新型速凝漿液在壩基注漿加固中的應(yīng)用試驗與效果評價

涂燕周

(錦曦控股集團有限公司，福建 福州 350001)

1 工程背景

焦源水庫是福建省南平市武夷新區(qū)云谷水系補水工程中的工程任務(wù)，以景觀供水為主，同時兼顧下游城區(qū)防洪的小(2)型水利工程[1]。工程總庫容68.50萬m3，正常蓄水位201.00 m，相應(yīng)庫容60.15萬m3，死水位190.50 m，相應(yīng)死庫容3.87萬m3。水庫樞紐主要建筑物由攔河壩、輸水涵管、下游輸水河道、管理房及上壩公路等組成。工程等別為Ⅴ等，攔河壩、溢洪道和進水口等按5級建筑物設(shè)計。其中，水庫攔河壩為C15砌石重力壩，壩頂高程203.50 m，最大壩高28.00 m，頂寬5.50 m，壩頂全長117.00 m。溢洪道布置在河床中部，溢流段凈寬10.00 m，溢流堰頂高程201.00 m，溢流面為WES曲線，溢流堰上設(shè)寬5.50 m的交通橋。輸水涵洞布置在大壩樁號BZ0+009.50 m處，輸水涵管共長18.00 m，直徑φ600，設(shè)計最大輸水流量0.11 m3/s。

由于工程區(qū)有大面積的灰?guī)r分布，巖溶較發(fā)育，多填充含礫粉質(zhì)黏土及角礫土，同時巖體產(chǎn)狀不清晰，節(jié)理裂隙發(fā)育，工程地質(zhì)條件較差，如不進行必要的工程處理措施，水庫建成后會發(fā)生較為嚴重的壩基滲漏問題，影響到工程作用的發(fā)揮。同時，壩址區(qū)地下水主要為孔隙潛水和基巖裂隙水，水量較為豐富。因此，采用傳統(tǒng)注漿漿液和工藝，會面臨注漿時間長、無法起壓和漿液大量流失問題，難以達到工程效果[2]。因此，采用新的注漿漿液和工藝技術(shù)尤為必要。

2 新型速凝漿液材料與配比設(shè)計

2.1 注漿材料的選取

在地層注漿施工過程中，由于地質(zhì)環(huán)境和工程條件的復(fù)雜性，并不存在具有普遍適用性的注漿材料，必須要結(jié)合工程需求進行新型注漿材料的研發(fā)[3]。因此，研究中結(jié)合背景工程實際，選擇水泥(S)、粉煤灰(F)和改性水玻璃(GS)作為漿液配置的材料。其中，水泥選擇的是P·O 42.5普通硅酸鹽水泥。粉煤灰來源于河南省鄭州市，為電廠二級粉煤灰。試驗用水玻璃的模數(shù)為2.8，濃度為35°Bé(波美度)。

水玻璃的改性利用乙二醇和己二酸，改性過程中按照2.00∶0.02∶0.02∶1的比例確定水、乙二醇、己二酸和水玻璃的質(zhì)量[4]。改性過程為將純水加熱至70 ℃，然后，分別加入乙二醇和己二酸，待冷卻至室溫后再加入水玻璃。

2.2 漿液配比設(shè)計

為了優(yōu)化配比，參照相關(guān)研究文獻資料，設(shè)計12種不同配比方案進行漿液性能的室內(nèi)試驗，結(jié)果如表1所示。結(jié)合背景工程注漿施工的需要，注漿漿液需要有較好的流動度、較短的凝固時間以及一定的強度[5]。綜合考慮上述要求，認為方案8效果最佳，因此，在注漿施工中按照方案8確定的配合比進行注漿漿液的配置。

表1 漿液性能室內(nèi)試驗結(jié)果

3 注漿加固現(xiàn)場試驗

3.1 施工工藝參數(shù)

在注漿施工過程中，注漿管的管壁需要開設(shè)梅花形鉆孔，以利于注漿漿液在巖土體中呈柱狀擴散特征[6]。因此，注漿的時間、漿液擴散半徑以及鉆孔距離等參數(shù)計算如式(1)、式(2)：

(1)

(2)

式中：r1為漿液擴散半徑，m；k為滲透系數(shù)，cm/s；h1為注漿壓力水頭，m；t為注漿時間，min；β為漿液黏度與水的比；n為孔隙率；r0為注漿管半徑，m；y為注漿孔孔距，m；b相鄰注漿孔漿液擴散范圍相交厚度，m。

按照相關(guān)施工規(guī)范和工程設(shè)計資料，利用上述公式計算出漿液擴散半徑為7.20 m，注漿孔孔距為12.5 m，邊緣孔距為7.15 m。注漿孔沿大壩軸線兩側(cè)呈梅花形布置。

在注漿量計算過程中，應(yīng)該充分考慮注漿方式、滲透半徑以及巖土體孔隙率等主要因素的影響，如式(3)：

(3)

式中：Q為注漿量，m3；L為注漿長度，m；λ為漿液損失系數(shù)，取1.3。

按照式(3)進行計算，得出單孔注漿量為512 m3。當(dāng)然，在具體施工過程中還應(yīng)該根據(jù)實際情況進行必要的調(diào)整。

注漿壓力也是重要的注漿參數(shù)，其確定需要考慮地質(zhì)結(jié)構(gòu)和漿液特征有密切關(guān)系[7]。對于此次現(xiàn)場試驗而言，巖溶溶洞和裂隙的填充率應(yīng)該達到80%以上。因此，在注漿施工中采用1.0～1.5 MPa的注漿壓力，在20 min內(nèi)注漿量<50 L/min或注漿壓力<2 MPa并穩(wěn)定15 min即可停止注漿。

3.2 施工工藝流程

在雙液化學(xué)注漿過程中，需要考慮膠凝時間和用水泥土體類型選擇注漿方法。一般來說，對于膠凝時間長的漿液應(yīng)該采用單槍注漿，膠凝時間中等則采用1.5槍注漿，膠凝時間短的則采用雙槍注漿[8]。鑒于此次試驗采用的是膠凝時間較短的漿液，因此采用雙槍注漿的方式，也就是將水泥-粉煤灰漿液和改性水玻璃漿液分別采用注漿泵泵入注漿孔孔底混合。具體的注漿工藝流程如圖1所示。

圖1 注漿工藝流程

在注漿施工開始前，首先按照設(shè)計方案利用測量放線的方式確定注漿孔位。注漿孔鉆孔采用工程地質(zhì)鉆，在鉆孔前要精確定位，保證孔位偏差在10 cm以內(nèi)，同時要嚴格控制好方向和深度；在注漿孔鉆孔完畢之后，要使用壓縮空氣清洗鉆孔，排除影響注漿施工的渣屑。此外，鉆孔施工中要做好記錄。特別是孔位巖土體和地質(zhì)數(shù)據(jù)，為后續(xù)注漿參數(shù)的調(diào)整提供依據(jù)。在埋設(shè)孔口管的過程中要安裝好球型閘閥，以封閉鉆孔過程中可能出現(xiàn)的涌水。在注漿施工過程中壓力要緩慢提升，直至達到注漿設(shè)定的壓力水平。如果注漿孔孔口壓力明顯下降或出現(xiàn)負壓，應(yīng)該對注漿參數(shù)進行適當(dāng)調(diào)整。注漿過程中采用自下而上分段注漿的方式進行，在每段注漿段結(jié)束之后，上提注漿芯管，進行下一注漿段的注漿，直至單孔注漿結(jié)束。

4 注漿效果評價

4.1 注漿效果評價方法

根據(jù)地質(zhì)條件和注漿效果檢測的目的和任務(wù)，此次現(xiàn)場試驗中采用地震映像法和鉆芯取樣法進行檢測。其中，地震映像探測儀采用的是北京中地遠大勘測科技有限公司生產(chǎn)的ZD11型多功能地震儀。在地震映像法檢測過程中，沿注漿施工中線兩側(cè)布置兩個檢測剖面，兩個剖面的間距為15 m，各剖面上的點距均為5 m。根據(jù)試驗區(qū)域的地層特點，試驗中的平均波速約為300 m/s，有效采樣時窗為400 ms，最大探測深度為30 m，完全可以滿足此次檢測的要求。

在鉆芯檢測過程中，在試驗區(qū)隨機布置12個鉆芯取樣點，能夠覆蓋試驗區(qū)的中心和邊緣地帶。鉆芯取樣在注漿施工結(jié)束后7 d進行。

4.2 評價結(jié)果

利用專業(yè)軟件將試驗現(xiàn)場采集到的地震波資料進行濾波處理，形成兩個監(jiān)測剖面的地震映像圖像。從結(jié)果來看，兩個監(jiān)測剖面僅在部分點位的淺部出現(xiàn)異?，F(xiàn)象。在地層的深部，各個點位均沒有出現(xiàn)比較明顯的較強信號。由此可見，在兩個檢測剖面上地層內(nèi)部均沒有較大的空洞異常，說明注漿加固施工獲得良好的效果。

在注漿結(jié)束后7 d進行鉆芯取樣，取樣共涉及12個鉆孔，總長度為360 m，取芯率為75%。從取得的芯樣來看，其中存在凝固的漿液結(jié)石體，充填比較密實，說明地基處理效果良好。其中，取芯率較低的取樣孔均處于試驗區(qū)的邊緣部位，試驗區(qū)中心部位的取芯率和充填密實度均呈良好狀態(tài)。由此可見，此次試驗研究中提出的新型速凝漿液在背景工程中具有良好的適配性，可以充分發(fā)揮地下水動水作用下填充孔隙和止水堵水的作用，完全滿足工程要求，可以在后續(xù)施工中應(yīng)用。

5 結(jié) 語

壩基滲漏是巖溶等地質(zhì)條件復(fù)雜地區(qū)水利工程建設(shè)中經(jīng)常面臨的問題，而進行壩基注漿加固是解決上述問題的重要工程技術(shù)措施?；诖?，此次研究以具體工程為背景，提出水泥-粉煤灰-改性水玻璃新型速凝注漿材料，以適應(yīng)背景工程的特殊地質(zhì)環(huán)境。從現(xiàn)場試驗結(jié)果來看，采用新型速凝注漿材料可以獲得良好的注漿效果。當(dāng)然，針對新型注漿材料還應(yīng)該在工廠化生產(chǎn)和現(xiàn)場應(yīng)用方面進行進一步的分析研究，在考慮制作成本的前提下，制定出適合大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用的工藝流程，為其工程推廣和應(yīng)用提供進一步的支持。