劉安榮,陳秋華,李 根,祁亞麗,曹傳波

(1.河海大學(xué)水利水電工程學(xué)院,江蘇 南京210098;2.中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán) 成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,四川成都610072)

0 引 言

目前,在我國(guó)西南地區(qū)的高壩大庫(kù)建設(shè)中,常常遇到斷層破碎帶、軟弱泥化夾層、動(dòng)水等復(fù)雜地基。對(duì)其進(jìn)行洞井混凝土置換處理,往往規(guī)模大、施工工序復(fù)雜,并且洞井的開(kāi)挖對(duì)周邊巖體造成不同程度的的損傷破壞,對(duì)工期也有制約?；瘜W(xué)灌漿具有較好的加固和防滲堵漏的效能。在復(fù)雜地基處理中采用化學(xué)灌漿取代混凝土置換,有時(shí)也可達(dá)到工程要求。例如,在我國(guó)已成功應(yīng)用化學(xué)灌漿解決了三峽、龍羊峽、李家峽等百米以上高壩的復(fù)雜地基工程難題。但是,化學(xué)灌漿是一項(xiàng)復(fù)雜的技術(shù),故對(duì)化學(xué)灌漿進(jìn)行研究具有重要的意義。

對(duì)化學(xué)灌漿效果的影響因素主要有地質(zhì)條件、漿材種類(lèi)和性能、灌漿壓力、膠凝時(shí)間、灌漿歷時(shí)、漿液擴(kuò)散半徑等。在灌漿中,這些因素既相互聯(lián)系又相互制約。筆者在搜集有關(guān)資料的基礎(chǔ)上,結(jié)合錦屏一級(jí)水電站復(fù)雜地基處理中所進(jìn)行的f 5斷層化學(xué)灌漿試驗(yàn),來(lái)對(duì)這些質(zhì)量影響因素進(jìn)行分析與探討。

1 化學(xué)灌漿漿材的種類(lèi)與特性

目前,化學(xué)灌漿所用漿液種類(lèi)繁多,工程中常見(jiàn)的幾種化學(xué)漿液有水玻璃類(lèi)漿液、丙烯酰胺類(lèi)、聚氨酯類(lèi)、環(huán)氧樹(shù)脂類(lèi)、甲基丙烯酸脂類(lèi)、丙烯酸鹽類(lèi)、木質(zhì)素類(lèi)等。

化學(xué)漿液為溶液,粘度低,可灌性好,可通過(guò)浸潤(rùn)滲透(吸滲)的流動(dòng)規(guī)律灌入細(xì)微裂隙;凝固時(shí)間可控制,幾秒至幾十小時(shí)內(nèi)均可調(diào)節(jié);固結(jié)體可以是補(bǔ)強(qiáng)用的塑料體、或止水用的凝膠體等,可以滿足工程的多種要求。例如,中化-789(屬環(huán)氧樹(shù)脂類(lèi))可灌性好,可灌入滲透系數(shù)10-6～10-8cm/s的軟弱地層中,使抗力體固結(jié)強(qiáng)度達(dá)到50～80 MPa。

2 化學(xué)灌漿需要控制的技術(shù)參數(shù)的研究

化學(xué)灌漿需要控制的技術(shù)參數(shù)的研究就是根據(jù)具體的地質(zhì)條件和漿液在裂隙中的流動(dòng)規(guī)律,調(diào)整和控制各灌漿參數(shù),使灌漿質(zhì)量達(dá)到最高水平。

2.1 地質(zhì)條件

地基巖石的結(jié)構(gòu)構(gòu)造,顆粒組成和礦物成分及其中水的運(yùn)動(dòng)情況和化學(xué)成分對(duì)漿液的凝固有著明顯的影響?；瘜W(xué)漿液注入地基,在地基中滲透、充填、壓密巖體裂隙,使其起到加固、防水的作用。這種作用不僅與凝膠本身的性質(zhì)和強(qiáng)度有關(guān),而且和被灌地基的特性有密切的關(guān)系。在某些情況下,較高強(qiáng)度的化學(xué)漿液注入地基后卻長(zhǎng)期不膠凝。如美國(guó)肯塔基州布諾雷隧道的灌漿加固工程由于疏松的粗砂層富含鐵質(zhì)導(dǎo)致漿液長(zhǎng)期不膠凝[1]。

對(duì)于某些軟弱巖層和含有易溶礦物的巖層,如富集在節(jié)理、斷層和層間擠壓錯(cuò)動(dòng)帶中的綠泥石、泥灰石等,遇水可能會(huì)膨脹、崩解或軟化,失去力學(xué)強(qiáng)度或發(fā)生溶濾。在這些巖層中灌漿,需考慮少用或不用水灰比過(guò)大的稀漿和析水性強(qiáng)的縮聚型漿液。

水的酸堿度(氫離子濃度)對(duì)漿液的性能影響較大。堿性地下水能夠縮短膠凝時(shí)間,但對(duì)固體的強(qiáng)度影響不大;酸性地下水可以延緩膠凝時(shí)間而且對(duì)固體的強(qiáng)度影響較大[1]。

故需加強(qiáng)化學(xué)灌漿工程現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)勘探和調(diào)查工作。

2.2 漿材的性能指標(biāo)

漿材的基本性能指標(biāo)有密度、粘度、膠凝時(shí)間、聚合體和固砂體的力學(xué)強(qiáng)度等?；瘜W(xué)灌漿材料種類(lèi)繁多,在此以用于錦屏一級(jí)水電站f 5斷層試驗(yàn)區(qū)的JX環(huán)氧樹(shù)脂系列漿材[2]為例,對(duì)化學(xué)灌漿漿材性能進(jìn)行分析探討。

試區(qū)內(nèi)f 5斷層破碎帶寬1.0～1.5 m,主要由碎裂巖、角礫巖夾少量糜棱巖條帶組成,散體結(jié)構(gòu),為Ⅴ級(jí)巖體。JX環(huán)氧樹(shù)脂系列配方,具有可灌性好、強(qiáng)度高、粘結(jié)力強(qiáng)、毒性低等特性,試驗(yàn)中用到的3個(gè)配方其各項(xiàng)性能指標(biāo)有所差異,見(jiàn)表1。在灌漿之前,必須對(duì)所選漿材的性能進(jìn)行指標(biāo)測(cè)定,在滿足工程技術(shù)要求的前提下,選擇最優(yōu)配比組合。

表1 JX環(huán)氧樹(shù)脂系列漿材性能試驗(yàn)成果

2.3 灌漿過(guò)程的控制

2.3.1 配漿的控制[3]

配漿是化灌工序的第一步,對(duì)灌漿效果有直接的影響。要求配漿人員掌握配方中各成分的性能和作用,嚴(yán)格按比例精確稱量。漿液配置應(yīng)根據(jù)注入量大小,遵循少量多次隨灌隨制的原則,不得一次配置大量漿液存放,以防止?jié){液存放時(shí)間過(guò)長(zhǎng)造成漿液黏度增大或發(fā)生暴聚影響灌漿效果和漿液浪費(fèi)。漿液要給予一定時(shí)間的均勻攪拌,這樣才能使微量組份均勻地分布在整個(gè)體系中。另外,在配漿中出現(xiàn)的廢料要處理妥當(dāng),以防造成環(huán)境污染。

錦屏化灌試驗(yàn)中配漿采用體積稱量法,將甲、乙兩種漿材按體積比例稱量好分別盛放于不同容器內(nèi),按先甲液后乙液的順序依次加入到低速攪拌機(jī)內(nèi),攪拌3 min～5 min,混合均勻后加入灌漿桶,供灌漿使用。

2.3.2 灌漿參數(shù)的控制[3～5]

灌漿參數(shù)是影響灌漿效果的最重要因素之一。主要的灌漿參數(shù)有灌漿壓力、擴(kuò)散半徑或有效擴(kuò)散距離、膠凝時(shí)間、灌漿歷時(shí)等,這些參數(shù)之間相互聯(lián)系相互制約,如何調(diào)整和控制這些參數(shù),使灌漿能夠最大限度的滿足工程要求,是灌漿過(guò)程控制的追求目標(biāo)。錦屏化灌試驗(yàn)采用自上而下分段、孔口封閉、純壓式灌漿法。以下對(duì)各灌漿參數(shù)展開(kāi)探討。

2.3.2.1 漿液擴(kuò)散半徑或擴(kuò)散距離

漿液擴(kuò)散半徑或擴(kuò)散距離隨地層滲透系數(shù)、裂隙寬度、灌漿壓力、灌漿歷時(shí)的增大而增大,隨漿液濃度和黏度的增加而減少。其值可根據(jù)理論公式和工程類(lèi)比法進(jìn)行估算,但由于工程地質(zhì)的不同性,通常通過(guò)工程試驗(yàn)確定。為了控制漿液能夠達(dá)到預(yù)期的地方膠凝,既不超出也不小于預(yù)期范圍,常常需進(jìn)行不同配比漿液的變換。

錦屏化灌試驗(yàn)中灌漿孔按逐序加密的原則布置,Ⅰ序孔孔距2.0 m、Ⅱ序孔孔距1.0 m。以JX-D為基本灌注漿液,當(dāng)JX-D漿液注入漿量達(dá)到60 L/m,且灌漿壓力未達(dá)到設(shè)計(jì)壓力時(shí)變換為JX-C漿液繼續(xù)灌注。若變漿為JX-C后,灌漿壓力仍未升至設(shè)計(jì)壓力且注入率無(wú)明顯變化,注入漿量已累計(jì)達(dá)80 L/m,變換為JX-B漿液繼續(xù)灌注。

2.3.2.2 灌漿壓力

灌漿壓力是漿液在地層中擴(kuò)散的動(dòng)力,灌漿壓力過(guò)大,易引起裂縫變形和地基抬動(dòng),破壞地基原有的內(nèi)部構(gòu)造。灌漿壓力過(guò)小,不一定能達(dá)到要求的擴(kuò)散半徑。灌漿壓力要綜合考慮其它各項(xiàng)參數(shù),在允許的壓力范圍內(nèi)及時(shí)調(diào)整。在錦屏化灌試驗(yàn)中灌漿壓力要求逐漸升高并達(dá)到該孔段設(shè)計(jì)壓力,當(dāng)注入率≥0.1 L/(min·m)時(shí),適當(dāng)降低灌漿壓力,注入率≤0.05 L/(min·m)時(shí),適當(dāng)升高灌漿壓力,灌漿注入率控制在0.05 L/(min·m)～0.1 L/(min·m)。

2.3.2.3 灌漿歷時(shí)和膠凝時(shí)間

灌漿歷時(shí)指漿液從灌漿孔開(kāi)始,沿裂縫向四周做徑向擴(kuò)散到要求范圍內(nèi)所用的時(shí)間,是確定膠凝時(shí)間的依據(jù),其長(zhǎng)短影響工程質(zhì)量和進(jìn)度。膠凝時(shí)間是漿液固有的特性,根據(jù)工程的不同需要,在漿液中加入適量的速凝劑、緩凝劑等附加劑來(lái)調(diào)節(jié)膠凝時(shí)間。

錦屏化灌試驗(yàn)中灌漿歷時(shí)是在設(shè)計(jì)灌漿壓力下,注入率小于或等于0.01～0.05 L/(min·m)后持續(xù)灌漿30 min。漿液膠凝時(shí)間見(jiàn)表1。

2.4 錦屏一級(jí)水電站f 5斷層帶化學(xué)灌漿效果

化學(xué)灌漿后,f 5斷層帶透水率最大值0.31Lu;單孔聲波波速由灌前2 400～2 700 m/s提高到灌后4 500～5 000 m/s,提高幅度約80%;孔內(nèi)變形模量由灌前0.2～0.5 GPa提高到灌后的2.5～3.5GPa。這些數(shù)據(jù)表明,選用JX環(huán)氧樹(shù)脂漿材對(duì)f 5斷層帶進(jìn)行化學(xué)灌漿,巖體滲透性、物理力學(xué)參數(shù)都得到較大程度的改善。

3 結(jié) 語(yǔ)

做好工程地質(zhì)條件的實(shí)際調(diào)查,根據(jù)灌漿目的,選用相適應(yīng)的漿材;認(rèn)真做好漿材的性能測(cè)試,選擇最優(yōu)配方組合;綜合考慮各個(gè)灌漿參數(shù)之間的相互制約關(guān)系,采用最優(yōu)參數(shù)組合及嚴(yán)格控制灌漿過(guò)程來(lái)對(duì)斷層破碎帶、泥化構(gòu)造等復(fù)雜地基進(jìn)行處理,往往能夠達(dá)到工程所要求的防滲、固化目標(biāo)。其取代開(kāi)挖置換處理,節(jié)約工期,減少工程量和工程投資。

[1]張迎珍.地質(zhì)條件與化學(xué)灌漿[J].山西教育學(xué)院學(xué)報(bào),2000,3(4):25-26.

[2]中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院.錦屏一級(jí)水電站左岸f 5斷層及煌斑巖脈軟弱巖帶化學(xué)灌漿試驗(yàn)第一階段評(píng)價(jià)報(bào)告[R].成都:中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究,2008.

[3]王保欣,于艷芳,等.化學(xué)灌漿及質(zhì)量控制問(wèn)題的研究與探討[J].西北水電,2006,(4):90-93.

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