黃立維，邢占清，李 娜，符 平

(中國(guó)水利水電科學(xué)研究院， 北京 100044)

富水條件下低熱瀝青漿液流動(dòng)特性試驗(yàn)研究

黃立維，邢占清，李 娜，符 平

(中國(guó)水利水電科學(xué)研究院， 北京 100044)

低熱瀝青灌漿是在動(dòng)水條件下封堵大空隙地層滲流通道的一種非常有效的方法。文中開(kāi)展了富水條件下低熱瀝青漿液擴(kuò)散性能和抗沖性能試驗(yàn)研究，揭示了低熱瀝青漿液在富水條件下的性能變化規(guī)律，該漿液具有良好的擴(kuò)散能力，可基本滿(mǎn)足在中等塊石地層中灌漿孔排距對(duì)漿液擴(kuò)散范圍的要求。通過(guò)試驗(yàn)獲得了不同流速條件下低熱瀝青的抗沖性能指標(biāo)、并與速凝膏漿、水泥-水玻璃漿液進(jìn)行了對(duì)比研究，采用低熱瀝青漿液進(jìn)行封堵時(shí)，封堵率100%，封堵速度快，并且低熱瀝青-水泥基灌漿材料的復(fù)合灌漿彌補(bǔ)低熱瀝青結(jié)石體強(qiáng)度較低的不足。其成果可為類(lèi)似工程提供有益的參考。

低熱瀝青；擴(kuò)散性能；抗沖試驗(yàn)；砂礫石層

滲漏是水電工程、地下洞室工程及地下礦山等工程中經(jīng)常遇見(jiàn)的問(wèn)題，建設(shè)堤壩、圍堰、隧道(洞)、地下廠房、礦山井巷、地鐵、基坑等工程時(shí)，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)不同類(lèi)型的滲漏水。滲漏對(duì)已建水庫(kù)(大壩)不僅會(huì)帶來(lái)經(jīng)濟(jì)損失，而且還可能會(huì)威脅到大壩的安全；而對(duì)于土(堆)石圍堰滲漏水會(huì)導(dǎo)致基坑不能閉氣，影響后續(xù)工作的施工；對(duì)于隧道(洞)工程，由于突涌水而迫使施工中斷，拖延工期，甚至有些工程不得不改變施工線路。

常規(guī)的灌漿堵漏(包括水泥漿、水泥砂漿、水泥膏漿及化學(xué)漿液等)原理為：漿液通過(guò)灌漿泵擴(kuò)散、充填至砂卵石孔隙(或巖石裂隙)等位置凝固、硬化，形成一定強(qiáng)度的灌漿結(jié)石體(或凝膠體)，從而封堵滲漏通道，其主要是通過(guò)水泥水化或漿液主劑和固化劑間的化學(xué)反應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。而熱瀝青灌漿是利用瀝青“加熱后變?yōu)橐子诹鲃?dòng)的液體、冷卻后又變?yōu)楣腆w”的物理性能而達(dá)到堵漏的目的。瀝青漿液與水不互溶，當(dāng)瀝青被加熱成流態(tài)時(shí)，漿液具有良好的流動(dòng)性和可灌性，通過(guò)灌漿泵進(jìn)入滲漏部位后，遇水發(fā)生冷凝作用，逐漸粘附在滲透通道表面，堵塞漏水通道。與其它灌漿材料不同，瀝青漿液具有不被水稀釋而流失的特點(diǎn)，因而特別適合于大流量、高流速的大空隙地層的漏水封堵處理[1-5]。

符平[6]利用先乳化后破乳原理開(kāi)發(fā)出“油包水”狀態(tài)的低熱瀝青，在70℃時(shí)仍具有良好的流動(dòng)性和可泵性，在多個(gè)工程中得到應(yīng)用。李娜等[7]進(jìn)行了低熱瀝青性能試驗(yàn)、不同材料配比試驗(yàn)、強(qiáng)度試驗(yàn)、流變參數(shù)試驗(yàn)等，對(duì)低熱瀝青的材料選擇、流變性、可灌性、破乳速度、溫感性能等進(jìn)行了深入研究，完善了低熱瀝青材料的性能指標(biāo)。然而，這些指標(biāo)主要是在無(wú)水條件下漿液本身的性能指標(biāo)，對(duì)于其在砂礫石地層中的流動(dòng)特性研究開(kāi)展較少，尤其是低熱瀝青漿液在富水砂礫石地層下的流動(dòng)特性研究更沒(méi)有見(jiàn)到相關(guān)報(bào)道。影響漿液擴(kuò)散特性的影響因素及其作用機(jī)理不夠明確，富水環(huán)境將對(duì)漿液性能的變化過(guò)程與凝膠特性將產(chǎn)生極為不利的影響，亟待開(kāi)展相關(guān)研究工作。

大空隙地層的堵漏灌漿受地質(zhì)條件、空隙大小、地下水流速、漿液性能及灌漿施工工藝等因素影響較大，特別是動(dòng)水堵漏灌漿，灌漿漿液在動(dòng)水條件下的擴(kuò)散過(guò)程和堵漏灌漿原理研究還很少，往往需要采用室內(nèi)模擬試驗(yàn)來(lái)觀察漿液在大空隙地層中的運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散規(guī)律，以及在動(dòng)水條件下的堵漏灌漿效果。通過(guò)堵漏灌漿模擬試驗(yàn)可以檢查灌漿材料的性能優(yōu)劣，同時(shí)可以更好的指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)堵漏灌漿施工，減少施工的盲目性。因此，本文采用現(xiàn)場(chǎng)一維、二維模型對(duì)不同條件下的低熱瀝青漿液的擴(kuò)散特性進(jìn)行試驗(yàn)研究，揭示漿液在富水條件下的性能變化規(guī)律；開(kāi)展了低熱瀝青的抗沖性能測(cè)試試驗(yàn)，并與常用的堵漏材料水泥-水玻璃和速凝膏漿進(jìn)行了對(duì)比，得到了不同流速條件下漿液的抗沖特性。

1 低熱瀝青的擴(kuò)散性能

為檢驗(yàn)低熱瀝青漿液適應(yīng)不同的應(yīng)用條件和堵漏效果，在室內(nèi)開(kāi)展了模擬堵漏灌漿試驗(yàn)研究。模擬低熱瀝青在不同配比和不同孔隙率砂礫石層中的擴(kuò)散過(guò)程。

1.1 一維灌漿試驗(yàn)

(1) 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?。采用PVC管設(shè)計(jì)制作一維試驗(yàn)?zāi)Ｐ停Ｐ蛢?nèi)裝上不同配比、不同孔隙率的砂礫石層。沙石粒徑分別為2 mm～5 mm、5 mm～10 mm、10 mm～20 mm、20 mm～50 mm、2 mm～50 mm，分別在模型內(nèi)無(wú)水與飽和情況下進(jìn)行不同壓力條件下的低熱瀝青灌注試驗(yàn)，其布置如圖1所示。

圖1一維試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)和模型示意圖

將砂礫石篩分成不同粒徑，然后向模型內(nèi)裝填。為減少不同密實(shí)狀態(tài)對(duì)試驗(yàn)成果的影響，通過(guò)控制砂礫石的用量使所裝填的砂礫石層狀態(tài)為中密。對(duì)裝滿(mǎn)砂礫石的模型進(jìn)行了滲透試驗(yàn)，在同樣用量的砂礫石(中密狀態(tài))情況下，相同粒徑的滲透系數(shù)差異不大。經(jīng)測(cè)試，不同粒徑的滲透系數(shù)如表1所示。

表1 砂礫石滲透系數(shù)結(jié)果表

(2) 灌注試驗(yàn)。低熱瀝青灌漿材料的配比采用質(zhì)量比瀝青∶水∶水泥∶外加劑=1∶1∶0.7∶0.03。將其通過(guò)連接好的專(zhuān)用螺桿泵和管路灌入預(yù)制好的一維模型內(nèi)。

在低熱瀝青漿液凝結(jié)7 d后，可將PVC管破開(kāi)，獲得瀝青的擴(kuò)散距離如表2所示和結(jié)石體情況如圖2所示。

低熱瀝青在不同條件下擴(kuò)散距離不同，在重力影響下會(huì)出現(xiàn)分層現(xiàn)象。在擴(kuò)散范圍內(nèi)漿液的結(jié)石體比較飽滿(mǎn)、密實(shí)，具有明顯的邊界。

(3) 結(jié)石體力學(xué)性能試驗(yàn)。在已凝固的灌漿結(jié)石體中，通過(guò)切削打磨獲得4 cm×4 cm×16 cm的試驗(yàn)試塊進(jìn)行了不同齡期的力學(xué)性能測(cè)試試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

1.2 二維灌漿試驗(yàn)

(1) 二維試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)(見(jiàn)圖3)。采用1.5 m×1.5 m×1.0 m的鋼制模型，灌漿管預(yù)先置入后，在其內(nèi)填設(shè)不同的實(shí)驗(yàn)材料，然后在頂部設(shè)置鋼蓋板。灌注完成后，拆除鋼蓋板對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集分析。

表2 一維試驗(yàn)?zāi)Ｐ凸酀{統(tǒng)計(jì)

注：飽滿(mǎn)擴(kuò)散距離是指瀝青漿液擴(kuò)散后完全充填的區(qū)域；最遠(yuǎn)擴(kuò)散距離是指瀝青漿液擴(kuò)散能達(dá)到的最遠(yuǎn)距離。

圖2一維試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷蜔釣r青灌注后試樣

(2) 低熱瀝青灌注試驗(yàn)。通過(guò)在模型中裝填不同粒徑的砂礫石模擬實(shí)際地層，并使用千斤頂對(duì)模型鋼蓋板施加壓力模擬不同深度下的低熱瀝青灌漿。試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

表3 一維試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑r青結(jié)石體力學(xué)性能

圖3二維試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)和試驗(yàn)?zāi)Ｐ褪疽鈭D

圖4二維試驗(yàn)中不同粒徑低熱瀝青最小擴(kuò)散距離

2 低熱瀝青堵漏抗沖試驗(yàn)

(1) 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?。不同地層灌漿堵漏受地質(zhì)條件、裂(孔)隙大小、地下水流速、漿液性能及灌漿施工工藝等因素影響較大，特別是動(dòng)水堵漏灌漿。灌漿漿液在動(dòng)水條件下的擴(kuò)散過(guò)程和堵漏灌漿效果分析原理研究很少，往往需要采用室內(nèi)模擬試驗(yàn)來(lái)觀察漿液在地層中的運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散規(guī)律，以及在動(dòng)水條件下的堵漏灌漿效果。

為檢驗(yàn)低熱瀝青漿液在塊石架空地層中不同邊界條件、不同流速條件下的防滲堵漏適應(yīng)性，在滿(mǎn)足相似要求的前提下制作了試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D5所示。塊石直徑主要選取200 mm～500 mm的河卵石，隨機(jī)無(wú)序拋填在模型中，利用端頭的水管制造不同的流速。

圖5抗沖試驗(yàn)?zāi)Ｐ褪疽鈭D

(2) 材料參數(shù)。常用的水泥-水玻璃、速凝膏漿和低熱瀝青漿液均為典型的賓漢姆流體，其剪切屈服強(qiáng)度都大致與時(shí)間呈冪函數(shù)關(guān)系即[9]：

τ=τ0×eat

(1)

式中：τ為漿液某時(shí)刻的剪切屈服強(qiáng)度，Pa；τ0為漿液初始剪切屈服強(qiáng)度，Pa；a為時(shí)間系數(shù)；t為時(shí)間，s。

典型堵漏材料性能指標(biāo)見(jiàn)表4。

(3) 抗沖試驗(yàn)?？箾_試驗(yàn)后漿液留存情況如圖6所示，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表4 典型堵漏材料性能指標(biāo)

圖6 抗沖試驗(yàn)漿液留存

3 討 論

低熱瀝青灌漿是在動(dòng)水條件下封堵大空隙地層滲流通道的一種非常有效的方法。本文根據(jù)低熱瀝青材料特性，在室內(nèi)試驗(yàn)條件下進(jìn)行了一維、二維漿液擴(kuò)散試驗(yàn)和抗沖試驗(yàn)。

(1) 低熱瀝青漿液擴(kuò)散距離主要與砂礫石層的粒徑級(jí)配有關(guān)，在砂礫石中密狀態(tài)和灌漿壓力為1.2 MPa時(shí)，2 mm～5 mm的砂礫石層中漿液擴(kuò)散距離為20 cm～40 cm左右，2 mm～50 mm粒徑的砂礫石層中漿液擴(kuò)散距離可達(dá)到80 cm～120 cm左右，若在孔隙更大的20 mm～50 mm粒徑組成的砂礫石層中，漿液擴(kuò)散距離更可達(dá)到150 cm左右，說(shuō)明低熱瀝青灌漿漿液具有良好的擴(kuò)散能力，可基本滿(mǎn)足在中等塊石地層中灌漿孔排距對(duì)漿液擴(kuò)散范圍的要求。

(2) 低熱瀝青漿液擴(kuò)散距離還與灌漿壓力、地層富水條件和地層上覆附加應(yīng)力有關(guān)。

低熱瀝青的擴(kuò)散距離隨著灌漿壓力的增大增加，在粒徑較小的地層中可采用較高的灌漿壓力以獲得漿液良好的擴(kuò)散性能。

低熱瀝青漿液在同等灌漿壓力下，無(wú)水條件下的擴(kuò)散距離較飽和狀態(tài)下的擴(kuò)散距離要有所增加，表明地層內(nèi)水份的存在影響了漿液的溫度變化，從而改變了漿液的流變參數(shù)，影響了漿液的擴(kuò)散距離，最大影響幅度可達(dá)30%。

不同深度地層條件下低熱瀝青的擴(kuò)散距離將受到明顯的影響，在30 m深度下(地層壓力為72 t)，漿液的擴(kuò)散距離將至少減少20%以上，而且表現(xiàn)出粒徑越細(xì)受到的影響越大的趨勢(shì)。

(3) 低熱瀝青漿液結(jié)石體的抗壓強(qiáng)度、滲透系數(shù)等力學(xué)參數(shù)測(cè)試結(jié)果表明：低熱瀝青結(jié)石體強(qiáng)度能達(dá)到2 MPa～5 MPa左右，滲透系數(shù)小于5×10-5cm/s，是一種防滲性能良好的灌漿材料，可滿(mǎn)足一般工程防滲的要求，但其彈性模量?jī)H有5 MPa～10 MPa，明顯偏軟，加上瀝青固有的蠕變特性，應(yīng)采用低熱瀝青-水泥基灌漿材料的復(fù)合灌漿彌補(bǔ)低熱瀝青結(jié)石體強(qiáng)度較低的不足。

(4) 低熱瀝青灌漿材料在抗沖試驗(yàn)過(guò)程中與常用的速凝膏漿、水泥-水玻璃漿液相比，漿液留存率高，封堵效果顯著。對(duì)于孔隙率小于40%、流速低于2 m/s的地層，采用低熱瀝青漿液進(jìn)行封堵時(shí)，封堵率100%，封堵速度快。

(5) 低熱瀝青灌漿在富水條件下的流動(dòng)和擴(kuò)散情況較好，并且相對(duì)于純?yōu)r青灌漿具有較高的結(jié)石強(qiáng)度，對(duì)于大孔隙、動(dòng)水條件下的堵漏灌漿，材料留存率高，相對(duì)于目前常用的堵漏材料具有較大的應(yīng)用前景。

4 結(jié) 論

本文圍繞實(shí)際工程需要，開(kāi)展了富水條件下低熱瀝青漿液擴(kuò)散性能和抗沖性能試驗(yàn)研究，可以初步得出以下結(jié)論：

(1) 低熱瀝青在中等以上粒徑的地層中擴(kuò)散距離能滿(mǎn)足灌漿孔排距的要求，其結(jié)石體強(qiáng)度可滿(mǎn)足工程防滲的要求。但在微細(xì)粒徑為主的地層中其擴(kuò)散距離受到較大的限制。

(2) 低熱瀝青在大流量、快流速的地層封堵堵漏中具有不分散、遇水凝固的特性，漿液留存率高，封堵率高，效果顯著。

(3) 采用低熱瀝青-水泥基灌漿材料復(fù)合灌漿可彌補(bǔ)低熱瀝青結(jié)石體強(qiáng)度較低的不足，并可降低施工造價(jià)。

(4) 低熱瀝青在灌注過(guò)程中需要全程保溫，需要進(jìn)一步研究其施工工藝及其相應(yīng)的設(shè)備裝置，以推廣低熱瀝青材料在工程實(shí)踐中的應(yīng)用。

[1] 趙衛(wèi)全.大孔(裂)隙地層動(dòng)水堵漏灌漿技術(shù)研究與應(yīng)用[D].北京：中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，2012.

[2] Carvalho H D. Jaburu dam foundation improvement[C]//The 17th International Cohgress on Large Dams Committee, Austria:Vienna, 1991.

[3] 趙衛(wèi)全，張金接，符 平，等.改性瀝青灌漿堵漏試驗(yàn)研究[J].鐵道建筑技術(shù)，2011(9):43-47.

[4] Lukajic B, Smith G, Deans J. Use of asphalt in treatment of dam foundation leakage Stewartville Dam[C]//Issues in Dam Grouting, 2015:76-91.

[5] Turkmen S. Treatment of the seepage problems at the Kalecik Dam(Turkey)[J]. Engineering Geology，2003，68(3/4)：159-169．

[6] 符 平，王 春，楊曉東．低熱瀝青灌漿堵漏技術(shù)研究[J]．水利水電技術(shù)，2013，44(12)：63-67．

[7] 李 娜，黃立維，邢占清，等．低熱瀝青堵漏材料性能試驗(yàn)[J]．水利水電技術(shù)，2016，47(5)：128-133．

[8] 阮文軍.基于漿液粘度時(shí)變性的巖體裂隙注漿擴(kuò)散模型[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2005,24(15):2709-2714.

[9] 符 平，趙衛(wèi)全，張金接．非水反應(yīng)型材料灌漿堵漏模型研究[J]．巖土工程學(xué)報(bào)，2015，37(8)：1509-1516．

[10] 黃立維，符 平，張金接．基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)到差壓式漿液密度監(jiān)測(cè)技術(shù)[J]．水利與建筑工程學(xué)報(bào)，2016，14(2)：6-10．

[11] 李 娜，符 平，黃立維．基于生化原理到砂土加固技術(shù)研究進(jìn)展[J]．水利與建筑工程學(xué)報(bào)，2016，14(1)：1-5．

[12] 倪至寬，翁禎祥，紀(jì)家宏．防止新水春隧道涌水的熱瀝青灌漿工法[J]．巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2004(23)：5200-5206.

[13] 傅子仁，薛文城，尚新民．熱瀝青灌漿工法于地下工程涌水處理的應(yīng)用[C]//第六屆海峽兩岸隧道與地下工程學(xué)術(shù)及技術(shù)研討會(huì)論文集，2007．

ExperimentalStudyontheFlowCharacteristicsofLowHeatAsphaltSlurryinRichWaterCondition

HUANG Liwei, XING Zhanqing, LI Na, FU Ping

(ChinaInstituteofWaterResourcesandHydropowerResearch,BeiJing100044,China)

Low heat asphalt grouting is a very effective method for pluging large-void formation seepage channels under moving water conditions. In this paper, we analyzed the diffusion performance and impact resistance of low heat asphalt slurry under the condition of rich water, and revealed the performance of low heat asphalt slurry under water-rich conditions. The results show that the slurry has a good diffuse ability, it can meet the medium plug in the formation of grouting hole pitch on the slurry diffusion range requirements. In this test, we obtained the impact resistance index of low heat asphalt under different flow rate conditions. The results were compared with the quick-setting plaster slurry and the cement-water glass slurry with low heat asphalt slurry to plug, the pluging rate is 100% and it is. The composite grouting of low heat asphalt-cement material grouting slurry make up the strength of low heat asphalt. The results can provide useful information to similar projects.

lowheatasphalt;diffusionperformance;impacttest;sandandgravellayer

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.05.005

2017-05-03

2017-05-29

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51279217)；國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016YFC0401805)；水利部技術(shù)示范項(xiàng)目(SF-201611)；中國(guó)水科院專(zhuān)項(xiàng)項(xiàng)目(監(jiān)KY1644)

TV543

A

1672—1144(2017)05—0026—06