xué)灌漿具有較好的加固和防滲堵漏的效能。在復(fù)雜地基處理中采用化學(xué)灌漿取代混凝土置換,有時也可達到工程要求。例如,在我國已成功應(yīng)用化學(xué)灌漿解決了三峽、龍羊峽、李家峽等百米以上高壩的復(fù)雜地基工程難題。但是,化學(xué)灌漿是一項復(fù)雜的技術(shù),故對化學(xué)灌漿進行研究具有重要的意義。

對化學(xué)灌漿效果的影響因素主要有地質(zhì)條件、漿材種類和性能、灌漿壓力、膠凝時間、灌漿歷時、漿液擴散半徑等。在灌漿中,這些因素既相互聯(lián)系又相互制約。筆者在搜集有關(guān)資料的基礎(chǔ)上,結(jié)合錦屏一級水電站復(fù)雜地基處理中所進行的f 5斷層化學(xué)灌漿試驗,來對這些質(zhì)量影響因素進行分析與探討。

1 化學(xué)灌漿漿材的種類與特性

目前,化學(xué)灌漿所用漿液種類繁多,工程中常見的幾種化學(xué)漿液有水玻璃類漿液、丙烯酰胺類、聚氨酯類、環(huán)氧樹脂類、甲基丙烯酸脂類、丙烯酸鹽類、木質(zhì)素類等。

化學(xué)漿液為溶液,粘度低,可灌性好,可通過浸潤滲透(吸滲)的流動規(guī)律灌入細(xì)微裂隙;凝固時間可控制,幾秒至幾十小時內(nèi)均可調(diào)節(jié);固結(jié)體可以是補強用的塑料體、或止水用的凝膠體等,可以滿足工程的多種要求。例如,中化-789(屬環(huán)氧樹脂類)可灌性好,可灌入滲透系數(shù)10-6～10-8cm/s的軟弱地層中,使抗力體固結(jié)強度達到50～80 MPa。

2 化學(xué)灌漿需要控制的技術(shù)參數(shù)的研究

化學(xué)灌漿需要控制的技術(shù)參數(shù)的研究就是根據(jù)具體的地質(zhì)條件和漿液在裂隙中的流動規(guī)律,調(diào)整和控制各灌漿參數(shù),使灌漿質(zhì)量達到最高水平。

2.1 地質(zhì)條件

地基巖石的結(jié)構(gòu)構(gòu)造,顆粒組成和礦物成分及其中水的運動情況和化學(xué)成分對漿液的凝固有著明顯的影響?；瘜W(xué)漿液注入地基,在地基中滲透、充填、壓密巖體裂隙,使其起到加固、防水的作用。這種作用不僅與凝膠本身的性質(zhì)和強度有關(guān),而且和被灌地基的特性有密切的關(guān)系。在某些情況下,較高強度的化學(xué)漿液注入地基后卻長期不膠凝。如美國肯塔基州布諾雷隧道的灌漿加固工程由于疏松的粗砂層富含鐵質(zhì)導(dǎo)致漿液長期不膠凝[1]。

對于某些軟弱巖層和含有易溶礦物的巖層,如富集在節(jié)理、斷層和層間擠壓錯動帶中的綠泥石、泥灰石等,遇水可能會膨脹、崩解或軟化,失去力學(xué)強度或發(fā)生溶濾。在這些巖層中灌漿,需考慮少用或不用水灰比過大的稀漿和析水性強的縮聚型漿液。

水的酸堿度(氫離子濃度)對漿液的性能影響較大。堿性地下水能夠縮短膠凝時間,但對固體的強度影響不大;酸性地下水可以延緩膠凝時間而且對固體的強度影響較大[1]。

故需加強化學(xué)灌漿工程現(xiàn)場的地質(zhì)勘探和調(diào)查工作。

2.2 漿材的性能指標(biāo)

漿材的基本性能指標(biāo)有密度、粘度、膠凝時間、聚合體和固砂體的力學(xué)強度等?；瘜W(xué)灌漿材料種類繁多,在此以用于錦屏一級水電站f 5斷層試驗區(qū)的JX環(huán)氧樹脂系列漿材[2]為例,對化學(xué)灌漿漿材性能進行分析探討。

試區(qū)內(nèi)f 5斷層破碎帶寬1.0～1.5 m,主要由碎裂巖、角礫巖夾少量糜棱巖條帶組成,散體結(jié)構(gòu),為Ⅴ級巖體。JX環(huán)氧樹脂系列配方,具有可灌性好、強度高、粘結(jié)力強、毒性低等特性,試驗中用到的3個配方其各項性能指標(biāo)有所差異,見表1。在灌漿之前,必須對所選漿材的性能進行指標(biāo)測定,在滿足工程技術(shù)要求的前提下,選擇最優(yōu)配比組合。

表1 JX環(huán)氧樹脂系列漿材性能試驗成果

2.3 灌漿過程的控制

2.3.1 配漿的控制[3]

配漿是化灌工序的第一步,對灌漿效果有直接的影響。要求配漿人員掌握配方中各成分的性能和作用,嚴(yán)格按比例精確稱量。漿液配置應(yīng)根據(jù)注入量大小,遵循少量多次隨灌隨制的原則,不得一次配置大量漿液存放,以防止?jié){液存放時間過長造成漿液黏度增大或發(fā)生暴聚影響灌漿效果和漿液浪費。漿液要給予一定時間的均勻攪拌,這樣才能使微量組份均勻地分布在整個體系中。另外,在配漿中出現(xiàn)的廢料要處理妥當(dāng),以防造成環(huán)境污染。

錦屏化灌試驗中配漿采用體積稱量法,將甲、乙兩種漿材按體積比例稱量好分別盛放于不同容器內(nèi),按先甲液后乙液的順序依次加入到低速攪拌機內(nèi),攪拌3 min～5 min,混合均勻后加入灌漿桶,供灌漿使用。

2.3.2 灌漿參數(shù)的控制[3～5]

灌漿參數(shù)是影響灌漿效果的最重要因素之一。主要的灌漿參數(shù)有灌漿壓力、擴散半徑或有效擴散距離、膠凝時間、灌漿歷時等,這些參數(shù)之間相互聯(lián)系相互制約,如何調(diào)整和控制這些參數(shù),使灌漿能夠最大限度的滿足工程要求,是灌漿過程控制的追求目標(biāo)。錦屏化灌試驗采用自上而下分段、孔口封閉、純壓式灌漿法。以下對各灌漿參數(shù)展開探討。

2.3.2.1 漿液擴散半徑或擴散距離

漿液擴散半徑或擴散距離隨地層滲透系數(shù)、裂隙寬度、灌漿壓力、灌漿歷時的增大而增大,隨漿液濃度和黏度的增加而減少。其值可根據(jù)理論公式和工程類比法進行估算,但由于工程地質(zhì)的不同性,通常通過工程試驗確定。為了控制漿液能夠達到預(yù)期的地方膠凝,既不超出也不小于預(yù)期范圍,常常需進行不同配比漿液的變換。

錦屏化灌試驗中灌漿孔按逐序加密的原則布置,Ⅰ序孔孔距2.0 m、Ⅱ序孔孔距1.0 m。以JX-D為基本灌注漿液,當(dāng)JX-D漿液注入漿量達到60 L/m,且灌漿壓力未達到設(shè)計壓力時變換為JX-C漿液繼續(xù)灌注。若變漿為JX-C后,灌漿壓力仍未升至設(shè)計壓力且注入率無明顯變化,注入漿量已累計達80 L/m,變換為JX-B漿液繼續(xù)灌注。

2.3.2.2 灌漿壓力

灌漿壓力是漿液在地層中擴散的動力,灌漿壓力過大,易引起裂縫變形和地基抬動,破壞地基原有的內(nèi)部構(gòu)造。灌漿壓力過小,不一定能達到要求的擴散半徑。灌漿壓力要綜合考慮其它各項參數(shù),在允許的壓力范圍內(nèi)及時調(diào)整。在錦屏化灌試驗中灌漿壓力要求逐漸升高并達到該孔段設(shè)計壓力,當(dāng)注入率≥0.1 L/(min·m)時,適當(dāng)降低灌漿壓力,注入率≤0.05 L/(min·m)時,適當(dāng)升高灌漿壓力,灌漿注入率控制在0.05 L/(min·m)～0.1 L/(min·m)。

2.3.2.3 灌漿歷時和膠凝時間

灌漿歷時指漿液從灌漿孔開始,沿裂縫向四周做徑向擴散到要求范圍內(nèi)所用的時間,是確定膠凝時間的依據(jù),其長短影響工程質(zhì)量和進度。膠凝時間是漿液固有的特性,根據(jù)工程的不同需要,在漿液中加入適量的速凝劑、緩凝劑等附加劑來調(diào)節(jié)膠凝時間。

錦屏化灌試驗中灌漿歷時是在設(shè)計灌漿壓力下,注入率小于或等于0.01～0.05 L/(min·m)后持續(xù)灌漿30 min。漿液膠凝時間見表1。

2.4 錦屏一級水電站f 5斷層帶化學(xué)灌漿效果

化學(xué)灌漿后,f 5斷層帶透水率最大值0.31Lu;單孔聲波波速由灌前2 400～2 700 m/s提高到灌后4 500～5 000 m/s,提高幅度約80%;孔內(nèi)變形模量由灌前0.2～0.5 GPa提高到灌后的2.5～3.5GPa。這些數(shù)據(jù)表明,選用JX環(huán)氧樹脂漿材對f 5斷層帶進行化學(xué)灌漿,巖體滲透性、物理力學(xué)參數(shù)都得到較大程度的改善。

3 結(jié) 語

做好工程地質(zhì)條件的實際調(diào)查,根據(jù)灌漿目的,選用相適應(yīng)的漿材;認(rèn)真做好漿材的性能測試,選擇最優(yōu)配方組合;綜合考慮各個灌漿參數(shù)之間的相互制約關(guān)系,采用最優(yōu)參數(shù)組合及嚴(yán)格控制灌漿過程來對斷層破碎帶、泥化構(gòu)造等復(fù)雜地基進行處理,往往能夠達到工程所要求的防滲、固化目標(biāo)。其取代開挖置換處理,節(jié)約工期,減少工程量和工程投資。

[1]張迎珍.地質(zhì)條件與化學(xué)灌漿[J].山西教育學(xué)院學(xué)報,2000,3(4):25-26.

[2]中國水電顧問集團成都勘測設(shè)計研究院.錦屏一級水電站左岸f 5斷層及煌斑巖脈軟弱巖帶化學(xué)灌漿試驗第一階段評價報告[R].成都:中國水電顧問集團成都勘測設(shè)計研究,2008.

[3]王保欣,于艷芳,等.化學(xué)灌漿及質(zhì)量控制問題的研究與探討[J].西北水電,2006,(4):90-93.

[4]葛家良.化學(xué)灌漿技術(shù)的發(fā)展與展望[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2006,25(增2):3384-3392.

[5]劉嘉材.化學(xué)灌漿[M].北京:中國水利水電出版社,1988.