速凝膏漿技術(shù)研究與應(yīng)用
2006-01-17 00:00
摘 要：基礎(chǔ)產(chǎn)生滲漏不僅影響到施工的正常進行，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控制滲流. 常規(guī)水泥漿、水泥粘土漿、砂漿甚至低級配的混凝土對于高流速、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，對水泥膏漿和速凝膏漿技術(shù)進行了系統(tǒng)的研究，為中等開度、一定流速的動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)常遇到的問題，不僅帶來滲透損失，更重要的是可能威脅到上部建筑物的穩(wěn)定，因此一般都需要對基礎(chǔ)進行防滲處理. 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，對灌漿材料有如下的基本要求：具有一定的可灌性、流動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行灌漿堵漏一般效果都比較明顯；對有大開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)進行堵漏施工；但對于有中等開度(如10～20 cm) 滲漏通道的一定流速、大流量的滲漏地層，目前尚沒有合適、有效的堵漏技術(shù)。這種地層對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間內(nèi)具有相當?shù)目箾_強度，并具有一定的擴散范圍，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)小時內(nèi)控制其凝結(jié)時間，早期強度高，同時在壓力下膏漿具有良好的流動性，因此速凝水泥膏漿可適用于中等開度滲透通道、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整體，水流中的水不能進入水泥膏漿的內(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整體來抗擊水流的沖擊，因此要使水泥膏漿產(chǎn)生流動，水流必須克服膏漿的剪切屈服強度。而水泥膏漿的剪切屈服強度值通?？梢赃_到100 Pa 以上[1 ] ，且隨著時間的增加，剪切屈服強度是逐步增大的，故水泥膏漿具有相當?shù)目箾_能力。
2．2 流動特性和擴散特性
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的路途中，逐漸沉淀形成的. 這種情況的發(fā)生，是因為漿液的流動速度隨著離鉆孔的距離的增加而逐漸減小。經(jīng)過一段時間，在離開鉆孔一定距離處形成了由水泥細顆粒構(gòu)成的堵塞，通過這個堵塞，對水泥凝固不需要的多余水分就逐漸被排除。而當用水泥膏漿灌漿時，則形成明顯的擴散前沿，在其后面的裂隙就會被膏漿完全填滿，在水泥凝固以后，膏漿就形成堅硬而密實的水泥結(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度，膏漿將產(chǎn)生流動，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程中的作用主要有：
(1) 提高了漿體的穩(wěn)定性. 在灌漿過程中，當漿體的運動速率減慢或停止運動時，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){體流失過遠，減少漿材的浪費，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
通過速凝劑調(diào)節(jié)水泥膏漿的凝結(jié)時間，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)時間長，不利于動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性能指標。
表1 水泥膏漿物理力學性能指標
注：3 、7 、28 d 強度均指相應(yīng)齡期的無側(cè)限抗壓強度。
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，因此膏漿若想截斷滲流通道，通常采取的方法是提高漿液的灌注速度，使灌入的膏漿量遠大于被水流沖走的膏漿量。這種方法要求灌漿過程必須連續(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，而且漿液的浪費比較嚴重。 利用速凝膏漿的自堆積、塑性粘度較高以及凝結(jié)時間可控的特點，在漿液擴散范圍要求小于2 m 的地層中，可以考慮對速凝膏漿進行不連續(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)象已在實踐中得到證實) ，這樣可以將膏漿凝結(jié)過程放在灌漿孔內(nèi)完成。 根據(jù)地下水流的大小、裂隙開度的大小等情況，可以等待不同的時間使膏漿具有不同的抗沖強度時，再灌入新拌制的膏漿，將已有一定強度的孔內(nèi)膏漿擠入裂隙里，此時可以連續(xù)灌入膏漿以使已凝結(jié)的膏漿擴散到盡可能遠的地方。此法的關(guān)鍵是速凝膏漿的凝結(jié)時間精確可控，否則容易堵孔或膏漿達不到抗沖效果。在實驗室里，膏漿的凝結(jié)時間是可以做到精確可控的，在現(xiàn)場的凝結(jié)時間難以控制的主要原因是膏漿一般會受到地下水的影響。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)時間。
3．2 膏漿的擴散范圍
對于高流速、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度很高的濃水泥膏漿，這就對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)的擴散。為提高漿液的擴散范圍，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，提高漿液的擴散范圍。
4 速凝膏漿在廣西某電站堵漏工程中的運用
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)存在嚴重滲漏問題. 由前期孔內(nèi)電視、壓水試驗、連通試驗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。
(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，說明裂隙不發(fā)育地段巖體的滲漏量較小。當基坑開挖，裂隙被揭露后，地下水將會沿裂隙面滲流出。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 日分別對上游帷幕# 37 、# 36 、# 2 、# 4 、# 5孔、溢流壩面上3 個錨索孔進行了膏漿灌注，對加# 13孔進行了砂漿、膏漿混合灌注。在灌前、灌后的注(壓)水試驗中，除# 37 孔灌后需進行普通水泥粘土漿補灌外，其余各孔灌后注水試驗中的液面均下降緩慢。
4.3 堵漏效果評價
下游漏水點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 ，減少到基坑開挖時的150 m3/ h ，減少率達到70 %. 主要原因有以下幾點：
(1) 灌入的水泥膏漿雖然擴散范圍有限，沒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斷了此處的滲水通道，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)，但粗顆粒基本上都留在地層中，對地層中的脫空、節(jié)理裂隙起到了一定的充填作用，雖然不能截斷滲水通道，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，尤其是動水下凝結(jié)時間需要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有減少水對漿液的影響，因此即使砂漿或混凝土截斷了滲流通道而灌注正常結(jié)束。由于在短時間內(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間內(nèi)凝固，但擴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，其擴散半徑超過1.5 m。但由于種種原因，膏漿施工的孔有限，因此其截斷滲水通道的范圍有限，不能有效地控制滲水流量。
(3) 目前進行的堵漏施工高程主要在67.00～70.00 m 以上，從地質(zhì)報告及其他資料顯示，在此高程以下還存在可能的較大滲水通道。
5 結(jié) 語
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)可以針對不同開度的滲漏通道、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)進行堵漏.
根據(jù)灌前注(壓) 水試驗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。一般來說，水泥漿、水泥粘土漿適用于小開度、靜水或小流速的裂隙堵漏灌漿；普通水泥膏漿、砂漿、低級配混凝土適用于大開度、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度、一定流速下的動水裂隙堵漏灌漿；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，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)時間的膏漿進行灌注.
對地下水流速較快的地層進行膏漿灌注時，應(yīng)提高灌入膏漿的抗水流沖釋性能，可以考慮進行不連續(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：
[ 1 ] 紅楓水庫壩體帷幕漿材配方試驗研究報告[ R] . 北京:中國水利水電科學研究院，1986.
[ 2 ] 梁炯. 錨固與注漿技術(shù)手冊[M] . 北京：中國電力出版社，1999.
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