黃莊水庫大壩基礎(chǔ)帷幕復(fù)合灌漿試驗(yàn)

方麗君

(萬年縣河道堤防管護(hù)中心,江西 上饒 335500)

0 引 言

水利水電工程通常采用灌漿方式構(gòu)筑防滲帷幕以起到加固壩、閘、堤等基礎(chǔ)的效果,水泥漿液灌注加固效果受基巖裂隙寬度的影響較大,結(jié)合相關(guān)研究成果,水泥漿液內(nèi)水泥顆粒細(xì)度只有達(dá)到裂隙寬度的1/3～1/5,才能較好填充裂隙,但一般的水泥漿液細(xì)度很難達(dá)到。化學(xué)漿液因?qū)儆谌芤侯愋?不存在顆粒離析問題,能較好入滲至基巖微裂隙結(jié)構(gòu)中,但因其成本高,污染環(huán)境,應(yīng)用范圍受到很大限制。水泥-化學(xué)復(fù)合灌漿技術(shù)可將傳統(tǒng)的水泥灌漿和化學(xué)灌漿工法有機(jī)結(jié)合,通過灌漿流程的改進(jìn),充分發(fā)揮兩種灌漿技術(shù)的性能優(yōu)勢,提升水利水電工程灌漿加固效果。

1 工程概況

黃莊水庫位于余江縣北部信江河下游右岸一級支流黃莊河主支上游,黃莊鄉(xiāng)東源村小毛家附近,距離余江縣城約35km。本次水庫除險加固設(shè)計(jì)按《防洪標(biāo)準(zhǔn)》和《水利水電工程等級劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定對水庫現(xiàn)狀進(jìn)行復(fù)核,確定壩頂高程為58.3m,正常同水位53.18m,相應(yīng)庫容846×104m3;設(shè)計(jì)洪水位55.65m,相應(yīng)庫容1304×104m3(P=2%);校核洪水位56.85m,相應(yīng)庫容1543×104m3(P=0.1%)。該水庫大壩基礎(chǔ)柱狀節(jié)理玄武巖和層間錯動帶發(fā)育,巖體微裂隙多,基巖完整性差,且柱狀節(jié)理基本為閉合狀態(tài),缺乏可灌注性。

左右岸帷幕灌漿軸線長316.4m,孔軸線與混凝土防滲墻軸線重合。壩體內(nèi)大壩防滲帷幕中心線與拱壩軸線近乎平行,而壩頭處帷幕中心線則發(fā)生彎折,在大壩左右岸分別設(shè)置6條灌漿平洞,便于大壩澆筑至設(shè)計(jì)高度后展開帷幕灌漿;各層灌漿平洞間的高差位于35.1～74.2m之間。

為了解帷幕灌漿施工后層間構(gòu)造錯動帶和節(jié)理裂隙強(qiáng)度、剛度的提升程度,明確相應(yīng)的巖石力學(xué)參數(shù),掌握弱風(fēng)化巖體可灌注性及灌漿材料性能,分析復(fù)雜地質(zhì)條件下水泥-化學(xué)復(fù)合灌漿防滲處理效果,為該水庫拱壩建基面防滲性能優(yōu)化及壩基基礎(chǔ)灌漿設(shè)計(jì)提供依據(jù),必須展開灌漿試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)材料

水庫大壩基礎(chǔ)帷幕灌漿試驗(yàn)主要采用濕磨細(xì)水泥灌漿材料,水泥采用80μm方孔篩篩余量在5%以內(nèi)的P.O42.5普通硅酸鹽水泥,將0.5∶1的普通水泥漿濕磨3次以上,達(dá)到設(shè)計(jì)細(xì)度后調(diào)配至設(shè)計(jì)濃度,經(jīng)由攪拌機(jī)拌制均勻后在2h內(nèi)用完。

采用由新型環(huán)氧樹脂、增韌劑、稀釋劑、固化劑等組成的CW系雙組分化學(xué)灌漿材料,該材料制備簡便,力學(xué)性能及可灌注性均較好,在干燥環(huán)境和潮濕環(huán)境下均能較好固化。該化學(xué)灌漿材料配比及性能見表1。根據(jù)表中試驗(yàn)結(jié)果,CW511型灌漿材料和CW512型灌漿材料均具有較高的力學(xué)性能;總體而言,CW511材料可操作時間和初凝時間均較長,對細(xì)小裂隙及泥化夾層浸潤、滲透等較為適用;CW512型灌漿材料在A組分:B組分為6∶1的情況下,可操作時間適中,對較大裂隙適用;而A組分:B組分為5∶1和4∶1時,可操作時間短,僅適合展開封堵施工[1]。

表1 CW系雙組分化學(xué)灌漿材料配比及性能

CW系雙組分化學(xué)灌漿材料中A組分和B組分分別為基液和固化劑,首次配漿時按照A組分:B組分=6∶1制備CW511灌漿材料,配制量應(yīng)略微超出管路及鉆孔占漿,此后配制量則根據(jù)吸漿量決定;當(dāng)注入率在0.3kg/min以上時一次需配漿14kg;當(dāng)注入率不足0.1kg/min時,需一次配漿3.5kg。配漿及灌漿必須在冷卻環(huán)境下,確保漿液入孔溫度不超出30℃。灌漿前必須推算出合理的管容范圍,開啟回漿閥后通過對填充孔管容的觀察以判斷是否漏漿。

3 試驗(yàn)方法及過程

3.1 總體要求

以XY-2型地質(zhì)鉆機(jī)為主要鉆孔設(shè)備,并使用金剛石鉆頭或硬質(zhì)合金鉆頭鉆進(jìn),為加強(qiáng)鉆孔偏差控制,應(yīng)對孔口段10m以內(nèi)的鉆區(qū)測2次孔斜,對孔口段10m以下的鉆區(qū)每間隔10m進(jìn)行一次孔斜測量?？卓诠懿捎忙?9mm的無縫鋼管,管長露出底板10cm后通過絲扣連接。每個灌漿段鉆孔結(jié)束后沖孔并展開壓水試驗(yàn),為簡化工序,裂隙沖洗可與簡易壓水同時進(jìn)行,時間應(yīng)控制在20min以上,并根據(jù)最終值展開透水率計(jì)算[2]。

復(fù)合灌漿試驗(yàn)開始前,必須施作先導(dǎo)孔,通過鉆孔電視對先導(dǎo)孔鉆進(jìn)全景成像后分段壓水,根據(jù)成像結(jié)果推斷裂隙發(fā)育程度及深度,并使用分段卡塞展開巖層滲水量測量。復(fù)合灌漿試驗(yàn)由上至下分段進(jìn)行,水泥灌漿和化學(xué)灌漿分別采用孔口封閉循環(huán)灌漿和阻塞純壓灌漿技術(shù)。灌漿前如果簡易壓水透水率在1.0Lu以上,則應(yīng)展開濕磨細(xì)水泥灌漿,此后再進(jìn)行擴(kuò)孔化學(xué)灌漿;灌漿前如果壓水透水率不足1.0Lu,則直接進(jìn)行化學(xué)灌漿。

若濕磨細(xì)水泥灌漿注入率在3.0kg/m以下,則應(yīng)直接擴(kuò)孔至76mm孔徑并展開化學(xué)灌漿;如果濕磨細(xì)水泥灌漿注入率超出3.0kg/m,則必須待凝12h再擴(kuò)孔至76mm后化學(xué)灌漿。

3.2 磨細(xì)水泥灌漿

為節(jié)省化學(xué)灌漿材料,提升灌漿效果,對于大裂隙、大孔洞區(qū)域通常采用濕磨細(xì)水泥循環(huán)式灌漿,其中,第1段實(shí)行常規(guī)阻塞灌漿,阻塞器主要設(shè)置在與基巖面相距50cm的混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi);第2段及以下各段則按照小口徑鉆孔、孔口封閉的原則由上而下分段灌漿。水灰比按照5∶1、3∶1、2∶1、1∶1、0.5∶1等級次確定,并使?jié){液濃度從稀至濃逐級遞增。包括磨細(xì)水泥灌漿和化學(xué)灌漿在內(nèi)的復(fù)合灌漿試驗(yàn)壓力確定情況見表2。

表2 復(fù)合灌漿試驗(yàn)壓力確定

復(fù)合灌漿期間必須頻繁轉(zhuǎn)動射漿管,并將回漿管內(nèi)回漿量保持在15L/min以上,避免因孔內(nèi)漿液凝固而影響灌漿效果。在進(jìn)行水灰比1∶1的稀漿灌注時,應(yīng)每隔10～15min轉(zhuǎn)動1次鉆桿;在進(jìn)行水灰比<1∶1的濃漿灌注時,應(yīng)間隔3～5min轉(zhuǎn)動1次鉆桿。如發(fā)現(xiàn)鉆桿轉(zhuǎn)動困難,則應(yīng)在30min內(nèi)實(shí)施大循環(huán)處理[3]。

在由上至下分段灌漿過程中,在最大設(shè)計(jì)壓力下,灌漿段注入率低至1.0L/min以下后,繼續(xù)灌注1h即可結(jié)束灌漿。如果注入率存在較大波動,且始終達(dá)不到結(jié)束標(biāo)準(zhǔn),則應(yīng)采取應(yīng)急方案中較低的灌漿壓力和調(diào)整后的漿液配比,若濕磨細(xì)水泥灌漿注入率降低至3.0kg/m以下,則可直接進(jìn)入下一工序。

3.3 化學(xué)灌漿

以壓力流可調(diào)節(jié),工作性能穩(wěn)定,體積小,質(zhì)量輕的CW110-5.0/800型化學(xué)灌漿泵為主要試驗(yàn)設(shè)備,漿液流量及灌漿壓力均可自動調(diào)控。試驗(yàn)開始前應(yīng)根據(jù)具體工況及施工工藝要求,提前設(shè)定灌漿壓力等參數(shù)值,試驗(yàn)開始后可根據(jù)灌漿壓力的變化對漿液流量展開自動調(diào)整。灌漿壓力及漿液灌注量等參數(shù)均會實(shí)時顯示。

試驗(yàn)開始后由上至下分段灌漿,孔內(nèi)則采用阻塞純壓式灌漿工藝,以高壓灌漿氣壓塞為阻塞器,阻塞前還必須在孔外試壓,保證管道無滲漏?？變?nèi)阻塞結(jié)束后化學(xué)灌漿前,通過壓縮空氣將孔內(nèi)積水全部吹出。具體而言,在空壓機(jī)上連接進(jìn)漿管,借助壓縮空氣使孔內(nèi)積水從會漿管口排除,期間應(yīng)間歇性啟閉空壓機(jī),增強(qiáng)排水效果。當(dāng)回漿管口出水量接近0時將進(jìn)漿管與化學(xué)灌漿泵連接,展開化學(xué)灌漿。

化學(xué)灌漿過程中應(yīng)逐級升壓、慢速浸潤,根據(jù)工程地質(zhì)條件及具體安排逐段確定灌漿壓力,分4級慢速升壓,初始壓力應(yīng)控制在最大灌漿壓力的30%左右,以后各級壓力分別控制在最大灌漿壓力的50%、100%、125%。

灌漿期間必須密切關(guān)注壓力表和注入率讀數(shù),待灌漿壓力接近設(shè)定泵壓后灌漿泵會自動進(jìn)入間歇式灌漿狀態(tài),注入率隨之降低;待注入率持續(xù)60min<0.1kg/min時應(yīng)將壓力升高一級。按照相同操作,逐步將灌漿壓力升高至最大設(shè)計(jì)壓力。待達(dá)到結(jié)束灌漿標(biāo)準(zhǔn)后應(yīng)屏漿60min,并關(guān)閉進(jìn)漿回漿閥,等壓力表讀數(shù)自動歸零后向注漿管內(nèi)注入水泥漿液,待管內(nèi)化學(xué)漿液全部置換后拔管清洗[4-6]。

化學(xué)灌漿試驗(yàn)期間,為確保漿液具備良好的可灌注性,必須按照8～10h的時間間隔檢查孔內(nèi)漿液黏稠度,如果黏稠度變大,必須置換處理。待完成每段灌漿任務(wù)后,在綜合考慮地質(zhì)條件、吸漿量、膠凝材料性能的的基礎(chǔ)上確定待凝時間。

采用A組分∶B組分=6∶1的CW511型環(huán)氧樹脂灌漿材料展開充填管孔容及屏漿,待壓力升速減緩或持續(xù)超出4h無壓力變化時,應(yīng)改為A組分∶B組分=5∶1的灌漿材料;如果出現(xiàn)壓力值位于1.0～1.5MPa之間,但注入流量超出0.5kg/min的嚴(yán)重不匹配情況,應(yīng)變漿為A組分∶B組分=6∶1的CW512型灌漿材料。

在試驗(yàn)段最大設(shè)計(jì)壓力下,當(dāng)注入率降至0.02kg/min以下,應(yīng)待達(dá)到膠凝時間或繼續(xù)灌注30min后結(jié)束段落灌漿。因受到高水頭作用,部分試驗(yàn)孔段發(fā)生涌水的可能性較大,對于此類孔段應(yīng)適當(dāng)延長待凝時間。結(jié)束化學(xué)灌漿試驗(yàn)后,應(yīng)使用水泥漿置換孔段內(nèi)化學(xué)灌漿材料,以便后續(xù)掃孔施工的順利展開。具體而言,待相應(yīng)孔段化學(xué)灌漿結(jié)束且壓力表讀數(shù)自然歸零后,將水灰比為0.5∶1的水泥漿液壓入孔內(nèi),屏漿60min后拔除灌漿塞待凝12h。完成漿液置換后,將阻塞器拔除,使用清水沖洗進(jìn)漿和回漿管路,再使用清潔劑清洗阻塞器和接頭。對于堵管的情形,應(yīng)通過化學(xué)灌漿泵將清洗劑壓入管道循環(huán)沖洗[7-9]。

結(jié)束灌漿后,還應(yīng)通過水灰比0.5∶1的水泥漿液置換灌漿孔內(nèi)積水,并全孔灌漿封孔。

4 試驗(yàn)結(jié)果

4.1 濕磨細(xì)水泥灌漿結(jié)果

黃莊水庫壩基河床14#壩段共進(jìn)行了16段濕磨細(xì)水泥灌漿試驗(yàn),長度48m,漿液注入量為5.21kg/m,其中僅2個試驗(yàn)段注入量超出10kg/m,1個試驗(yàn)段最大注入量達(dá)到31.9kg/m,3個試驗(yàn)段注入量為0kg/m;以上特殊試驗(yàn)段在總試驗(yàn)段中占比37.5%。結(jié)合各試驗(yàn)段單位注入量取值及變動趨勢,濕磨細(xì)水泥灌漿對于該地質(zhì)條件復(fù)雜地層而言可灌注性差,巖層基本不吃漿。

4.2 化學(xué)灌漿結(jié)果

該壩段共設(shè)置147個化學(xué)灌漿試驗(yàn)段,總長640m,化學(xué)漿液平均灌注量為32.47kg/m,其中Ⅰ序孔和Ⅱ序孔單位注入量均值為49.64kg/m和16.23kg/m。Ⅰ序孔和Ⅱ序孔單位注入量在50kg/m以下的試驗(yàn)孔數(shù)在總試驗(yàn)孔數(shù)中占比66.48%和90.25%?？梢?隨著灌漿過程的推進(jìn),水庫大壩基巖裂隙逐漸灌注密實(shí),灌注效果也逐漸提升。

結(jié)合以上試驗(yàn)成果,在該水庫大壩基礎(chǔ)帷幕復(fù)合灌漿試驗(yàn)區(qū)域設(shè)置質(zhì)量檢測孔,其中J01、J02檢測孔位于溢洪道左岸,J03、J04孔位于溢洪道右岸。對各孔展開五點(diǎn)法壓水試驗(yàn)及孔內(nèi)錄像、聲波檢測,檢測結(jié)果見表3。根據(jù)表中結(jié)果,該試驗(yàn)段經(jīng)過化學(xué)灌漿后,檢測孔壓水全部符合要求,也說明該試驗(yàn)所采用的CW環(huán)氧材料能較好入滲至水泥漿液無法到達(dá)的細(xì)微裂隙,并能較好黏結(jié)破碎巖體與碎屑。該壩段復(fù)合灌漿前后聲波波速檢測結(jié)果也表明,壩段經(jīng)化學(xué)灌漿后,聲波波速提升明顯,壩基圍巖均質(zhì)性和承載力均顯著提升,整體強(qiáng)度得到增強(qiáng),基巖裂隙灌注密實(shí),防滲能力明顯增強(qiáng)[10]。

表3 水庫大壩基礎(chǔ)帷幕復(fù)合灌漿試驗(yàn)后的質(zhì)量檢測結(jié)果

5 結(jié) 論

綜上所述,面對黃莊水庫大壩基巖經(jīng)過若干次普通水泥灌漿后局部區(qū)域防滲性能仍無法滿足設(shè)計(jì)要求的情況,對壩基河床14#壩段展開水泥-化學(xué)復(fù)合灌漿試驗(yàn),試驗(yàn)質(zhì)量檢測結(jié)果顯示,所采用的CW環(huán)氧樹脂化學(xué)灌漿材料對大壩基巖裂隙發(fā)育、層間錯動等特殊地質(zhì)條件較為適用,滲透性及可灌注性均優(yōu)良,并能快速提升基巖整體性和均質(zhì)性。該灌漿方案在黃莊水庫其余壩段除險加固工程中得到推廣應(yīng)用,取得了較為理想的防滲加固效果。