復(fù)合水泥基—水玻璃雙液注漿材料在土石壩防滲施工中的應(yīng)用

梁建涌

(江西省吉安市水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)院，江西 吉安 343000)

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，注漿技術(shù)在水利工程壩基防滲中得到了廣泛的使用。在注漿過程中，注漿材料的選擇具有重要意義，如果選擇不當(dāng)，不僅會(huì)影響注漿施工的質(zhì)量，還會(huì)大幅抬升施工成本。目前，在水利工程防滲施工過程中主要采用水泥漿和化學(xué)漿兩種注漿材料。其中，水泥漿成本較低、結(jié)石體強(qiáng)度高，但是流動(dòng)性較差，結(jié)石率低；化學(xué)漿具有結(jié)石率高、易于施工的優(yōu)勢(shì)，但是成本較高、易污染，同時(shí)耐久性較差[1]。因此，研究開發(fā)新型復(fù)合水泥基注漿材料，對(duì)水利工程水害防治具有重要意義。本文根據(jù)不同的壩基地質(zhì)狀況，設(shè)計(jì)了復(fù)合水泥基—水玻璃雙液注漿材料，具有造價(jià)低廉、性能良好、原料廣泛且不污染環(huán)境的優(yōu)點(diǎn)，具有較高的推廣價(jià)值。

近年來，我國的水利工程投資和建設(shè)力度不斷加大，水利工程大壩的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)也不斷提高，但是在小型水利工程中仍存在大量的土石壩。這種壩型的壩體主要由土和砂石構(gòu)成主體部分，由黏土或混凝土構(gòu)成壩心。在土石壩的施工過程中雖然對(duì)壓實(shí)度進(jìn)行了必要的控制，但并不能完全避免部分區(qū)域存在質(zhì)量缺陷，在蓄水之后這些部位的滲透作用仍會(huì)對(duì)土石壩產(chǎn)生一定的負(fù)面影響。例如，嚴(yán)重的滲流就會(huì)引起管涌，從而對(duì)壩體本身以及穿壩管涵造成明顯的不利影響，輕則影響到這些水工建筑物的使用年限，重則影響土石壩的整體穩(wěn)定性。因此，必須采取有效的措施來解決滲流問題。

大壩的防滲處理措施多種多樣，這些防滲措施也各有優(yōu)缺點(diǎn)，在實(shí)際施工中應(yīng)根據(jù)具體工程特點(diǎn)選擇合適的防滲處理措施。對(duì)土石壩而言，由于壓實(shí)度相對(duì)較高(一般土石壩的壓實(shí)度不小于0.98)，一般不會(huì)出現(xiàn)比較嚴(yán)重的滲流問題，因此沒有必要采取成本高、施工技術(shù)復(fù)雜的混凝土防滲墻[2]；由于大壩土的壓實(shí)度較高，開溝造槽困難，不易采取垂直膜防滲技術(shù)[3]。注漿防滲技術(shù)近年來獲得了較大的發(fā)展，其中劈裂注漿適用于處理范圍大、問題性質(zhì)和部位不能準(zhǔn)確確定的隱患，因此極為適合土石壩防滲處理。

1 材料試驗(yàn)

1.1 原材料

1.1.1 水泥

復(fù)合水泥基—水玻璃雙液注漿材料所用的水泥采用的是山水集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的P.O42.5普通硅酸鹽水泥，其物理力學(xué)性能如表1所示。之所以選用普通硅酸鹽水泥是由于雙液材料的膠凝時(shí)間極短，不會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重析水現(xiàn)象，同時(shí)這種水泥成本較低，具有顯著的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)[4]。

表1 P.O42.5普通硅酸鹽水泥物理力學(xué)參數(shù)

1.1.2 粉煤灰

漿液選用的粉煤灰為二級(jí)灰，細(xì)度為18%(90 um篩子)，需水量為103%，燒失率為7.3%。加入粉煤灰的目的不僅是為了降低施工成本，其后期的水化作用也會(huì)對(duì)結(jié)石體的后期補(bǔ)強(qiáng)起到重要作用。此外，由于粉煤灰顆粒呈球狀且粒徑較小，可以有效增加漿液的和易性，增大漿液的流動(dòng)性[5]。

1.1.3 鈉基膨潤土

在灌漿材料中加入鈉基膨潤土的目的是抵消注漿材料的體積干縮，防止由于干縮與原土體之間產(chǎn)生縫隙從而形成滲流通道。另一方面，加入此種材料還有助于改善注漿材料與周圍土體之間的親和性，提高注漿效果。鈉基膨潤土的理化性能指標(biāo)如表2所示。

表2 鈉基膨潤土的理化性能指標(biāo)

1.1.4 水玻璃

本試驗(yàn)選用的水玻璃波美度為39(°Bé)，水玻璃泥和水泥可以通過化學(xué)反應(yīng)促進(jìn)水泥漿的快速硬化[6]，其反應(yīng)原理如下：

Ca(OH)2+NaO·nSiO2+mH2O→Ca·nSiO2·mH2O+NaOH。

1.2 試驗(yàn)方法

在注漿材料確定之后，材料配合比就成為影響注漿效果的主要影響因素。因此，在本次研究中依據(jù)相關(guān)研究成果和實(shí)際施工經(jīng)驗(yàn)，按照水泥占60%～70%，粉煤灰占25%～35%，膨潤土占5%；水玻璃與復(fù)合水泥漿的體積比為1∶1、1∶2、1∶3，得到如表3所示的9組試驗(yàn)配合比，對(duì)試件按照恒溫恒濕條件進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，然后進(jìn)行試件結(jié)石體的抗折和抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果確定試驗(yàn)材料的最佳配合比。

1.3 結(jié)果與討論

上述9組不同配合比的復(fù)合水泥基—水玻璃雙液注漿材料進(jìn)行膠凝時(shí)間以及結(jié)石體的抗折和抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，獲得如表4所示的數(shù)據(jù)。由表4中數(shù)據(jù)可知，將普通硅酸鹽水泥作為漿液的基本材料能夠有效保證結(jié)石體的強(qiáng)度，提高結(jié)石體的抗?jié)B性能；加入一定的水玻璃可以明顯縮短漿液的膠凝時(shí)間，但是會(huì)降低結(jié)石體的抗折與抗壓強(qiáng)度；添加粉煤灰雖然有助于提高漿液的流動(dòng)性，易于施工的順利進(jìn)行，但是會(huì)降低結(jié)石體的后期強(qiáng)度，延長(zhǎng)漿液的膠凝時(shí)間。通過對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的綜合分析，選定B2為最佳配合比。

表3 材料試驗(yàn)配合比

表4 不同配合比漿液試驗(yàn)數(shù)據(jù)

2 注漿施工

2.1 施工工藝流程

土石壩復(fù)合水泥基—水玻璃雙液注漿防滲施工與普通注漿防滲施工工藝類似，其工藝流程如圖1所示。

圖1 注漿施工流程

2.2 注漿參數(shù)和孔位設(shè)計(jì)

利用復(fù)合水泥基—水玻璃漿液進(jìn)行土石壩防滲雙液注漿時(shí)采用后退式劈裂注漿模式，注漿管采用直徑46 mm的鋼花管，管壁厚5 mm，具體的注漿參數(shù)如表5所示，注漿孔設(shè)計(jì)如圖2所示。

表5 注漿參數(shù)表

圖2 注漿孔設(shè)計(jì)示意圖

2.3 注漿施工方法

2.3.1 鉆孔

在灌漿施工前，首先利用測(cè)量放線的方式確定注漿孔位。采用工程地質(zhì)鉆機(jī)進(jìn)行鉆孔，鉆孔的位置偏差不大于10 cm，鉆孔的方向和深度嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行。在注漿孔鉆成之后，需要使用大水流或壓縮空氣沖洗鉆孔，以排除孔內(nèi)的渣屑。在施工前利用注漿壓力80%的壓力水進(jìn)行裂隙的沖洗，直至回水清凈。在鉆孔過程中利用套管進(jìn)行孔位定位，鉆孔直徑為89 mm，在鉆進(jìn)100 mm后放置止?jié){塞。在鉆孔施工過程中要做好記錄，并對(duì)孔位的土層與地質(zhì)特征進(jìn)行描述，并將其作為注漿量判斷和調(diào)整注漿參數(shù)的重要依據(jù)。

2.3.2 安裝孔口管

孔口管的直徑為46 mm，用水泥、水玻璃砂漿進(jìn)行孔口管的埋設(shè)，并在管口安裝直徑為46 mm的球形閘閥，以封閉鉆孔過程中出現(xiàn)的涌水。

2.3.3 注漿作業(yè)

注漿系統(tǒng)的示意圖如圖3所示。在注漿施工過程中，注漿壓力要由小到大緩慢提升，直到達(dá)到起裂壓力，促使壩體產(chǎn)生劈裂。如果孔口壓力明顯下降或出現(xiàn)負(fù)壓時(shí)，應(yīng)該及時(shí)調(diào)整注漿壓力和漿液密度繼續(xù)注漿。在土石壩劈裂注漿過程中應(yīng)該堅(jiān)持“少注多復(fù)”的方法，每個(gè)注漿孔都需要反復(fù)多次注漿，以提高注漿效果[7]。當(dāng)然，具體的注漿次數(shù)和注漿總量應(yīng)該依據(jù)壩體的滲漏隱患程度以及注漿孔的深度確定。采取分段注漿方式，注漿段長(zhǎng)設(shè)計(jì)為0.60～1.00 m為宜。在自下而上結(jié)束上一段注漿后上提注漿芯管，進(jìn)行下一段注漿，反復(fù)循環(huán)，直至單孔注漿結(jié)束。

圖3 注漿系統(tǒng)示意圖

2.3.4 注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)土石壩注漿工藝特征，注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)采取定量與定壓相結(jié)合的原則。具體而言，當(dāng)注漿壓力穩(wěn)步上升，達(dá)到設(shè)計(jì)的終壓標(biāo)準(zhǔn)，注漿量達(dá)到設(shè)計(jì)值的80%以上時(shí)，再持續(xù)注漿10 min即可終止注漿并封孔。其中，注漿量和注漿壓力的計(jì)算公式如下：

注漿量計(jì)算公式：

Q=πR2Lnαβ

(1)

式中：Q為注漿量，m3；R為注漿擴(kuò)散半徑，m；L為注漿長(zhǎng)度，m；n為地層孔隙率；α為地層填充系數(shù)，一般取0.8；β為漿液消耗系數(shù)，一般取1.1。

注漿最大容許壓力計(jì)算公式：

Pmax=γh+σ

(2)

式中：P為注漿壓力，MPa；γ為地基天然重度，kN/m3；h為注漿位置以上土柱高度，m；σ為土的抗拉強(qiáng)度，kPa。

3 結(jié) 論

復(fù)合水泥基—水玻璃雙液注漿材料是在傳統(tǒng)水泥漿中加入水玻璃、粉煤灰、膨潤土，具有優(yōu)化漿液理化性能，縮短膠凝時(shí)間、提高結(jié)石體早期強(qiáng)度等優(yōu)勢(shì)。本文通過對(duì)不同配合比的漿液進(jìn)行試驗(yàn)分析，并對(duì)注漿工藝過程進(jìn)行了探討，得出了如下結(jié)論：

(1)在復(fù)合水泥基注漿材料中加入水玻璃，可以明顯縮短漿液的膠凝時(shí)間，但是加入比例過大則會(huì)影響注漿結(jié)石體的物理性能。

(2)在漿液中摻入粉煤灰會(huì)延長(zhǎng)凝結(jié)時(shí)間、降低結(jié)石體的后期物理性能，但是粉煤灰的摻入能夠明顯改善漿液的流動(dòng)性，還可以降低施工成本。

(3)復(fù)合水泥基—水玻璃雙液注漿材料適合土石壩防滲施工，建議采用采用后退式劈裂注漿模式，并注意嚴(yán)格按照施工要求操作，保證施工質(zhì)量。

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