復合微密石在建筑物滲漏處置中的適用性研究

于廣斌，肖 雄，賈洪波

(中國安能集團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一步發展，特別是西部及西南地區水電工程建設，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 的第四紀松散堆積物，大多結構松散，巖層不連續，巖性成因復雜且變化較大[1]。在河床深厚覆蓋層上建壩時，由于河床基礎材料存在較多的孔隙，所以必定面臨滲漏的問題。目前，關于水利工程建筑物加固防滲的措施，主要有在臨水一面設置防滲墻技術、灌漿加固技術、土工膜施工技術等。脫云飛等[2]針對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，達到了預期目的。陸健輝等[3]根據長江口軟土地基上水庫堤身結構和堤基地質條件，對滲漏及滲透變形問題提出了3種垂直防滲墻方案，并對這3種方案進行了經濟技術對比，發現高壓擺噴結合旋噴形成防滲墻防滲效果最佳。袁寶遠等[4]通過室內模擬試驗，利用從國外引進的格威系列地質雷達，掌握了相關典型目標物的雷達圖像特征，通過大量的測試分析總結，建立了深部逐步層次測試分析方法。并將此項技術應用到了南門峽水庫壩基的探測中，發現基巖中存在明顯的強滲漏帶，灌漿隧洞右岸局部地方存在破碎帶，這為水庫除險加固工程的設計和施工提供了技術支撐。李延忠等[5]通過分析數據差異，發現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，使其防滲性能得到提升。杜科等[6]對長江中游界牌河段中高灘魚嘴局部護坡沙枕采用的CW-S新型防老化涂層材料進行了試驗，發現該材料可以大幅提高編織袋材料的耐老化性能，強度及柔韌性，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、增設大功率水泵降排水等措施，使防滲墻成墻的質量、進度均達到了設計要求。我國在高分子灌漿材料技術的研究起步相對較晚，聚脲[8～10]、聚氨酯[11～13]、環氧樹脂[14，15]、木質素[16]灌漿材料等的研發與發展也比較慢。

考慮到防滲墻、灌漿加固等技術的施工要求復雜，且成本高，本文選用復合微密石作為研究目標，并對其防滲效果進行討論分析。

2 試驗概況

2.1 材料基本性質

表1為復合微密石基本物理參數，在松裝和密裝的條件下具有一定的差異，復合微密石顆粒的外觀整體呈灰白色，散粒狀，內核為卵石，外層為干燥的、極易吸水膨脹的有機礦物包裹層。其級配曲線如圖1所示，復合微密石顆粒粒徑幾乎全分布在1～10 mm之間。復合微密石是通過化學原理吸水，其外層有機礦物包裹層水化后變得軟黏，當一定量的膨脹顆粒聚集在一起時，顆粒便容易粘連在一起，水化后的復合微密石具有良好的阻水作用，圖2為復合微密石膨脹前后對比圖。

2.2 試驗步驟

2.2.1 試驗場地選址及模型確定

試驗通過改變不同鋪蓋條件并結合試驗所得數據，分析復合微密石的防滲性能及防滲適用性。根據現場場地條件，試驗場地選址于基坑碎石振沖樁施工平臺下游原河床，試驗場地長約20 m，寬約5 m。為滿足試驗要求，分別開挖2個水塘、2個水槽，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。水塘模型內分別用采用黏土和復合微密石防滲鋪蓋；同時，為模擬圍堰滲漏，在2個水槽模型內筑壩，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 復合微密石基本物理參數

圖1 復合微密石級配曲線

圖2 復合微密石膨脹前后對比

對于試驗模型的修建，首先對試驗場地進行整平，此過程為避免破壞原地層，采用人工修整。然后使用挖掘機按照設計尺寸進行水塘和水槽的開挖，此過程機械不能在試驗場地范圍內。之后采用人工對試驗模型進行修整，主要將模型內垃圾清理干凈，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準要求的密實度和均勻性，壩體填筑料應進行碾壓。待每層達到標準密實度后，暫停30 min，取2組試樣進行含水率測量，保證與最優含水率差距在5%以內，再進行下一層土體碾壓，直到壩體高度達到55 cm，停止填筑，圍堰模型筑成。模型保護。為防止試驗場地及模型的破壞，在試驗區設置警示圍欄和警示牌對其進行保護。

2.2.2 試驗流程

2.2.2.1 水塘模型試驗

首先分別向水塘內鋪蓋黏土和復合微密石，其中黏土厚10 cm，復合微密石厚5 cm，黏土鋪設過程需要碾壓密實。當防滲鋪蓋施工完成后，為防止水流高速沖刷，向水塘底部均鋪設5 cm碎石保護層。在模型內埋設水位標尺，為后期測量做準備。向水塘內加水至預定水位后，開始測量水位，并記錄時間。每隔5～10 min進行一次測量，直至流量為零或一段時間內流量變化不明顯。

2.2.2.2 水槽模型試驗

首先向其中一個水槽圍堰前及庫底鋪撒復合微密石厚3 cm，鋪設過程無需碾壓，另外一個水槽為對比試驗組(庫底無防滲措施)。向水塘內加水至預定水位后，開始測量水位，并記錄時間。每隔5～10 min進行一次測量，直至流量為零或一段時間內流量變化不明顯。

3 試驗結果及分析

依照上述試驗步驟進行試驗，針對不同模型條件，研究復合微密石鋪蓋的防滲特性，各模型的設計參數見表2。

表2 復合微密防滲適用性試驗方案

3.1 水塘模型

在試驗過程中，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間的變化如圖3所示。

圖3 水塘模型水深隨時間的變化

從圖3可知，水深隨時間不斷降低，且都是在一開始快速下降，到一定時間后緩慢變化。采用黏土防滲的A1組在前80 min的時間水深下降趨勢明顯，之后水深下降速度減緩，最終水位遠低于試驗初始水位；采用復合微密石防滲的A2組在前20 min的時間，水深呈下降趨勢，之后水深下降速度減緩，在60 min時，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組試驗鋪蓋厚度大于A2組試驗的鋪蓋厚度，但采用復合微密石防滲的A2組試驗的水深一直高于采用黏土防滲的A1組的水深。因為黏土團粒吸水膨脹，土內產生不均勻應力，膠質逐漸溶解，團粒水膜變厚，但防滲性能發揮時間較長。復合微密石在初始水化階段，形成一種緩慢的流量減小趨勢，復合微密石在吸水之后自膨脹，其表面有機包裹層膨脹之后能起到很好的防滲作用，最終滲流量隨時間的變化逐漸減小至不再發生滲漏。

3.2 水槽模型

在試驗過程中，所測水深隨時間的變化如圖4所示。

圖4 水槽圍堰模型水深隨時間的變化

從圖4可知，空白試驗B1組水位下降迅速，在62 min時,水深為0；采用復合微密石防滲的B2組在前10 min的時間內，吸水和滲漏較明顯，導致該時間段水位小幅度下降，從10 min開始，水深基本保持不變。整個實驗過程采用復合微密石防滲的B2組水位一直高于空白試驗B1組水位，且差異明顯，試驗結果表明，對比庫底無防滲措施的試驗組，采用復合微密石的試驗組結果理想，復合微密石表現出優良的防滲效果。

4 結論

試驗通過現場物理模型測試復合微密石作為防滲鋪蓋的抗滲效果，分別設置水塘和水槽圍堰模型進行試驗。通過測量不同條件下模型滲流量隨時間的變化，得出變化曲線，并對復合微密石的鋪蓋性能進行了分析，得出了以下結論。

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

(2)根據對比試驗，可以發現復合微密石在自膨脹狀態下的防滲性能遠強于黏土。

(3)復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生細微的變化，最終滲流量隨時間的變化逐漸減小至不再發生滲漏。

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

(5)復合微密石作為防滲鋪蓋作用時，遇水后表面有機礦物包裹層膨脹軟化，此時水流對它的沖擊作用明顯，應避免水流從其表面快速流動，在流速較大區域應設置一定厚度的抗沖保護層。

(6)整個試驗過程中，復合微密石材料都表現出了良好的防滲效果，試驗所測得滲流量都隨時間呈指數性降低。

復合微密石材料防滲能力強，具有一定的自膨脹性、自密性和自愈性，且復合微密石作為防滲體的施工不受雨季的影響，下雨時可照常施工。同時這種防滲料也可以在水下澆筑。因此在抗洪搶險施工，人工湖防滲處理方面具有很強的適用性。復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、防滲效果佳的優點，使得復合微密石的應用面很廣泛。