水玻璃系列化學(xué)灌漿在水利水電基礎(chǔ)防滲工程中的應(yīng)用

張子儀，向光鵬

(四川省內(nèi)江水利電力勘察設(shè)計(jì)院有限公司，四川 內(nèi)江 641000)

1 概述

和平水庫(kù)位于四川省涼山州德昌縣茨達(dá)鄉(xiāng)和平村境內(nèi)，是一座以農(nóng)業(yè)灌溉為主，兼顧?quán)l(xiāng)鎮(zhèn)、農(nóng)村供水的中型(Ⅲ等)水利工程。和平水庫(kù)樞紐工程由大壩、右岸開(kāi)敞式溢洪道、右岸放水放空洞等組成。

和平水庫(kù)大壩為鋼筋混凝土面板堆石壩，建在強(qiáng)風(fēng)化輝長(zhǎng)巖基礎(chǔ)上，基礎(chǔ)采用帷幕灌漿防滲。由于水平趾板基礎(chǔ)1～10m為強(qiáng)風(fēng)化輝長(zhǎng)巖，巖體細(xì)小裂縫和微張裂隙很發(fā)育，巖石破碎，采取率低，灌漿過(guò)程中回漿變濃、“吃水不吃漿”現(xiàn)象普遍。所以水平趾板基礎(chǔ)灌漿工作全面完成后，對(duì)該部位進(jìn)行自檢自查，發(fā)現(xiàn)部分單元檢查結(jié)果不能滿足設(shè)計(jì)要求，需重新研究灌漿材料。為了保證大壩壩基承載力及防滲性能，經(jīng)參建各方研究決定，分別在水平趾板段進(jìn)行化學(xué)灌漿、超細(xì)水泥灌漿和普通水泥補(bǔ)強(qiáng)灌漿試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明水泥灌漿效果不理想，達(dá)不到大壩壩基的防滲設(shè)計(jì)要求，但水玻璃系列化學(xué)灌漿試驗(yàn)結(jié)果卻能完全滿足大壩壩基的防滲功能要求，因此和平水庫(kù)樞紐工程最終采用了水玻璃系列化學(xué)灌漿作為補(bǔ)強(qiáng)灌漿方案。現(xiàn)場(chǎng)施工完成后，按照相關(guān)建設(shè)程序，通過(guò)質(zhì)量檢查驗(yàn)收，水玻璃系列化學(xué)灌漿產(chǎn)品質(zhì)量全部合格，取得了理想的灌漿效果。

2 應(yīng)用程序

水玻璃系列材料是化學(xué)灌漿材料中的一種，這種化學(xué)灌漿材料和普通水泥灌漿材料有很多不同之處，試驗(yàn)研究是應(yīng)用過(guò)程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，建議采取以下應(yīng)用程序：室內(nèi)試驗(yàn)→室外試驗(yàn)→確定目標(biāo)參數(shù)→編制施工方案→實(shí)施及檢測(cè)。

3 試驗(yàn)原理

水玻璃俗稱泡花堿，廉價(jià)、無(wú)毒，由堿金屬氧化物與二氧化硅組成，屬可溶性的硅酸鹽類，最常見(jiàn)的為硅酸納水玻璃。水玻璃在水溶液中水解生成氫氧化鈉，然后與乙二醛反應(yīng)，發(fā)生水解平衡向右移動(dòng)生成硅酸物質(zhì)，進(jìn)而凝膠。故將乙二醛作為水玻璃溶液的膠凝劑。

4 室內(nèi)試驗(yàn)

4.1 主要材料

化學(xué)灌漿材料種類繁多，水玻璃系列材料為目前化學(xué)灌漿的最主要的種類，而水玻璃系列材料又有多種不同的配合比選擇，本文介紹一種以水玻璃為主材的新型灌漿材料組合。

主劑：水玻璃，模數(shù)3.2，波美度38Be。

膠凝劑：乙二醛，濃度30%～40%。

添加劑：十二烷基磺酸鈉，濃度97%(添加劑種類較多，本次只列出其中一種常見(jiàn)材料)。

介質(zhì)劑：灌漿部位的河床清澈水。

初步擬定的以上主要物質(zhì)試驗(yàn)配合比見(jiàn)表1。

表1 漿材配合比 單位：g

經(jīng)過(guò)有關(guān)科研院所和本次多組試驗(yàn)表明，在主劑水玻璃達(dá)到50%(重量比)時(shí)，試件在膠凝時(shí)間、抗壓強(qiáng)度和耐久性等主要特性方面表現(xiàn)出最好的組合效果。

4.2 試驗(yàn)測(cè)定項(xiàng)目

4.2.1膠凝時(shí)間測(cè)定

采用傾斜法，將配置好的漿液在室溫下至于杯中，用秒表測(cè)出液面不發(fā)生傾斜的時(shí)間。膠凝時(shí)間可調(diào)節(jié)，一般根據(jù)工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況決定，要既能灌漿施工過(guò)程中漿液不會(huì)膠凝固結(jié)，又能按預(yù)期擴(kuò)散到目標(biāo)位置，滿足設(shè)計(jì)要求。漿液組成物質(zhì)對(duì)漿液膠凝時(shí)間的影響見(jiàn)表2。

表2 漿液組成物質(zhì)對(duì)漿液膠凝時(shí)間的影響

通過(guò)表2分析，隨著乙二醛的增加，膠凝時(shí)間減??；十二烷基磺酸鈉在濃度達(dá)到約0.4%時(shí)，膠凝時(shí)間最長(zhǎng)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，膠凝時(shí)間范圍10～15min(擴(kuò)散半徑2.0～2.5m)區(qū)域比較合適。因此表2中第二組的中值配合比為膠凝時(shí)間控制的較為理想組合。

4.2.2抗壓強(qiáng)度測(cè)定

試樣在模具中成型，24h后脫模，用并在空氣中自然存放1～2h時(shí)間。然后使用測(cè)壓機(jī)測(cè)固砂體的抗壓強(qiáng)度。漿液組成物質(zhì)對(duì)固砂體抗壓強(qiáng)度的影響見(jiàn)表3。

表3 漿液組成物質(zhì)對(duì)固砂體抗壓強(qiáng)度的影響

通過(guò)表3分析，隨著乙二醛的增加，試件抗壓強(qiáng)度的表現(xiàn)形式先增后減，當(dāng)乙二醛在重量比重增加到約16%時(shí)，試件抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值。結(jié)合表2的試驗(yàn)成果，本次試驗(yàn)選擇乙二醛在重量比重為15%為宜。

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，凈漿體的抗壓強(qiáng)度在清水養(yǎng)護(hù)條件下1.0MPa左右，固砂體自然放存條件下為1.9MPa左右，因此試壓機(jī)的選型應(yīng)與之匹配，以確保測(cè)定結(jié)果的準(zhǔn)確性。

4.2.3耐久性試驗(yàn)

依據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)論，按照推薦的水玻璃系列灌漿材料的基本配合比為水玻璃:乙二醛∶水∶活性劑=50∶15∶34.6∶0.4，進(jìn)行固砂體試樣制作。試樣在模具中成型1d后脫模，立即放入盛滿水的盆中浸泡7d后，觀察水的渾濁情況和溶解情況。

試樣在盆中浸泡7d后，如果其抗壓強(qiáng)度基本不變，或者略有提高，同時(shí)盆水未變渾濁，表明試樣不會(huì)在水中發(fā)生溶解，即可得出該配合比漿材固砂體耐久性好的結(jié)論。

5 現(xiàn)場(chǎng)室外試驗(yàn)

在室內(nèi)試驗(yàn)取得最佳配合比后，才能進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)的室外試驗(yàn)。

特別注意，由于漿液膠凝時(shí)間受施工工地日照的影響，室內(nèi)試驗(yàn)是在室內(nèi)溫度條件下進(jìn)行的，因此在工地現(xiàn)場(chǎng)要進(jìn)行調(diào)整乙二醛的比例來(lái)進(jìn)行調(diào)整膠凝時(shí)間，以滿足施工操作時(shí)間要求，和平水庫(kù)工程采取的措施為將白天施工時(shí)段調(diào)整為夜間進(jìn)行，此種膠凝時(shí)間的調(diào)整方式可以在其他工程中加以借鑒。

5.1 灌漿孔參數(shù)選擇

選擇不滿足防滲要求的地段進(jìn)行布孔，一般進(jìn)行單排布置，孔數(shù)需要滿足三序施工的要求，孔距常常選擇1.5m，孔深應(yīng)根據(jù)先導(dǎo)孔決定化學(xué)灌漿帷幕底線。

5.2 試驗(yàn)方法及工藝參數(shù)

(1)采用自上而下卡塞純壓式式灌漿方法。

(2)按三序施工，先一序，再二序、最后三序。

(3)鉆孔：孔位偏差不大于10cm，孔地斜率偏差不大于25cm，采用會(huì)轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，先導(dǎo)孔需自上而下分段壓水，單動(dòng)雙管鉆具取芯留存、描述及柱狀圖繪制。

(4)沖洗壓水：壓力為灌漿壓力的80%，除先導(dǎo)孔采用單點(diǎn)法壓水外，其余孔段均采用簡(jiǎn)易壓水。

(5)灌漿：采用拴塞卡在灌漿段頂以上0.5m處，各段段長(zhǎng)見(jiàn)表4。

表4 灌漿段長(zhǎng)和壓力

接觸段需先行單獨(dú)灌漿并待凝屏蔽12h后孔內(nèi)無(wú)涌水時(shí)再鉆灌以下各段。以下段次灌漿結(jié)束后需待凝閉漿2h?；酀{液根據(jù)室外氣溫變化而進(jìn)行調(diào)凝。

(6)結(jié)束標(biāo)準(zhǔn):①在該段最大設(shè)計(jì)灌漿壓力下，注入率不大于0.02L/(min·m)延灌30min;②不吸漿直接結(jié)束；③總注漿量達(dá)到120L/m；④達(dá)到膠凝時(shí)間。

5.3 質(zhì)量檢查

化學(xué)灌漿結(jié)束7d后可對(duì)其灌漿質(zhì)量進(jìn)行檢查，試驗(yàn)檢查孔暫按2～3個(gè)具體位置現(xiàn)場(chǎng)結(jié)合資料確定。采取自上而下鉆孔取芯法壓水，每段壓水采用單點(diǎn)法進(jìn)行，壓力為同段灌漿壓力的80%，全孔檢查完成后可采用自下而上灌漿和封孔。選取不同巖芯樣做室內(nèi)抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，以確定化學(xué)灌漿所膠結(jié)的膠結(jié)體強(qiáng)度。取芯需采用單動(dòng)雙管鉆具。和平水庫(kù)樞紐工程現(xiàn)場(chǎng)采集的接觸段巖芯和巖芯抗壓強(qiáng)度檢測(cè)后情況如圖1—2所示。

圖1 接觸段巖芯

圖2 接觸段巖芯抗壓強(qiáng)度檢測(cè)后

5.4 記錄要求

使用DL/T5406—2010《水工建筑物化學(xué)灌漿施工規(guī)范》中的記錄表格，填寫記錄必須齊全、準(zhǔn)確、清晰。

6 結(jié)語(yǔ)

本文提供的這種無(wú)毒新型水玻璃系列化學(xué)灌漿，相對(duì)于普通水泥或者超細(xì)水泥灌漿方式單價(jià)較高，但是，在大量分布有細(xì)小裂縫和微張裂的巖層中進(jìn)行防滲堵漏時(shí)，普通水泥甚至超細(xì)水泥灌漿時(shí)常遭遇“吃水不吃漿”現(xiàn)象，水玻璃系列化學(xué)灌漿卻能有效地解決細(xì)微裂隙的滲漏，同時(shí)在耐久性方面，也取得了試驗(yàn)成功，因此這種新型水玻璃化學(xué)灌漿材料在水利水電基礎(chǔ)防滲工程中具有廣泛的應(yīng)用前景。