納米復(fù)合水泥基動水注漿材料試驗與工程應(yīng)用

陳志軍

(遼寧水利土木工程咨詢有限公司，遼寧 沈陽 110000)

我國是一個多山的國家，且具有十分廣泛的巖溶分布，據(jù)測算，可溶巖的面積約占1/3。在巖溶地質(zhì)環(huán)境下，地下動水地質(zhì)災(zāi)害成為影響當(dāng)?shù)氐叵鹿こ探ㄔO(shè)發(fā)展的瓶頸。顯然，在地下動水治理過程中不僅需要堵水能力較好的材料，還需要科學(xué)合理的施工工藝進(jìn)行堵水工程。本文結(jié)合國內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域的研究成果，采用納米水泥基動水注漿材料，力求在地下工程動水治理中取得良好的封堵效果，以期對相關(guān)工程具有一定的借鑒價值。

1 試驗材料

1.1 水泥

水泥基—水玻璃雙液注漿材料所用的水泥采用的是PO.425普通硅酸鹽水泥，其物理力學(xué)性能見表1。選用普通硅酸鹽水泥是由于雙液材料的凝膠時間極短，不會產(chǎn)生嚴(yán)重析水現(xiàn)象，同時這種水泥成本較低，具有顯著的經(jīng)濟優(yōu)勢[1]。

表1 試驗用水泥物理力學(xué)性能指標(biāo)

1.2 高效減水劑

在當(dāng)前工程領(lǐng)域，常用的減水劑有三聚氰胺減水劑、苯系高效減水劑等多種減水劑，但上述減水劑均有缺陷[2]。因此，本次研究擬選用JSS高效減水劑。該減水劑具有良好的減水效果，分散性好，同時摻量較低，對周邊環(huán)境影響小，其性能指標(biāo)見表2。

表2 自制減水劑性能指標(biāo)

1.3 早強劑

試驗中選用VT早強劑，是一種無機鹽類早強劑，在常規(guī)條件下屬于白色粉末，化學(xué)性質(zhì)比較穩(wěn)定[3]。

1.4 納米材料

本次試驗選用納米二氧化硅，它是一種具有較高火山灰活性的無定形物質(zhì)，具有十分強大的表面吸附力，在促進(jìn)水泥水化和提升其耐久性方面具有重要作用，其基本性能見表3[4]。

表3 納米材料基本材料

1.5 抗分散劑

抗分散劑的主要作用是不破壞水泥其他理化性能的前提下，對水泥漿液起到增粘和絮凝效果。本次研究選用QM纖維素類抗分散劑，其在常溫下為白色粉末，易溶于水，分子量約為30萬。

2 試驗方法

在注漿材料確定后，材料配合比就成為影響注漿效果的主要影響因素。因此，在本次研究中依據(jù)相關(guān)研究成果和實際施工經(jīng)驗，采用正交法進(jìn)行材料配合比試驗[5]。本次試驗中需要考慮的因素有水灰比、減水劑、早強劑、納米材料和抗分散劑，在保證試驗結(jié)果科學(xué)性與可靠性的基礎(chǔ)上，選用正交法適當(dāng)精簡試驗次數(shù)以縮短試驗時間。

表5 正交試驗結(jié)果

結(jié)合該領(lǐng)域相關(guān)學(xué)者的研究結(jié)論，注漿材料主要考慮因素有水灰比(A)，減水劑含量(B)，早強劑含量(C)，納米材料含量(D)，抗分散劑含量(E)。對上述五個因素分別設(shè)置四個不同的配比水平，共得到16組試驗，詳見表4。

表4 基于正交法的影響因素水平設(shè)計表

3 試驗結(jié)果與分析

根據(jù)正交試驗設(shè)計組合，對納米水泥基動水注漿材料的初始流速、可泵期、凝結(jié)時間及結(jié)石體的強度分別進(jìn)行測試，結(jié)果見表5。

由表5的數(shù)據(jù)可知，納米水泥漿液的初始流動速度會隨著水灰比的減小而減小，同時初凝時間也有所縮短，但抗壓強度有所增大，對留存率的影響并不明顯；當(dāng)減水劑含量增加時，初始流動速度也會有較為明顯的加大，同時初凝時間延長，但對漿液的抗壓強度和留存率等其他屬性影響并不明顯；早強劑的加入可以縮短初凝和終凝時間，明顯提高24h抗壓強度，對其他屬性沒有明顯影響；納米材料的加入可以有效提升抗壓強度，同時改善不易沖散性；QM纖維素最主要的作用是提高漿液的留存率，對漿液的其余屬性影響不明顯。

結(jié)合試驗數(shù)據(jù)和分析結(jié)果，優(yōu)選出四種不同配比的納米水泥注漿材料方案，具體結(jié)果見表6。為了表示方便，文中以方案1、方案2、方案3、方案4表示四種優(yōu)化方案。

表6 注漿材料優(yōu)選配合比方案

4 工程應(yīng)用實踐

4.1 工程背景

勝利水電站位于新賓縣勝利村境內(nèi)的蘇子河上，是一座以發(fā)電為主，兼具防洪、養(yǎng)殖等綜合效益的大型水利樞紐工程[6]。電站的引水隧洞進(jìn)水口布置在左岸壩前，為岸塔式進(jìn)水口。在引水隧洞開挖過程中，掌子面底部有小部分涌水，開挖繼續(xù)進(jìn)行后，地面便產(chǎn)生大量涌水，嚴(yán)重影響施工。有項目工程資料可知，該段為泥灰?guī)r、泥質(zhì)白云巖地質(zhì)，由于開挖面位于地下水位以下，且圍巖不穩(wěn)定，急需處理涌水。在施工過程中，根據(jù)鉆孔揭示的涌水情況，實施了水泥-水玻璃雙液注漿，但效果不理想。因此，擬采用納米水泥基動水注漿材料進(jìn)行封堵施工。

4.2 施工方案

通過現(xiàn)場分析，注漿管長度過短，漿液不容易被注入，而隨著注漿壓力的增大，孔口連接處也容易脫落。此外，由于納米水泥漿液凝結(jié)較快，孔口裂隙會很快被漿液封堵，不利于堵水效果的發(fā)揮。鑒于上述情況，本次注漿采用長度為2.5m的注漿管。

根據(jù)相關(guān)施工經(jīng)驗[7]，注漿孔的孔徑選擇為50mm，采用氣動鑿巖機進(jìn)行鉆進(jìn)。根據(jù)前期鉆孔探查結(jié)果，在鉆孔上從右邊墻腳、掌子面以及左邊墻腳實施斜向鉆孔，間距設(shè)定為1m，孔深為3m，如果鉆到4m仍未出水，則停止鉆孔。

鉆孔完成后，對有噴水的孔進(jìn)行注漿管安裝，在管口和注漿管的連接處設(shè)置球閥開關(guān)。根據(jù)注漿管與孔口之間間隙和孔內(nèi)水壓的大小，在注漿管外纏繞一定厚度的面紗，可以起到固定和止?jié){的雙重作用[8]。

4.3 注漿施工工藝

在動水封堵中，注漿材料的確定應(yīng)該考慮如下因素：一是巖體的特性；二是水流的大小，根據(jù)上述因素對注漿的擴散范圍和加固強度進(jìn)行分析判斷，并最終確定注漿材料。根據(jù)本次施工中強度要求高、制漿站距離較遠(yuǎn)等實際情況，確定采用方案2和方案3交替注漿。結(jié)合現(xiàn)場施工情況和涌水量，在注漿施工中首先使用方案3進(jìn)行注漿，并根據(jù)注漿的效果使用方案2進(jìn)行補充注漿。當(dāng)注漿壓力達(dá)到3MPa且沒有降低趨勢，在持續(xù)10min后即可停止注漿。

4.4 注漿效果評價

利用納米水泥基動水注漿材料進(jìn)行注漿作業(yè)后，開始從排水泄壓口噴出較稀的漿液，隨著注漿的持續(xù)進(jìn)行，噴出的漿液逐漸變濃，且數(shù)量持續(xù)減少，直到?jīng)]有漿液冒出，同時注漿孔口周圍也沒有明顯跑漿。在漿液凝固后，進(jìn)行二次鉆孔監(jiān)測，在鉆孔深度達(dá)到4.5m時仍未見明顯水流涌出，說明納米水泥注漿對巖體裂隙涌水具有較好的封堵效果。

5 結(jié)論

巖溶地質(zhì)在我國具有廣泛分布，在這種地質(zhì)環(huán)境下的地下工程施工極容易遭遇大量涌水，給施工造成極大困難。本文基于當(dāng)前注漿工藝的優(yōu)勢和不足，提出了納米水泥動水注漿材料，并得出了如下結(jié)論：

(1)研究中依據(jù)相關(guān)成果和實際施工經(jīng)驗，采用正交法進(jìn)行材料配合比試驗，對不同的水灰比、減水劑含量、早強劑含量、納米材料含量、抗分散劑含量等五個因素對漿液性能的影響進(jìn)行研究分析。

(2)根據(jù)正交法試驗結(jié)果，提出了四種納米水泥注漿材料優(yōu)選配合比方案。

(3)工程施工結(jié)果顯示，納米水泥注漿對巖體裂隙涌水具有較好的封堵效果。

[1] Assaad J, Issa C A. 2012. Bond strength of epoxy-coated bars in underwater concrete[J]. Construction & Building Materials, 30(05): 667- 674.

[2] Chen J, Kou S C, Poon C S. 2012. Hydration and properties of nano-TiO2, blended cement composites[J]. Cement & Concrete Composites, 34(05): 642- 649.

[3] Land G, Stephan D. 2012. The influence of nano-silica on the hydration of ordinary Portland cement[J]. Journal of Materials Science, 47(02): 1011- 1017.

[4] 姚金華. 納米材料在巖土與地質(zhì)工程中應(yīng)用研究進(jìn)展[J]. 公路交通科技(應(yīng)用技術(shù)版), 2013(07): 138- 142.

[5] 王黎怡, 許利惟. 機制砂混凝土強度和工作性的正交法試驗研究[J]. 山東建筑大學(xué)學(xué)報, 2014(04): 319- 324+335.

[6] 安娜. 勝利水電站進(jìn)水塔抗震穩(wěn)定性校核評價[J]. 水利技術(shù)監(jiān)督, 2017(01): 52- 54+133.

[7] 石明生, 王復(fù)明, 劉恒, 等. 堤壩高聚物定向劈裂注漿試驗與有限元模擬[J]. 水利學(xué)報, 2016(08): 1087- 1092.

[8] 蔣買勇, 梁經(jīng)緯, 王飚, 等. 一種適合巖溶堤壩高效控制注漿的新工法-稀漿脈動劈裂、膏漿脈動壓密注漿[J]. 中國農(nóng)村水利水電, 2016(11): 147- 150.