晒盐池防渗墙自凝灰浆现场试验及效果评价

李 毅,刘 磊,孙 翔,卢 冰

(1.中国水电基础局有限公司,天津301700;2.南阳市水利建筑勘测设计院,河南 南阳 473000;3.河南灵捷水利勘测设计研究有限公司,河南南阳 473000)

1 概 述

约旦死海低于海平面400 m左右,常年高温少雨,夏季室外温度可高达50℃,水分蒸发快,盐水浓度高,矿物离子多,比重约为1.3。盐水中K+的含量为0.6%,Na+的含量为2.8%,Mg2+的含量为 3.6%,Cl-的含量为17.8%,Ca2+的含量为1.4%。APC钾盐厂位于死海边,该厂晒盐池扩建项目采用从死海中引来高浓度的卤水到盐池中晾晒,以获得不同的产品。为了防止不同浓度盐池中的卤水相互串通影响产品质量,需要对各个盐池之间进行防渗处理[1]。

由于盐水中的Ca2+会污染作为固壁材料的膨润土浆,造成絮凝现象,而且膨润土浆的比重太轻(一般只有1.1左右),在开挖过程中不易保持孔壁稳定;而单独的水泥膨润土自凝灰浆又易受到盐水中Cl-的侵蚀,发生离子交换,在墙体材料中产生孔洞,达不到防渗效果,也满足不了耐久性要求 。所以,为了达到理想的防渗效果,本项目采用了在水泥膨润土自凝灰浆中下设2.5 mm厚高密度聚乙脂膜(HDPE)的组合防渗方式。

在槽孔开挖过程中,自凝灰浆作为悬浮液维持槽孔的稳定性,待它凝固后,确保埋入其中的高密度聚乙烯防渗膜能与之联为一体。自凝灰浆要保证长时间沟槽开挖的稳定性和连续性,同时保证在灰浆还是流体状时,完成高密度聚乙烯防渗膜的贯入安装。虽然自凝灰浆防渗墙自法国软土防渗公司在20世纪60年代开发以来,推广应用很快,但在在高温、盐水环境施工条件下的自凝灰浆防渗墙几乎没有,也没有可供参考的施工方法,因此采用在实验室初步配比满足规范[2～5]的要求下,进行现场生产性试验,以确定合适的配比对现场复杂条件的适应性,并从中选出最符合现场条件的配比作为实际施工时使用,同时通过试验,来验证以下几个方面的问题:

(1)自凝灰浆配比:初步推荐的自凝灰浆比重为1.2,但地下水比重为1.3,灰浆会不会只浮在地下水上面,能否均匀扩散到地下水中,或是灰浆在地下水中发生颗粒分散,丧失了胶凝性,使自凝灰浆不能有效的悬浮开挖出来的颗粒,造成槽孔中的含沙量和孔底泥沙淤积超过规范要求。

(2)外加剂(缓凝剂):盐水中的Cl-具有速凝作用,同时在高温条件下,灰浆的凝固速度加快,但要保证能顺利下膜,又需要较长的凝结时间,缓凝剂的剂量较大,太大量的缓凝剂会不会造成不凝结,或凝结时间太长,自凝灰浆墙不能自稳,需要用额外的方法来支撑开挖好的槽孔。

(3)槽孔固壁灰浆比重:根据经典的槽孔开挖稳定理论,固壁灰浆应该比地下水重,而且槽孔稳定的安全系数要达到1.3左右才合适,但对于本项目,地下水比重高于固壁灰浆,而且地下水位高,计算出来的稳定系数只有1左右,开挖过程中,能否保证孔壁稳定是个问题。同时,灰浆中包含的膨润土材料在配制自凝灰浆时已经受到了水泥中的Ca2+污染,泥饼厚度从2 mm变到12 mm左右,从薄而致密变得疏松多孔。入槽孔后又与盐水中的离子发生交换,形成的泥皮效果到底如何,能否起到良好的固壁效果。

2 选用材料及现场配比特性

2.1 材料

(1)水泥:普通的满足美国材料试验协会标准[2]C150的波特兰水泥或者高熔炉渣水泥都可以使用,本项目采用约旦水泥厂生产的OPC42.5水泥。

(2)水:无论对膨润土泥浆还是自凝泥浆,只能采用淡水。

(3)膨润土:采用印度产的满足美国石油协会标准[3]API SPEC13A要求的钠基高膨胀Ashapura膨润土。

(4)外加剂:通过试验选用的是Fosroc厂的Complast R,主要成分为木质粉璜酸钙,有缓凝、引气、加强塑化性的作用。

2.2 现场配比及初始特性

自凝灰浆采用两步法拌制,先制膨润土泥浆,膨润土浆的配比和特性见表1。

表1 膨润土浆的配比和特性

新鲜的膨润土泥浆膨化8 h后才使用,在膨化期间,为了保证膨润土颗粒均匀的分散到水中,在膨润土浆池底部通入空气来搅动和混合膨润土浆。同时,为了防止高温造成膨润土浆黏度增加过快,对浆池进行了遮盖和通风处理。

经现场检验合格的膨润土浆用泵经过65 mm管径的PVC管道送到自凝灰浆搅拌站,与水泥和外加剂一起搅拌90 s制成合格的自凝灰浆材料。自凝灰浆制好放在一个6 m3左右的开敞箱子中,在箱子中安装泥浆泵循环,以使浆液中的外加剂分散均匀,加强自凝灰浆的塑化性。制备好的自凝灰浆通过泵或水车送到现场放入槽孔中。最后的6组用于不同槽孔中的配比及其还未和槽孔中的盐混合时的特性如表2所示。

表2 现场自凝灰浆配比及新鲜浆液特性

3 水泥膨润土自凝灰浆防渗墙现场试验

3.1 现场试验布置

现场试验选在防渗墙深度最大的的12#盐堤上,墙体深度为16.3m,位置为平行于永久防渗墙向上游1.5 m,分为A1区(0+310～0+325.2),A2区(0+950～0+965.2),槽孔布置见图1、图2。每个区均布三个槽孔T1、T2、T3,槽孔间距 1.5 m,其中T1、T2位于试验区两侧,宽度均为2.8 m,只是一个主抓;T3分布在试验区的中间,宽度为6.6 m,分为两个主抓和一个副抓,主抓长度2.8m,副抓长度1 m。所有试验段的开挖顶高程为-391.7 m,结束高程为-408 m,试验平台高于地下水位2.2 m,开挖过程中地下水位基本恒定。

3.2 试验施工工艺

自凝灰浆墙试验槽主要的工艺流程为:测量放线——开挖导向槽——埋设预制导墙——开挖成槽(注入自凝灰浆)——清孔——顶部添浆。

试验槽的导向槽开挖深度0.8 m,采用反铲开挖,底部用打夯机夯实,人工调平。导墙下设采用预制导墙形式,导墙规格为8 m×0.8 m×0.25 m(长×宽×高),导墙之间采用0.25m和0.23 m宽的两块槽钢反扣进行锁紧,以保证导墙在槽孔开挖过程中的稳定性。两个平行导墙之间的间距为0.45 m,中间用木板和预制铁架支撑。槽孔采用SG35液压抓斗进行开挖,用HR130旋挖钻机钻导孔进行导向,对比较坚硬的结晶盐层用机械抓斗配重凿进行破碎。在开挖的同时,通过65 mmPVC管路把自凝灰浆从制浆站送到槽孔中,以保证孔壁稳定和悬浮开挖材料。

3.3 浆液开挖特性

现场试验于2007-08-05开始,先施工A2区域,再施工A1区域,每个区域都按照T1,T3,T2的顺序施工,共历时20 d。A2T1开挖用时17.2 h,开挖为面积2.8 m×16.3 m,A2T3开挖用时8.7 h,开挖面积为2.8m×16.3 m,A2T2开挖用时18 h,开挖面积 6.6 m×16.3 m。A1T1开挖用时12.7 h,开挖面积2.8 m×16.3 m,A1T3开挖用时为8.7 h,开挖面积2.8 m×16.3 m,A1T2开挖用时17.3 h,开挖面积6.6m×16.3 m。

由于在开挖过程中,遇到了结晶盐层和其他因素的影响,使得自凝灰浆在槽孔中性能发生了很大的变化,为了准确了解浆液在各种情况下的变化情况,在开挖过程中和开挖结束后对槽孔内的浆液特性进行了观测,得到的浆液各项指标见表3、表4。

图1 A1区槽孔布置图

表3 开挖时槽孔中浆液的各项指标

表4 开挖结束时的浆液性质

图2 A2区槽孔布置图

从现场的监测结果可知,开挖深度在8.0 m以上时,不同浆液在不同深度的黏度变化并不是很大,主要还是开挖时间较短,浆液较新鲜,能保证很好的流动性和悬浮性。虽然在8m左右含砂量很大,但对黏度影响不大。到了开挖结束时,孔内的开挖材料基本上都能够悬浮起来,被挖到槽孔外面去。

但由于地层在8 m以下为盐层,而且有两层结晶盐还很坚硬,开挖用的时间较长,浆液中混入了较多的结晶盐和盐水,使得在开挖结束后,不同浆液的黏度情况就有了很大的变化。在此情况下,外加剂用量较多的则能够保持较小的黏度,而少的就容易丧失流动性。其中A1T3虽然只是用了8.7 h的开挖,但由于外加剂只有5.5 L,所以在开挖结束后就凝固了;A1T2用了17 h,但外加剂的用量为8 L,在同样的地质条件下,开挖时间虽然长了1倍,但黏度在开挖结束后还很小。

3.4 清孔后的浆液特性

为了方便下膜,在开挖结束后,需要把孔底的沉淀清理干净,同时补充新鲜浆液,以保证孔壁稳定,还要为下膜留一定的准备时间,所以做试验时在开挖结束后等了1 h,才进行清孔,按槽孔中的相同配比补充新鲜浆液,清孔后的浆液性质见表5。

表5 清孔后的浆液性质

结合表2和表5数据可知,下膜时的浆液黏度在外加剂为8 L时为90 s左右,在外加剂为10 L时为60 s左右。虽然60 s好下膜,但对后续工作影响较大,在浆液黏度为90 s时,下膜可能会有一点阻力。根据经验[6],一般认为浆液黏度为90 s时自凝灰浆将逐步凝固,槽孔内阻力将加大,需要加大下膜时的惯入力。

3.5 顶部添浆的特性

为了掌握好准确的浆液凝固时间以利拆除对下设好的膜的支撑,同时也为了对自凝灰浆清孔后顶部泌水进行置换,以确保槽孔上部的质量和确定初步的材料损耗,需要量测现场的浆液凝结情况。清孔后各孔的凝固时间及顶部补浆量见表6。

表6 清孔后各孔的凝固时间及补浆量

从表6中可以看出,在清孔后12 h,在外加剂为8 L或10 L的情况下,测针还是可以到孔底,对于后续下设HDPE膜时间是足够的,但是顶部泌水严重,需要耗费更多的浆液进行补浆,也不利于预制导墙的尽快拆除。

4 浆液效果评价

4.1 渗透性评价

成槽28 d后,每一片区域在工程师指定的槽孔中央钻孔,用双管钻具取芯,取出的岩芯均匀、连续,没有裂缝或粘接不牢区域,有较明显的同心层理现象。同时,在现场按照工程师指定位置用降水头方式进行渗透性试验,渗透性试验采用“Lefranc”法。同时,对在新鲜浆液和槽孔中的浆液取样,在实验室标准条件下淡水养护,按照土工试验方法进行降水头试验,三种状况下得出渗透系数见表7。

表7 三种状况下试样渗透系数对比表

由表中数据可知,在槽孔内取的样由于混进了盐水和砂等颗粒,渗透系数小于新鲜浆液一个数量级左右,但都＜10-7m/s,满足规范要求。

4.2 强度评价

开挖槽孔过程中,分别取新鲜浆液和槽孔不同深度的浆液,放于实验室养护,选取样本做14 d、28 d无侧限抗压强度,试验结果见表8。

表8 试样14 d、28 d无侧限抗压强度

从表8数据可知,同样的配比,浆液在槽孔凝固了,但新鲜的却不凝固,证明槽孔中的盐速凝作用很明显,并且在同等条件下,新鲜浆液的试件强度比槽孔中的要高。

5 结 论

(1)通过现场试验,最后选用的自凝灰浆配比为947∶253∶7(膨润土浆∶水泥∶外加剂)作为施工使用,在实际施工中这个配比反应良好,基本能达到规范规定的强度、渗透性指标,同时也能够满足下设HDPE膜的要求。

(2)盐水条件下,对自凝灰浆的腐蚀和速凝作用很明显,槽孔中的自凝灰浆强度明显比没有受到盐水腐蚀的强度低很多。

(3)外加剂的剂量远远超过生产说明书上说明的0.8%～1.6%,实际使用基本上重量比在2.5%～3.6%左右。外加剂对自凝灰浆的现场性质影响明显。外加剂用量少了会造成自凝灰浆在槽孔内凝固,无法进行后续的下膜作业;用量过多,则会造成槽孔顶部泌水严重,虽然最后会凝结,但强度增长缓慢,影响下一步施工。因此外加剂的用量需根据现场情况合理调节。

[1] Apc Plant Optimization and Production Expension Projects Solar Ponds-Specification Volume 2[R].Jordanain:Arab Potash Company,2009.

[2] ASTM D2166,Standard Test Method for Unconfined Compressive Strength of Cohesive Soil[S].America:America socity test and material,2000.

[3] Api Rp 13B,Recommended Practice for Field Testing Water-Based Drilling Fluids***Iso AdoptionFrom Iso 10414-1[S].America:America Petroleum Institute,2003.

[4] ASTM D5084,Standard Test Methods for Measurement of Hydraulic Conductivity of Saturated Porous Materials Using a Flexible Wall Permeameter[S].America:America socity test and material,2003.

[5] Api Spec 13A,Drilling Fluid Materials-Specification and Tests[S].America:America Petroleum Institute,2006.

[6] 丛葛森.地下连续墙设计施工与应用[M].北京:中国水利水电出版社,2001:623-638.