砂卵石地層動水注漿可注性影響因素試驗研究

高建

（喀左縣水利局，遼寧 朝陽 122000）

0 引言

隨著經(jīng)濟社會的迅速發(fā)展和施工技術(shù)的不斷進步，我國的水利工程建設(shè)呈現(xiàn)出高速發(fā)展的態(tài)勢，無論是建設(shè)規(guī)模、速度還是難度均居世界前列。在這一背景下，許多水利工程會面臨前所未有的復(fù)雜地質(zhì)條件，同時，也給工程設(shè)計和施工帶來諸多技術(shù)性問題[1]。我國的地質(zhì)條件錯綜復(fù)雜，堤壩建設(shè)往往會遇到富水砂卵石地層等諸多不良地質(zhì)條件，工程地質(zhì)災(zāi)害也時有發(fā)生，給水利工程建設(shè)的安全和高效開展產(chǎn)生諸多制約。富水砂卵石地層具有結(jié)構(gòu)松散、膠結(jié)能力差、自穩(wěn)能力弱、滲透性強、粘聚力小等特點，屬于典型的力學不穩(wěn)定地層[2]。如果在堤壩建設(shè)中遇到富水砂卵石地層，如不進行有效處理，不僅會造成水資源的大量滲流，同時，也會對堤壩工程的穩(wěn)定性和安全性造成極大影響[3]。

在富水砂卵石地層的治理過程中，采用最多的方法就是注漿治理。該治理技術(shù)的原理較為簡單，即通過將漿液形式的膠結(jié)材料注入目標地層，從而改變其力學性能，達到降低滲透性、提高地層強度的目的[4]。由于砂卵石本身具有特殊性質(zhì)，不僅粒徑大小不一，地下水動水作用的影響也不容忽視，注漿加固更為困難?；诖?，國內(nèi)外學者在砂卵石地層注漿加固領(lǐng)域展開大量研究，提出了一系列新型注漿漿液和施工工法，但是針對動水條件下砂卵石地層可注性的研究較少。在砂卵石地層注漿施工中，含水砂卵石地層受施工擾動的影響，其滲透性、重力分布及水流速度和方向均會發(fā)生變化，會對注漿效果產(chǎn)生直接影響[5]。此次研究通過室內(nèi)模型試驗的方式，探討砂卵石地層動水注漿可注性影響因素及規(guī)律，以便為相關(guān)理論研究和工程應(yīng)用提供有益的借鑒。

1 試驗方法

1.1 試驗裝置與材料

此次研究的試驗裝置主要由試驗桶和注漿設(shè)備構(gòu)成[6]。試驗桶為圓柱形塑料桶，直徑和高均為1.0 m，在桶側(cè)面的上端和下端分別開孔，用于試驗過程中注水和出水。注漿設(shè)備主要是注漿管和注漿機，注漿管的內(nèi)徑為10.00 mm，注漿機可提供的最大注漿壓力為3.0 MPa。

試驗使用的注漿材料是水灰比為1∶1 的普通水泥-水玻璃注漿漿液[7]。其中，水泥為P.O42.5普通硅酸鹽水泥，水玻璃濃度為38 波美度。

1.2 試驗方案

結(jié)合相關(guān)研究成果，此次研究選擇砂卵石地層的滲透系數(shù)、注漿壓力及動水速度進行試驗，探索其對可注性的影響規(guī)律[8]。對于滲透系數(shù)而言，砂卵石體的滲透系數(shù)主要受孔隙度的影響，因此，試驗中根據(jù)砂卵石地層的實際情況和工程經(jīng)驗，設(shè)置0.25，0.30，0.35 和0.40 等4 種不同的初始孔隙率，其對應(yīng)的滲透系數(shù)分別為0.61，0.72，0.96 和1.23 m/d。注漿壓力是可注性的重要影響因素，在此次試驗中設(shè)計了0.5，1.0，1.5 和2.0 MPa 等4種不同的注漿壓力進行試驗；對于動水速度，分別設(shè)置0，5.00，10.00 和15.00 m/d 進行試驗。鑒于試驗研究的漿液注入時間較短，流場對注漿中漿液的擴散影響有限，因此，在注漿完成后添加流場，研究動水流速的實際影響。

1.3 試驗方法

試驗中，利用細砂、中砂和卵石按照不同的比例配制出不同初始孔隙率的砂礫石材料，將砂礫石材料分層裝入試驗筒內(nèi)并夯實，以保證初始孔隙率的準確性。裝完一層之后，在桶的周圍環(huán)繞一圈有孔洞的水管，然后繼續(xù)加入下一層砂卵石并環(huán)繞一圈有孔洞的水管，直至達到試驗設(shè)定高度，最后在上部鋪上鋼筋網(wǎng)，并利用水泥混合封蓋，其剖面示意圖如圖1 所示。

圖1 剖面示意圖

在注漿試驗時，首先利用水管通水，在出水量穩(wěn)定時，通過閥門調(diào)節(jié)水量，使流速達到試驗設(shè)定標準，然后開始注漿。在注漿結(jié)束3 d 后進行開挖和結(jié)石體測量，并進行相應(yīng)的結(jié)果分析。

在試驗過程中要佩戴手套和穿工作服，避免漿液對人體的傷害。由于注漿過程中的壓力不穩(wěn)定，可能發(fā)生溢漿或噴漿現(xiàn)象，因此，在注漿過程中要遠離實驗桶。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 滲透性

鑒于注漿加固體的形狀基本呈橢球體，在對可注性的評判過程中除了使用漿液三維擴散尺寸之外，還在計算固結(jié)體體積的過程中引入等效擴散球體的概念，也就是利用等體積法將漿液在砂卵石中的擴散形態(tài)轉(zhuǎn)化為等效擴散球體。對不同初始孔隙率試驗方案的數(shù)據(jù)進行整理和計算，結(jié)果如表1 所示。從表1 可以看出，漿液的三維擴散特征存在一定的差異性：隨著初始孔隙率的增大，X軸方向呈現(xiàn)出先增大后減小的變化特點；Y軸方向呈現(xiàn)出不斷減小的變化特點；Z軸方向呈現(xiàn)出不斷增大的變化特點。漿液的等效擴散半徑隨著初始孔隙率的增大呈現(xiàn)出不斷增大的變化特點，且呈現(xiàn)出比較明顯的正相關(guān)關(guān)系。究其原因，主要是砂土的滲透系數(shù)越小，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)越緊密，孔隙率越低，漿液顆粒通過孔隙的能力也會變低；反之，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)越松散，孔隙率越高，漿液顆粒通過孔隙的能力越強。

2.2 注漿壓力

對不同注漿壓力試驗方案的數(shù)據(jù)進行整理和計算，結(jié)果如表2 所示。從表2 可以看出，漿液的三維擴散特征基本相同，各個方向的尺寸均隨著注漿壓力的增大而增大；漿液的等效擴散半徑隨著注漿壓力的增大而顯著增大，且呈現(xiàn)出比較顯著的線性特征。由此可見，注漿壓力對漿液的可注性存在顯著影響，提高注漿壓力有利于漿液的注入。究其原因，由于注漿漿液具有不可壓縮性，注漿壓力可以為漿液對抗土層中的土應(yīng)力，從而產(chǎn)生擠壓擴張效應(yīng)，擴大孔隙通道的半徑，最終形成體積更大的注漿結(jié)石體。

表2 不同注漿壓力試驗結(jié)果

2.3 動水速度

鑒于動水速度會對注漿過程中漿液的流失量產(chǎn)生變化，進而影響到可注性，此次研究利用試驗中的相關(guān)數(shù)據(jù)，計算獲取不同動水速度下注漿核心區(qū)的漿液流失率，結(jié)果如圖2 所示。由圖2 可以看出，在水流的影響下，注漿核心區(qū)的漿液顆粒將向沖刷方向擴散，導致注漿核心區(qū)也會發(fā)生明顯的變化。另一方面，注漿核心區(qū)漿液顆粒的流失率會隨著動水速度的增大而迅速增大。由此可見，動水速度是影響砂卵石地層可注性的重要因素，較大的動水速度會對可注性產(chǎn)生十分顯著的負面影響。

圖2 核心區(qū)漿液流失率隨動水速度變化曲線

3 結(jié)語

在河道堤壩施工過程中，經(jīng)常會遇到飽和含水砂卵石地層，其地基加固和防滲處理效果對工程建設(shè)的順利開展和耐久性的提升具有十分重要的意義和作用。此次研究利用室內(nèi)模型試驗的方式，探討了滲透性、注漿壓力及動水速度對砂卵石地層可注性的影響規(guī)律。當然，此次研究受到試驗條件等諸多因素的限制，試驗方案和數(shù)據(jù)還不十分豐富，在今后的研究中需要進行更為深入的探討和分析，特別是基于更多的試驗數(shù)據(jù)，擬合獲取具有普遍適用性的砂卵石地層可注性判別公式。