速凝膏漿技術(shù)研究與應(yīng)用
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摘 要：基礎(chǔ)產(chǎn)生滲漏不僅影響到施工的正常進(jìn)行，還可能威脅到建筑物的穩(wěn)定，因此通常需要灌漿形成防滲帷幕來(lái)控制滲流. 常規(guī)水泥漿、水泥粘土漿、砂漿甚至低級(jí)配的混凝土對(duì)于高流速、大流量的滲漏地層，其堵漏效果一般都不顯著. 結(jié)合廣西某水電站壩基堵漏工程，對(duì)水泥膏漿和速凝膏漿技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，為中等開(kāi)度、一定流速的動(dòng)水裂隙堵漏灌漿提供了一種新材料、新工藝.
關(guān)鍵詞：速凝膏漿； 堵漏灌漿； 灌漿材料； 施工工藝； 應(yīng)用
Practice and study of technique for quick coagulating paste2slurry
FU Ping ， ZHAN GJ in2jie ， ZHAO Wei2quan ， YAN G Xiao2dong
(China Institute of Water Resources and Hydropower Research ， Beijing 100044 ， China)
Abstract : The seepage in the foundation of dam has influence on not only the construction ， but also the stability of building. So grouting usually was used to control the seeping. The antiseeping effects of cement slurry ， cement clay slurry ， cement sand slurry and also lowgrade concrete to be used in the seeping stratum with high rate ， large discharge ， are generally not good. In this paper ， the cement paste slurry and quick coagulating cement paste slurry technology were be studied ， and used in the antiseepage project of one foundation of dam in Guangxi province. This technology is a new material and technology to antiseepinggrouting in the seeping stratum with medium opening and medium rate moving water.
Key words : quick coagulating paste slurry ； antiseeping grouting ； grouting material ； construction technique ； application
1 概 述
基礎(chǔ)發(fā)生滲漏是工程中經(jīng)常遇到的問(wèn)題，不僅帶來(lái)滲透損失，更重要的是可能威脅到上部建筑物的穩(wěn)定，因此一般都需要對(duì)基礎(chǔ)進(jìn)行防滲處理. 覆蓋層不深的土層、砂礫石層通常都采用截水槽、防滲墻等，而對(duì)于深厚覆蓋層的砂礫石層和巖基滲漏，一般采用灌漿的方式進(jìn)行防滲處理。灌漿不僅需要有合適的施工工藝，而且需要有合適的灌漿材料，對(duì)灌漿材料有如下的基本要求：具有一定的可灌性、流動(dòng)性和在水下能充分凝結(jié)形成結(jié)石。在小流速、小流量的滲漏地層中，采用水泥漿、水泥粘土漿或添加速凝劑進(jìn)行灌漿堵漏一般效果都比較明顯；對(duì)有大開(kāi)度滲漏通道的高流速、大流量的滲漏地層(比如溶洞) ，可采用模袋灌漿技術(shù)進(jìn)行堵漏施工；但對(duì)于有中等開(kāi)度(如10～20 cm) 滲漏通道的一定流速、大流量的滲漏地層，目前尚沒(méi)有合適、有效的堵漏技術(shù)。這種地層對(duì)材料的要求是保證灌入的漿液能不被水全部沖走且在一定時(shí)間內(nèi)具有相當(dāng)?shù)目箾_強(qiáng)度，并具有一定的擴(kuò)散范圍，這也是堵漏灌漿成功的關(guān)鍵. 速凝水泥膏漿不僅具有較好的抗沖特性，而且可在數(shù)分鐘～數(shù)小時(shí)內(nèi)控制其凝結(jié)時(shí)間，早期強(qiáng)度高，同時(shí)在壓力下膏漿具有良好的流動(dòng)性，因此速凝水泥膏漿可適用于中等開(kāi)度滲透通道、一定流速、大流量的滲漏地層的堵漏。
2 膏漿特性
水泥膏漿通常指的是在水泥漿中摻入大量的粘土、膨潤(rùn)土、粉煤灰等摻合料及少量外加劑而構(gòu)成的低水灰比的膏狀漿液，其基本特征是漿液的初始剪切屈服強(qiáng)度值可以克服其本身重力的影響，其主要性能是抗水流沖釋性能和自堆積性能，可以用于節(jié)理裂隙開(kāi)度較大的巖體或堆石體的灌漿。
2．1 抗水流沖釋性能
水泥膏漿中含有大量的粘土、膨潤(rùn)土等摻合料，粘土的粘接作用和抗?jié)B透作用使膏漿能自成一個(gè)整體，水流中的水不能進(jìn)入水泥膏漿的內(nèi)部，因此膏漿里的水泥顆粒、粘土顆粒不會(huì)產(chǎn)生離析。水流只能從膏漿的邊緣淘刷膏漿，使之逐步從外圍產(chǎn)生離析，而不會(huì)象普通水泥漿液、砂漿或混凝土那樣遇水就產(chǎn)生離析，因此膏漿具有一定的抗水稀釋的能力。膏漿的抗水稀釋能力使膏漿作為一個(gè)整體來(lái)抗擊水流的沖擊，因此要使水泥膏漿產(chǎn)生流動(dòng)，水流必須克服膏漿的剪切屈服強(qiáng)度。而水泥膏漿的剪切屈服強(qiáng)度值通常可以達(dá)到100 Pa 以上[1 ] ，且隨著時(shí)間的增加，剪切屈服強(qiáng)度是逐步增大的，故水泥膏漿具有相當(dāng)?shù)目箾_能力。
2．2 流動(dòng)特性和擴(kuò)散特性
水泥膏漿是典型的賓漢流體，其流變特性可以用下式表示[2 ]
τ=τB +η·d v/d r (1)
式中，τB 、η分別為賓漢流體的剪切屈服強(qiáng)度、塑性粘滯系數(shù).
水泥膏漿灌漿與普通高含水量水泥懸膠體漿液灌漿相比，漿液擴(kuò)散形式完全不同。在用高含水量水泥懸膠體的情況下，裂隙的填充是由水泥顆粒在流動(dòng)的路途中，逐漸沉淀形成的. 這種情況的發(fā)生，是因?yàn)闈{液的流動(dòng)速度隨著離鉆孔的距離的增加而逐漸減小。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，在離開(kāi)鉆孔一定距離處形成了由水泥細(xì)顆粒構(gòu)成的堵塞，通過(guò)這個(gè)堵塞，對(duì)水泥凝固不需要的多余水分就逐漸被排除。而當(dāng)用水泥膏漿灌漿時(shí)，則形成明顯的擴(kuò)散前沿，在其后面的裂隙就會(huì)被膏漿完全填滿，在水泥凝固以后，膏漿就形成堅(jiān)硬而密實(shí)的水泥結(jié)石。
2．3 觸變性
水泥膏漿具有觸變性質(zhì)，膏漿若承受的推力大于其自身的屈服強(qiáng)度，膏漿將產(chǎn)生流動(dòng)，膏漿將呈現(xiàn)典型的流體性質(zhì)，一旦小于其自身的屈服強(qiáng)度，膏漿的粘度得到恢復(fù)，表現(xiàn)出一定的固體性質(zhì). 膏漿固有的觸變性在灌漿過(guò)程中的作用主要有：
(1) 提高了漿體的穩(wěn)定性. 在灌漿過(guò)程中，當(dāng)漿體的運(yùn)動(dòng)速率減慢或停止運(yùn)動(dòng)時(shí)，漿體結(jié)構(gòu)的恢復(fù)使得水泥顆粒不至分層沉淀。
(2)利于灌漿過(guò)程的控制。
(3) 特殊地層中的灌漿。在大裂隙或孔洞中灌漿，觸變性可防止?jié){體流失過(guò)遠(yuǎn)，減少漿材的浪費(fèi)，在地下水流速較大的地段灌漿，觸變性可提高抗沖蝕能力。
2．4 速凝水泥膏漿
通過(guò)速凝劑調(diào)節(jié)水泥膏漿的凝結(jié)時(shí)間，在普通水泥膏漿的基礎(chǔ)上研究出速凝水泥膏漿，解決了普通水泥膏漿在水下凝結(jié)時(shí)間長(zhǎng)，不利于動(dòng)水下堵漏施工的難題。表1 是廣西某水電站堵漏工程中所使用的速凝水泥膏漿的物理力學(xué)性能指標(biāo)。
表1 水泥膏漿物理力學(xué)性能指標(biāo)
注：3 、7 、28 d 強(qiáng)度均指相應(yīng)齡期的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。
3 速凝水泥膏漿施工工藝
速凝水泥膏漿與普通水泥漿在性質(zhì)上有較大的差別，因此需要采用特制的攪拌系統(tǒng)和泵入系統(tǒng)進(jìn)行速凝水泥膏漿施工。
3．1 膏漿的不連續(xù)灌注
由于灌入的水泥膏漿需要抵御地下水流的不斷沖刷，因此膏漿若想截?cái)酀B流通道，通常采取的方法是提高漿液的灌注速度，使灌入的膏漿量遠(yuǎn)大于被水流沖走的膏漿量。這種方法要求灌漿過(guò)程必須連續(xù)，不能停止，通常的水泥漿、砂漿、混凝土灌注一般都要求連續(xù)灌注。 漿液的連續(xù)灌注對(duì)灌漿設(shè)備、人員配備等都提出了較高的要求，而且漿液的浪費(fèi)比較嚴(yán)重。 利用速凝膏漿的自堆積、塑性粘度較高以及凝結(jié)時(shí)間可控的特點(diǎn)，在漿液擴(kuò)散范圍要求小于2 m 的地層中，可以考慮對(duì)速凝膏漿進(jìn)行不連續(xù)灌注。
由于速凝膏漿的自堆積性能以及其塑性粘度值較高，膏漿在孔徑不大的灌漿孔中可以克服自身的重力，在孔內(nèi)形成漿柱(此現(xiàn)象已在實(shí)踐中得到證實(shí)) ，這樣可以將膏漿凝結(jié)過(guò)程放在灌漿孔內(nèi)完成。 根據(jù)地下水流的大小、裂隙開(kāi)度的大小等情況，可以等待不同的時(shí)間使膏漿具有不同的抗沖強(qiáng)度時(shí)，再灌入新拌制的膏漿，將已有一定強(qiáng)度的孔內(nèi)膏漿擠入裂隙里，此時(shí)可以連續(xù)灌入膏漿以使已凝結(jié)的膏漿擴(kuò)散到盡可能遠(yuǎn)的地方。此法的關(guān)鍵是速凝膏漿的凝結(jié)時(shí)間精確可控，否則容易堵孔或膏漿達(dá)不到抗沖效果。在實(shí)驗(yàn)室里，膏漿的凝結(jié)時(shí)間是可以做到精確可控的，在現(xiàn)場(chǎng)的凝結(jié)時(shí)間難以控制的主要原因是膏漿一般會(huì)受到地下水的影響。因此，在施工中應(yīng)盡量避免膏漿與孔內(nèi)水混合，利用簡(jiǎn)易漿水隔離器可以有效使膏漿將孔內(nèi)的水頂走，而不相互混合，這樣可以做到精確控制膏漿的凝結(jié)時(shí)間。
3．2 膏漿的擴(kuò)散范圍
對(duì)于高流速、大流量的地層堵漏，灌入的速凝水泥膏漿需要在地層中抵抗水流的沖擊。為提高膏漿的抗水沖釋能力，需要灌注初始剪切屈服強(qiáng)度很高的濃水泥膏漿，這就對(duì)泵和管路提出了更高的要求:泵具有較高的泵入壓力，且要求管路損失壓力不能太大，孔口應(yīng)具有一定的灌漿壓力以利于膏漿在孔內(nèi)的擴(kuò)散。為提高漿液的擴(kuò)散范圍，可采取“接力灌注法”即灌漿泵在孔口就近灌注，可有效地減少壓力損失，提高漿液的擴(kuò)散范圍。
4 速凝膏漿在廣西某電站堵漏工程中的運(yùn)用
4．1 工程概況
廣西某水電站舊壩左河槽斜坡地段巖體溶溝、溶槽及溶洞、溶蝕裂隙較發(fā)育，舊壩基礎(chǔ)存在嚴(yán)重滲漏問(wèn)題. 由前期孔內(nèi)電視、壓水試驗(yàn)、連通試驗(yàn)和施工滲漏資料分析， # 10 壩段基礎(chǔ)巖體滲漏主要有以下特征：
(1) 基礎(chǔ)巖體滲漏條件較為復(fù)雜，地下水主要沿著陡傾角順層發(fā)育的溶洞、溶槽及裂隙滲漏，不同深度的滲漏途徑之間連通性不強(qiáng)。
(2) 舊壩與一期圍堰接頭處存在溶槽、溶洞，高程約67.00～72.00 m、77.00～81.00m ，充填物基本已被掏空，是往# 10 壩基滲漏的主要通道。
(3) 局部深度內(nèi)的巖石透水率值較小，說(shuō)明裂隙不發(fā)育地段巖體的滲漏量較小。當(dāng)基坑開(kāi)挖，裂隙被揭露后，地下水將會(huì)沿裂隙面滲流出。前期堵漏施工主要采取灌注砂漿、混凝土漿，灌注效果不顯著。
4.2 速凝膏漿施工
根據(jù)施工單位的要求和安排，從2004 年1 月17日到2 月8 日分別對(duì)上游帷幕# 37 、# 36 、# 2 、# 4 、# 5孔、溢流壩面上3 個(gè)錨索孔進(jìn)行了膏漿灌注，對(duì)加# 13孔進(jìn)行了砂漿、膏漿混合灌注。在灌前、灌后的注(壓)水試驗(yàn)中，除# 37 孔灌后需進(jìn)行普通水泥粘土漿補(bǔ)灌外，其余各孔灌后注水試驗(yàn)中的液面均下降緩慢。
4.3 堵漏效果評(píng)價(jià)
下游漏水點(diǎn)的滲漏量與堵漏前相比有明顯地減少，從采用膏漿前的500 m3/ h ，減少到基坑開(kāi)挖時(shí)的150 m3/ h ，減少率達(dá)到70 %. 主要原因有以下幾點(diǎn)：
(1) 灌入的水泥膏漿雖然擴(kuò)散范圍有限，沒(méi)有形成完整的防水幕體，但其在所灌孔周圍形成的凝固體有效地截?cái)嗔舜颂幍臐B水通道，減少了整體滲水面積，可有效地減少滲水流量。
(2) # 10 壩段灌入了大量的砂漿、混凝土，雖然不能有效凝結(jié)，但粗顆?；旧隙剂粼诘貙又?，對(duì)地層中的脫空、節(jié)理裂隙起到了一定的充填作用，雖然不能截?cái)酀B水通道，但增加了滲流水頭損失，在上下游水位差一定的情況下，可以有效地減少滲水流量。
下游基坑開(kāi)挖面的滲漏量仍有150 m3/ h ，其主要原因是：
(1) # 10 壩段灌入了大量的砂漿、混凝土漿，但沒(méi)有采取有效的措施增加漿液的穩(wěn)定性和使?jié){與水隔離，可能產(chǎn)生以下不利的結(jié)果，第一，砂漿或混凝土在灌入的過(guò)程中遇水，其中的水泥漿液和骨料產(chǎn)生離析和分離，水泥漿液被滲流帶走，僅留下顆粒在地層內(nèi)，起不到堵漏作用且在灌漿過(guò)程中頻繁導(dǎo)致堵孔、堵管現(xiàn)象. 第二，普通硅酸鹽水泥在水下，尤其是動(dòng)水下凝結(jié)時(shí)間需要10 h 以上，甚至發(fā)生假凝或不凝現(xiàn)象. 在目前條件下灌入的砂漿或混凝土漿并沒(méi)有減少水對(duì)漿液的影響，因此即使砂漿或混凝土截?cái)嗔藵B流通道而灌注正常結(jié)束。由于在短時(shí)間內(nèi)不能凝結(jié)，在水流的沖擊、淘刷下，漿液中的水泥逐漸被水帶走，仍可能形成滲流通道。
(2) 灌入的速凝水泥膏漿雖能在短時(shí)間內(nèi)凝固，但擴(kuò)散范圍也受到一定的限制，從膏漿有效灌入量一般為1.5 m3以上和# 2 孔、# 4 孔的膏漿施工情況分析，其擴(kuò)散半徑超過(guò)1.5 m。但由于種種原因，膏漿施工的孔有限，因此其截?cái)酀B水通道的范圍有限，不能有效地控制滲水流量。
(3) 目前進(jìn)行的堵漏施工高程主要在67.00～70.00 m 以上，從地質(zhì)報(bào)告及其他資料顯示，在此高程以下還存在可能的較大滲水通道。
5 結(jié) 語(yǔ)
灌漿堵漏技術(shù)幾乎是解決深厚覆蓋層基礎(chǔ)、巖石基礎(chǔ)滲漏的惟一措施，目前灌漿技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)可以針對(duì)不同開(kāi)度的滲漏通道、不同流速、不同流量的基礎(chǔ)滲漏都能采用不同的灌漿技術(shù)進(jìn)行堵漏.
根據(jù)灌前注(壓) 水試驗(yàn)的吸水量的大小可以依次選擇多種材料、多種施工工藝聯(lián)合灌注。一般來(lái)說(shuō)，水泥漿、水泥粘土漿適用于小開(kāi)度、靜水或小流速的裂隙堵漏灌漿；普通水泥膏漿、砂漿、低級(jí)配混凝土適用于大開(kāi)度、靜水或小流速流量的裂隙堵漏灌漿；速凝水泥膏漿適用于中等開(kāi)度、一定流速下的動(dòng)水裂隙堵漏灌漿；模袋灌漿技術(shù)適用于高流速、大流量下的動(dòng)水裂隙堵漏灌漿.
普通水泥膏漿和速凝水泥膏漿用于堵漏灌漿時(shí)，應(yīng)根據(jù)不同的漏水量和漏水通道選擇不同濃度、不同凝結(jié)時(shí)間的膏漿進(jìn)行灌注.
對(duì)地下水流速較快的地層進(jìn)行膏漿灌注時(shí)，應(yīng)提高灌入膏漿的抗水流沖釋性能，可以考慮進(jìn)行不連續(xù)灌注. 膏漿技術(shù)除應(yīng)用在裂隙或溶洞堵漏工程中，也可用在堆石壩、堆石圍堰等大孔隙率地層的防滲處理。
參考文獻(xiàn)：
[ 1 ] 紅楓水庫(kù)壩體帷幕漿材配方試驗(yàn)研究報(bào)告[ R] . 北京:中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，1986.
[ 2 ] 梁炯. 錨固與注漿技術(shù)手冊(cè)[M] . 北京：中國(guó)電力出版社，1999.
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