于廣斌，肖 雄，賈洪波

(中國安能集團(tuán)第三工程局成都分公司，四川 成都 610000)

1 引言

隨著我國水利水電工程的進(jìn)一步發(fā)展，特別是西部及西南地區(qū)水電工程建設(shè)，在深厚覆蓋層上修建土石圍堰已成為必然趨勢。在大渡河干支流、金沙江中上游、怒江中上游、西藏和新疆一些河流均存在深厚覆蓋層問題。深厚覆蓋層是指堆積于河谷之中，厚度大于30 m 的第四紀(jì)松散堆積物，大多結(jié)構(gòu)松散，巖層不連續(xù)，巖性成因復(fù)雜且變化較大[1]。在河床深厚覆蓋層上建壩時(shí)，由于河床基礎(chǔ)材料存在較多的孔隙，所以必定面臨滲漏的問題。目前，關(guān)于水利工程建筑物加固防滲的措施，主要有在臨水一面設(shè)置防滲墻技術(shù)、灌漿加固技術(shù)、土工膜施工技術(shù)等。脫云飛等[2]針對(duì)垂直帷幕灌漿方法在甘肅省肅南縣酥油口水庫的防滲漏效果不明顯的工程難題，提出了斜孔帷幕灌漿方案，該方案顯著地減小了水庫滲漏，達(dá)到了預(yù)期目的。陸健輝等[3]根據(jù)長江口軟土地基上水庫堤身結(jié)構(gòu)和堤基地質(zhì)條件，對(duì)滲漏及滲透變形問題提出了3種垂直防滲墻方案，并對(duì)這3種方案進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)技術(shù)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)高壓擺噴結(jié)合旋噴形成防滲墻防滲效果最佳。袁寶遠(yuǎn)等[4]通過室內(nèi)模擬試驗(yàn)，利用從國外引進(jìn)的格威系列地質(zhì)雷達(dá)，掌握了相關(guān)典型目標(biāo)物的雷達(dá)圖像特征，通過大量的測試分析總結(jié)，建立了深部逐步層次測試分析方法。并將此項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用到了南門峽水庫壩基的探測中，發(fā)現(xiàn)基巖中存在明顯的強(qiáng)滲漏帶，灌漿隧洞右岸局部地方存在破碎帶，這為水庫除險(xiǎn)加固工程的設(shè)計(jì)和施工提供了技術(shù)支撐。李延忠等[5]通過分析數(shù)據(jù)差異，發(fā)現(xiàn)土工合成材料可以使壩體自身的致密度增加，阻水性得到加強(qiáng)，使其防滲性能得到提升。杜科等[6]對(duì)長江中游界牌河段中高灘魚嘴局部護(hù)坡沙枕采用的CW-S新型防老化涂層材料進(jìn)行了試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)該材料可以大幅提高編織袋材料的耐老化性能，強(qiáng)度及柔韌性，使其能夠更好地抵御含沙水流的沖刷，成永輝等[7]采取施打拉森鋼板樁止水、增設(shè)大功率水泵降排水等措施，使防滲墻成墻的質(zhì)量、進(jìn)度均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。我國在高分子灌漿材料技術(shù)的研究起步相對(duì)較晚，聚脲[8～10]、聚氨酯[11～13]、環(huán)氧樹脂[14，15]、木質(zhì)素[16]灌漿材料等的研發(fā)與發(fā)展也比較慢。

考慮到防滲墻、灌漿加固等技術(shù)的施工要求復(fù)雜，且成本高，本文選用復(fù)合微密石作為研究目標(biāo)，并對(duì)其防滲效果進(jìn)行討論分析。

2 試驗(yàn)概況

2.1 材料基本性質(zhì)

表1為復(fù)合微密石基本物理參數(shù)，在松裝和密裝的條件下具有一定的差異，復(fù)合微密石顆粒的外觀整體呈灰白色，散粒狀，內(nèi)核為卵石，外層為干燥的、極易吸水膨脹的有機(jī)礦物包裹層。其級(jí)配曲線如圖1所示，復(fù)合微密石顆粒粒徑幾乎全分布在1～10 mm之間。復(fù)合微密石是通過化學(xué)原理吸水，其外層有機(jī)礦物包裹層水化后變得軟黏，當(dāng)一定量的膨脹顆粒聚集在一起時(shí)，顆粒便容易粘連在一起，水化后的復(fù)合微密石具有良好的阻水作用，圖2為復(fù)合微密石膨脹前后對(duì)比圖。

2.2 試驗(yàn)步驟

2.2.1 試驗(yàn)場地選址及模型確定

試驗(yàn)通過改變不同鋪蓋條件并結(jié)合試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)，分析復(fù)合微密石的防滲性能及防滲適用性。根據(jù)現(xiàn)場場地條件，試驗(yàn)場地選址于基坑碎石振沖樁施工平臺(tái)下游原河床，試驗(yàn)場地長約20 m，寬約5 m。為滿足試驗(yàn)要求，分別開挖2個(gè)水塘、2個(gè)水槽，其中水塘直徑3 m，深0.6 m；水槽頂長4 m，頂寬2 m，底長3 m，底寬0.8 m，深0.6 m。水塘模型內(nèi)分別用采用黏土和復(fù)合微密石防滲鋪蓋；同時(shí)，為模擬圍堰滲漏，在2個(gè)水槽模型內(nèi)筑壩，壩高均為0.55 m，壩頂寬均為0.20 m，上下游坡比均為 1∶1.5，壩體采用黏土材料。

表1 復(fù)合微密石基本物理參數(shù)

圖1 復(fù)合微密石級(jí)配曲線

圖2 復(fù)合微密石膨脹前后對(duì)比

對(duì)于試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷男藿?，首先?duì)試驗(yàn)場地進(jìn)行整平，此過程為避免破壞原地層，采用人工修整。然后使用挖掘機(jī)按照設(shè)計(jì)尺寸進(jìn)行水塘和水槽的開挖，此過程機(jī)械不能在試驗(yàn)場地范圍內(nèi)。之后采用人工對(duì)試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行修整，主要將模型內(nèi)垃圾清理干凈，并平整坡比。圍堰填筑并碾壓。將圍堰模型的壩軸線選在混凝土槽長度方向的中間位置，壩頂寬度均為0.2 m。壩體上下游的坡比按1∶1.5進(jìn)行填筑。模型從底層開始分層填筑，分層厚度為15 cm。壩體填筑必須滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的密實(shí)度和均勻性，壩體填筑料應(yīng)進(jìn)行碾壓。待每層達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)密實(shí)度后，暫停30 min，取2組試樣進(jìn)行含水率測量，保證與最優(yōu)含水率差距在5%以內(nèi)，再進(jìn)行下一層土體碾壓，直到壩體高度達(dá)到55 cm，停止填筑，圍堰模型筑成。模型保護(hù)。為防止試驗(yàn)場地及模型的破壞，在試驗(yàn)區(qū)設(shè)置警示圍欄和警示牌對(duì)其進(jìn)行保護(hù)。

2.2.2 試驗(yàn)流程

2.2.2.1 水塘模型試驗(yàn)

首先分別向水塘內(nèi)鋪蓋黏土和復(fù)合微密石，其中黏土厚10 cm，復(fù)合微密石厚5 cm，黏土鋪設(shè)過程需要碾壓密實(shí)。當(dāng)防滲鋪蓋施工完成后，為防止水流高速?zèng)_刷，向水塘底部均鋪設(shè)5 cm碎石保護(hù)層。在模型內(nèi)埋設(shè)水位標(biāo)尺，為后期測量做準(zhǔn)備。向水塘內(nèi)加水至預(yù)定水位后，開始測量水位，并記錄時(shí)間。每隔5～10 min進(jìn)行一次測量，直至流量為零或一段時(shí)間內(nèi)流量變化不明顯。

2.2.2.2 水槽模型試驗(yàn)

首先向其中一個(gè)水槽圍堰前及庫底鋪撒復(fù)合微密石厚3 cm，鋪設(shè)過程無需碾壓，另外一個(gè)水槽為對(duì)比試驗(yàn)組(庫底無防滲措施)。向水塘內(nèi)加水至預(yù)定水位后，開始測量水位，并記錄時(shí)間。每隔5～10 min進(jìn)行一次測量，直至流量為零或一段時(shí)間內(nèi)流量變化不明顯。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

依照上述試驗(yàn)步驟進(jìn)行試驗(yàn)，針對(duì)不同模型條件，研究復(fù)合微密石鋪蓋的防滲特性，各模型的設(shè)計(jì)參數(shù)見表2。

表2 復(fù)合微密防滲適用性試驗(yàn)方案

3.1 水塘模型

在試驗(yàn)過程中，在不同防滲材料，相同鋪蓋面積，不同鋪蓋厚度條件下所測水深隨時(shí)間的變化如圖3所示。

圖3 水塘模型水深隨時(shí)間的變化

從圖3可知，水深隨時(shí)間不斷降低，且都是在一開始快速下降，到一定時(shí)間后緩慢變化。采用黏土防滲的A1組在前80 min的時(shí)間水深下降趨勢明顯，之后水深下降速度減緩，最終水位遠(yuǎn)低于試驗(yàn)初始水位；采用復(fù)合微密石防滲的A2組在前20 min的時(shí)間，水深呈下降趨勢，之后水深下降速度減緩，在60 min時(shí)，水深基本保持不變，最終水位較初始水位下降幅度小。盡管A1組試驗(yàn)鋪蓋厚度大于A2組試驗(yàn)的鋪蓋厚度，但采用復(fù)合微密石防滲的A2組試驗(yàn)的水深一直高于采用黏土防滲的A1組的水深。因?yàn)轲ね翀F(tuán)粒吸水膨脹，土內(nèi)產(chǎn)生不均勻應(yīng)力，膠質(zhì)逐漸溶解，團(tuán)粒水膜變厚，但防滲性能發(fā)揮時(shí)間較長。復(fù)合微密石在初始水化階段，形成一種緩慢的流量減小趨勢，復(fù)合微密石在吸水之后自膨脹，其表面有機(jī)包裹層膨脹之后能起到很好的防滲作用，最終滲流量隨時(shí)間的變化逐漸減小至不再發(fā)生滲漏。

3.2 水槽模型

在試驗(yàn)過程中，所測水深隨時(shí)間的變化如圖4所示。

圖4 水槽圍堰模型水深隨時(shí)間的變化

從圖4可知，空白試驗(yàn)B1組水位下降迅速，在62 min時(shí),水深為0；采用復(fù)合微密石防滲的B2組在前10 min的時(shí)間內(nèi)，吸水和滲漏較明顯，導(dǎo)致該時(shí)間段水位小幅度下降，從10 min開始，水深基本保持不變。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程采用復(fù)合微密石防滲的B2組水位一直高于空白試驗(yàn)B1組水位，且差異明顯，試驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)比庫底無防滲措施的試驗(yàn)組，采用復(fù)合微密石的試驗(yàn)組結(jié)果理想，復(fù)合微密石表現(xiàn)出優(yōu)良的防滲效果。

4 結(jié)論

試驗(yàn)通過現(xiàn)場物理模型測試復(fù)合微密石作為防滲鋪蓋的抗?jié)B效果，分別設(shè)置水塘和水槽圍堰模型進(jìn)行試驗(yàn)。通過測量不同條件下模型滲流量隨時(shí)間的變化，得出變化曲線，并對(duì)復(fù)合微密石的鋪蓋性能進(jìn)行了分析，得出了以下結(jié)論。

(1)試驗(yàn)過程中，盡管試樣所處的條件不同，但滲流流量隨時(shí)間的變化關(guān)系大致相同。在試驗(yàn)開始時(shí)，由于復(fù)合微密石未水化，吸水和滲漏較多，導(dǎo)致水位下降較快；在快速水化后，水位基本保持不變，防滲性能優(yōu)良。

(2)根據(jù)對(duì)比試驗(yàn)，可以發(fā)現(xiàn)復(fù)合微密石在自膨脹狀態(tài)下的防滲性能遠(yuǎn)強(qiáng)于黏土。

(3)復(fù)合微密石在初始水化階段過后，滲漏皆形成一種緩慢的流量減小趨勢，該趨勢隨著鋪蓋條件的不同而產(chǎn)生細(xì)微的變化，最終滲流量隨時(shí)間的變化逐漸減小至不再發(fā)生滲漏。

(4)試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，材料極易遇水粘結(jié)，但并不影響材料使用，相反，更有利于材料發(fā)揮其防滲性能。

(5)復(fù)合微密石作為防滲鋪蓋作用時(shí)，遇水后表面有機(jī)礦物包裹層膨脹軟化，此時(shí)水流對(duì)它的沖擊作用明顯，應(yīng)避免水流從其表面快速流動(dòng)，在流速較大區(qū)域應(yīng)設(shè)置一定厚度的抗沖保護(hù)層。

(6)整個(gè)試驗(yàn)過程中，復(fù)合微密石材料都表現(xiàn)出了良好的防滲效果，試驗(yàn)所測得滲流量都隨時(shí)間呈指數(shù)性降低。

復(fù)合微密石材料防滲能力強(qiáng)，具有一定的自膨脹性、自密性和自愈性，且復(fù)合微密石作為防滲體的施工不受雨季的影響，下雨時(shí)可照常施工。同時(shí)這種防滲料也可以在水下澆筑。因此在抗洪搶險(xiǎn)施工，人工湖防滲處理方面具有很強(qiáng)的適用性。復(fù)合微密石作為一種新型的防滲材料，施工條件限制少、成本低、防滲效果佳的優(yōu)點(diǎn)，使得復(fù)合微密石的應(yīng)用面很廣泛。