复杂地基处理中化学灌浆及质量控制的研究

刘安荣,陈秋华,李 根,祁亚丽,曹传波

(1.河海大学水利水电工程学院,江苏 南京210098;2.中国水电顾问集团 成都勘测设计研究院,四川成都610072)

0 引 言

目前,在我国西南地区的高坝大库建设中,常常遇到断层破碎带、软弱泥化夹层、动水等复杂地基。对其进行洞井混凝土置换处理,往往规模大、施工工序复杂,并且洞井的开挖对周边岩体造成不同程度的的损伤破坏,对工期也有制约。化学灌浆具有较好的加固和防渗堵漏的效能。在复杂地基处理中采用化学灌浆取代混凝土置换,有时也可达到工程要求。例如,在我国已成功应用化学灌浆解决了三峡、龙羊峡、李家峡等百米以上高坝的复杂地基工程难题。但是,化学灌浆是一项复杂的技术,故对化学灌浆进行研究具有重要的意义。

对化学灌浆效果的影响因素主要有地质条件、浆材种类和性能、灌浆压力、胶凝时间、灌浆历时、浆液扩散半径等。在灌浆中,这些因素既相互联系又相互制约。笔者在搜集有关资料的基础上,结合锦屏一级水电站复杂地基处理中所进行的f 5断层化学灌浆试验,来对这些质量影响因素进行分析与探讨。

1 化学灌浆浆材的种类与特性

目前,化学灌浆所用浆液种类繁多,工程中常见的几种化学浆液有水玻璃类浆液、丙烯酰胺类、聚氨酯类、环氧树脂类、甲基丙烯酸脂类、丙烯酸盐类、木质素类等。

化学浆液为溶液,粘度低,可灌性好,可通过浸润渗透(吸渗)的流动规律灌入细微裂隙;凝固时间可控制,几秒至几十小时内均可调节;固结体可以是补强用的塑料体、或止水用的凝胶体等,可以满足工程的多种要求。例如,中化-789(属环氧树脂类)可灌性好,可灌入渗透系数10-6～10-8cm/s的软弱地层中,使抗力体固结强度达到50～80 MPa。

2 化学灌浆需要控制的技术参数的研究

化学灌浆需要控制的技术参数的研究就是根据具体的地质条件和浆液在裂隙中的流动规律,调整和控制各灌浆参数,使灌浆质量达到最高水平。

2.1 地质条件

地基岩石的结构构造,颗粒组成和矿物成分及其中水的运动情况和化学成分对浆液的凝固有着明显的影响。化学浆液注入地基,在地基中渗透、充填、压密岩体裂隙,使其起到加固、防水的作用。这种作用不仅与凝胶本身的性质和强度有关,而且和被灌地基的特性有密切的关系。在某些情况下,较高强度的化学浆液注入地基后却长期不胶凝。如美国肯塔基州布诺雷隧道的灌浆加固工程由于疏松的粗砂层富含铁质导致浆液长期不胶凝[1]。

对于某些软弱岩层和含有易溶矿物的岩层,如富集在节理、断层和层间挤压错动带中的绿泥石、泥灰石等,遇水可能会膨胀、崩解或软化,失去力学强度或发生溶滤。在这些岩层中灌浆,需考虑少用或不用水灰比过大的稀浆和析水性强的缩聚型浆液。

水的酸碱度(氢离子浓度)对浆液的性能影响较大。碱性地下水能够缩短胶凝时间,但对固体的强度影响不大;酸性地下水可以延缓胶凝时间而且对固体的强度影响较大[1]。

故需加强化学灌浆工程现场的地质勘探和调查工作。

2.2 浆材的性能指标

浆材的基本性能指标有密度、粘度、胶凝时间、聚合体和固砂体的力学强度等。化学灌浆材料种类繁多,在此以用于锦屏一级水电站f 5断层试验区的JX环氧树脂系列浆材[2]为例,对化学灌浆浆材性能进行分析探讨。

试区内f 5断层破碎带宽1.0～1.5 m,主要由碎裂岩、角砾岩夹少量糜棱岩条带组成,散体结构,为Ⅴ级岩体。JX环氧树脂系列配方,具有可灌性好、强度高、粘结力强、毒性低等特性,试验中用到的3个配方其各项性能指标有所差异,见表1。在灌浆之前,必须对所选浆材的性能进行指标测定,在满足工程技术要求的前提下,选择最优配比组合。

表1 JX环氧树脂系列浆材性能试验成果

2.3 灌浆过程的控制

2.3.1 配浆的控制[3]

配浆是化灌工序的第一步,对灌浆效果有直接的影响。要求配浆人员掌握配方中各成分的性能和作用,严格按比例精确称量。浆液配置应根据注入量大小,遵循少量多次随灌随制的原则,不得一次配置大量浆液存放,以防止浆液存放时间过长造成浆液黏度增大或发生暴聚影响灌浆效果和浆液浪费。浆液要给予一定时间的均匀搅拌,这样才能使微量组份均匀地分布在整个体系中。另外,在配浆中出现的废料要处理妥当,以防造成环境污染。

锦屏化灌试验中配浆采用体积称量法,将甲、乙两种浆材按体积比例称量好分别盛放于不同容器内,按先甲液后乙液的顺序依次加入到低速搅拌机内,搅拌3 min～5 min,混合均匀后加入灌浆桶,供灌浆使用。

2.3.2 灌浆参数的控制[3～5]

灌浆参数是影响灌浆效果的最重要因素之一。主要的灌浆参数有灌浆压力、扩散半径或有效扩散距离、胶凝时间、灌浆历时等,这些参数之间相互联系相互制约,如何调整和控制这些参数,使灌浆能够最大限度的满足工程要求,是灌浆过程控制的追求目标。锦屏化灌试验采用自上而下分段、孔口封闭、纯压式灌浆法。以下对各灌浆参数展开探讨。

2.3.2.1 浆液扩散半径或扩散距离

浆液扩散半径或扩散距离随地层渗透系数、裂隙宽度、灌浆压力、灌浆历时的增大而增大,随浆液浓度和黏度的增加而减少。其值可根据理论公式和工程类比法进行估算,但由于工程地质的不同性,通常通过工程试验确定。为了控制浆液能够达到预期的地方胶凝,既不超出也不小于预期范围,常常需进行不同配比浆液的变换。

锦屏化灌试验中灌浆孔按逐序加密的原则布置,Ⅰ序孔孔距2.0 m、Ⅱ序孔孔距1.0 m。以JX-D为基本灌注浆液,当JX-D浆液注入浆量达到60 L/m,且灌浆压力未达到设计压力时变换为JX-C浆液继续灌注。若变浆为JX-C后,灌浆压力仍未升至设计压力且注入率无明显变化,注入浆量已累计达80 L/m,变换为JX-B浆液继续灌注。

2.3.2.2 灌浆压力

灌浆压力是浆液在地层中扩散的动力,灌浆压力过大,易引起裂缝变形和地基抬动,破坏地基原有的内部构造。灌浆压力过小,不一定能达到要求的扩散半径。灌浆压力要综合考虑其它各项参数,在允许的压力范围内及时调整。在锦屏化灌试验中灌浆压力要求逐渐升高并达到该孔段设计压力,当注入率≥0.1 L/(min·m)时,适当降低灌浆压力,注入率≤0.05 L/(min·m)时,适当升高灌浆压力,灌浆注入率控制在0.05 L/(min·m)～0.1 L/(min·m)。

2.3.2.3 灌浆历时和胶凝时间

灌浆历时指浆液从灌浆孔开始,沿裂缝向四周做径向扩散到要求范围内所用的时间,是确定胶凝时间的依据,其长短影响工程质量和进度。胶凝时间是浆液固有的特性,根据工程的不同需要,在浆液中加入适量的速凝剂、缓凝剂等附加剂来调节胶凝时间。

锦屏化灌试验中灌浆历时是在设计灌浆压力下,注入率小于或等于0.01～0.05 L/(min·m)后持续灌浆30 min。浆液胶凝时间见表1。

2.4 锦屏一级水电站f 5断层带化学灌浆效果

化学灌浆后,f 5断层带透水率最大值0.31Lu;单孔声波波速由灌前2 400～2 700 m/s提高到灌后4 500～5 000 m/s,提高幅度约80%;孔内变形模量由灌前0.2～0.5 GPa提高到灌后的2.5～3.5GPa。这些数据表明,选用JX环氧树脂浆材对f 5断层带进行化学灌浆,岩体渗透性、物理力学参数都得到较大程度的改善。

3 结 语

做好工程地质条件的实际调查,根据灌浆目的,选用相适应的浆材;认真做好浆材的性能测试,选择最优配方组合;综合考虑各个灌浆参数之间的相互制约关系,采用最优参数组合及严格控制灌浆过程来对断层破碎带、泥化构造等复杂地基进行处理,往往能够达到工程所要求的防渗、固化目标。其取代开挖置换处理,节约工期,减少工程量和工程投资。

[1]张迎珍.地质条件与化学灌浆[J].山西教育学院学报,2000,3(4):25-26.

[2]中国水电顾问集团成都勘测设计研究院.锦屏一级水电站左岸f 5断层及煌斑岩脉软弱岩带化学灌浆试验第一阶段评价报告[R].成都:中国水电顾问集团成都勘测设计研究,2008.

[3]王保欣,于艳芳,等.化学灌浆及质量控制问题的研究与探讨[J].西北水电,2006,(4):90-93.

[4]葛家良.化学灌浆技术的发展与展望[J].岩石力学与工程学报,2006,25(增2):3384-3392.

[5]刘嘉材.化学灌浆[M].北京:中国水利水电出版社,1988.