曹海東，苗賀朝，遲 贊，高思華

(1.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077；2.陜西省煤礦水害防治技術(shù)重點實驗室，陜西 西安 710077；3.國家能源集團(tuán)大雁公司，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021122)

常規(guī)混凝土原料豐富，價格低廉，生產(chǎn)工藝簡單，具有良好的塑性、較高的抗壓強(qiáng)度和較好的耐久性，在土木、水利等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。低強(qiáng)度抗?jié)B混凝土是一種以膨潤土、黏土、粉煤灰等集料取代普通混凝土中的部分水泥，并根據(jù)需要摻加一定外加劑而成的大流動性混凝土，既具有低強(qiáng)度、低彈性模量與大變形的特性，又具有良好的抗?jié)B性能，同時兼具材料來源廣泛、低成本、施工簡便、適用性強(qiáng)、耐久性好等諸多優(yōu)點，主要應(yīng)用于圍堰、土石壩、病險壩加固及人工湖等工程[1-4]。

目前，國內(nèi)露天煤礦開采過程中對地下水一般采用疏排降水處理[5-7]。長時間大流量地疏排降水，不僅造成地下水資源極大浪費，引發(fā)礦區(qū)周邊生態(tài)系統(tǒng)退化，還加劇礦區(qū)周邊水資源短缺的局面[8-10]；且礦坑水的排放易引起地表河流及地下水體污染。同時，大量疏排降水也會引發(fā)礦坑邊坡失穩(wěn)滑塌、地面沉降等一些地質(zhì)災(zāi)害，其治理費用也會增加露天煤礦的噸煤生產(chǎn)成本[11-12]。

為保證露天煤礦防治水工作的降本增效，并充分利用低強(qiáng)度抗?jié)B混凝土的優(yōu)異性能，本項研究以內(nèi)蒙古某露天煤礦為例，通過在礦區(qū)外圍施工低強(qiáng)度抗?jié)B混凝土地下連續(xù)墻與阻水帷幕，從根本上截斷礦坑中地下水滲流補(bǔ)給通道[13]，以便為露天煤礦水害防治提供新的思路和方法。

1 工程概況

內(nèi)蒙古某露天礦位于我國內(nèi)蒙古東部草原區(qū)，主采9 煤，生產(chǎn)以來，一直采用疏干井強(qiáng)排方式對地下水位進(jìn)行疏降。自2017 年以來，礦坑水位保持在+505 m 水平，礦坑疏排水量遠(yuǎn)大于初步設(shè)計中預(yù)計的水量，含水層滲透系數(shù)為0.56～260 m/d，平均約120 m/d。前期勘探資料與生產(chǎn)剝采過程中疏排水試驗及水位觀測等資料綜合分析表明：礦坑疏排水量主要來源為海拉爾河通過第四系強(qiáng)滲透礫石層沿煤層隱伏露頭動態(tài)補(bǔ)給，動態(tài)補(bǔ)給量約占疏排水總量的 82%以上。因此，本工程截滲減排目標(biāo)層為礫石層，其平均埋深在地表以下6 m，最大厚度約37 m，帷幕墻最大深度不超過56 m。

根據(jù)該露天礦北部水文地質(zhì)條件、邊坡安全要求及地表空間受限等因素影響，該工程最終采用低強(qiáng)度抗?jié)B混凝土地下連續(xù)墻與其他阻水帷幕相結(jié)合的方案對滲水通道進(jìn)行截流。防滲要求為墻體滲透系數(shù)小于0.001 m/d，即1.16×10-6cm/s。同時，位于煤層露頭以外的帷幕墻體，要求墻體底部進(jìn)入礫石層底板隔水層1 m。最終抗?jié)B混凝土地下連續(xù)墻工程設(shè)計為：墻體長度為1 288.6 m，墻體深度21～66 m。墻體深度40 m 以淺時，墻體厚度0.6 m，墻體深度40 m 以深時，墻體厚度0.8 m。圖1 為露天礦綜合截水工程平面示意圖。本文僅針對低強(qiáng)度抗?jié)B混凝土地下連續(xù)墻在露天煤礦中的應(yīng)用技術(shù)進(jìn)行研究。

圖1 截水工程平面示意Fig.1 Schematic diagram of water cutoff curtain project

2 混凝土配合比與抗?jié)B機(jī)理

2.1 原材料

a.水 泥 采用 P.O 42.5 水泥，比表面積為350 m2/kg，堿質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.54%。

b.粉煤灰 F 類Ⅱ級粉煤灰，細(xì)度為9%；需水量比為91%；燒失量為1.6%，游離氧化鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%。

c.膨潤土 采用鈉基膨潤土，其液限為82.6%，塑限為27.6%，塑性指數(shù)為55.0。

d.砂 產(chǎn)于內(nèi)蒙古鄂溫克旗大雁鎮(zhèn)，Ⅱ區(qū)中砂，細(xì)度模數(shù)為2.7，含泥量為2.3%；泥塊質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%；含水率小于等于6.0%。

e.石 取內(nèi)蒙古鄂溫克旗大雁鎮(zhèn)5～40 mm 卵石，含泥量為1.3%；泥塊質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于等于0.4%；含水率小于等于1.0%；壓碎指標(biāo)為8.5%，針片狀質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于等于10%，級配連續(xù)。

f.泵送劑 主要成分為聚羧酸系減水劑，減水率為28%，含氣量為3.1%，初凝時間為33 h，終凝時間為35 h，預(yù)拌混凝土2 h 坍落度損失小于15%。

g.水 攪拌混凝土用水為當(dāng)?shù)氐叵滤?/p>

2.2 配合比

抗?jié)B混凝土在水利工程中已廣泛應(yīng)用，其配合比設(shè)計比較復(fù)雜，通常是根據(jù)工程對混凝土強(qiáng)度、彈性模量、抗?jié)B性能等要求，抓住水膠比、砂率、膨潤土及粉煤灰摻量等主要性能參數(shù)，依照假定密度法的設(shè)計原則，結(jié)合經(jīng)驗值，反復(fù)進(jìn)行適配試驗，直到混凝土能夠滿足工程性能要求。配合比設(shè)計方法及基本步驟如下。

①假定混凝土密度為ρ，取值可參考經(jīng)驗值，見表1。

表1 混凝土等級與對應(yīng)密度Table 1 concrete grade and corresponding bulk density

② 根據(jù)基本關(guān)系式及經(jīng)驗值，推算各摻料相對關(guān)系?；娟P(guān)系式有：

推算關(guān)系式有：

式中：ρ0為塑性混凝土假定密度，kg/m3；Ms、Mr、Mw、Mc、Mp、Mf分別為1 m3塑性混凝土中砂、石、水、水泥、膨潤土、粉煤灰的質(zhì)量，kg；s為砂率一般控制在50%左右；n為水膠比值，一般控制在，0.6～1.3。

③根據(jù)前一次試配混凝土性能調(diào)整各材料的摻量，直到混凝土滿足工程設(shè)計要求。

本次混凝土試配試驗設(shè)計方案見表2，每種配合比下混凝土的性能指標(biāo)見表3。經(jīng)試驗驗證，6 種混凝土各項性能指標(biāo)均能滿足本工程抗?jié)B及強(qiáng)度等要求。最終依照質(zhì)量可靠、成本低廉的配方選擇原則，采用表2 中第6 種配合比方案。

2.3 滲透與抗?jié)B機(jī)理

2.3.1 滲透機(jī)理

混凝土滲透性能主要由孔隙率、孔徑大小、微裂隙等微觀結(jié)構(gòu)決定。水膠比是混凝土配合比設(shè)計中的重要指標(biāo)，它對混凝土的抗?jié)B性能有較大影響[14-15]。在其他條件一定時，水膠比越大，混凝土的抗?jié)B性越差。這是因為水膠比越大，混凝土凝固過程中就會有越多的自由水；過量自由水的存在會導(dǎo)致水泥水化完成后，水化產(chǎn)物無法完全占據(jù)自由水的空間，進(jìn)而產(chǎn)生大量孔隙和毛細(xì)孔，這些微觀孔隙將增大低強(qiáng)度混凝土的滲透性。同時，施工中振搗不密實也會造成混凝土內(nèi)部空隙。內(nèi)部骨料在混凝土澆筑完成后，會有一定程度的沉降或上升。骨料的沉降和上升均會在混凝土內(nèi)部形成貫通的毛細(xì)管，為后期液體滲透提供通道。由于溫度應(yīng)力差、干濕循環(huán)、凍融循環(huán)等外部因素作用，混凝土?xí)a(chǎn)生收縮徐變，逐步引發(fā)混凝土內(nèi)部產(chǎn)生微裂縫，進(jìn)而導(dǎo)致混凝土的滲透性繼續(xù)增大。

表2 混凝土試配試驗設(shè)計方案Table 2 Design scheme of concrete trial fitting test

表3 試配試驗混凝土性能指標(biāo)Table 3 Performance index of concrete of test

2.3.2 抗?jié)B機(jī)理

拌制抗?jié)B混凝土的基本原則是：在保證混凝土流動性與和易性等施工條件的同時，盡量降低混凝土水膠比，提高混凝土的致密性。適度降低混凝土的水膠比可以在一定程度上減小水泥水化產(chǎn)物，相應(yīng)地，產(chǎn)生的水泥水化網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)也較普通混凝土單薄。單薄的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)能夠組成完整的骨架，將大部分骨料粘結(jié)、包裹進(jìn)去，既保證混凝土的穩(wěn)定性，又提高混凝土的致密性，可以起到抗?jié)B效果。低強(qiáng)度抗?jié)B混凝土在拌合物中加入適量膨潤土、粉煤灰等細(xì)集料，可能降低混凝土的強(qiáng)度和剛度，但可提升混凝土的塑性變形能力及抗?jié)B性能[16-17]。這是因為：①膨潤土的主要礦物成分為蒙脫石，其層狀結(jié)構(gòu)的剝離能有效填充水泥水化過程中的孔隙；在水泥水化過程中，水化產(chǎn)物針狀鈣礬石在無序生長過程中與蒙脫石較好地結(jié)合在一起，有的鈣礬石晶體穿層而過；② 未參與化學(xué)反應(yīng)的膨潤土和粉煤灰細(xì)顆?？梢暂^好地將水泥顆粒及其水化產(chǎn)物間的空隙堵塞；③膨潤土中黏土顆粒帶有正負(fù)電荷，能夠吸附大量水分子，使部分自由水變成結(jié)合水，降低滲水通道的截面，且在泥漿護(hù)壁工藝中摻加的膨潤土?xí)诘叵逻B續(xù)墻體內(nèi)外兩側(cè)形成一定的阻水層。因此，低強(qiáng)度混凝土地下連續(xù)墻具有較好的抗?jié)B性能。

3 混凝土連續(xù)墻施工關(guān)鍵工藝

抗?jié)B混凝土連續(xù)墻施工技術(shù)與主要施工工藝流程如圖2 所示。

圖2 地下連續(xù)墻施工工藝流程Fig.2 Construction process of underground continuous wall

3.1 槽段劃分與開挖

3.1.1 槽段劃分

受施工工藝限制，地下連續(xù)墻需劃分為多幅。為保證施工質(zhì)量，提高施工效率，將每個單元段分一期槽及二期槽。一期槽的分幅寬度為8 m，包括二期成槽時兩端銑掉的30 cm 寬混凝土，二期槽的銑槽寬度為2.8 m。銑接法地下連續(xù)墻分幅及施工順序如圖3 所示。

3.1.2 槽段開挖

根據(jù)地勘資料，并借鑒類似工程經(jīng)驗，最終本工程成槽采用雙輪銑配合液壓抓斗的方案。一期槽25 m 以上土體采用液壓抓斗機(jī)進(jìn)行成槽，25 m以下土體采用雙輪銑進(jìn)行銑槽。這樣做既保證施工效率，又提高成槽的精確度。二期槽用雙輪銑一銑成槽，成槽前使用導(dǎo)向架進(jìn)行精確定位。當(dāng)槽段完成后，用超聲波測壁儀在槽段內(nèi)掃描壁面，測量地下連續(xù)墻垂直度及成槽狀態(tài)，對成槽質(zhì)量進(jìn)行評價。

圖3 地下連續(xù)墻分幅及施工順序Fig.3 Layout of subterranean diaphragm wall and sequence of construction

3.2 泥漿護(hù)壁與清孔換漿

3.2.1 泥漿護(hù)壁

護(hù)壁泥漿不僅具有維持槽孔兩壁穩(wěn)定性的主要作用，還有攜渣、冷卻機(jī)具及潤滑切土鉆具的輔助功能。應(yīng)將泥漿的密度和含砂量控制在一定范圍內(nèi)，保證護(hù)壁泥漿的穩(wěn)定性。在使用護(hù)壁泥漿各拌合料時，應(yīng)首先對材料的物理和化學(xué)性能進(jìn)行實驗、分析，以確保其符合相關(guān)的要求和標(biāo)準(zhǔn)。新制泥漿配比為，1 m3固壁泥漿中水為980 kg，膨潤土為30 kg，純堿為1 kg，新制及清孔后泥漿各項性能指標(biāo)見表5。

表4 泥漿的性能指標(biāo)Table 4 Performance indicators of mud

3.2.2 清孔換漿

槽孔開挖過程中，會有一些砂石沉降到底部，還有少量其他細(xì)渣料懸浮在泥漿中，混凝土澆筑前必須將槽孔底部淤積物清理干凈。終孔后應(yīng)及時清理槽內(nèi)雜物并更換新配置泥漿。淤積物和砂石等沉渣用抓斗撈取，泥漿換新采用正循環(huán)置換法進(jìn)行。清孔換漿完1 h 后，槽孔底的基泥厚度不得超過10 cm，槽孔內(nèi)基泥的密度不得超過1.25 g/cm3，含砂量不得大于10%。

3.3 材料澆筑

3.3.1 混凝土澆筑

混凝土澆筑施工過程中，主要采用的是泥漿下、導(dǎo)管升的方式。一期槽段的導(dǎo)管與接頭管之間的距離約為1.5 m，每段布設(shè)5 套導(dǎo)管，二期槽段每段布設(shè)2 套導(dǎo)管。澆筑前用直徑略大于導(dǎo)管管徑的橡皮球堵塞導(dǎo)管口，導(dǎo)管底端距槽底距離略大于橡皮球直徑。首批澆筑混凝土得將導(dǎo)管底端口埋入，埋入深度不小于1 m。在澆筑過程中，適時提升和拆卸導(dǎo)管，保證導(dǎo)管底端埋入混凝土面以下的深度在2～6 m。槽孔里各導(dǎo)管灌注的低強(qiáng)度抗?jié)B混凝土液面高差不宜大于0.5 m。

3.3.2 施工過程質(zhì)量控制

在澆筑地下連續(xù)墻時，每幅墻體低強(qiáng)度抗?jié)B混凝土坍落度檢驗不少于3 次?？?jié)B試樣留置數(shù)量為每300 m3混凝土不少于一組，且每幅不少于1 組?？箟簭?qiáng)度試樣留置數(shù)量為每150 m3混凝土不少于1組，且每幅不少于2 組。將留置的抗?jié)B試樣及抗壓試樣在實驗室養(yǎng)護(hù)并及時進(jìn)行相應(yīng)檢測試驗，濕度及溫度等養(yǎng)護(hù)環(huán)境盡量與施工現(xiàn)場保持一致。且要根據(jù)低強(qiáng)度混凝土的初終凝時間嚴(yán)格控制好槽段兩端拔管的時間與速度。

3.3.3 墻底注漿

墻底注漿可在一定程度上克服槽底局部沉渣引起的連續(xù)墻沉降。墻底注漿采用水灰比為0.5～0.6的P.O42.5 普通硅酸鹽水泥漿液，在注漿前選擇網(wǎng)眼小于40 μm 的過濾篩對水泥漿液進(jìn)行過濾，注漿管選用壁厚3 mm、管徑32 mm 的鋼管。一期和二期槽段注漿管的數(shù)量分別為：不少于3 根和1 根。注漿管在墻體澆筑之前布設(shè)于槽段合理位置，注漿管底端位于槽底以下200～500 mm，可將聲測管兼作注漿管。

在混凝土初凝后終凝前，首先利用清水對槽孔底部進(jìn)行劈裂開塞，待混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度的70%后，開始進(jìn)行壓漿施工。壓漿施工參數(shù)是在正式注漿前，選擇有代表性的墻段進(jìn)行注漿試驗而獲取。墻底注漿終止標(biāo)準(zhǔn)采用注漿量和注漿壓力雙控原則，滿足其中一條即終止注漿。注漿量及注漿壓力控制原則分別為：注漿量達(dá)到設(shè)計要求時；注漿壓力超過2 MPa 并持續(xù)3 min，且注漿量達(dá)到設(shè)計注漿量的80%時。墻底注漿可在一定程度上克服槽底局部沉渣引起的連續(xù)墻沉降。

3.4 槽段連接

抗?jié)B連續(xù)墻相鄰槽段施工接縫的形式對墻體整體抗?jié)B及變形特性有至關(guān)重要的影響。根據(jù)墻體結(jié)構(gòu)形式、受力特征和止水要求，槽段的施工接頭采用“接頭管”的方法。該方法的拔管時間和速度直接影響接頭縫質(zhì)量，因此，要進(jìn)行嚴(yán)格控制?；炷翝沧⒑髲?qiáng)度達(dá) 0.05～0.2 MPa時，或澆注開始后10.5～14 h(視溫度而定)，開始逐漸緩慢拔出。初期每隔20～30 min起拔一次，每次起拔30～l00 cm，后續(xù)起拔管速度一般為2～4 m/h，且接頭管在一期槽孔混凝土終凝前全部拔出。

相較于傳統(tǒng)的煤礦止水帷幕[18-19]工藝，該低強(qiáng)度混凝土地下連續(xù)墻具有如下優(yōu)點：①施工振動小、噪音低，對周圍土體擾動??；② 可以在軟弱沖積層、中硬地層、密實砂礫層、軟巖等各種土質(zhì)中進(jìn)行施工；③施工占地少，在不排出地下水的情況下就可以施工；④ 施工機(jī)械化程度高，可縮短工期、質(zhì)量安全可靠、經(jīng)濟(jì)效益好。該工藝存在的不足是：①泥漿護(hù)壁后產(chǎn)生的廢泥漿處理比較麻煩；② 施工工藝控制比較嚴(yán)格，對相鄰槽段接縫處止水要求較高?？傮w來講，該工法適用范圍較廣，防滲止水效果較好。

4 墻體質(zhì)量與效果檢驗

4.1 留置試樣測試

對墻體混凝土澆筑過程中同步留置的試樣分別進(jìn)行抗壓及抗?jié)B性能測試。經(jīng)測試：90 d 齡期試樣抗壓強(qiáng)度達(dá)8.5 MPa，滲透系數(shù)達(dá)5.9×10-7cm/s，與試配試驗結(jié)果基本一致。

4.2 鉆孔取心與超聲波檢測

混凝土澆筑90 d 后，在抗?jié)B連續(xù)墻內(nèi)采用鉆孔取心驗證。如圖4 所示，所取巖心連續(xù)、完整。對所取巖心樣進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測試，其抗壓強(qiáng)度達(dá)8.3 MPa。此外，采用超聲波檢查墻體的連續(xù)性及密實度，主要包括超聲波高差同步及水平同步2 種方法。高差同步主要檢測超聲頻率、超聲振幅及超聲波時，水平同步則主要檢測超聲頻率及超聲波時[20]。檢查的抽樣比例為30%，超聲波檢測結(jié)果顯示均為I類樁[21]，即動測波形衰減較規(guī)則，無異常雜波，波速正常，樁身完好，滿足設(shè)計要求。綜合超聲波檢測數(shù)據(jù)與鉆探取心試驗結(jié)果分析，可得出該抗?jié)B混凝土抗?jié)B墻整體上質(zhì)量比較均勻、密集，具有較好的抗?jié)B性及力學(xué)性能，滿足該工程功能要求。

圖4 抗?jié)B混凝土帷幕墻巖心Fig.4 Coring of impermeable concrete curtain wall

4.3 圍井抽水試驗與流場監(jiān)測

為檢驗地下連續(xù)墻的防滲性能，墻體澆筑90 d后在現(xiàn)場進(jìn)行圍井抽水試驗[22-23]，即選取一段地下連續(xù)墻，另外構(gòu)筑3 段與其材質(zhì)、厚度相同的地下連續(xù)墻，在由這4 段地下連續(xù)墻體圍成的封閉四邊形內(nèi)進(jìn)行抽水，同時在連續(xù)墻體內(nèi)外兩側(cè)進(jìn)行流場水位監(jiān)測。當(dāng)墻體內(nèi)側(cè)抽水量與外側(cè)水位穩(wěn)定后，采用達(dá)西公式進(jìn)行滲透系數(shù)近似求解，公式如下：

式中：K為滲透系數(shù)，cm/s；Q為墻內(nèi)穩(wěn)定抽水量，m3/h；I為水力梯度；A為滲透面積，m2；ΔH為水位差，m；D為墻體厚度，m；a、b分別為圍井尺寸，m。經(jīng)計算得墻體的滲透系數(shù)K=8.67×10-7cm/s。

圍井抽水試驗和水位監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，抗?jié)B混凝土連續(xù)墻的布設(shè)明顯增大了墻體外側(cè)與內(nèi)側(cè)的水力梯度，既提高外側(cè)草原區(qū)地下水位，又使內(nèi)側(cè)規(guī)劃礦區(qū)地下水位大幅下降。抗?jié)B帷幕的實施從根本上大幅度減少礦坑疏排水量。

5 結(jié)論

a.依據(jù)某露天煤礦水文地質(zhì)條件，研制一種低強(qiáng)度抗?jié)B混凝土，其水膠比值為0.68，砂率為45%，每1 m3混凝土中各材料質(zhì)量分別為：水泥180 kg，粉煤灰200 kg，膨潤土20 kg，砂720 kg，石子880 kg。該混凝土90 d 齡期的強(qiáng)度達(dá)8.3 MPa，滲透系數(shù)為8.67×10-7cm/s，具有良好的工程性能。

b.應(yīng)用低強(qiáng)度抗?jié)B混凝土地下連續(xù)墻對露天煤礦礦區(qū)滲流補(bǔ)給通道進(jìn)行截流，鉆孔取心、超聲波檢測、圍井抽水試驗、水位監(jiān)測等結(jié)果表明，抗?jié)B混凝土連續(xù)墻墻體完整、穩(wěn)定，低強(qiáng)度抗?jié)B混凝土連續(xù)墻的應(yīng)用效果良好，從根本上大幅度減少礦坑疏排水量，有力地保障礦坑安全生產(chǎn)，有效地保護(hù)礦區(qū)水資源及礦坑周邊草原植被等生態(tài)環(huán)境。

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