王 豐

(新疆水利水電科學(xué)研究院，烏魯木齊 830049)

0 引言

帷幕灌漿在我國已經(jīng)有多年的發(fā)展歷史，也是在防滲工程中常采用的處理措施，但由于進(jìn)行帷幕灌漿的相關(guān)條件在試驗(yàn)室很難做出模型試驗(yàn)，大部分試驗(yàn)都依附在建工程進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。在中葛根水庫的圍堰防滲工程施工中，就遇到在河床砂卵石地層中的防滲問題，特別是在地下水流速較高的情況下的帷幕灌漿就顯得的更加困難，由于原設(shè)計(jì)是采用高壓噴射灌漿的方法進(jìn)行防滲處理的，但在施工過程中發(fā)現(xiàn)，在遇到粒徑較大的卵石地層時(shí)防滲效果比較差，不能滿足設(shè)計(jì)要求。為了解決這個(gè)難題，針對(duì)強(qiáng)透水地層帷幕灌漿開展了專題試驗(yàn)。傳統(tǒng)的砂卵石地層防滲帷幕灌漿，大都采用灌注以黏土為主加少量水泥的混合漿液，并需布置3排以上的灌漿孔，才能保證帷幕的防滲效果。這樣就提高了灌漿的造價(jià)，由于黏土灌漿只是利用黏土顆粒填充砂卵石的空隙，其一般的強(qiáng)度都比較低，在工程運(yùn)行后，往往會(huì)發(fā)生滲流破壞，從而導(dǎo)致整個(gè)工程的失敗。

所以，本次試驗(yàn)是以單排帷幕灌漿、選用合適的灌漿材料為突破口，探索出一種造價(jià)低、工期短、性能好的帷幕灌漿方法。并根據(jù)工程實(shí)際對(duì)不同地質(zhì)情況、處理深度、防滲效果等進(jìn)行試驗(yàn)，確定出該方法的適用范圍、應(yīng)用條件和不同的滲漏情況選用相應(yīng)的施工參數(shù)和施工工藝，使之達(dá)到設(shè)計(jì)要求。該方法成功的應(yīng)用于中葛根水庫圍堰防滲工程，為在類似工程的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

1 灌漿實(shí)驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)內(nèi)容

本次試驗(yàn)主要內(nèi)容為:灌漿實(shí)驗(yàn)(室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn))、灌漿壓力的確定、灌漿工藝、灌漿控制參數(shù)的選定。

1.2 灌漿試驗(yàn)

為了驗(yàn)證這種施工工藝在強(qiáng)透水地層防滲中的適應(yīng)性，為施工提供必要的技術(shù)參數(shù)，需要做相應(yīng)的室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

1.2.1 室內(nèi)試驗(yàn)

1)灌漿材料的選擇:砂礫石層的防滲帷幕灌漿，大都是灌注以黏土為主加少量水泥的混合漿液，但黏土顆粒在水流的作用下，宜被水流沖刷帶走，需要多排帷幕才能達(dá)到防滲標(biāo)準(zhǔn)。其造價(jià)也相應(yīng)較高。為了降低工程造價(jià)，只有采用單排帷幕灌漿，為了保證防滲效果，應(yīng)對(duì)漿液進(jìn)行選擇。水泥是常用的灌漿材料，本次試驗(yàn)就采用水泥作為強(qiáng)透水地層的灌漿主要材料，并把水玻璃作為促凝劑。2)模擬地層試驗(yàn)的取材:取用庫區(qū)的砂卵石料，根據(jù)地質(zhì)資料提供的當(dāng)?shù)夭煌貙蛹?jí)配情況，模擬出細(xì)顆粒較少的砂卵石、細(xì)顆粒較多的砂卵石、細(xì)砂層、細(xì)砂層與砂礫石混合料。3)灌漿材料:選采用42.5R普通硅酸鹽水泥和水玻璃。4)漿液配比:漿液濃度采用重量比為 1∶1、0.8∶1、0.5∶1 共 3 個(gè)比級(jí)，水玻璃摻入量按不同的配比分別為5%、10%、15%。5)模型設(shè)計(jì):試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒捎脽o縫鋼管，主要模擬漿液的擴(kuò)散和灌后地層抗?jié)B性，其模型要求能承受3～4 Mpa壓力。

1.2.2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

1)試驗(yàn)段的選擇:試驗(yàn)段選擇在奇臺(tái)縣中葛根水庫圍堰地段。河床壩基寬約 20～30 m，第四系覆蓋層厚 11～17.5 m，巖性為砂卵石層，表層實(shí)測(cè)天然密度為 2.1～2.26 g/cm3，室內(nèi)試驗(yàn)最大干密度為2.29 g/cm3，相對(duì)密實(shí)度為0.69－0.84。抽水試驗(yàn)砂卵石覆蓋層的滲透系數(shù)為36.32 m/d。河床基底巖體為角礫巖，系良好的壩基巖體，根據(jù)鉆孔壓水試驗(yàn)其透水率＜5 lu的界線的埋深為25 m。2)漿液配比:選用了同室內(nèi)試驗(yàn)相同的配比 1∶1、0.8∶1、0.5∶1。水玻璃摻入量也與室內(nèi)試驗(yàn)相同為5%、10%、15%。

數(shù)據(jù)最有說服力。黨的十八大以來的5年，中國鐵路昆明局集團(tuán)累計(jì)發(fā)送旅客1.92億人，較上一個(gè)5年增加6000多萬人、增長(zhǎng)46%，有效促進(jìn)云南與周邊省會(huì)城市高鐵連通和重點(diǎn)區(qū)域多路暢通。

最后經(jīng)過分析比較在工程中應(yīng)用了8% ～12%的水玻璃配比進(jìn)行施工。最后經(jīng)過分析比較在工程中應(yīng)用了0.8∶1的配比進(jìn)行灌漿施工。

1.2.3 試驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)最終得出以下結(jié)果并應(yīng)用到工程實(shí)際施工:1)采用單排帷幕即可達(dá)到防滲效果;2)漿液濃度采用重量比為0.8∶1;3)水玻璃摻入量為8% ～15%。

2 灌漿壓力試驗(yàn)

灌漿壓力均由理論計(jì)算與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)來確定，砂卵石地層由于結(jié)構(gòu)疏松，有效孔隙較大，自身結(jié)構(gòu)所平衡的灌漿壓力非常有限，灌漿壓力由灌漿段以上的蓋重來平衡灌漿壓力。一般都以不使地層結(jié)構(gòu)破壞作為確定允許灌漿壓力，同時(shí)考慮防止?jié){液過遠(yuǎn)流失到帷幕范圍以外，而造成注漿材料的浪費(fèi)。

2.1 灌漿壓力的計(jì)算

灌漿壓力經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式為:

式中:P為允許灌漿壓力;β為系數(shù)，在1—3范圍內(nèi)選擇;γ為砂礫石層之上的蓋重層的重度，kN/m3;T為蓋重層的厚度;C為與灌漿次序有關(guān)的系數(shù)，Ⅰ序孔c=1，Ⅱ序孔c=1.25，α為與灌漿方式有關(guān)的系數(shù)，自上而下灌漿α=0.8，自下而上灌漿α=0.6;λ為灌漿段以上砂礫石層的平均重度，kN/m3;h為蓋重層底面至灌漿段段頂?shù)纳疃?，m，無蓋重層時(shí)，自砂礫石表面算起;經(jīng)計(jì)算灌漿壓力應(yīng)控制在1.5～2.5 kPa

2.2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

為了確定合理的灌漿壓力，在中葛根水庫圍堰試驗(yàn)段進(jìn)行了試驗(yàn)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)灌漿試驗(yàn)可知，上述計(jì)算的灌漿壓力是可行的。

3 灌漿工藝試驗(yàn)

灌漿工藝采用跟管灌漿法，為防止輸漿管堵死，采用雙管輸液，雙液在灌漿部位混合。

帷幕排數(shù)為單排。按照試驗(yàn)確定的灌漿壓力和漿液配比進(jìn)行灌漿。

1)試驗(yàn)的內(nèi)容:試驗(yàn)內(nèi)容包括鉆孔方法、灌漿方法、試驗(yàn)灌漿材料及漿液配比、試驗(yàn)灌漿效果分析、灌漿后帷幕的滲透系數(shù)及允許水力坡降。同時(shí)，收集鉆孔地層地質(zhì)結(jié)構(gòu)，取土樣室內(nèi)試驗(yàn)，作分段分層壓水試驗(yàn)。

2)試驗(yàn)場(chǎng)地的選擇:試驗(yàn)場(chǎng)地選擇在圍堰樁號(hào)0+080處。

3)施工工藝流程:帷幕灌漿施工依據(jù)“分序加密”的原則，分兩序施工，即先進(jìn)行Ⅰ序孔，然后Ⅱ序孔施工。布孔—造孔—拔管—灌漿—封孔。

4)鉆孔方法:金剛石清水循環(huán)鉆進(jìn)，全孔套管跟進(jìn)，鉆孔直徑75～110 mm。

5)灌漿方法:采用自下而上分段灌漿法。

6)灌漿方式:采用純壓式灌漿。由于在砂卵石層灌漿注入量較大，因此必須控制，當(dāng)漿液注入量＞50 L/min時(shí)，應(yīng)采用雙漿液灌漿的辦法進(jìn)行，水玻璃的參量為水泥漿量的8%～15%為宜，水玻璃通過管路上的閥門進(jìn)行控制，雙漿液在孔口封閉器處混合，混合后的漿液會(huì)立即變稠，通過壓力將雙漿液壓入砂卵石空隙內(nèi)，達(dá)到控制控制的目的。

7)灌漿壓力的控制:根據(jù)試驗(yàn)提供的數(shù)據(jù)，該地層的允許灌漿壓力為2.5 kPa，在實(shí)際s施工中，根據(jù)地層吸漿情況以及對(duì)地表的觀察，視有無冒漿或抬動(dòng)變形情況再做壓力調(diào)整，由低逐漸加大，最終達(dá)到試驗(yàn)確定的灌漿壓力。灌漿段長(zhǎng)度為1 m。

8)漿液質(zhì)量控制:選擇合格的水泥、水玻璃進(jìn)行施工，在灌漿過程中采用泥漿比重計(jì)進(jìn)行檢測(cè)，不符合要求的水泥漿作為廢漿棄掉。

9)封孔:當(dāng)灌漿達(dá)到最大壓力后，累積灌入的漿液總量達(dá)到設(shè)計(jì)要求后，灌漿即可結(jié)束。然后立即用拔管機(jī)將套管拔出，采用置換法將孔內(nèi)的稀漿置換出來后灌注0.5∶1的濃漿進(jìn)行封孔，待孔內(nèi)水泥漿凝固后，再采用水泥砂漿進(jìn)行封堵，并將孔口抹平即可結(jié)束。

4 灌漿效果檢查

4.1 滲水量檢查

在圍堰的帷幕灌漿前后分別作注水試驗(yàn)來檢查灌漿效果。由試驗(yàn)可知，灌漿前砂卵石層的滲透系數(shù)在3.7×10－2～1.4×10－1cm/s，灌漿后為滲透系 2.4 ×10－4cm/s，滿足了設(shè)計(jì)要求。并在圍堰截流后灌漿之前圍堰后架設(shè)了3臺(tái)60 m3/h的潛水泵不間斷抽水，相當(dāng)于每小時(shí)滲水量為180 m3，在帷幕灌漿完成后滲水明顯減少，1臺(tái)60 m3/h潛水泵停0.5 h抽水0.5 h，相當(dāng)于滲水量為30 m3/h，通過灌前灌后抽水量的對(duì)比，也反映出灌漿效果是非常明顯的。

4.2 探坑檢查

1)漿液完全將砂卵石中的空隙填滿，形成良好的防滲體，膠結(jié)牢固，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。2)一序與二序灌漿孔的漿體之間連接良好，兩孔之間已形成密實(shí)牢固的土體，在同一深度上厚度較為均勻，從開挖的6 m深度的探坑來看，影響厚度為2～3 m，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。在兩孔結(jié)合中心處通過取芯試驗(yàn)，其滲透系數(shù)均＜10－4cm/s。5組所取巖芯的滲透系數(shù)均在設(shè)計(jì)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)之內(nèi)。

5 結(jié)語

1)將常規(guī)的灌漿技術(shù)應(yīng)用到了強(qiáng)透水層，特別是在飽和砂礫石層水流流速比較大的情況下能夠在較短的時(shí)間內(nèi)將漿液進(jìn)行控制技術(shù)，并且有效地控制了漿液的影響范圍在2～3 m。使原砂卵石地層的滲透系數(shù)由10－1～10－2cm/s，達(dá)到10－4cm/s，滿足了相關(guān)設(shè)計(jì)要求。

2)通過控制漿液的凝固時(shí)間，縮小了灌漿影響范圍，降低了工程成本。根據(jù)該工程實(shí)例經(jīng)初步估算可降低成本約30%。

3)從改變以往多排帷幕灌漿為單排帷幕灌漿，從而節(jié)省了成本，縮短了工期。

4)在強(qiáng)透水層灌漿中發(fā)現(xiàn)了經(jīng)常漿液被抱死的現(xiàn)象，并找到了新的解決方法，首次提出了采用雙管孔底混合灌漿法，從而提高了施工效率和灌漿效果。

5)經(jīng)過施工工藝和漿液配合比的試驗(yàn)，采用純水泥漿液克服了黏土漿液的抗沖刷能力低的問題。采用雙液輸入水泥漿液和外加劑的工藝，有效地防止了輸漿管堵死的現(xiàn)象，顯著地提高了施工效率。

6)該方法具有質(zhì)量可靠、投資省、見效快、工期短的特點(diǎn)，為相似工程提供了參考。

［1］劉文清.水利水電灌漿工程施工工藝與技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)用手冊(cè)［M］.合肥:安徽文化音像出版社，2004.

［2］宋玉才.砂礫石地基垂直防滲［M］.北京:中國水利水電出版社，2009.