王 曉 飛

(中國(guó)水電基礎(chǔ)局有限公司三公司，四川 成都 610213)

0 前 言

傳統(tǒng)水泥膏漿是通過在水泥漿中摻加一定量的輔助材料攪拌而成的穩(wěn)定漿液，中國(guó)先后在貴州省烏江上游紅楓水庫、小灣水電站、托口水電站等工程應(yīng)用推廣和創(chuàng)新。但近年來還有許多受到大滲漏、高壓力、大流量涌水地層影響的病險(xiǎn)水庫的滲漏問題沒有得到有效地治理，而該地質(zhì)條件下需要的高性能灌漿材料仍是當(dāng)前灌漿技術(shù)中一個(gè)急需解決而又未完全解決的難題。通過復(fù)合不分散漿材模擬灌漿試驗(yàn)研究，將進(jìn)一步驗(yàn)證復(fù)合不分散漿材在上述復(fù)雜地層中的適用性，為今后類似地層處理提供借鑒。

1 試驗(yàn)背景

瀘定水電站壩基補(bǔ)強(qiáng)灌漿工程是在超過60 m的高水頭動(dòng)水條件下進(jìn)行灌漿施工，其中在孔深130～154 m范圍內(nèi)地層中細(xì)顆粒含量較低，以卵礫石層為主，涌水壓力普遍在0.4～0.6 MPa之間，涌水流量普遍在50～100 L/min之間，常規(guī)的膏漿在動(dòng)水條件下難以留存，需要一種性能更佳同時(shí)具備速凝、抗沖和一定擴(kuò)散性的漿材，為瀘定水電站補(bǔ)強(qiáng)帷幕灌漿工程的實(shí)施提供技術(shù)支撐。

2 試驗(yàn)?zāi)康?/h2>

(1)進(jìn)行鐵桶模擬灌漿試驗(yàn)，研究復(fù)合不分散漿液灌注的可灌性、擴(kuò)散性、灌漿充填效果等參數(shù)；

(2)進(jìn)行水渠通水模擬抗沖試驗(yàn)，研究復(fù)合不分散漿液在高速水流下的抗沖性和留存性；

(3)進(jìn)行高壓水條件下模擬灌漿試驗(yàn)，研究復(fù)合不分散漿液在類似瀘定項(xiàng)目實(shí)際動(dòng)水壓力的條件下，驗(yàn)證漿液的擴(kuò)散性、抗沖性、速凝性和留存性。

3 試驗(yàn)內(nèi)容

3.1 復(fù)合不分散漿材性能

通過多種漿材對(duì)比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，采用硫鋁酸鹽水泥為基材，通過摻加多種外加劑配置而成的復(fù)合不分散漿材性能最優(yōu)，加水拌制時(shí)間為3 min，拌制好的漿液初凝時(shí)間為40～60 min，漿液擴(kuò)散度為10～13 cm(3SNS灌漿泵即可灌注)，在水中具備良好的不分散性能。復(fù)合不分散漿液性能見表1。

3.2 鐵桶模擬灌漿試驗(yàn)

3.2.1 鐵桶模擬試驗(yàn)

鐵桶模擬試驗(yàn)如圖1所示。

表1 復(fù)合不分散漿液性能

圖1 灌漿試驗(yàn)?zāi)Ｐ脱b置示意

3.2.2 試驗(yàn)集配料

試驗(yàn)所用礫石集配料物理性質(zhì)如見表2。參照DL/T 5151—2001《水工混凝土砂石骨料試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行參數(shù)測(cè)定。

表2 試驗(yàn)砂礫石集配料物理性質(zhì)

3.2.3 試驗(yàn)步驟

按設(shè)計(jì)要求制作灌漿試驗(yàn)?zāi)Ｐ脱b置，用橡膠條密封桶體周圍防止灌漿過程中漏漿，將特定級(jí)配砂土裝入試驗(yàn)箱體中，箱體和砂土之間放置土工布，防止壓水或灌漿過程中砂土沖出桶體。按照各種漿材配比配制漿材，將拌制好的漿液灌入儲(chǔ)漿容器，準(zhǔn)備灌漿；開始灌漿。開啟灌漿泵和管道節(jié)閥，不斷調(diào)節(jié)灌漿壓力，使得壓力表示數(shù)趨于穩(wěn)定到設(shè)計(jì)灌漿壓力，觀察并記錄漿液的流動(dòng)情況，壓力傳感器記錄孔隙水壓的變化；停止灌漿。當(dāng)儲(chǔ)漿容器中漿液注完或者漿液不再進(jìn)入或者漿液流動(dòng)范圍基本不變時(shí)停止灌漿；待漿液凝固后打開試驗(yàn)箱體，觀察并記錄容器內(nèi)部漿液的分布和擴(kuò)散情況，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理分析并研究其擴(kuò)散規(guī)律。

3.2.4 灌漿試驗(yàn)

考慮動(dòng)水影響，采用飽和礫石料進(jìn)行試驗(yàn)，灌漿壓力1.0 MPa，動(dòng)水流量25 L/min，復(fù)合不分散漿液灌漿模擬試驗(yàn)。

將裝在桶中的礫石提前通過下部進(jìn)水口通水飽和，以模擬真實(shí)地層。將灌漿管路、壓力計(jì)、流量計(jì)、空氣包，穩(wěn)壓器、射漿管接好，進(jìn)行管路通水試驗(yàn)確保管路密封完好。接通水龍頭放水，從桶體另一側(cè)水龍頭流出，測(cè)試涌水流量25 L/min，灌漿過程中持續(xù)打開水龍頭，模擬流動(dòng)水狀態(tài)。制備好體積為250 L的復(fù)合不分散漿材準(zhǔn)備灌漿，開灌流量為10 L/min，盡快達(dá)到設(shè)計(jì)壓力，持續(xù)灌注，上部出水口先是自來水清水流出，流量變大，約100 L/min，隨著灌漿持續(xù)進(jìn)行，流水逐漸渾濁，直至上部出水口有復(fù)合不分散漿液排出，閉漿30 min，灌漿結(jié)束。灌漿過程中壓力和流量均很穩(wěn)定。灌漿過程中未出現(xiàn)上部蓋重密封不嚴(yán)實(shí)稍微有漏漿的情況，灌漿達(dá)到設(shè)計(jì)量(約120 L)時(shí)，上部出漿口出現(xiàn)漿液滲出的情況。

24 h后將鐵桶切開，觀察漿液在礫石料中的狀態(tài)。通過打卡鐵桶，桶下部及周圍礫石料呈緊密固結(jié)狀態(tài)，切掉鐵桶周邊，復(fù)合不分散漿材礫石料固結(jié)體完好，桶上部和外部輪廓被復(fù)合不分散漿液包裹。全部切開桶體全面清理之后，用水槍清洗，觀察固結(jié)體為桶體圓柱狀漿液礫石料結(jié)石體。分析由于復(fù)合不分散漿材為顆粒溶液，黏稠度較大，抗沖性能良好，在動(dòng)水條件下，很容易在礫石料層中擴(kuò)散，表現(xiàn)為整個(gè)桶體射漿管周圍充填灌漿方式。從固結(jié)體的狀態(tài)來看，復(fù)合不分散漿材在礫石料層中灌注的擴(kuò)散范圍較大，抗水流沖擊漿體殘留率較高，充填效果較理想。

72 h后進(jìn)行取芯試驗(yàn)，采用Φ75 mm鉆具取芯，芯樣結(jié)實(shí)率高，充填效果良好，通過鉆孔取芯結(jié)石強(qiáng)度試驗(yàn)(見表3)可以看出芯樣結(jié)石強(qiáng)度較高，與漿材室內(nèi)強(qiáng)度接近，考慮到現(xiàn)場(chǎng)灌漿及養(yǎng)護(hù)條件，強(qiáng)度略有降低是正常的情況。從芯樣結(jié)石體狀態(tài)來看，復(fù)合不分散漿材在礫石料層中充填效果良好。為了更進(jìn)一步了解漿液在礫石中的擴(kuò)散狀態(tài)，將取芯孔外側(cè)切開，觀察漿液固結(jié)體的狀態(tài)，可以明顯看出復(fù)合不分散漿液在礫石層中擴(kuò)散良好，固結(jié)緊密。

表3 芯樣結(jié)石強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

3.3 水渠通水模擬抗沖試驗(yàn)

考慮到地層中存在大孔隙架空地層，因此本試驗(yàn)采用塊石堆積體模擬壩體，塊石的粒徑約為5～30 cm，在水渠上游側(cè)持續(xù)通水，流量約為60 L/min，流速約為2 m/s，采用復(fù)合不分散漿液進(jìn)行灌漿模擬試驗(yàn)。

通水后，將拌制好的復(fù)合不分散漿液從堆石體上方倒入，每桶漿液體積約15 L，在倒入的過程中顯示下泄的水流逐漸減小，在倒入2桶漿液后，下泄水流完全中斷，漿液已將局部堆石體內(nèi)的孔隙完全填充，且在漿液倒入過程中，漿液基本未被下泄水流帶出，下泄水流基本清澈。

試驗(yàn)完成后，保持水渠上游側(cè)60 L/min的通水不間斷，50 min后漿液已初凝，24 h后漿液感官強(qiáng)度已較高(現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了踩踏試驗(yàn))，通過持續(xù)觀察，從灌漿結(jié)束到初凝前，水渠處于持續(xù)通水狀態(tài)，即使水流超過了漿液堆積體上部，但也未將漿液帶走，下泄水流一直清澈，說明復(fù)合不分散漿液抗沖性能良好。

3.4 高壓水條件下模擬灌漿試驗(yàn)

考慮地下水影響，采用飽和礫石料進(jìn)行試驗(yàn)，灌漿壓力1.0 MPa，動(dòng)水流量為25 L/min，動(dòng)水壓力為0.55 MPa，復(fù)合不分散漿液灌漿模擬試驗(yàn)。

試驗(yàn)采用圓鐵管中間開槽安裝進(jìn)漿口方式，圓鐵管中裝滿礫石料，圓鐵管一端通水，控制水壓和流量，從另一端流水如圖2所示。從進(jìn)漿口注漿，復(fù)合不分散漿液，在一定時(shí)間內(nèi)灌注漿液復(fù)合不分散漿液使得圓鐵管中不在流水，關(guān)閉進(jìn)水閥，結(jié)束灌漿。

在巖芯管中裝滿礫石料，兩邊采用鋼絲網(wǎng)，防止石料被水流沖到較細(xì)的出漿口堵塞管路，從進(jìn)水口進(jìn)水，控制水壓0.55 MPa和流量20 L/min，從另一端流水。從進(jìn)漿口注漿，控制進(jìn)漿壓力0.6 MPa和流量30 L/min，注入復(fù)合不分散漿液，在一定時(shí)間內(nèi)灌注漿液復(fù)合不分散漿液使得圓鐵管中不在流水，關(guān)閉進(jìn)水閥結(jié)束灌漿。

復(fù)合不分散漿液凝結(jié)時(shí)間為46 min，試驗(yàn)結(jié)束后約46 min后，從進(jìn)水管通水，打開出漿口節(jié)閥，采用控制水壓0.55 MPa和流量20 L/min，通過水流頂開漿液固結(jié)體未達(dá)到效果，繼續(xù)加大壓采用控制水壓1.5 MPa和流量80 L/min才將漿液固結(jié)體頂開，出漿口出現(xiàn)坨狀或段狀膏漿。從試驗(yàn)結(jié)果來看，復(fù)合不分散漿材在動(dòng)水流條件下礫石料層中抗沖效果良好，漿液達(dá)到較好的存留。

4 試驗(yàn)成果分析及結(jié)論

(1)通過鐵桶模擬灌漿試驗(yàn)表明，采用復(fù)合不分散漿液處理礫石層，由于地層孔隙率較大，稍給壓力就可以達(dá)到灌注均勻、充填密實(shí)的效果，有效孔隙填充率達(dá)80%以上，灌注過程中應(yīng)限流灌注，流量控制在20～30 L/min為宜，不宜高壓力劈裂灌漿。

(2)通過水渠通水模擬灌漿試驗(yàn)中表明，復(fù)合不分散漿液具備良好的抗沖性，同時(shí)具備速凝性能，在動(dòng)水條件下留存性能較好。本工程后續(xù)實(shí)施過程中采用的漿液凝結(jié)時(shí)間為60 min，既能滿足灌注所需的操作時(shí)間，又能滿足漿液的擴(kuò)散需要，凝結(jié)時(shí)間根據(jù)工程實(shí)際情況調(diào)整，如灌漿管路長(zhǎng)度和地層動(dòng)水情況、擴(kuò)散半徑等參數(shù)確定。

(3)通過高壓水條件下模擬灌漿試驗(yàn)表明，復(fù)合不分散漿液在高壓水條件下抗沖性能和留存性能良好，漿液達(dá)到較好的存留。

綜上，通過上述三項(xiàng)模擬灌漿試驗(yàn)，驗(yàn)證了復(fù)合不分散漿材的性能優(yōu)良，為后續(xù)瀘定水電站補(bǔ)強(qiáng)帷幕灌漿的施工提供有利的技術(shù)支撐。后續(xù)通過瀘定水電站補(bǔ)強(qiáng)帷幕灌漿的應(yīng)用，在檢查孔取芯時(shí)發(fā)現(xiàn)漿液與原地層結(jié)合情況良好，取芯率較高，檢查孔透水率基本符合設(shè)計(jì)要求，充分驗(yàn)證了復(fù)合不分散漿材在大滲漏、高壓力、大流量涌水地層的灌注是可行的，過程中經(jīng)過多次會(huì)議評(píng)審，得到了有關(guān)權(quán)威部門的一致認(rèn)可。

同時(shí)，這也開創(chuàng)了病壩處理無需放空就能夠施工的先例，按照瀘定電站設(shè)計(jì)正常蓄水位平水年的發(fā)電量為37.8億(kW·h)/a計(jì)算，可減少電站發(fā)電損失約10億/a，通過本期補(bǔ)強(qiáng)灌漿處理，保證了工程的長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行，極大推進(jìn)了瀘定電站的最終驗(yàn)收事宜。