瀘定水電站砂土層模擬灌漿試驗研究

王曉飛

(中國水電基礎(chǔ)局有限公司三公司，成都，610213)

1 試驗背景

灌漿技術(shù)的應(yīng)用可顯著降低砂土地層的滲透系數(shù)，提高地基承載力，但灌漿漿液在砂土地層中的擴(kuò)散形態(tài)及擴(kuò)散過程是隱蔽不可見的，漿液與土體間的滲透、壓密或劈裂等作用方式的發(fā)展進(jìn)程無法直接觀測，這使得以室內(nèi)試驗為基礎(chǔ)的灌漿理論研究遠(yuǎn)落后于工程實踐的需要，也使得灌漿工藝更多依賴于經(jīng)驗，提升、改進(jìn)空間有限。室內(nèi)灌漿研究的相對滯后嚴(yán)重制約著復(fù)雜地層中水利工程等行業(yè)的建設(shè)，因此，亟須開展此方面的相關(guān)試驗研究。

瀘定水電站壩基補強灌漿工程在覆蓋層深100m～130m范圍內(nèi)不同深度分布了多個砂土層，對灌漿效果的影響極大，為了解決砂土層的灌注、漿液的擴(kuò)散及留存問題，特開展不同漿材的對比模擬試驗，以便為工程施工提供指導(dǎo)和依據(jù)。

2 試驗?zāi)康暮蛢?nèi)容

2.1 試驗?zāi)康?/h3>

(1)設(shè)計一套灌漿試驗?zāi)Ｐ脱b置，并加工制作。

(2)針對砂土層，分別灌注兩種漿材，研究兩種漿液的可灌性、滲透性、擴(kuò)散性、灌漿充填效果等參數(shù)。

(3)研究兩種漿材在砂土層中的灌漿試驗效果，為灌漿施工提供參考。

2.2 試驗內(nèi)容

2.2.1 灌漿試驗?zāi)Ｐ脱b置的設(shè)計與制作

根據(jù)施工現(xiàn)場具有的條件，設(shè)計與制作一套灌漿試驗?zāi)Ｐ汀?/p>

采用現(xiàn)場廢舊鐵桶作為灌漿空間，桶上下和周圍采用廢舊鐵板、鋼筋和鋼條加強固定，在桶口開孔設(shè)置注漿管路和排氣排水管路。灌漿試驗裝置可以多次利用，鐵桶為一次性使用。

新型試驗裝置主要通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)：

(1)本灌漿模擬試驗裝置主要包括：灌漿平臺(鐵桶)、下鋼板支架、上鋼板壓重、加固支架(活動支架，可拆卸)、灌漿桶周圍加固桶箍、儲漿桶、灌漿泵、流量計、壓力表、上下灌漿進(jìn)出口、排氣口、灌漿管路、球閥等。如圖1和圖2所示。

(2)灌漿平臺：灌漿平臺由廢舊鐵桶制成，在桶頂開口方便砂土裝入桶中，最終灌漿平臺內(nèi)部形成一個φ585mm×885mm圓柱形空腔體，用于裝填砂土。

(3)下鋼板支架：為方便在灌漿桶下部安裝出漿口，預(yù)留一定空間，在桶下部設(shè)置鋼板支架。鋼板支架主要是支撐作用和方便安裝出漿口。

(4)上鋼板壓重：考慮灌漿時桶頂開口處需要有灌漿蓋重，采用15mm厚方型鋼板作為壓重，中間打孔預(yù)留射漿管入口和排氣口。安裝孔口封閉器和球閥在上鋼板蓋重上，可拆卸和多次利用。

(5)加固支架：考慮灌漿時漿液壓力過大頂開上鋼板蓋重，采用φ28螺紋鋼筋車絲扣螺母加固。

(6)灌漿桶周圍加固桶箍：由于鐵桶壁較薄(1mm)，考慮灌漿時漿液壓力過大而撐開鐵桶壁，采用寬50mm的鋼條卷成圓環(huán)并用螺母加固。

(7)儲漿桶與灌漿泵及其他灌漿設(shè)備：儲漿桶頂部開一處孔口，為進(jìn)出漿口，通過管線灌漿泵連接。流量計、壓力表、上下灌漿進(jìn)出口、封閉器、排氣口、灌漿管路、球閥等安裝在適當(dāng)位置。射漿管下設(shè)至深度為桶高度的2/3處，以利于漿液更好地灌注和擴(kuò)散。

圖1 灌漿試驗?zāi)Ｐ脱b置示意

圖2 灌漿試驗?zāi)Ｐ脱b置三維導(dǎo)視

2.2.2 試驗集配料

試驗所用砂土為廊道內(nèi)灌漿孔深100m～130m鉆孔涌砂，砂土物理性質(zhì)見表1，參照《土工試驗規(guī)程》(SL 237-1999)進(jìn)行常水頭試驗測定其滲透系數(shù)。砂土級配見表2和圖3。

表1 試驗砂土物理性質(zhì)

表2 試驗砂篩分級配分析

圖3 砂土級配曲線

2.2.3 灌漿材料

本次試驗灌漿材料主要為復(fù)合灌漿材料和HSS型納米灌漿材料。

(1)復(fù)合灌漿材料

復(fù)合灌漿材料主要解決較大滲漏通道，采用常規(guī)的水泥漿液灌注可以解決一部分孔隙，注入復(fù)合漿液可以滲透至較大通道，充填地層達(dá)到一定擴(kuò)散范圍形成防滲止水帷幕。因此，采用的漿材需要滿足一定時間內(nèi)較快凝結(jié)、抗水沖的性能和良好的擴(kuò)散性能等特點。

(2)HSS型納米灌漿材料

HSS型納米灌漿材料為中國水電基礎(chǔ)局的專利產(chǎn)品，其固砂體強度可達(dá)5MPa及以上，材料特性包括：

①漿液粘度低，流動性好，可灌入粒徑0.05mm以下的粉細(xì)砂層或基巖微細(xì)裂隙；

②凝膠體抗?jié)B性能好，能滿足工程建筑物高標(biāo)準(zhǔn)的防滲要求；

③HSS型納米灌漿材料結(jié)構(gòu)致密，強度高，耐久性和穩(wěn)定性優(yōu)良；

④漿液安全環(huán)保，施工工藝及設(shè)備簡單，人員操作少，性價比高。

HSS型納米灌漿材料主要性能見表3。

表3 HSS型納米灌漿材料主要性能

(3)水

灌漿用水從瀘定電站庫區(qū)內(nèi)抽取，應(yīng)遵守DL/T 5144-2015的規(guī)定。

2.2.4 灌漿漿液

灌注漿液包括復(fù)合漿液和HSS型納米漿液，根據(jù)地層情況，選擇適當(dāng)?shù)臐{液灌注。灌漿漿液配置如下：

(1)復(fù)合漿液

復(fù)合漿液是在復(fù)合灌漿材料里加水拌制而成，水灰比為0.6∶1，所采用的復(fù)合漿液初凝時間為40min～60min。

(2)HSS型納米漿液

在現(xiàn)場根據(jù)施工需要將A、B液按一定配比配置好，貯存在制漿站塑料桶內(nèi)，用管路輸送至各機(jī)組。根據(jù)本工程特點，初步擬定采用的漿液的可操作時間為10min～30min。

2.2.5 灌漿施工

不同條件下灌注各種漿液至桶上出漿口冒漿即可結(jié)束，閉漿待凝。

2.2.6 試驗步驟及方案

(1)試驗步驟

按設(shè)計要求制作灌漿試驗?zāi)Ｐ脱b置，用橡膠條密封桶體周圍防止灌漿過程中漏漿，將特定級配的建筑砂土裝入試驗箱體中，箱體和砂土之間放置土工布，防止壓水或灌漿過程中砂土沖出桶體。將拌制好的漿液灌入儲漿容器，準(zhǔn)備灌漿。開始灌漿，開啟灌漿泵和管道節(jié)閥，不斷調(diào)節(jié)灌漿壓力，使得壓力表示數(shù)趨于穩(wěn)定到設(shè)計灌漿壓力，觀察并記錄漿液的流動情況，壓力傳感器記錄孔隙水壓的變化；停止灌漿，當(dāng)儲漿容器中漿液注完或者漿液不再進(jìn)入或者漿液流動范圍基本不變時停止灌漿；待漿液凝固后打開試驗箱體，觀察并記錄容器內(nèi)部漿液的分布和擴(kuò)散情況，對試驗數(shù)據(jù)整理分析并研究其擴(kuò)散規(guī)律。

(2)進(jìn)行不同漿材對比灌漿試驗

采用飽和砂土進(jìn)行試驗，在0.4MPa灌漿壓力下采用不同漿材在砂土中進(jìn)行灌漿對比試驗。

3 試驗成果及分析

3.1 試驗過程及成果

3.1.1 采用復(fù)合灌漿材料

采用飽和砂土進(jìn)行試驗，灌漿壓力0.4MPa，復(fù)合漿液灌漿模擬試驗。

將裝在桶中的砂土提前通過下部進(jìn)水口通水飽和，以模擬真實地層。將灌漿管路、壓力計、流量計、射漿管接好，進(jìn)行管路通水試驗確保管路密封完好(見圖4)。制備好復(fù)合漿材準(zhǔn)備灌漿，開灌流量5L/min，盡快達(dá)到設(shè)計壓力，持續(xù)灌注(見圖5)，直至上部出水口有漿液排出，閉漿30min，灌漿結(jié)束。

圖4 安裝好灌漿裝置

圖5 灌漿

24h后將鐵桶切開，觀察漿液在砂土中的狀態(tài)見圖6。通過打開鐵桶，桶下部及周圍砂土呈試驗之前松散狀態(tài)，切掉鐵桶周邊，砂土散落。隨著慢慢開挖至射漿管附近，遇到強度較硬的水泥結(jié)石和水泥砂土固結(jié)物。全面清理之后，用水槍清洗。觀察固結(jié)體為沿射漿管周邊圓柱狀水泥砂土結(jié)石體和桶口圓蓋狀水泥砂土結(jié)石體。從固結(jié)體的狀態(tài)來看，復(fù)合漿液在砂土層中灌注的擴(kuò)散范圍十分有限，桶頂部擴(kuò)散半徑約0.293m，除頂部以外砂土層中擴(kuò)散半徑約0.1m，充填效果不理想。

3.1.2 采用HSS型納米灌漿材料

采用飽和砂土進(jìn)行試驗，灌漿壓力0.4MPa，HSS型納米漿液灌漿模擬試驗。

將裝在桶中的砂土提前通過下部進(jìn)水口通水飽和，以模擬真實地層。將灌漿管路、壓力計、流量計、空氣包，穩(wěn)壓器、射漿管接好，進(jìn)行管路通水試驗確保管路密封完好。制備好體積為100L的HSS型納米漿材(凝結(jié)時間為15min)準(zhǔn)備灌漿，開灌流量5L/min，盡快達(dá)到設(shè)計壓力，持續(xù)灌注，直至上部出水口有漿液排出，閉漿30min，灌漿結(jié)束。灌漿過程中壓力和流量很穩(wěn)定，灌漿過程中未出現(xiàn)上下蓋重密封不嚴(yán)實的情況，灌漿達(dá)到設(shè)計量(約80L)時，上部出漿口出現(xiàn)漿液滲出的情況。

24h后將鐵桶切開，觀察漿液在砂土中的狀態(tài)。通過打開鐵桶，桶下部及周圍砂土呈精密固結(jié)狀態(tài)，切掉鐵桶周邊，HSS型納米漿液砂土固結(jié)體完好。隨著切開桶體全部，全面清理之后，用水槍清洗。觀察固結(jié)體為桶體圓柱狀漿液砂土結(jié)石體(見圖7)。分析由于HSS型納米漿液為真溶液，顆粒較小很容易在砂土層中擴(kuò)散，表現(xiàn)為整個桶體射漿管周圍滲透灌漿方式。從固結(jié)體的狀態(tài)來看，HSS型納米漿液在砂土層中灌注得均勻擴(kuò)散且范圍較大，充填效果較理想。

圖7 切開桶體砂土固結(jié)狀態(tài)(HSS型納米漿液)

3.2 試驗成果分析

3.2.1 地質(zhì)條件對灌漿成果的影響

試驗是在飽和砂土層中進(jìn)行，采用鐵板作為蓋重，漿液從鐵桶上部或桶周圍的細(xì)縫通道中跑漿。同時有部分灌入孔內(nèi)的漿液在凝固之前注入桶底，所以灌漿不飽滿。例如復(fù)合漿液在飽和砂土中預(yù)計擴(kuò)散半徑為0.15m，但漿液并沒有按照設(shè)計擴(kuò)散半徑擴(kuò)散，實際擴(kuò)散半徑除桶頂部外僅為0.1m，灌漿效果較差。HSS型納米灌漿材料設(shè)計的擴(kuò)散半徑按0.293m設(shè)計，直到把計劃漿量全部灌注完畢為止，灌漿過程一切正常，灌漿效果較好。

3.2.2 灌漿壓力對灌漿成果的影響

通過灌漿試驗說明，對于HSS型納米灌漿材料，處理軟弱地基時，尤其是砂土層，灌漿壓力不宜過大，否則漿液就沿著可能存在的通道灌注，而且不能均勻滲透固結(jié)，影響灌漿效果。對于復(fù)合漿液，處理砂土層，由于地層較為密實，灌漿壓力不宜過大，否則漿液就沿著可能存在的通道灌注，也就是劈裂灌漿，在最為薄弱的裂隙通道中灌注，表現(xiàn)為沿射漿管周圍劈裂灌漿和沿射漿管頂部擴(kuò)散灌漿，而且不能均勻滲透固結(jié)，影響灌漿效果。

4 結(jié)論

通過鐵桶模擬試驗，在相同的飽和砂土層中分別采用復(fù)合漿液和HSS納米漿液進(jìn)行灌注，由于復(fù)合漿液的顆粒較粗(和普通硅酸鹽水泥漿液類似)，無法滲透進(jìn)入砂層中的孔隙，以擠壓和劈裂為主，很難改善砂層本身的滲透系數(shù)；而HSS納米漿液屬于真溶液，滲透性接近于水，基本上水能滲入的孔隙，HSS納米漿液也能滲入，非常適合砂層的灌注，對改善砂層的滲透系數(shù)效果明顯。