百丈水庫大壩灌漿材料研究

彭朝軍

(四川省玉溪河灌區(qū)運管中心，四川 邛崍，611530)

1 研究背景

1.1 工程概況

百丈水庫位于名山區(qū)百丈鎮(zhèn)上游1.7km的蒲江河支流臨溪河上。地理位置為東經(jīng)103°14′、北緯30°11′5″。水庫壩址以上集雨面積為52.8km2，設(shè)計總庫容2080萬m3，有效庫容1960萬m3，正常水位695.60m，校核水位695.46m。

大壩為均質(zhì)土壩，1958年11月建成，壩頂高程697.30m，長度507m，寬度5.5m，大壩最大壩高28m，壩基有砂礫覆蓋層厚度約2.7m，壩下基巖為砂質(zhì)粘土巖，百丈水庫2002年被水利部定為病險水庫，大壩為“三類壩”，2004年4月進行了病險水庫除險加固整治，大壩右壩肩進行了帷幕灌漿。

“5.12”汶川大地震對百丈水庫影響明顯[1]，震后經(jīng)認真檢查、觀測，壩腳三角堰滲水量由0.46L/s上升至0.91L/s增大近一倍，震后幾日達到2.33L/s，右壩肩由0.177L/s增大到0.20L/s，震后壩體測壓管普遍上漲10cm，最大值40cm。2008年5月26日水利部抗震救災(zāi)工作組有關(guān)領(lǐng)導(dǎo)和專家組現(xiàn)場察看了百丈水庫震損情況，鑒定百丈水庫為次高危水庫，因此制定了百丈水庫工程震后應(yīng)急修復(fù)方案，經(jīng)與四川省水利水電勘測設(shè)計院研討，采用水泥、膨潤土混合后作為灌漿材料[2]，決定對大壩右壩肩帷幕灌漿。

1.2 工程地質(zhì)

百丈水庫壩址位于邛崍山脈之名山向斜南東翼，構(gòu)造簡單，巖層產(chǎn)狀接近水平，傾角3°～5°，為單斜地層。壩區(qū)地震基本烈度為VII度。

土壩壩基右岸河床寬均30.0m，全為卵礫石夾砂，覆蓋于巖基上，厚度1.0m～3.0m。中部一級階地寬100.0m，上部為褐色或灰白色粘土，厚度2.0m，下為砂卵礫石，厚1.0m左右，以下為巖基。第二級階地寬120.0m，上部有1.3m的粘土夾卵石，下面全為殘積物，最深5.8m，下為巖基。

放水洞和溢洪道均放在巖基上，巖層為新生界第三系名山群，紅色磚紅色含鈣質(zhì)粉砂質(zhì)泥巖及泥質(zhì)粉砂巖，礦物質(zhì)有石英、長石、云母，巖層節(jié)理裂隙發(fā)育。

壩址水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)較為簡單，含水層是巖石節(jié)理裂隙層，壩基滲透系數(shù)K一般在3.5×10-4cm/s，最大1.1×10-3cm/s。

2 室內(nèi)試驗

2.1 試驗材料和內(nèi)容

試驗采用的是名山區(qū)中峰鄉(xiāng)的鈉質(zhì)膨潤土，化學(xué)成分為(AIMg)2·(Si4O10)(OH)2·nH2O，含蒙脫石81%～96%，顆粒目數(shù)198～251，膨脹倍數(shù)12～15倍，試驗所用水泥是邛崍治權(quán)集團生產(chǎn)的425R水泥。

膨潤土屬連續(xù)層狀構(gòu)造，每個晶體構(gòu)造層間能吸附和放出水分子，層間水不隨濕度變化而遷移，具有在加熱時才漸漸失去的特點，用作灌漿材料不僅可以防滲，而且節(jié)約材料。對普通灌漿而言，用邛崍治權(quán)集團生產(chǎn)的水泥和中峰鄉(xiāng)的膨潤土這兩種材料的顆粒細度，制成漿液的穩(wěn)定性高，是能達到要求的。因此，試驗重點是要搞清楚這兩種材料混合后膨潤土的膨脹變化和結(jié)石強度是多少，于是采用水泥膨潤土體積比1∶1、1∶2、1∶3…1∶10共10級，灰水比1∶1、1∶2、1∶3、1∶4、1：5、1∶6、1∶8、1∶10共8級，分別制成漿液進行試驗。

2.2 試驗成果

2.2.1 膨脹速度和析水時間

(1)水泥漿液：制成漿液后靜置3min左右水泥顆粒開始自由下沉，有明顯的析水現(xiàn)象。

(2)膨潤土漿液：膨潤土加水時體積立即膨脹，漿液為乳白色，靜置48h后仍是懸浮狀，無明顯析水現(xiàn)象。

(3)水泥膨潤土漿液：制成不同濃度的漿液靜置3min后顆粒開始自由下沉，析水明顯，但較水泥漿液析水慢，1h后體積變化甚微，2h后已近穩(wěn)定。

2.2.2 混合材料中灰水比與膨潤土體積膨脹關(guān)系

試驗結(jié)果表明，同一固料比而灰水比不同，其膨脹倍數(shù)亦不同，即灰水比1∶1～1∶8的范圍內(nèi)漿液濃度稀膨脹倍數(shù)越大，但均低于膨潤土自身的增長倍數(shù)(見圖1)。

圖1 混合材料中灰水比與膨脹倍數(shù)關(guān)系

2.2.3 混合材料中固料與膨脹倍數(shù)的關(guān)系

試驗成果表明，同一灰水比而固料比不同，不同固料比中膨潤土膨脹倍數(shù)曲線幾近正弦曲線。其中：固料比為1∶4和1∶9時增長倍數(shù)大；1∶6和1∶7時增長倍數(shù)低(見圖2)。

圖2 不同固料比中膨潤土膨脹倍數(shù)

2.2.4 自由析水率

試驗中僅對固料比從1∶1～1∶4時的不同漿液濃度進行了觀測，表明漿液濃度越稀自由析水率越大(見圖3)。

圖3 固料比1∶1～1∶4時不同灰水比自由析水率

2.2.5 漿液再稀釋后固體的膨脹變化

漿液制成后靜置1h，雖已析水但未固結(jié)，再加水?dāng)嚢杈鶆蚝笥朱o置24h，與原漿液的結(jié)石比較其結(jié)果是：濃度再降一級體積均增長20%～30%，但累計增長倍數(shù)未超過5倍。

2.2.6 抗壓強度試驗

水泥膨潤土按一定比例，不同濃度制成漿液，注入試件盒內(nèi)置于水下0.6m左右養(yǎng)護28d齡(圖4)，再作試件抗壓強度試驗。結(jié)果顯示：①水泥用量的增加對強度影響甚微；②漿液濃度越稀強度越低，且漿液濃度1∶1～1∶2時，強度由0.9MPa突變?yōu)?.15MPa，濃度為1.3以下強度值趨向穩(wěn)定值。

圖4 水下養(yǎng)護28d齡強度

3 帷幕灌漿

百丈水庫在遭受“5.12”強烈地震后，右壩肩受損較為嚴重，據(jù)前述，各種指標(biāo)均較異常。大壩為均質(zhì)土壩，大壩高28m，壩長507m，按照設(shè)計要求及水利部“5.12”抗震救災(zāi)工作組要求，宜迅速開展應(yīng)急修復(fù)。同意將水泥及膨潤土混合作為灌漿材料[2]。

3.1 膨潤土水泥漿配制

3.1.1 膨潤土漿的制作

從名山區(qū)中峰鄉(xiāng)取土場進行購取土。土運到制漿站后，一是人工采取將土內(nèi)石塊、有機物、草根、雜物除去；二是將選后的膨潤土放進浸泡池進行浸泡，使膨潤土充分浸透(浸泡3d～7d)；三是將浸泡好的膨潤土放入低速攪拌機內(nèi)進行攪拌，加適量的水?dāng)?min～10min(每缸)，然后用200mm的網(wǎng)過濾后放入儲漿池待用；四是將過濾后的泥漿用泥漿泵抽入低速泥漿攪拌機內(nèi)再次進行攪拌，測得比重一般為1.2、1.25、1.35，攪拌均勻后發(fā)放入灌漿機上攪拌筒內(nèi)再加入適量的水泥進行攪拌，放入水桶方可進行灌漿。

3.1.2 水泥漿的制作

(1)水泥采用425R的硅酸鹽水泥，根據(jù)規(guī)范SL 62-94規(guī)定的水灰比設(shè)計。

(2)采用多缸粒塞式灌漿泵和高速漿液攪拌機進行攪拌，每缸在上桶攪4min～5min才放入缸攪拌再入灌漿泵。

(3)漿液的變換及灌漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)

均按照SL 62-94規(guī)范和設(shè)計要求，漿液變換和基本原則是由稀到稠逐級變換，當(dāng)灌漿壓力保持不變，注入量持續(xù)減少時，或注入率不變而壓力升高時才更換水灰比，根據(jù)實際情況，當(dāng)?shù)谝患墲{量達300L以上或注入率大于30L/min時，可變濃一級。本工程采用自下而上的灌漿方法，根據(jù)基礎(chǔ)深度每孔一般分為1～3段，每段長度不大于6m。

結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)嚴格按照SL 62-94規(guī)范和設(shè)計的要求，同時按帷幕灌漿規(guī)律在設(shè)計壓力值下，當(dāng)注入率不大于0.4L/min時，繼續(xù)灌注30min；或不大于1L/min時繼續(xù)灌注60min時，灌漿才可結(jié)束。下段結(jié)束后再進行上一段的灌漿。

3.2 灌漿分析與質(zhì)量檢查

帷幕灌漿工序孔灌漿工作結(jié)束后，按規(guī)范要求14d后，在吃漿量較大或特殊地段布置檢查孔，進行灌漿質(zhì)量檢查與分析，因此，工程采用兩臺機從中間往兩頭進行分序作業(yè)，所以在灌漿工序完成后，首先灌工序孔已超出14d的要求，為了工程進度開始進行檢查孔的鉆孔、取芯、壓水、灌漿工作。從鉆孔取出的巖芯分析，J2號孔6m處發(fā)現(xiàn)有漿液充填裂隙膠結(jié)石，漿脈在充填裂隙飽滿，密度膠結(jié)良好，而各孔采取的巖芯比較完整呈10cm～30cm長的柱狀及3cm～10cm不均的短柱狀和不規(guī)則的碗狀，巖石中含有鈣、鐵等礦物質(zhì)。

3.3 壓水試驗結(jié)果資料分析

通過檢查孔壓水試驗成果分析，滲透率均在3.45Lu以下，同震前基本一致，在震前的基礎(chǔ)上略有減少，此次灌漿達到了擴散半徑，起到了灌漿防滲的目的。

3.4 灌漿工藝及效果分析

3.4.1 鉆孔

本工程先鉆工序孔。由于2004年大壩整治已灌樁號0-015～0+045有灌漿參數(shù)，本次增加至0+090，為了工期和在水庫低水位時灌漿，考慮灌漿質(zhì)量的因素，兩臺機組分二班分頭進行作業(yè)，一臺從0+090往壩肩打孔灌漿，一臺機組從16號作為先導(dǎo)孔開始往0-015鉆孔灌漿。

3.4.2 工藝流程

定孔—鉆孔—下套管—洗孔—壓水、鉆孔—灌漿—封孔。

3.4.3 鉆孔及機具

采用XY-100型液壓鉆機，127mm孔在造孔前，首先校正鉆機的立軸，采用金剛鉆頭開孔，鉆穿混凝土路面和沙礫石墊層。然后采用91mm的厚壁套管[3]、100kg吊錘進行沖擊取芯，每次取芯長度不得超過1.5m，巖芯管長度為1.6m，因為這樣取出的芯才能體現(xiàn)壩體亞粘土的原狀。

在打先導(dǎo)孔鉆壩體時，由于對亞粘土的取芯經(jīng)驗不足，打一段取一段，取芯難，取一管巖芯(1m～1.5m)約花費40min～80min才能取出。

再進行下一段進尺時，由于粘土孔壁收縮，鉆具不能下到底，一般要從上段60%處重新沖擊才能到底，特別是進尺到高程695.00m以下時更難，在此過程中特別是進尺到位需起鉆時，難度更大。與技術(shù)人員商議后，制定一套新的技術(shù)方案。

(1)壩體亞粘土?xí)r，先采用小管徑的厚壁管進行沖擊取芯，鉆具長度為1.6m，要求每次進尺不得大于1.5m，到達進尺底部時將鉆具旋轉(zhuǎn)2～3卷，使下部巖芯斷裂。

(2)將鉆具上碰打起，在上碰打起的過程中，用水從鉆具外壁周圍倒水入孔內(nèi)，使鉆具與孔壁達到潤滑。鉆具容易從孔內(nèi)拔出。

(3)將取出的巖芯管平放在地上，用高壓或高壓水將巖芯壓出。

(4)上次粘土巖芯取出后，再將大于取芯鉆具的巖芯套管下入到底，再用小鉆具將孔內(nèi)殘留取出。

①穿過壩體后遇巖石，采用75mm小口徑鉆具，在鉆進中隨時校正立軸，控制壓力和水量，孔底殘留物未大于20cm。每次進尺控制在2.2m以內(nèi)，巖芯采取率85%以上。

②鉆孔測斜偏差值：采用中國地質(zhì)探礦工藝研究所生產(chǎn)的LQ型磁球定向風(fēng)單點測斜儀器，每孔在終孔時進行測斜。各孔偏差值符合DL/T 5148和SL 62-94規(guī)范要求。

③沖洗鉆孔：均采用壓力循環(huán)式?jīng)_洗，至止返清水10min，沖洗壓力為段灌壓力的80%，鉆孔到一段沖洗一段。

④壓水試驗、注水試驗：0-15～0+45在2003年大壩整治帷幕灌漿時作了壓水試驗，0+45～0+90在先導(dǎo)孔作壓水試驗或注水試驗，由于0+45～0+90處的孔都在壩體上，而壩體為均質(zhì)粘土不能加壓，根據(jù)設(shè)計要求只作注水試驗，在做注水試驗之前按規(guī)范測了穩(wěn)定水位，再做注水，每5min～10min測讀1次流量，穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)為最大值與最小值差不得超過10%。

檢查孔壓水試驗按規(guī)范要求完成。

在右壩肩小范圍內(nèi)水文地質(zhì)條件差異小，灌漿過程又是逐漸改變水文地質(zhì)條件的過程。從相關(guān)試驗來看，灌孔段對滲漏是起到了關(guān)鍵性作用的。以前后相關(guān)數(shù)據(jù)對比看，已經(jīng)恢復(fù)到地震前水平。帷幕灌漿的效果是明顯的。

4 對水泥膨潤土混合材料的評估

4.1 漿液結(jié)石(凝固)具有一定強度

膨潤土屬連續(xù)層狀構(gòu)造。它吸水和失水時礦物格架就會發(fā)生膨脹或收縮，從而使體積發(fā)生變化，但格架不會發(fā)生破壞，水卻作為膨潤土本身的成分而存在于礦物體中構(gòu)成固體物質(zhì)。

簡易試驗的固結(jié)體只經(jīng)過由析水未經(jīng)壓力析水階段，結(jié)構(gòu)必然疏松，強度也必然較灌漿形成的結(jié)石低。檢查孔中取出的漿液結(jié)石強度達0.58MPa～1.51MPa，因此，宜作為低水頭的帷幕灌漿材料。

4.2 不會因膨潤土膨脹而惡化基礎(chǔ)

從試驗得知膨潤土具有突變性，在制漿和灌漿過程中已能完成。當(dāng)灌漿段在地下水位以上時，漿液進入所灌部位已變化甚微，當(dāng)漿液在地下水位以下時，有限的體積膨脹只會使裂隙或孔隙充填得更加密實。

4.3 施工操作方便

沒有特殊的工藝要求，操作簡單易行。

5 結(jié)語

百丈水庫大壩灌漿材料的研究結(jié)果表明，水泥膨潤土作低水頭的帷幕灌漿材料技術(shù)上是可行的。由于室內(nèi)試驗設(shè)備簡陋，時間短，選擇的樣本不多，有些現(xiàn)象值得進一步研究，如混合材料中固料比與膨潤土膨脹倍數(shù)近于正弦曲線，經(jīng)濟價值等需進一步研究。