水庫土壩工程中黏土固化劑防滲灌漿技術(shù)的應(yīng)用

廖會文,黃飛翔

(江西省水利水電建設(shè)集團有限公司,南昌 330000)

0 引 言

中小型水庫在運行過程中普遍面臨壩基滲漏、壩體滲漏、繞壩滲漏等安全隱患,針對此類病害,大多采用帷幕灌漿、高壓旋噴、劈裂灌漿、鉆抓成槽、套井回填等處治措施。此類常規(guī)工藝水泥用量大,處治成本高;水泥漿液對環(huán)境存在一定程度污染。近年來出現(xiàn)的黏土固化劑防滲灌漿技術(shù)通過在水泥和黏土混合體內(nèi)摻加黏土固化劑,減少水泥用量的同時,使?jié){液性能得到改良和優(yōu)化,無毒無害,對環(huán)境友好。文章依托具體水利工程,對黏土固化劑防滲灌漿技術(shù)在壩體及壩基防滲加固中的應(yīng)用展開分析,以期為黏土固化劑防滲灌漿處治技術(shù)的推廣應(yīng)用提供參考。

1 工程概況

某水庫壩址以上控制流域面積為1441.2km2,總庫容1049.31×104m3,主要承擔灌溉、防洪、養(yǎng)殖等功能。工程主要包括主壩、副壩及放水建筑物。因建設(shè)年代較早,建造質(zhì)量較差,再加上長期缺乏養(yǎng)護,主副壩壩體壩基表現(xiàn)出不同程度的滲漏,亟待加固養(yǎng)護。

以該水庫1#副壩為黏土固化劑試點壩,該副壩壩高13.0m,壩頂高程154.5m,壩頂軸線長106.9m。壩基主要為粉砂巖,夾頁巖和砂巖,強風化,節(jié)理裂隙發(fā)育。均質(zhì)土壩壩身就地取材,以兩岸山坡砂巖、灰?guī)r、頁巖風化殘積土為主要土料,塊石含量高,填筑塊結(jié)合及密實度差,空隙大。調(diào)查發(fā)現(xiàn),1#副壩壩基滲漏及壩肩繞滲較為嚴重,壩身散浸明顯;涵洞壁和山體間未施作防滲體,滲漏較嚴重;上游壩坡滲透坡降達不到要求。

2 防滲方案

針對該水庫1#副壩壩基所存在的滲漏及壩肩繞滲,提出水泥灌漿、套井沖抓回填、黏土固化劑漿液灌漿等處理方案。

2.1 水泥灌漿(方案1)

采用水泥漿液灌漿加固,水泥用量大,施工成本高;必須先進行導孔試驗,確定出灌漿壓力、灌漿深度、漿液濃度等施工參數(shù)值,試驗周期長,對工期造成不利影響。水泥與黏土缺乏相容性,水泥漿液對地表水、地下水等環(huán)境污染大。

2.2 套井沖抓回填(方案2)

結(jié)合1#副壩壩基地勘資料,礫巖存在嚴重溶蝕,壩基開挖后,基巖面存在明顯的凹凸不平現(xiàn)象。如果采用套井沖抓回填防滲方案,沖抓難度及施工質(zhì)量控制難度均較大,工期長;此外,沖抓回填施工過程還受到施工場地、地下水位、沖抓深度、地質(zhì)條件、天氣等影響較大;黏土取用量大,必須占用耕地,成本高。

2.3 黏土固化劑漿液灌漿(方案3)

將能促進土壤固化,并改善土壤性能的添加劑統(tǒng)稱為黏土固化劑。該固化劑可針對普通水泥漿液、水泥黏土漿液性能的不足進行改良,提升其抗侵蝕性、無析水性、膠凝體積微膨脹性、抗震性、結(jié)石體耐久性。黏土固化劑價格低廉,灌漿施工時,按照水泥摻量的10%～20%添加黏土固化劑,將水料重量比控制在0.8∶1～2.0∶1之間。

在灌漿材料中摻水并拌和均勻,固化劑溶于水后會釋放出大量的SO42-、AlO2-和SiO32-,與水泥水化反應(yīng)后的Ca3(AlO3)2和Ca(OH)2作用后,進一步生成無定型水化硅酸二鈣、均質(zhì)絨毛狀水化鋁酸三鈣以及具備較大膨脹性的硫鋁酸鈣[1]。以上反應(yīng)中將材料間游離的自由水分大量消耗,并對水泥水化反應(yīng)起到助推作用,使灌漿材料凝固時間大大縮短。以上試驗期間,灌漿材料幾乎未表現(xiàn)出吸水性,凝固后生成高強度水化結(jié)晶和膠凝體[2]。灌漿孔周圍土壤裂隙及巖石中所入滲的漿液凝固后,膠凝體體積發(fā)生微膨脹,會進一步將灌漿孔周邊滲流通道完全封堵,增強防滲效果。漿液凝固時間可通過調(diào)節(jié)灌漿材料配合比加以控制,便于提升施工質(zhì)量。

該處治方案水泥消耗量小,施工成本低,漿液無毒,對地表水、地下水及周圍環(huán)境無污染;漿液具有較好的可泵性和穩(wěn)定性,凝結(jié)時間易于控制;結(jié)石體強度高,防滲、抗侵蝕能力強;施工過程也不受氣候、場地等的影響。

綜合以上分析,最終選擇方案3即黏土固化劑漿液灌漿處治方案,施工簡便,灌漿成本低,防滲效果優(yōu)良,經(jīng)濟效益和環(huán)境效益凸顯。

3 黏土固化劑防滲方案設(shè)計

3.1 孔位布置

根據(jù)水庫1#副壩滲漏位置、滲流量大小、地質(zhì)條件、防滲帷幕厚度、漿液擴散半徑等確定孔位,在壩段和山體間布置3排注漿孔,中間排孔沿壩頂軸線布置,上下游排孔則分別布置在與壩軸線相距1.0m的上游側(cè)和下游側(cè),且2排灌漿孔軸線均平行于壩軸線?？拙?.5m,排距1.0m,按照梅花形布設(shè)。壩肩灌漿平面布置情況見圖1。

圖1 壩肩灌漿平面布置圖

3.2 帷幕厚度及深度

結(jié)合試驗結(jié)果,該水庫土壩所用HXNY-901黏土固化劑靜切力及黏度增速較快,能快速形成具備一定塑性強度的膠凝體;固化劑摻量較少時,漿液塑性強度增長緩慢,適合灌注施工,而當固化劑摻量較大時,漿液速凝特征凸顯,固結(jié)速度加快。故通過調(diào)整固化劑摻量制備出長凝型和短凝型漿液,前者用于地層均勻、滲透系數(shù)小的情況,后者用于巖溶或卵石層等滲透系數(shù)大的情況[3]。

該水庫土壩加固所采用的HXNY-901黏土固化劑以黏粒含量在30%以上的黏土為主要材料,經(jīng)過漿液試驗后得出的黏土水泥比為8∶2,按照水泥用量的15%摻加固化劑,按要求控制水料比;漿液實際用料量為黏土40kg、水泥10kg、水75kg、泥漿結(jié)構(gòu)劑1.5kg;漿液容重為1.64t/m3,泥漿濃度則控制在1.8～2.5g/cm3,失水量不超出20mL,膠體率在35%以上,pH值為8～12。根據(jù)試驗結(jié)果,按照以上施工參數(shù)所得到的防滲墻滲透系數(shù)在1.0×10-5cm/s以下,滲透破壞比降在20以上。

根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》(SL274—2020),帷幕厚度必須根據(jù)設(shè)計灌漿壓力下漿液所產(chǎn)生的擴散寬度確定。在漿液有效擴散半徑取0.5m的情況下,帷幕設(shè)計厚度應(yīng)為1.8m。根據(jù)試驗結(jié)果,黏土固化劑帷幕具備較好的抗化學溶蝕和抗機械破壞水力梯度。

按照水庫最大壩高,其屬于中型壩,灌漿深度應(yīng)按透水率取10Lu進行控制。根據(jù)大壩體質(zhì)剖面及滲透剖面圖,應(yīng)以壩頂或地面與壩肩基巖面間的進尺確定灌漿深度,最大鉆深應(yīng)為44.8m。結(jié)合壩基地質(zhì)條件及滲透穩(wěn)定要求,黏土固化劑灌漿帷幕必須伸入強風化基巖至少2.0m。

3.3 灌漿壓力

結(jié)合壩肩地質(zhì)條件,為防止因灌漿壓力過大而造成土體劈裂破壞,初始灌漿壓力必須控制在0.1～0.2MPa之間,且灌漿深度每增大5.0m,灌漿壓力應(yīng)按0.05MPa遞增。灌漿壓力過小,則漿液擴散半徑達不到要求,相應(yīng)部位帷幕厚度得不到保證,甚至會造成防滲失敗。為此,在正式灌漿前,必須展開先導孔灌漿試驗,確定灌漿壓力合理取值范圍[4]。

4 黏土固化劑防滲施工要點

4.1 施工順序

按照先周邊孔,后中間孔,分序加密的原則,由上至下展開分段防滲灌漿施工。結(jié)合工程實際,先灌注壩軸線下游側(cè)排孔,再灌注壩軸線上游側(cè)排孔,最后灌注中間排孔。

4.2 施工設(shè)備配置及漿液制備

為保證黏土固化劑防滲灌漿施工過程的順利展開,必須配備相應(yīng)的施工及測量設(shè)備,具體而言,需配置2臺鉆機,1～2臺粉碎機,1～2臺泥漿泵,2個高速攪拌桶,1～2臺抽漿泵,2臺水泵,2套灌漿管,1批水管漿管,輔助工具若干。具體使用量及型號、規(guī)格根據(jù)施工進度及灌漿工程量大小確定。此外,還應(yīng)配置2臺壓力表,1～2臺流量計,1～2臺電子稱,2個秒表,2個量杯,1～2把米尺,4個浮標。具體用量根據(jù)施工實際調(diào)配。

在工程所在地采挖紅色黏土,漿液在制漿站集中制備后通過管道輸送至各灌漿點,灌漿前漿液必須過2mm方孔篩;此后按照先稀后濃、逐級變換的原則注漿。漿液水料重量比共分為2.0∶1.0、1.5∶1.0、1.2∶1.0、1.0∶1.0等比級,分別適用于基巖開灌、基巖續(xù)灌和壩身灌注、基巖續(xù)灌和間歇灌注、封孔。

4.3 鉆孔

從左壩肩開始依次向右壩肩編號,并標注出施工次序,其中壩基巖石灌漿孔間距2.0m,土體灌漿孔間距為1.0m。中間段壩體灌漿孔和基巖灌漿孔之間存在部分重疊,待完成下部基巖灌漿后,再展開上部土體灌漿。通過經(jīng)緯儀和皮尺測量相結(jié)合的方式展開孔位放樣,并將實際孔位和設(shè)計孔位偏差控制在10cm以內(nèi)。

4.4 灌漿

水庫土壩壩基及壩身均施作單排孔帷幕,按照5孔3序鉆注,即基巖先鉆注Ⅰ序孔,再鉆注Ⅱ序孔,此后鉆注加密孔等Ⅲ序孔;壩體土層先鉆注Ⅰ序孔,再鉆注Ⅱ、Ⅲ序孔。實際施工過程中,配置數(shù)臺鉆機時,相鄰孔灌注時間應(yīng)錯開至少24h,以保證施工效果。

土壩采用循環(huán)式和純壓式結(jié)合的灌漿工藝,壩身、壩基灌漿壓力分別為0.10～0.15MPa和0.15～0.30MPa。土體段全段灌注;基巖段段長7m以內(nèi)的全段,7m以上的分段灌注。同一段灌注施工期間如出現(xiàn)無回漿、無壓力且吃漿量大的孔,必須間歇灌注,并改用水灰比1.2∶1的濃漿。間歇時間應(yīng)先按照30min確定,如無回漿、無壓力現(xiàn)象仍未改變,則應(yīng)延長至24h以上。

5 施工效果分析

5.1 土體透水率

該水庫1#副壩灌漿帷幕工后4個月采用檢查孔質(zhì)量檢測。按照規(guī)范將檢查孔布設(shè)在帷幕中線處地質(zhì)條件復雜且滲漏嚴重,鉆孔偏斜大,注漿量多等灌漿質(zhì)量控制難度較大的區(qū)域。共設(shè)置了8個檢查孔,依次編號為Jc1～8,布置情況見圖2。土體滲透性通過降水頭注水試驗檢測,巖石滲透性通過“單點法”壓水試驗檢測。

圖2 帷幕檢查孔布置情況(單位:m)

土體檢查孔壓水試驗結(jié)果見表4,其中Jc1和Jc7檢查孔測值未顯示,故不考慮。根據(jù)表中結(jié)果,11個注水試驗段試驗結(jié)果100%滿足設(shè)計要求。防滲加固處治后,壩土體滲透系數(shù)均降至1.0×10-5cm/s以下,巖體透水率也均<10Lu,均達到合計要求。

表4 壩體檢查孔壓水試驗結(jié)果

現(xiàn)場注水試驗、鉆孔壓水試驗及室內(nèi)原狀土樣滲透試驗結(jié)果顯示,該水庫1#副壩灌漿加固后壩體和壩基透水性均明顯降低,表明相應(yīng)壩段帷幕灌漿體已經(jīng)形成,達到了預期效果。

5.2 壩體下游滲水點

灌漿處治前,該水庫1#副壩左壩腳處存在一股流量10L/s的明流,右壩坡和山體接觸帶高程126～140m處存在面積40m2、流量2～3L/s的散浸。灌漿加固后,以上情況均消失。表明帷幕灌漿施工后大壩巖體內(nèi)大部分節(jié)理裂隙得到有效填充,壩基和壩體滲漏通道也得到有效阻隔,防滲效果良好[5-6]。

6 結(jié) 論

工程應(yīng)用結(jié)果表明,黏土固化劑漿液和水泥漿液、水泥黏土漿液、化學漿液等常規(guī)材料相比,漿液初始黏度高,穩(wěn)定性和流動性好,無析水性,膠凝時間易控,且具有較高結(jié)石率,固化后的結(jié)石體滲透系數(shù)可達到1.0×10-6～1.0×10-9cm/s,防滲效果十分優(yōu)異。應(yīng)用黏土固化劑防滲灌漿技術(shù),還能減小水泥用量,黏土料就地取材,施工成本可控。該水庫1#副壩防滲灌漿取得成功后,黏土固化劑防滲灌漿技術(shù)又在水庫其余滲漏壩段得到推廣應(yīng)用。水庫工程運行至今已逾3個自然年,大壩壩體滲漏和壩肩繞滲現(xiàn)象再未出現(xiàn),防滲效果顯著且持久。