適于富水巖溶大孔隙地層防滲加固的水泥砂膏漿

，， ，云貴，

(1.長(zhǎng)沙理工大學(xué) 水利工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410114；2.紅河哈尼族彝族自治州水利水電工程地質(zhì)鉆探隊(duì)，云南 蒙自 661199)

1 研究背景

在水利水電基礎(chǔ)工程中，富水巖溶大孔隙地層的充填、防滲、加固是經(jīng)常遇到的難題。如壩基的溶洞、地下廠房、隧道周邊巖溶、江河湖泊堤防防滲加固等基礎(chǔ)工程處理中，目前常采用砂漿或速凝漿材進(jìn)行灌漿，而砂漿存在穩(wěn)定性差、抗水沖釋能力弱等不足，速凝漿材存在成本高等劣勢(shì)。因此有必要針對(duì)富水巖溶大孔隙地層這類地質(zhì)結(jié)構(gòu)，研制一種滿足此類工程基礎(chǔ)處理要求的可選材料。

在裂隙巖土地層的灌漿材料的研究上已有許多成果，研發(fā)了多種普通水泥砂漿及水泥膏漿等漿材。對(duì)富水巖溶大孔隙地層灌漿材料的研究，也大多在普通水泥砂漿及速凝漿材類材料層面上。普通水泥砂漿雖有一定技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)方面的優(yōu)勢(shì)，但存在前期塑性黏度和屈服應(yīng)力較小、漿材凝結(jié)時(shí)間較長(zhǎng)、抗水流沖釋能力弱等不足。速凝類漿材具有凝結(jié)時(shí)間可控和良好的抗水流沖釋等優(yōu)點(diǎn)，但其截?cái)酀B水通道范圍有限，不能有效地控制滲水流量，且速凝漿材成本較高，對(duì)于富水巖溶大孔隙地層的地基處理，需要大量漿材進(jìn)行灌注。

凌英顯[1]研究了水泥砂漿在凝固前的初期結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和流變特性，其初期結(jié)構(gòu)強(qiáng)度取決于水泥凈漿的內(nèi)聚力和與集料之間的黏附力，硬化前的塑性黏度和屈服應(yīng)力較小；邢鋒等[2]提出U型流動(dòng)法測(cè)定剪切力屈服值較小的Bingham體的塑性黏度，應(yīng)用于評(píng)價(jià)水泥砂漿的流變性能；王海龍等[3]以水泥砂漿復(fù)合土作為研究對(duì)象，通過(guò)研究摻砂量與強(qiáng)度之間的關(guān)系，得出水泥摻量分別為10%和20%時(shí)，摻砂量分別為30%和40%的強(qiáng)度最佳；曹明莉等[4]分析不同水灰比、砂灰比及碳酸鈣晶須摻量下，水泥砂漿拌合物流變性能的變化情況，得出碳酸鈣晶須摻量能一定程度增加拌合物的屈服應(yīng)力和塑性黏度；何靜等[5]以普通砂作為細(xì)骨料，通過(guò)內(nèi)摻風(fēng)積沙替代同等質(zhì)量的普通砂配制水泥砂漿，可提高水泥砂漿的前期強(qiáng)度，在技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)方面具有潛在優(yōu)勢(shì)；馮虎等[6]研究了聚合物改性劑、硅烷偶聯(lián)劑、減縮劑及消泡劑對(duì)聚合物改性水泥砂漿凝結(jié)時(shí)間的影響，在不添加這些外加劑時(shí)，水泥砂漿的初凝時(shí)間大部分需要幾個(gè)小時(shí)；趙衛(wèi)全等[7]研制了一種摻入新型外加劑的水泥膏漿，其具有自堆積、凝結(jié)時(shí)間可控和良好的抗水流沖釋等優(yōu)點(diǎn)，但黏度過(guò)大，會(huì)使?jié){液的流動(dòng)性變差，攪拌和泵送困難；符平等[8]對(duì)水泥膏漿和速凝膏漿進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，提出速凝水泥膏漿擴(kuò)散范圍受到一定的限制，截?cái)酀B水通道范圍有限，不能有效地控制滲水流量；劉旭升[9]研究表明新型水泥膏漿適合于較大孔隙地層的動(dòng)水堵漏，是圍堰防滲的一種有效手段，較常規(guī)連續(xù)墻圍堰防滲縮短工期50%以上。成虎林等[10]在土石堰防滲堵漏中采用了速凝水泥膏漿進(jìn)行灌漿，堵漏效果極好，漏水量減少了約70%，提出采用速凝水泥膏漿成本較高，爭(zhēng)取使用其他價(jià)格較低的速凝漿材。

本文通過(guò)綜合考慮普通水泥砂漿和速凝漿材的優(yōu)缺點(diǎn)，通過(guò)大樣本長(zhǎng)周期室內(nèi)試驗(yàn)，對(duì)水泥砂膏漿的穩(wěn)定性、可控性、抗沖釋性能及結(jié)石體性能研究分析，研制出一種可以用來(lái)處理富水巖溶大孔隙地層的新型可控速凝漿材。

2 水泥砂膏漿組分研究

2.1 試驗(yàn)原材料及機(jī)理

(1)水泥：試驗(yàn)所用水泥為湖南碧螺牌P·O42.5普通硅酸鹽水泥，其主要性能指標(biāo)見(jiàn)表1。

(2)改性劑：采用本課題組所研發(fā)的改性劑。改性劑中的無(wú)機(jī)鹽首先水解，生成大量的AlO2-，SO42-，OH-，而AlO2-與水泥水化反應(yīng)后生成Ca(OH)2溶解后的Ca2+發(fā)生反應(yīng)生成水化3CaO·Al2O3，降低了溶液中Ca2+的濃度；而水化3CaO·Al2O3的結(jié)晶體成為后續(xù)反應(yīng)物晶體生長(zhǎng)的晶核，加快了各種水化產(chǎn)物晶體的生長(zhǎng)，從而加快了水泥的水化反應(yīng)，提高了早期強(qiáng)度，縮短了初凝時(shí)間。

(3)砂：砂子采用天然河砂，篩選后細(xì)度模數(shù)2.56，含泥量1.6%，堆積密度1 465 kg/m3，表觀密度2 645 kg/m3，含水率為1.987%，顆粒級(jí)配良好。

在水泥類漿液中摻入一定量的砂，可以提高黏聚力、有效黏聚力和內(nèi)摩擦角、有效內(nèi)摩擦角，使其具有完善顆粒填充效應(yīng)的作用，能夠有效地減少水泥漿的孔隙數(shù)量，并能發(fā)揮砂顆粒置換作用以及水泥水化物的膠結(jié)作用。水泥顆粒通過(guò)水化物聯(lián)結(jié)包裹以砂顆粒為中心的團(tuán)聚結(jié)構(gòu)，進(jìn)而提高水泥漿材的強(qiáng)度。此外，在水泥類漿液中摻砂的同時(shí)，會(huì)帶來(lái)負(fù)面效應(yīng)，砂屬于散粒體材料，具有一定的分散作用，需要與改性劑配合使用，來(lái)解決這一問(wèn)題。

2.2 試驗(yàn)方案

水泥砂膏漿性能測(cè)試包括漿液基本性能及結(jié)石體性能。主要包括比重、析水率、稠度、流動(dòng)度、凝結(jié)時(shí)間、結(jié)石率、抗壓強(qiáng)度、漿液流變性能、抗水流沖釋性能等。

根據(jù)已有研究，本次試驗(yàn)主要考慮砂子摻量及改性劑摻量對(duì)漿材的基本性能及結(jié)石體性能的影響，其他影響因素保持不變。試驗(yàn)不變量包括采用水灰比為1∶1的水泥漿液，變量包括砂子摻量及改性劑摻量，砂子與水泥的質(zhì)量比分別為0.25，0.30，0.40，0.50，0.75，1.00，改性劑分別占水泥質(zhì)量0%，0.5%，0.75%，1%，1.25%，1.5%，采用正交設(shè)計(jì)進(jìn)行試驗(yàn)，具體如表2所示。

表2 水泥砂膏漿試驗(yàn)方案Table 2 Test schemes of cement sand paste-slurry

3 水泥砂膏漿性能研究

3.1 漿液穩(wěn)定性

漿液的均勻性變化越慢，則漿液保持原有的分散度時(shí)間越長(zhǎng)，漿液的穩(wěn)定性越好，反之，則漿液的穩(wěn)定性越差。

3.1.1 漿液相對(duì)密度

采用1002型相對(duì)密度計(jì)對(duì)試驗(yàn)組進(jìn)行相對(duì)密度測(cè)試，測(cè)試前需進(jìn)行相對(duì)密度計(jì)校核，然后每組分別測(cè)試3次，取平均值，具體結(jié)果見(jiàn)圖1。

分析結(jié)果可知，砂子摻量一定時(shí)，改性劑摻量變化對(duì)漿液相對(duì)密度的影響不顯著；當(dāng)改性劑摻量為定量時(shí)，漿液相對(duì)密度隨砂子摻量的增加而增加。

3.1.2 漿液析水率

析水率是反映漿液穩(wěn)定性的重要指標(biāo)，常采用圓柱量筒測(cè)定。選擇內(nèi)徑27 mm、最大標(biāo)準(zhǔn)刻度100 mL、最小刻度為1 mL的圓柱量筒。同時(shí)做2組平行試驗(yàn)，取其平均值作為試驗(yàn)結(jié)果，如圖2。

表1 水泥主要性能指標(biāo)Table 1 Main performance indicators of cement

圖1 水泥砂膏漿比重Fig.1 Proportion of cement sand paste-slurry

圖2水泥砂膏漿析水率
Fig.2Bleedingrateofcementsandpaste-slurry

試驗(yàn)表明：改性劑對(duì)漿液析水率影響顯著，摻砂量影響不大。純水泥砂漿漿液的析水率達(dá)到20%～30%，且砂子與水泥漿產(chǎn)生了離析分層現(xiàn)象。在添加改性劑后，水泥砂膏漿析水率減少到0%～3%。

3.2 漿液可控性

處理富水巖溶大孔隙地層以及大滲漏通道的動(dòng)水情況下的地基加固防滲問(wèn)題，控制性灌漿是一種行之有效的新型灌漿方法。灌漿材料控制是控制性灌漿除了灌漿技術(shù)、灌漿壓力等控制措施之外的一個(gè)很重要的方面。在灌漿材料控制中，其可控性主要是通過(guò)其稠度、流動(dòng)度、凝膠時(shí)間、流變性能等基本參數(shù)來(lái)體現(xiàn)。

3.2.1 稠度

采用STSC-145型數(shù)顯砂漿稠度儀對(duì)漿液的稠度進(jìn)行測(cè)量，制漿后每10 min測(cè)定一次，共測(cè)試60 min。具體結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3漿液稠度隨時(shí)間變化
Fig.3Changesofslurryconsistencywithtime

分析可見(jiàn)，漿液在攪拌完成后，初始稠度較大，在0～20 min內(nèi)顯著減少，反映漿液具有良好的可泵性；砂子摻量一定，改性劑摻量為0.75%，1%，1.25%，1.5%時(shí)，1 h內(nèi)漿液的稠度可由100～120 mm降低至10～50 mm。

3.2.2 流動(dòng)度

流動(dòng)度的大小影響著漿材的擴(kuò)散半徑、注漿流量等參數(shù)。流動(dòng)度的測(cè)定如圖4所示。

圖4 流動(dòng)度的測(cè)定Fig.4 Determination of fluidity

由圖5試驗(yàn)結(jié)果可知，在砂子摻量一定的情況下，漿液的流動(dòng)度隨著改性劑的增加而減少，在10～60 cm之內(nèi)可控可調(diào)。改性劑摻量一定時(shí)，砂子摻量對(duì)漿材流動(dòng)度的影響并不顯著。

圖5漿液流動(dòng)度變化
Fig.5Changesoffluidityofslurry

3.2.3 凝結(jié)時(shí)間

凝結(jié)時(shí)間的測(cè)定目的在于根據(jù)工程需要的單孔注漿時(shí)間來(lái)控制和調(diào)節(jié)漿液凝結(jié)時(shí)間，使凝結(jié)時(shí)間與注漿時(shí)間相匹配，同時(shí)也是為了得到理想的擴(kuò)散半徑和注漿效果。本次試驗(yàn)主要測(cè)試的是初凝時(shí)間。初凝時(shí)間的測(cè)定如圖6所示。

圖6初凝時(shí)間的測(cè)定
Fig.6Measurementofinitialsettingtime

如圖7所示，未添加改性劑前，純水泥砂漿的凝膠時(shí)間在160～200 min之內(nèi)。添加改性劑后，形成的水泥砂膏漿初凝時(shí)間發(fā)生顯著變化，隨著量的增加而減少，初凝時(shí)間在2～30 min內(nèi)可控可調(diào)。

圖7漿液的初凝時(shí)間
Fig.7Initialsettingtimeoftheslurry

3.2.4 流變參數(shù)

圖8 流變參數(shù)的測(cè)定 Fig.8 Determination of rheological parameters

流變參數(shù)的可控性，主要是通過(guò)改變改性劑配比及摻量實(shí)現(xiàn)的。抗剪切屈服強(qiáng)度是漿液的重要流變參數(shù)，采用美國(guó)Brookfield 公司的R/S-SST PlusTM流變儀對(duì)漿液的抗剪切屈服強(qiáng)度及黏度進(jìn)行測(cè)定。流變參數(shù)的測(cè)定如圖8所示。

由圖9分析可知，當(dāng)砂子摻量一定時(shí)，改性劑對(duì)水泥砂膏漿的流型有著顯著影響。摻量較低時(shí)，均為賓漢流體，隨著摻量的增加，均為有屈服值的偽塑性流體。且改性劑摻量在0.75%～1%范圍內(nèi)時(shí)，漿液的抗剪切屈服應(yīng)力達(dá)到最大值。該類型漿液的剪切應(yīng)力都是先隨剪切速率的增加而減少，最終趨于穩(wěn)定且穩(wěn)定時(shí)的剪切應(yīng)力相近；當(dāng)改性劑摻量一定時(shí)，漿液的剪切應(yīng)力在砂子摻量為0.5～0.75時(shí)達(dá)到最大，剪切應(yīng)力也是先減小后穩(wěn)定。

由圖10分析可知，無(wú)論是砂子摻量還是改性劑摻量一定時(shí)，水泥砂膏漿的黏度隨時(shí)間呈先增加后保持穩(wěn)定的趨勢(shì)，且穩(wěn)定時(shí)間都在10～60 min之內(nèi)。

圖9 漿液抗剪切屈服強(qiáng)度Fig.9 Shear yield strength of slurry

圖10漿液黏度隨時(shí)間變化
Fig.10Viscosityofslurryagainsttime

3.3 漿液抗沖釋性能

圖11 留存率的測(cè)定 Fig.11 Determination of retention rate

處理一定開(kāi)度的富水溶洞地層以及大孔隙地層的動(dòng)水堵漏，要求漿液必須具有一定的抗水流沖釋能力，能夠快速凝結(jié)并且具有一定強(qiáng)度，不被水流沖散、沖走，從而達(dá)到防滲加固目的。留存率的測(cè)定如圖11所示。

在室內(nèi)進(jìn)行了不同流速下改性水泥砂膏漿的抗沖模擬試驗(yàn)，抗水流沖釋能力用膏漿被水流留存的質(zhì)量差來(lái)衡量，留存率計(jì)算公式為

(1)

式中：W為留存率；W1為沖釋前膏漿的質(zhì)量；W2為沖釋后膏漿的質(zhì)量。

由圖12可見(jiàn)，在流速為0.4～0.6 m/s時(shí)，水泥砂膏漿的抗水流沖釋能力隨著改性劑摻量的增加而增加。當(dāng)改性劑摻量為1%時(shí)，漿液的抗水流沖釋性能達(dá)到最佳，留存率達(dá)到85%以上。

圖12漿液抗水流沖釋的留存率
Fig.12Retentionrateofslurryagainstwaterdilution

3.4 漿材結(jié)石體性能

3.4.1 結(jié)石率

如圖13所示，在未添加改性劑的純水泥砂漿中，其結(jié)石率為70%～80%。添加改性劑后，水泥砂膏漿的結(jié)石率為90%以上，大部分都為100%，說(shuō)明該漿液結(jié)石體并不變形。總的來(lái)說(shuō)，水泥砂膏漿受砂子摻量的影響較小，受改性劑摻量的影響較大。

圖13水泥砂膏漿結(jié)石率變化圖
Fig.13Changesofstonerateofslurry

3.4.2 抗壓強(qiáng)度

圖14 抗壓強(qiáng)度測(cè)定 Fig.14 Determination of compressive strength

抗壓強(qiáng)度的測(cè)定是研究注漿材料的一項(xiàng)重要的工作，抗壓強(qiáng)度的大小決定了這種材料的使用范圍。抗壓強(qiáng)度大者可以起到加固的作用，抗壓強(qiáng)度小者只能達(dá)到堵水的目的?？箟簭?qiáng)度測(cè)定的廢料如圖14所示。

由圖15漿液結(jié)石體抗壓強(qiáng)度結(jié)果分析可知，純水泥砂漿28 d的抗壓強(qiáng)度可以達(dá)到14～19 MPa，具有良好的抗壓強(qiáng)度，但綜合前期研究，其抗沖釋性能并不好，滿足不了堵水要求。

在砂子摻量一定情況下，水泥砂膏漿的抗壓強(qiáng)度隨著改性劑摻量的增加而增加趨于穩(wěn)定。一些試驗(yàn)組3 d的抗壓強(qiáng)度為2～5 MPa，而28 d的抗壓強(qiáng)度可到達(dá)10 MPa左右。

圖15漿液結(jié)石體抗壓強(qiáng)度
Fig.15Compressivestrengthofslurrystone

4 工程應(yīng)用

4.1 工程概況

某水電樞紐是中奧合作，集發(fā)電、船運(yùn)、灌溉、綜合效益為一體的中型水電樞紐工程。樞紐1#副壩位于河道右岸，水位達(dá)到正常蓄水位114.0 m時(shí)，大壩下游形成大面積滲漏現(xiàn)象，局部甚至出現(xiàn)管涌，壩后排水溝匯集滲流量可達(dá)0.3～1.0 m3/s。副壩處地層由老至新主要為：①泥盆系上統(tǒng)佘田橋組(D3s)：灰色、深灰色厚—巨厚層白云質(zhì)灰?guī)r、生物碎屑灰?guī)r、薄層泥灰?guī)r夾薄層炭質(zhì)頁(yè)巖。巖溶較發(fā)育，現(xiàn)場(chǎng)鉆探中曾多次遭遇溶洞，洞徑一般1～3 m，最大溶洞洞徑近7 m，充填或半充填砂、砂卵石等；②第四系全新統(tǒng)沖積堆積(Q4al)，上部為砂土層，下部為砂卵礫石層，磨圓度好，級(jí)配均勻，粒徑4～8 cm，大者超過(guò)15 cm，卵石含量約占77%，砂為中細(xì)砂，含量約占23%；③人工堆積(QS)：為黏土斜墻砂殼壩，壩殼成分以砂卵石為主，夾少量灰?guī)r塊石及泥質(zhì)，松散，透水性強(qiáng)。斜墻成分為礫質(zhì)黏土或礫質(zhì)壤土，較單薄，填筑結(jié)構(gòu)較松散。具體地質(zhì)分布如圖16所示。

注：K為滲透系數(shù)

圖161#副壩地質(zhì)分布
Fig.16Geologicalprofileof1#auxiliarydam

4.2 防滲加固施工

綜合現(xiàn)場(chǎng)施工條件與漿液的初、終凝時(shí)間間隔可控可調(diào)和可灌性等特點(diǎn)，針對(duì)含水巖溶發(fā)育較好的地層，采用水∶水泥∶改性劑∶砂=1∶1∶0.01∶0.4的水泥砂膏漿材料配合比，通過(guò)砂漿灌漿泵灌注，達(dá)到規(guī)范灌漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)后停止灌漿?，F(xiàn)場(chǎng)施工圖如圖17所示。

壓水試驗(yàn)表明，透水率達(dá)到≤5 Lu，且在后續(xù)鉆進(jìn)過(guò)程中，未發(fā)生涌水，滿足工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。如圖18所示，大壩下游一個(gè)由水庫(kù)長(zhǎng)期滲漏形成的水池，水位也有明顯下降，說(shuō)明該水泥砂膏漿材料起到了封堵涌水通道和加固地層的作用。

圖17 現(xiàn)場(chǎng)施工Fig.17 Site construction圖18 灌漿效果Fig.18 Grouting effect

5 結(jié) 論

富水巖溶大孔隙地層的充填、防滲加固施工過(guò)程中，不但要求材料具有一定的抗沖釋性能、承載力性能以及力學(xué)性能，且應(yīng)具備環(huán)保、價(jià)格低廉等特點(diǎn)。本文通過(guò)大樣本室內(nèi)試驗(yàn)，研制了新型可控水泥砂膏漿材料，可適用于富水巖溶大孔隙地層及類似地層的防滲加固基礎(chǔ)處理。

(1)水泥砂膏漿具有良好的漿液穩(wěn)定性，析水率為0%～3%，而純水泥砂漿是20%～30%，可顯著提高灌漿加固效果。

(2)水泥砂膏漿在稠度、流動(dòng)度(10～70 cm)、凝結(jié)時(shí)間(2～30 min)、抗剪切屈服強(qiáng)度(0～767 Pa)、黏度(0.1～4.3 Pa·s)等可控性方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，可以根據(jù)實(shí)際工程需要進(jìn)行調(diào)控。

(3)水泥砂膏漿結(jié)石率近100%，28 d的抗壓強(qiáng)度可達(dá)到10 MPa左右，滿足一般防滲加固灌漿工程的要求。試驗(yàn)說(shuō)明改性劑的添加量為1%～1.25%，砂子摻量為0.4～0.75時(shí)，漿液的強(qiáng)度到達(dá)最佳效果。

(4)水泥砂膏漿中的改性劑，可增加漿材的初始屈服應(yīng)力及黏度，使其具有良好的抗水流沖釋性能。在流速為0.4～0.6 m/s時(shí)，漿材抗水流沖釋后的留存率可以達(dá)到85%以上。實(shí)際工程應(yīng)用表明，水泥砂膏漿可適用于富水巖溶大孔隙地層的防滲加固基礎(chǔ)處理工程。但在應(yīng)用時(shí)可能存在堵管、卡殼問(wèn)題，應(yīng)及時(shí)清洗泵送管道。

(5)采用水泥砂膏漿時(shí)，材料成本與普通水泥膏漿相當(dāng)，且具有環(huán)保等方面的社會(huì)效益。

(編輯：羅 娟)