黄庄水库大坝基础帷幕复合灌浆试验

方丽君

(万年县河道堤防管护中心,江西 上饶 335500)

0 引 言

水利水电工程通常采用灌浆方式构筑防渗帷幕以起到加固坝、闸、堤等基础的效果,水泥浆液灌注加固效果受基岩裂隙宽度的影响较大,结合相关研究成果,水泥浆液内水泥颗粒细度只有达到裂隙宽度的1/3～1/5,才能较好填充裂隙,但一般的水泥浆液细度很难达到。化学浆液因属于溶液类型,不存在颗粒离析问题,能较好入渗至基岩微裂隙结构中,但因其成本高,污染环境,应用范围受到很大限制。水泥-化学复合灌浆技术可将传统的水泥灌浆和化学灌浆工法有机结合,通过灌浆流程的改进,充分发挥两种灌浆技术的性能优势,提升水利水电工程灌浆加固效果。

1 工程概况

黄庄水库位于余江县北部信江河下游右岸一级支流黄庄河主支上游,黄庄乡东源村小毛家附近,距离余江县城约35km。本次水库除险加固设计按《防洪标准》和《水利水电工程等级划分及洪水标准》的规定对水库现状进行复核,确定坝顶高程为58.3m,正常同水位53.18m,相应库容846×104m3;设计洪水位55.65m,相应库容1304×104m3(P=2%);校核洪水位56.85m,相应库容1543×104m3(P=0.1%)。该水库大坝基础柱状节理玄武岩和层间错动带发育,岩体微裂隙多,基岩完整性差,且柱状节理基本为闭合状态,缺乏可灌注性。

左右岸帷幕灌浆轴线长316.4m,孔轴线与混凝土防渗墙轴线重合。坝体内大坝防渗帷幕中心线与拱坝轴线近乎平行,而坝头处帷幕中心线则发生弯折,在大坝左右岸分别设置6条灌浆平洞,便于大坝浇筑至设计高度后展开帷幕灌浆;各层灌浆平洞间的高差位于35.1～74.2m之间。

为了解帷幕灌浆施工后层间构造错动带和节理裂隙强度、刚度的提升程度,明确相应的岩石力学参数,掌握弱风化岩体可灌注性及灌浆材料性能,分析复杂地质条件下水泥-化学复合灌浆防渗处理效果,为该水库拱坝建基面防渗性能优化及坝基基础灌浆设计提供依据,必须展开灌浆试验。

2 试验材料

水库大坝基础帷幕灌浆试验主要采用湿磨细水泥灌浆材料,水泥采用80μm方孔筛筛余量在5%以内的P.O42.5普通硅酸盐水泥,将0.5∶1的普通水泥浆湿磨3次以上,达到设计细度后调配至设计浓度,经由搅拌机拌制均匀后在2h内用完。

采用由新型环氧树脂、增韧剂、稀释剂、固化剂等组成的CW系双组分化学灌浆材料,该材料制备简便,力学性能及可灌注性均较好,在干燥环境和潮湿环境下均能较好固化。该化学灌浆材料配比及性能见表1。根据表中试验结果,CW511型灌浆材料和CW512型灌浆材料均具有较高的力学性能;总体而言,CW511材料可操作时间和初凝时间均较长,对细小裂隙及泥化夹层浸润、渗透等较为适用;CW512型灌浆材料在A组分:B组分为6∶1的情况下,可操作时间适中,对较大裂隙适用;而A组分:B组分为5∶1和4∶1时,可操作时间短,仅适合展开封堵施工[1]。

表1 CW系双组分化学灌浆材料配比及性能

CW系双组分化学灌浆材料中A组分和B组分分别为基液和固化剂,首次配浆时按照A组分:B组分=6∶1制备CW511灌浆材料,配制量应略微超出管路及钻孔占浆,此后配制量则根据吸浆量决定;当注入率在0.3kg/min以上时一次需配浆14kg;当注入率不足0.1kg/min时,需一次配浆3.5kg。配浆及灌浆必须在冷却环境下,确保浆液入孔温度不超出30℃。灌浆前必须推算出合理的管容范围,开启回浆阀后通过对填充孔管容的观察以判断是否漏浆。

3 试验方法及过程

3.1 总体要求

以XY-2型地质钻机为主要钻孔设备,并使用金刚石钻头或硬质合金钻头钻进,为加强钻孔偏差控制,应对孔口段10m以内的钻区测2次孔斜,对孔口段10m以下的钻区每间隔10m进行一次孔斜测量。孔口管采用φ89mm的无缝钢管,管长露出底板10cm后通过丝扣连接。每个灌浆段钻孔结束后冲孔并展开压水试验,为简化工序,裂隙冲洗可与简易压水同时进行,时间应控制在20min以上,并根据最终值展开透水率计算[2]。

复合灌浆试验开始前,必须施作先导孔,通过钻孔电视对先导孔钻进全景成像后分段压水,根据成像结果推断裂隙发育程度及深度,并使用分段卡塞展开岩层渗水量测量。复合灌浆试验由上至下分段进行,水泥灌浆和化学灌浆分别采用孔口封闭循环灌浆和阻塞纯压灌浆技术。灌浆前如果简易压水透水率在1.0Lu以上,则应展开湿磨细水泥灌浆,此后再进行扩孔化学灌浆;灌浆前如果压水透水率不足1.0Lu,则直接进行化学灌浆。

若湿磨细水泥灌浆注入率在3.0kg/m以下,则应直接扩孔至76mm孔径并展开化学灌浆;如果湿磨细水泥灌浆注入率超出3.0kg/m,则必须待凝12h再扩孔至76mm后化学灌浆。

3.2 磨细水泥灌浆

为节省化学灌浆材料,提升灌浆效果,对于大裂隙、大孔洞区域通常采用湿磨细水泥循环式灌浆,其中,第1段实行常规阻塞灌浆,阻塞器主要设置在与基岩面相距50cm的混凝土结构内;第2段及以下各段则按照小口径钻孔、孔口封闭的原则由上而下分段灌浆。水灰比按照5∶1、3∶1、2∶1、1∶1、0.5∶1等级次确定,并使浆液浓度从稀至浓逐级递增。包括磨细水泥灌浆和化学灌浆在内的复合灌浆试验压力确定情况见表2。

表2 复合灌浆试验压力确定

复合灌浆期间必须频繁转动射浆管,并将回浆管内回浆量保持在15L/min以上,避免因孔内浆液凝固而影响灌浆效果。在进行水灰比1∶1的稀浆灌注时,应每隔10～15min转动1次钻杆;在进行水灰比<1∶1的浓浆灌注时,应间隔3～5min转动1次钻杆。如发现钻杆转动困难,则应在30min内实施大循环处理[3]。

在由上至下分段灌浆过程中,在最大设计压力下,灌浆段注入率低至1.0L/min以下后,继续灌注1h即可结束灌浆。如果注入率存在较大波动,且始终达不到结束标准,则应采取应急方案中较低的灌浆压力和调整后的浆液配比,若湿磨细水泥灌浆注入率降低至3.0kg/m以下,则可直接进入下一工序。

3.3 化学灌浆

以压力流可调节,工作性能稳定,体积小,质量轻的CW110-5.0/800型化学灌浆泵为主要试验设备,浆液流量及灌浆压力均可自动调控。试验开始前应根据具体工况及施工工艺要求,提前设定灌浆压力等参数值,试验开始后可根据灌浆压力的变化对浆液流量展开自动调整。灌浆压力及浆液灌注量等参数均会实时显示。

试验开始后由上至下分段灌浆,孔内则采用阻塞纯压式灌浆工艺,以高压灌浆气压塞为阻塞器,阻塞前还必须在孔外试压,保证管道无渗漏。孔内阻塞结束后化学灌浆前,通过压缩空气将孔内积水全部吹出。具体而言,在空压机上连接进浆管,借助压缩空气使孔内积水从会浆管口排除,期间应间歇性启闭空压机,增强排水效果。当回浆管口出水量接近0时将进浆管与化学灌浆泵连接,展开化学灌浆。

化学灌浆过程中应逐级升压、慢速浸润,根据工程地质条件及具体安排逐段确定灌浆压力,分4级慢速升压,初始压力应控制在最大灌浆压力的30%左右,以后各级压力分别控制在最大灌浆压力的50%、100%、125%。

灌浆期间必须密切关注压力表和注入率读数,待灌浆压力接近设定泵压后灌浆泵会自动进入间歇式灌浆状态,注入率随之降低;待注入率持续60min<0.1kg/min时应将压力升高一级。按照相同操作,逐步将灌浆压力升高至最大设计压力。待达到结束灌浆标准后应屏浆60min,并关闭进浆回浆阀,等压力表读数自动归零后向注浆管内注入水泥浆液,待管内化学浆液全部置换后拔管清洗[4-6]。

化学灌浆试验期间,为确保浆液具备良好的可灌注性,必须按照8～10h的时间间隔检查孔内浆液黏稠度,如果黏稠度变大,必须置换处理。待完成每段灌浆任务后,在综合考虑地质条件、吸浆量、胶凝材料性能的的基础上确定待凝时间。

采用A组分∶B组分=6∶1的CW511型环氧树脂灌浆材料展开充填管孔容及屏浆,待压力升速减缓或持续超出4h无压力变化时,应改为A组分∶B组分=5∶1的灌浆材料;如果出现压力值位于1.0～1.5MPa之间,但注入流量超出0.5kg/min的严重不匹配情况,应变浆为A组分∶B组分=6∶1的CW512型灌浆材料。

在试验段最大设计压力下,当注入率降至0.02kg/min以下,应待达到胶凝时间或继续灌注30min后结束段落灌浆。因受到高水头作用,部分试验孔段发生涌水的可能性较大,对于此类孔段应适当延长待凝时间。结束化学灌浆试验后,应使用水泥浆置换孔段内化学灌浆材料,以便后续扫孔施工的顺利展开。具体而言,待相应孔段化学灌浆结束且压力表读数自然归零后,将水灰比为0.5∶1的水泥浆液压入孔内,屏浆60min后拔除灌浆塞待凝12h。完成浆液置换后,将阻塞器拔除,使用清水冲洗进浆和回浆管路,再使用清洁剂清洗阻塞器和接头。对于堵管的情形,应通过化学灌浆泵将清洗剂压入管道循环冲洗[7-9]。

结束灌浆后,还应通过水灰比0.5∶1的水泥浆液置换灌浆孔内积水,并全孔灌浆封孔。

4 试验结果

4.1 湿磨细水泥灌浆结果

黄庄水库坝基河床14#坝段共进行了16段湿磨细水泥灌浆试验,长度48m,浆液注入量为5.21kg/m,其中仅2个试验段注入量超出10kg/m,1个试验段最大注入量达到31.9kg/m,3个试验段注入量为0kg/m;以上特殊试验段在总试验段中占比37.5%。结合各试验段单位注入量取值及变动趋势,湿磨细水泥灌浆对于该地质条件复杂地层而言可灌注性差,岩层基本不吃浆。

4.2 化学灌浆结果

该坝段共设置147个化学灌浆试验段,总长640m,化学浆液平均灌注量为32.47kg/m,其中Ⅰ序孔和Ⅱ序孔单位注入量均值为49.64kg/m和16.23kg/m。Ⅰ序孔和Ⅱ序孔单位注入量在50kg/m以下的试验孔数在总试验孔数中占比66.48%和90.25%。可见,随着灌浆过程的推进,水库大坝基岩裂隙逐渐灌注密实,灌注效果也逐渐提升。

结合以上试验成果,在该水库大坝基础帷幕复合灌浆试验区域设置质量检测孔,其中J01、J02检测孔位于溢洪道左岸,J03、J04孔位于溢洪道右岸。对各孔展开五点法压水试验及孔内录像、声波检测,检测结果见表3。根据表中结果,该试验段经过化学灌浆后,检测孔压水全部符合要求,也说明该试验所采用的CW环氧材料能较好入渗至水泥浆液无法到达的细微裂隙,并能较好黏结破碎岩体与碎屑。该坝段复合灌浆前后声波波速检测结果也表明,坝段经化学灌浆后,声波波速提升明显,坝基围岩均质性和承载力均显著提升,整体强度得到增强,基岩裂隙灌注密实,防渗能力明显增强[10]。

表3 水库大坝基础帷幕复合灌浆试验后的质量检测结果

5 结 论

综上所述,面对黄庄水库大坝基岩经过若干次普通水泥灌浆后局部区域防渗性能仍无法满足设计要求的情况,对坝基河床14#坝段展开水泥-化学复合灌浆试验,试验质量检测结果显示,所采用的CW环氧树脂化学灌浆材料对大坝基岩裂隙发育、层间错动等特殊地质条件较为适用,渗透性及可灌注性均优良,并能快速提升基岩整体性和均质性。该灌浆方案在黄庄水库其余坝段除险加固工程中得到推广应用,取得了较为理想的防渗加固效果。