水庫土壩工程中黏土固化劑防滲灌漿技術的應用

廖會文,黃飛翔

(江西省水利水電建設集團有限公司,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。此類常規工藝水泥用量大,處治成本高;水泥漿液對環境存在一定程度污染。近年來出現的黏土固化劑防滲灌漿技術通過在水泥和黏土混合體內摻加黏土固化劑,減少水泥用量的同時,使漿液性能得到改良和優化,無毒無害,對環境友好。文章依托具體水利工程,對黏土固化劑防滲灌漿技術在壩體及壩基防滲加固中的應用展開分析,以期為黏土固化劑防滲灌漿處治技術的推廣應用提供參考。

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、養殖等功能。工程主要包括主壩、副壩及放水建筑物。因建設年代較早,建造質量較差,再加上長期缺乏養護,主副壩壩體壩基表現出不同程度的滲漏,亟待加固養護。

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,節理裂隙發育。均質土壩壩身就地取材,以兩岸山坡砂巖、灰巖、頁巖風化殘積土為主要土料,塊石含量高,填筑塊結合及密實度差,空隙大。調查發現,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、地下水等環境污染大。

2.2 套井沖抓回填(方案2)

結合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象。如果采用套井沖抓回填防滲方案,沖抓難度及施工質量控制難度均較大,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]。以上反應中將材料間游離的自由水分大量消耗,并對水泥水化反應起到助推作用,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出吸水性,凝固后生成高強度水化結晶和膠凝體[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節灌漿材料配合比加以控制,便于提升施工質量。

該處治方案水泥消耗量小,施工成本低,漿液無毒,對地表水、地下水及周圍環境無污染;漿液具有較好的可泵性和穩定性,凝結時間易于控制;結石體強度高,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,防滲效果優良,經濟效益和環境效益凸顯。

3 黏土固化劑防滲方案設計

3.1 孔位布置

根據水庫1#副壩滲漏位置、滲流量大小、地質條件、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的上游側和下游側,且2排灌漿孔軸線均平行于壩軸線。孔距1.5m,排距1.0m,按照梅花形布設。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

結合試驗結果,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,固結速度加快。故通過調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、滲透系數小的情況,后者用于巖溶或卵石層等滲透系數大的情況[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、泥漿結構劑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。根據試驗結果,按照以上施工參數所得到的防滲墻滲透系數在1.0×10-5cm/s以下,滲透破壞比降在20以上。

根據《碾壓式土石壩設計規范》(SL274—2020),帷幕厚度必須根據設計灌漿壓力下漿液所產生的擴散寬度確定。在漿液有效擴散半徑取0.5m的情況下,帷幕設計厚度應為1.8m。根據試驗結果,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,灌漿深度應按透水率取10Lu進行控制。根據大壩體質剖面及滲透剖面圖,應以壩頂或地面與壩肩基巖面間的進尺確定灌漿深度,最大鉆深應為44.8m。結合壩基地質條件及滲透穩定要求,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

結合壩肩地質條件,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。結合工程實際,先灌注壩軸線下游側排孔,再灌注壩軸線上游側排孔,最后灌注中間排孔。

4.2 施工設備配置及漿液制備

為保證黏土固化劑防滲灌漿施工過程的順利展開,必須配備相應的施工及測量設備,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、規格根據施工進度及灌漿工程量大小確定。此外,還應配置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。具體用量根據施工實際調配。

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、基巖續灌和壩身灌注、基巖續灌和間歇灌注、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。通過經緯儀和皮尺測量相結合的方式展開孔位放樣,并將實際孔位和設計孔位偏差控制在10cm以內。

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,配置數臺鉆機時,相鄰孔灌注時間應錯開至少24h,以保證施工效果。

土壩采用循環式和純壓式結合的灌漿工藝,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以內的全段,7m以上的分段灌注。同一段灌注施工期間如出現無回漿、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。間歇時間應先按照30min確定,如無回漿、無壓力現象仍未改變,則應延長至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個月采用檢查孔質量檢測。按照規范將檢查孔布設在帷幕中線處地質條件復雜且滲漏嚴重,鉆孔偏斜大,注漿量多等灌漿質量控制難度較大的區域。共設置了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果見表4,其中Jc1和Jc7檢查孔測值未顯示,故不考慮。根據表中結果,11個注水試驗段試驗結果100%滿足設計要求。防滲加固處治后,壩土體滲透系數均降至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果

現場注水試驗、鉆孔壓水試驗及室內原狀土樣滲透試驗結果顯示,該水庫1#副壩灌漿加固后壩體和壩基透水性均明顯降低,表明相應壩段帷幕灌漿體已經形成,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大部分節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 論

工程應用結果表明,黏土固化劑漿液和水泥漿液、水泥黏土漿液、化學漿液等常規材料相比,漿液初始黏度高,穩定性和流動性好,無析水性,膠凝時間易控,且具有較高結石率,固化后的結石體滲透系數可達到1.0×10-6～1.0×10-9cm/s,防滲效果十分優異。應用黏土固化劑防滲灌漿技術,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又在水庫其余滲漏壩段得到推廣應用。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象再未出現,防滲效果顯著且持久。