自流控制灌漿技術(shù)對復(fù)雜堆石體防滲的實驗研究

張萬銀

摘 要：自流控制灌漿技術(shù)是基于自密實混凝土、自密實砂漿等發(fā)展起來的一項灌漿防滲技術(shù)?；驹硎遣捎米粤骺刂乒酀{技術(shù)，對堆石體（或堰塞體）初始顆粒進行膠結(jié)，形成粒徑可控的膠結(jié)塊體，作為防滲加固體系，再采取自上而下（或自下而上）逐層進行灌注的方式，形成連續(xù)的灌漿膠結(jié)體系，膠結(jié)體連續(xù)形成可進行帷幕灌漿的防滲墻結(jié)構(gòu)體，再進行帷幕灌漿作為大壩堆石體（或堰塞體）的抗?jié)B體。由于自流控制灌漿具有工藝簡單，造孔簡便，施工成本低，方便補強，風(fēng)險可控等優(yōu)點，在大壩除險加固、堰塞體加固、改善復(fù)雜地層的物理力學(xué)性能等工程中具有廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：自流控制灌漿；堆石體；堰塞體；實驗研究

中圖分類號：TV543 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）21-0132-02

Abstract： Self-flow control grouting technology is based on self-compacting concrete， self-compacting mortar and other developed grouting anti-seepage technology. The basic principle is to use the artesian control grouting technology to cement the initial particles of rockfill body （or dammed body） to form a cemented block with controllable particle size， which can be used as an anti-seepage reinforcement system. A continuous grouting and cementing system is formed by filling layer by layer from top to bottom （or from bottom to top）， and the cemented body continuously forms an impervious wall structure that can be used for curtain grouting. The curtain grouting is used as the impervious body of the rockfill body （or dammed body） of the dam. Since the artesian control grouting has the advantages of simple technology， simple hole making， low construction cost， convenient reinforcement and controllable risk， etc. It has broad application prospects in dam reinforcement， improvement of physical and mechanical properties of complex strata and so on.

Keywords： artesian flow control grouting； rockfill body； dammed body； experimental study

1 研究背景

2014年8月3日，云南魯?shù)榭h發(fā)生6.5級地震，地震使牛欄江紅石巖段右岸山體巖石崩塌形成高約90m的松散堆積體，堆積體左岸是古滑坡體，左右岸相連形成紅石巖堰塞湖。左岸古滑坡體形成年代較久遠，沉降變形時間長；而右岸崩塌體形成時間很短，預(yù)計在未來相當(dāng)長時間內(nèi)會有較大的沉降和濕陷變形。由于堰塞體是由天然堆積而成，而且左右岸堰塞體物質(zhì)組成存在明顯差異，物質(zhì)成份、顆粒粒徑級配及孔隙率等參數(shù)會存在較大不確定性，其沉降變形特性也難以準(zhǔn)確預(yù)測，人工筑壩時常用的防滲、加固處理措施直接應(yīng)用存在風(fēng)險，堰塞堆積體的防滲加固處理是紅石巖堰塞體改造建壩的關(guān)鍵技術(shù)難題之一。

根據(jù)上述情況，由我院（昭通市水利水電勘測設(shè)計研究院）聯(lián)合清華大學(xué)水沙科學(xué)與水利水電工程國家重點實驗室提出采用自流控制灌漿與常規(guī)壓力灌漿相結(jié)合的技術(shù)，為紅石巖堰塞湖整治提供技術(shù)支撐。

2 實驗過程

2.1 指導(dǎo)思想與實驗流程

本次試驗與實際的固結(jié)灌漿工程施工相結(jié)合，屬生產(chǎn)性試驗，通過先期具備灌漿條件的代表灌區(qū)開展本試驗要求的試驗工作。將自流可控固結(jié)灌漿和常規(guī)壓力灌漿放在同一試驗區(qū)內(nèi)，先通過自流可控灌漿填充大裂隙，再采取常規(guī)壓力灌漿封堵小裂隙，灌漿孔位按梅花型布置，以此驗證“自流可控+常規(guī)壓力”的固結(jié)灌漿的效果，采用物探、取樣試驗、孔內(nèi)攝像、常規(guī)注（壓）水、超聲波檢測等檢查手段和測試手段，取得試驗成果資料。通過統(tǒng)計整理和分析研究試驗資料，得到適合本工程的基礎(chǔ)灌漿有關(guān)參數(shù)和施工工藝進而得出相關(guān)結(jié)論。

2.2 布孔型試

按設(shè)計文件要求，固結(jié)灌漿孔在試驗區(qū)域沿8個方向分散交叉布孔，分Ⅰ和Ⅱ兩序孔鉆灌，Ⅰ序孔鉆灌采用自流可控灌漿方式，Ⅱ序孔鉆灌采用常規(guī)壓力灌漿方式，先進行Ⅰ序孔鉆灌施工，再進行Ⅱ序孔鉆灌施工。

2.3 自流控制灌漿材料選擇

（1）灌漿材料的種類：常規(guī)水泥灌漿料，水灰比5：1～0.5：1，采用注漿泵壓力灌注。自密實凈漿，水灰比0.4：1～0.3：1，采用自流灌注，坍落擴展度>1000mm。高流態(tài)自密實砂漿，水灰比0.4：1～0.3：1，體積砂率40%～45%，采用自流灌注，坍落擴展度1000～1200mm。中流態(tài)自密實砂漿，水灰比0.4：1～0.3：1，體積砂率45%～48%，采用自流灌注，坍落擴展度800～1000mm。低流態(tài)自密實砂漿，水灰比0.4：1～0.3：1，體積砂率48%～52%，采用自流灌注，坍落擴展度600～800mm。

自密實砂漿配比及性能見表1。

（2）灌漿材料的選擇：（以灌前注水試驗滲透系數(shù)k為準(zhǔn)，單位cm/s）

k<1×10-3，選擇常規(guī)水泥灌漿料。

1×10-3≤k≤1×10-1，選擇自密實凈漿。

1×10-1

1×10+1≤k，選擇一般流態(tài)自密實砂漿。

2.4 鉆孔及灌漿

（1）鉆孔：鉆孔采用150型回轉(zhuǎn)鉆機，基巖清水合金鉆，灌漿孔孔徑為φ110mm，檢查孔孔徑為φ90mm。（2）鉆孔沖洗：灌漿孔孔段鉆孔結(jié)束后，應(yīng)立即進行洗孔和撈渣，保證孔內(nèi)干凈，洗孔至回水變清，若不返水則以流量由小變大漸趨于穩(wěn)定來判斷，沖洗時間不少于20min。撈渣標(biāo)準(zhǔn)以孔底沉積厚度不大于200mm為限，鉆孔沖洗壓力為0.8Mpa。（3）注水試驗：鉆孔各灌漿段灌漿前及檢查孔各段均進行簡易注水試驗，每5mⅠn測讀一次注入流量，注水時間不少于20min。（4）待凝：根據(jù)成型7.07cm和10cm立方體抗壓試塊，檢測1d抗壓強度可達25Mpa，各孔待凝時間控制在24h，即灌漿孔封孔24h后可進行鉆孔。（5）漿液變換：灌漿過程中，漿液濃度的變換遵循由稀到濃，逐級變換的原則。當(dāng)某一比級漿液的注入量已達300L以上或灌注時間已達1h，而灌漿壓力和注入率均無改變或改變不顯著時，應(yīng)該加濃一級；當(dāng)注入率大于30L/min時，可根據(jù)具體情況越級變濃。（6）特殊情況處理：遇到串漿、冒漿、巖層破碎、止?jié){困難、吃漿量過小、吃漿量過大等，進行特殊情況處理。

3 實驗結(jié)果分析

3.1 固結(jié)效果

（1）孔內(nèi)成像。根據(jù)鉆孔取芯及孔內(nèi)電視成像顯示，復(fù)雜的堰塞體已然形成連續(xù)膠結(jié)體，其性狀類似混凝土，說明自流控制灌漿對堰塞體大孔隙及毫米級以上縫隙充填效果較好，改善了堰塞體松散狀態(tài)，形成較為密實的結(jié)構(gòu)框架，再進行帷幕灌漿作為堰塞體的防滲體系是合理可行的。（2）超聲波檢測。根據(jù)現(xiàn)場條件，灌后在試驗區(qū)共布置了8個聲波測試孔，均為檢查孔，以客觀地評價灌漿效果。根據(jù)相關(guān)文獻與現(xiàn)場勘查，堰塞體地層屬于強卸荷體，且層間剪切破碎帶居多，因此自流控制灌漿設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為：灌后巖體波速值大于2000m/s標(biāo)準(zhǔn)值的測點應(yīng)在 80%以上，且低于標(biāo)準(zhǔn)值的測點不連續(xù)可評價為合格。

由統(tǒng)計值可以分析出：灌后波速VP>2000m/s的測點占88%，VP<2000m/s的測點占12%，且不集中，灌漿檢測結(jié)果為合格，同時可以判斷，復(fù)雜的堰塞體地質(zhì)已改善為常規(guī)可控地質(zhì)，為帷幕灌漿創(chuàng)造了有利條件。

3.2 防滲效果

本次實驗Ⅰ和Ⅱ序孔灌前累計壓水42段，Ⅰ和Ⅱ序灌后檢查孔累計壓水27段，類原狀孔累計壓水49段。根據(jù)壓水試驗表明：從試驗區(qū)自流控制灌漿灌前、灌后滲透系數(shù)分布上呈大致遞減趨勢，說明隨著灌漿次序的增進，Ⅰ序灌漿孔內(nèi)部區(qū)域地層逐漸被灌注密實，滲透性得到明顯改善，Ⅰ和Ⅱ序孔灌后可能將自由排水的復(fù)雜堆石體滲透系數(shù)降低至k≤1×10-1cm/s量級，再經(jīng)過帷幕灌漿可形成連續(xù)防滲體系。而類原狀孔的滲透系數(shù)卻依然很大，說明灌漿擴散半徑可以得到有效控制，避免漿液在重力作用下無限擴散，從而節(jié)省灌漿工程量。

4 需要進一步完善的問題

4.1 材料性能突破與施工工藝改進

試驗過程中發(fā)現(xiàn)，自流控制灌漿檢查孔只能進行注水試驗而無法進行壓水試驗，說明試驗區(qū)域復(fù)雜堆石體的整體滲透性得到很好的改善，且通過自流控制灌漿形成一定厚度的膠結(jié)體，對堰塞體起到填充固結(jié)，使松散破碎地層形成結(jié)構(gòu)框架的作用。但僅靠自流控制灌漿尚不能達到防滲標(biāo)準(zhǔn)，后續(xù)還要進行帷幕灌漿，以達到防滲要求。其主要原因在于，由于灌漿材料性能的限制，自流控制漿液還無法實現(xiàn)對毫米級以下的縫隙形成有效的填充；由于施工工藝限制，自流漿液僅在重力作用下無法對反向密閉空間進行有效填充。所以需進一步改善材料性能、改進施工工藝以達到僅靠自流控制灌漿就能實現(xiàn)同時滿足結(jié)構(gòu)與防滲兩大要求。

4.2 規(guī)程規(guī)范及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

遺憾的是，目前自流控制灌漿施工技術(shù)在國內(nèi)還處于理論研究階段，也沒有工程實例供參考，更沒有相關(guān)的設(shè)計規(guī)范、施工規(guī)范、檢測及試驗規(guī)程、質(zhì)量評定標(biāo)準(zhǔn)等?；谝陨显颍m然技術(shù)方案可行，紅石巖堰塞湖整治工程最終還是沒有采取自流控制灌漿方案。

5 結(jié)束語

實驗研究表明：自流控制灌漿對復(fù)雜堆石體防滲是一種簡單易行的實用技術(shù)。由于自流控制灌漿具有工藝簡單，造孔簡便，施工成本低，方便補強，風(fēng)險可控等優(yōu)點，在大壩除險加固、堰塞體加固、改善復(fù)雜地層的物理力學(xué)性能等工程中具有廣闊的應(yīng)用前景，有著明顯的作用與優(yōu)勢，應(yīng)盡快用于工程實踐。

參考文獻：

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