超高滲透壓力和超大流量條件下灌漿材料性能研究與應(yīng)用

何向紅1管仕軍2

(1.長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢430212；

2.長(zhǎng)江水利委員會(huì)工程建設(shè)局監(jiān)理中心，湖北 武漢430000)

【摘要】超高滲透壓力及超大流量條件下，隧洞工程的防滲技術(shù)研究具有重要意義。本文以錦屏二級(jí)水電站高壓涌水處理方案為例，通過(guò)對(duì)膏狀可控漿液、ch聚丙烯酰胺漿液、金沙漿環(huán)保型防滲加固漿液等特殊灌漿材料的試驗(yàn)測(cè)定和數(shù)據(jù)分析，總結(jié)研究了該類(lèi)灌漿材料的特性和使用條件，對(duì)山區(qū)復(fù)雜環(huán)境條件下的類(lèi)似工程提供了較好的借鑒意義。

【關(guān)鍵詞】滲透壓力；流量；防滲加固；灌漿材料

中圖分類(lèi)號(hào)：TV543

Research and application of grouting material performance under the

condition of super-high osmotic pressure and super-large flow rate condition

HE Xianghong1, GUAN Shijun2

(1.YangtzeRiverEngineeringProfessionalTechnologyInstitute,Wuhan430212,China;

2.YangtzeRiverWaterResourcesCommissionProjectConstructionBureauSupervisionCenter,Wuhan430000,China)

Abstract:Study of anti-seepage technology for tunnel project under the condition of super-high osmotic pressure and super-large flow rate has great significance. High pressure water treatment scheme in Jinping Stage II Hydropower Station is adopted as an example. Properties and use conditions of the grouting materials are summarized and studied through test measurement and data analysis on special grouting materials such as paste controllable grout, ch-polyacrylamide grout, Jinsha mortar environmental protection anti-seepage reinforcement grout, etc. Better reference meaning is provided for similar projects under the condition of complex environment in mountainous area.

Key words: osmotic pressure; flow rate; anti-seepage reinforcement; grouting material

1工程概述

錦屏二級(jí)水電站主要由4條長(zhǎng)約16.7km的引水隧洞構(gòu)成，最大埋深約2525m?；炷烈r砌后洞徑為11.2m。埋深大、洞線(xiàn)長(zhǎng)、洞徑大為工程的主要特點(diǎn)。屬于超深埋長(zhǎng)隧洞暨特大型地下水電工程。

1.1地形地質(zhì)情況

水電站地處青藏高原向四川盆地過(guò)渡的地貌斜坡地帶，雅礱江為本區(qū)干流水系，錦屏山相對(duì)最大高差3150m。在高程4000m、 3000m和2200m左右存在三級(jí)夷平面；一級(jí)支溝切割較深，常形成跌水或瀑布，二級(jí)支溝多為干谷。

引水隧洞巖溶沿NWW～NEE向張性構(gòu)造帶、裂隙帶發(fā)育，引水系統(tǒng)區(qū)1800～2000m高程以上巖溶發(fā)育相對(duì)較強(qiáng)，局部溶蝕，為良好地下水儲(chǔ)存構(gòu)造。

1.2涌水處理方案

錦屏二級(jí)東端1號(hào)、2號(hào)引水隧洞出水洞段出水量大于500L/s的有5個(gè)，其中最大出水壓力0.65MPa，出水量680L/s。

按照“先探后掘，以堵為主，堵排結(jié)合”的處理原則，在高壓富水段采用分流減壓措施后進(jìn)行灌漿止水，對(duì)突發(fā)性涌水采用快速封堵、分流減壓、灌漿止水等應(yīng)急處理方案。

2灌漿材料選擇

復(fù)雜地質(zhì)條件下的超高壓堵水技術(shù)的應(yīng)用中，灌漿材料直接影響堵水防滲和固結(jié)的效果，并牽涉到灌漿工藝和工程造價(jià)[1]。

3特殊灌漿材料研制

3.1新型膏狀漿液

新型膏狀可控漿液作為灌漿材料，通過(guò)調(diào)整可泵期和膠凝時(shí)間可控制寬大裂隙的封堵范圍。

可泵時(shí)間長(zhǎng)和抗沖性，一般意味著漿液緩凝；而凝結(jié)時(shí)間短，強(qiáng)度增長(zhǎng)快，又要求材料具有速凝性[2]。具體試驗(yàn)數(shù)據(jù)如下：

3.1.1室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)比分析

3.1.1.1可泵時(shí)間的對(duì)比分析

如表 1所示，膏狀可控漿液的可泵時(shí)間最短，比λ=0.45的純水泥漿、砂漿可泵時(shí)間縮短近一倍，較λ=0.6的純水泥漿可泵時(shí)間更短，且其初始流動(dòng)性較好，具有更好的可灌性。

表1　水泥配比及可泵時(shí)間

3.1.1.2初凝、終凝時(shí)間的對(duì)比分析

如表2所示，膏狀可控漿液的初凝、終凝時(shí)間均最短，能在灌漿后迅速粘結(jié)巖石裂隙，減少灌漿的漏失量。

表2　水泥砂漿配比及初凝、終凝時(shí)間

3.1.1.3稠化、初凝、終凝過(guò)程變化的對(duì)比分析

如圖1所示，其他水泥漿、砂漿在凝結(jié)變化過(guò)程中的曲線(xiàn)相比，水灰比為λ=0.6的膏狀可控漿液所需時(shí)間短，稠化速度更快。

3.1.1.4強(qiáng)度對(duì)比分析

水灰比均為λ=0.6 的膏狀可控漿液和純水泥漿強(qiáng)度對(duì)比曲線(xiàn)如圖2所示，前者的強(qiáng)度比后者增幅近50%。

3.1.2外加劑1 號(hào)(減水劑)摻量對(duì)膏狀可控水泥漿液性質(zhì)的影響

針對(duì) 1號(hào)外加劑摻量多少對(duì)水泥漿的影響，進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)分析。

圖1　可泵-初凝-終凝對(duì)比曲線(xiàn) 注　2號(hào)為速凝劑；3號(hào)為引氣劑

圖2　強(qiáng)度對(duì)比曲線(xiàn)

如表 3 所示： 1 號(hào)外加劑加量由少至多，呈現(xiàn)下凹性，且有一個(gè)加量的最大值為1.33%～2%，使得可泵時(shí)間、初凝時(shí)間、終凝時(shí)間都縮短，如圖3所示。

表3　不同的1號(hào)加量對(duì)水泥漿參數(shù)的影響

圖3　1號(hào)加量對(duì)水泥漿昂參數(shù)的影響曲線(xiàn)

3.1.3外加劑3 號(hào)對(duì)膏狀可控水泥漿液性質(zhì)的影響

針對(duì)3號(hào)外加劑(引氣劑)摻量多少對(duì)水泥漿的影響也進(jìn)行了試驗(yàn)分析。

如表4所示： 3 號(hào)外加劑加量由少至多，可泵時(shí)間呈現(xiàn)上揚(yáng)的趨勢(shì)，且在5%～5.6%的摻量范圍，凝結(jié)時(shí)間較短，如圖 4所示。

表4　不同3號(hào)加量對(duì)水泥漿參數(shù)的影響

圖4　3號(hào)加量對(duì)水泥參數(shù)的影響曲線(xiàn)

3.1.4膏狀可控水泥漿液的特點(diǎn)

從室內(nèi)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比可知：隨著外加劑 1、3號(hào)的添加量不同，漿液的可泵時(shí)間、初凝時(shí)間、終凝時(shí)間均處于可控狀態(tài)，在可泵時(shí)間能夠滿(mǎn)足的同時(shí)，稠化速度也比普通水泥漿液或砂漿變化快，能快速地對(duì)巖體縫隙進(jìn)行處理。

與普通水泥漿液相比，膏狀可控水泥漿液不僅從可泵時(shí)間、初凝時(shí)間、終凝時(shí)間處于更適宜的狀態(tài)，而且強(qiáng)度更高，提高20%～30%。 如表5所示。

表5　可控膏狀水泥漿參數(shù)測(cè)試對(duì)比分析

該漿液與水泥水玻璃雙液相比，早期強(qiáng)度較高，能抵抗一定流速水流沖擊；后期強(qiáng)度增長(zhǎng)明顯，耐久性較好；可采用單液灌漿，施工操作簡(jiǎn)便，利于節(jié)約。但造價(jià)過(guò)高，大約相當(dāng)于普通水泥漿的10倍，如果采用現(xiàn)場(chǎng)配制，則灌漿成本將顯著下降。

3.2金沙漿環(huán)保型防滲加固灌漿材料

金沙漿環(huán)保型防滲加固灌漿材料，在處理高壓滲透水方面成果較為顯著。

金沙漿系列灌漿材料是基于自然界巖石的主要構(gòu)成成分如Ca、Si、Mg、Al、Na等，其黏度低，與水接近，與混凝土、巖層、砂層、泥土層均有良好的滲透性和極佳的親和力，可形成強(qiáng)度較好的巖體。漿液的操作時(shí)間和固化時(shí)間可以通過(guò)硬化劑摻量任意調(diào)整，是一種可灌性很好的環(huán)保型止水灌漿材料。

該材料作為快速止水防滲灌漿材料，可根據(jù)工程需要調(diào)整硬化劑配比，實(shí)現(xiàn)漿液快速固結(jié)止水，在有壓流動(dòng)水存在的條件下，可在幾秒鐘內(nèi)固結(jié)止水，純漿液固結(jié)體強(qiáng)度在 24h可達(dá)0.3～0.5MPa。

3.2.1技術(shù)指標(biāo)

具體物理性能指標(biāo)見(jiàn)表6。

表6　金沙漿技術(shù)參數(shù)

3.2.2材料性能特點(diǎn)

3.2.2.1漿液操作性能

金沙漿黏度低，與水的黏度相近并與巖石、砂層、混凝土等物質(zhì)親和性好，設(shè)置硬化劑配比，漿液操作時(shí)間可由幾分鐘到十幾小時(shí)任意調(diào)節(jié)，具有良好的滲透性和可灌性。

金沙漿各配比操作性能見(jiàn)表7。

表7　金沙漿各配合比操作性能統(tǒng)計(jì)

3.2.2.2耐久性

漿液固化過(guò)程中體積不發(fā)生變化，固化度 100%。固化物不溶于水，無(wú)可逆反應(yīng)。固化物具有超長(zhǎng)耐久性能，與巖石的壽命一致。砂層或風(fēng)化巖石經(jīng)金沙漿固結(jié)后，力學(xué)強(qiáng)度逐步增強(qiáng)。

3.2.2.3環(huán)保安全性能

金沙漿全部由無(wú)機(jī)材料組成，不含任何有機(jī)或有毒成分，使用過(guò)程中安全隱患少，是真正意義上的環(huán)境友好型產(chǎn)品。

3.2.3漿液配合比

可根據(jù)工程需要，調(diào)整硬化劑配比(見(jiàn)表7)，實(shí)現(xiàn)漿液快速固結(jié)止水。用作止水的純漿液，其固結(jié)強(qiáng)度在24h可達(dá)0.3～0.5MPa。

3.3水泥-ch聚丙烯酰胺雙液材料

水泥-ch聚丙烯酰胺雙液材料由水泥漿液和ch聚丙烯酰胺按一定比例混合配制而成。該漿液既具有水泥漿的優(yōu)點(diǎn)，又兼有化學(xué)漿液的一些特點(diǎn)。其凝膠時(shí)間能在幾秒鐘到幾十分鐘內(nèi)任意調(diào)節(jié)，灌后結(jié)石率可達(dá) 100%，可灌性比純水泥漿顯著提高。

a.當(dāng)一定水灰比的水泥漿液與ch聚丙烯酰胺混合時(shí)，隨著ch聚丙烯酰胺量的增加，漿液的凝結(jié)時(shí)間逐漸縮短，但ch聚丙烯酰胺超過(guò)一定的比例后，漿液的凝結(jié)時(shí)間轉(zhuǎn)變?yōu)橹饾u加長(zhǎng)。將對(duì)應(yīng)于凝結(jié)時(shí)間最短的ch聚丙烯酰胺占水泥漿液體積的百分?jǐn)?shù)稱(chēng)之為“凝結(jié)轉(zhuǎn)點(diǎn)比值”。 具體見(jiàn)表8。

表8　雙液配合比、漿液性能參數(shù)

b.由試驗(yàn)室統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)得出： 0.5∶1 漿液比級(jí)中，若摻加 3%～5%ch聚丙烯酰胺，其膠凝時(shí)間為1.6～2s，能實(shí)現(xiàn)快速封堵表面裂隙，減少漿液流失，形成一定的止?jié){巖盤(pán)；若摻加 8%～10%ch 聚丙烯酰胺，其膠凝時(shí)間為 5～8s，初凝時(shí)間為 10～34s，能將漿液推入一定深度后并使其盡快凝固，適合于主出水孔、分流孔的堵水灌漿。

4工程應(yīng)用

a.新型膏狀漿液。膏狀漿液能快速地對(duì)巖體縫隙進(jìn)行處理，在大孔隙地層的擴(kuò)散范圍具有良好的可控性，早期強(qiáng)度較高．后期強(qiáng)度增長(zhǎng)明顯，耐久性較好。對(duì)錦屏二級(jí)水電站東端1號(hào)、2號(hào)引水隧洞的出水裂縫進(jìn)行灌漿處理，取得了很好的效果：節(jié)約材料，效率提高。

b.金沙漿環(huán)保型防滲加固灌漿材料。在處理高壓滲透水方面成果較為顯著。本工程采用A∶B=1∶0.12 主灌漿、A∶B=1∶0.2速凝漿，用于隧洞滲水量大的部位以及灌漿結(jié)束后的封孔，效果良好。

c.水泥-ch 聚丙烯酰胺雙液材料。通過(guò)調(diào)整配比摻量既可快速膠凝、封堵表面裂隙，又可使?jié){液灌注到一定深度后膠凝，實(shí)現(xiàn)深層堵水目的。本工程在區(qū)域地下水處理中，對(duì)線(xiàn)狀流水、裂隙水或外水壓力不大的灌漿孔，通過(guò)調(diào)節(jié)水泥-ch聚丙烯酰胺雙液材料凝結(jié)時(shí)間，控制漿液的擴(kuò)散半徑，達(dá)到快速封堵裂隙通道，截?cái)嗨髟搭^的效果。

5結(jié)語(yǔ)

總之，錦屏二級(jí)電站在超高壓大流量涌水情況下，采用合理的封堵措施和新型的灌漿材料，為工程順利完工起到了關(guān)鍵作用，為相關(guān)工程提供了良好借鑒。

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