壩下砂礫石層劈裂注漿漿液擴(kuò)散半徑試驗(yàn)研究

姜鵬程

（遼寧潤(rùn)中供水有限責(zé)任公司，遼寧沈陽(yáng)110000）

1 工程概況

遼寧省小望海水庫(kù)是一座以供水為主，兼具防洪、旅游、養(yǎng)殖等諸多功能為一體的中型水利樞紐工程[1]。鑒于水庫(kù)淤積情況比較嚴(yán)重，庫(kù)容量已經(jīng)明顯縮小，已經(jīng)影響到其供水功能的發(fā)揮。因此，在水庫(kù)除險(xiǎn)加固中擬對(duì)大壩進(jìn)行加高培厚，將壩頂高程由原來的260.58 m 提高到271.58 m，壩頂寬由5 m 增加至6 m，以增加水庫(kù)庫(kù)容量，提高水庫(kù)的供水能力。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)勘測(cè)資料，大壩加高加固施工區(qū)河床內(nèi)存在大量由水流沖刷、搬運(yùn)后形成的砂礫石層，厚度分布不均，一般為2.5～13.5 m，主要分布在河槽和河床部位。由于大壩施工過程中在該部位覆蓋了人工填土以保護(hù)壩基，全部開挖置換工程量較大，因此采用注漿加固的方式進(jìn)行地基處理。

2 試驗(yàn)過程

2.1 試驗(yàn)材料

研究采用水泥漿液進(jìn)行注漿試驗(yàn)，試驗(yàn)用水泥為32.5 R 普通硅酸鹽水泥。由于原型砂礫石層的土體粘聚力較小，因此在試驗(yàn)中選擇滑石粉和輕質(zhì)碳酸鈣作為膠結(jié)材料，在加入5%的水和黏土之后保證其與原型地層在粘聚力和內(nèi)摩擦角上的一致性[2]。注漿地層的細(xì)砂和砂礫石材料取自于工程現(xiàn)場(chǎng)。

2.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置由試驗(yàn)箱體、荷載補(bǔ)償系統(tǒng)、注漿系統(tǒng)、水壓加載系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)構(gòu)成。其中，試驗(yàn)箱體的外徑、內(nèi)徑和高度分別為160，140和135 cm，在箱體的四周設(shè)有水壓施加孔和傳感器引線孔，上部和下部設(shè)有進(jìn)水孔和出水孔；水壓加載系統(tǒng)可以提供最高壓力為3.0 MPa 的持續(xù)水壓；上部荷載系統(tǒng)可以利用液壓泵提供最大10.0 MPa的補(bǔ)償荷載，以模擬地層的壓力；注漿系統(tǒng)可以模擬實(shí)際注漿施工過程，最大注漿壓力為0.6 MPa；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)采集試驗(yàn)過程中的各種數(shù)據(jù)信息。

2.3 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

試驗(yàn)前查閱了注漿施工研究領(lǐng)域的相關(guān)文獻(xiàn)資料，認(rèn)為地層特征、注漿壓力和材料參數(shù)是影響漿液擴(kuò)散的主要因素[3，4]。由于此次研究采用水泥單漿液，因此選取的影響因素為注漿壓力P（MPa）、滲透系數(shù)k（cm/s）以及漿液的水灰比m。由于在試驗(yàn)過程中地層滲透系數(shù)通過5 組不同的材料級(jí)配進(jìn)行控制和實(shí)現(xiàn)，因此另外兩個(gè)因素也選擇5 個(gè)因素水平[5]。其中，注漿壓力的5個(gè)水平分別為0.2，0.3，0.4，0.5 和0.6 MPa；漿液的水灰比為1.1，1.0，0.9，0.8 和0.7。利用正交試驗(yàn)原理進(jìn)行試驗(yàn)方案的具體設(shè)計(jì)，結(jié)果如表1 所示。

表1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)表

2.4 試驗(yàn)過程

首先按照不同的滲透系數(shù)確定試驗(yàn)用注漿介質(zhì)的配比，然后在試驗(yàn)箱中分層鋪設(shè)試驗(yàn)注漿介質(zhì)材料，并分層擊實(shí)至指定高度[6]。在鋪設(shè)完畢之后，對(duì)試驗(yàn)箱進(jìn)行加水，待材料吸水飽和后靜置12 h 再進(jìn)行注漿試驗(yàn)[7]。試驗(yàn)前首先將各試驗(yàn)系統(tǒng)相互連接，啟動(dòng)上部荷載系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)償荷載的加壓；根據(jù)設(shè)計(jì)的水灰比制作好水泥漿并灌入試驗(yàn)裝置的儲(chǔ)液罐，打開注漿系統(tǒng)的空氣壓縮機(jī)，調(diào)整壓力至注漿壓力，然后開始注漿[8]。待漿液徹底凝固之后，對(duì)模型進(jìn)行開挖，對(duì)漿液的擴(kuò)散半徑進(jìn)行計(jì)算。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 漿液擴(kuò)散半徑

漿液擴(kuò)散半徑r（cm）是影響注漿效果的重要指標(biāo)，試驗(yàn)過程中的測(cè)量結(jié)果顯示：SY1-SY5 等5個(gè)試驗(yàn)方案的漿液最大擴(kuò)散半徑分別為13.4，68.0，24.6 ，21.1 和43.3 cm。對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行非線性函數(shù)擬合分析，獲得擴(kuò)散半徑和3 個(gè)試驗(yàn)參數(shù)之間的關(guān)系為：

利用公式（1）對(duì)5 個(gè)方案的擴(kuò)散半徑進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表2 所示。結(jié)果顯示計(jì)算值和實(shí)測(cè)值的差別不大，說明擬合公式具有良好的擬合度。

表2 漿液擴(kuò)散半徑的計(jì)算與實(shí)測(cè)結(jié)果

利用擬合公式（1），對(duì)不同水灰比、不同注漿壓力及不同滲透系數(shù)，保持其中兩個(gè)因素不變條件下的漿液擴(kuò)散半徑進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果顯示上述3 個(gè)因素均與漿液的擴(kuò)散半徑成顯著的正相關(guān)關(guān)系，也就是3 個(gè)因素的值越大，漿液的擴(kuò)散半徑也就越大。其中，注漿壓力對(duì)漿液的擴(kuò)散半徑影響最為顯著，其次為漿液的水灰比，滲透系數(shù)的影響最小。

3.2 注漿量的影響分析

試驗(yàn)中，先將注漿壓力設(shè)定到預(yù)定值，在注漿過程中對(duì)注漿量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并對(duì)注漿流量和速率進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果繪制出如圖1 和圖2所示的注漿量和注漿速率變化曲線。根據(jù)注漿過程中注漿量和注漿速率的變化規(guī)律，將注漿過程劃分為充填、壓密、初次劈裂和后續(xù)劈裂4 個(gè)不同的階段。其中，充填階段的注漿阻力小，因此注漿速率快、注漿量小，持續(xù)的時(shí)間也較短；壓密階段的注漿阻力有所增大，因此注漿的速率不高，注漿量也相對(duì)較??；初次劈裂階段，由于砂礫層中形成了劈裂通道，注漿的壓力迅速降低，因此注漿速率高，注漿量也迅速增加；在后續(xù)劈裂階段，初次劈裂通道發(fā)育完畢，漿液又開始?jí)好?，注漿壓力回升，注漿速率減小，同時(shí)注漿層內(nèi)出現(xiàn)部分水平向劈裂。

對(duì)不同試驗(yàn)方案而言，編號(hào)SY1 在初次劈裂之后注漿量基本沒有變化，注漿速率的起伏也不明顯；編號(hào)SY4 在初次劈裂階段之后注漿量稍微增加，說明后續(xù)劈裂階段的表現(xiàn)并不十分明顯，其余試驗(yàn)方案與上述描述相符。因此，水灰比、注漿壓力和滲透系數(shù)對(duì)注漿量和漿液的擴(kuò)散過程存在明顯的影響。此外，注漿速率的變化是不均勻的，存在多個(gè)波峰和波谷，主要與注漿過程中砂礫層的劈裂裂縫發(fā)育過程有關(guān)。因此，在砂礫層的注漿過程中，并不是單一擠壓到塑性破壞劈裂的過程，而是反復(fù)漿液輸送、擠壓、劈裂的過程。

圖1 注漿量變化曲線

圖2 注漿速率變化曲線

4 結(jié)論

注漿加固是防止壩基滲漏，提高大壩承載能力和安全性的重要手段。此次研究以遼寧省小望海水庫(kù)大壩加高加固工程為例，對(duì)壩下砂礫石層注漿加固進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果顯示，注漿壓力、水灰比和砂礫石層滲透系數(shù)值越大，漿液的擴(kuò)散半徑也就越大，按照影響力大小排序?yàn)樽{壓力＞漿液的水灰比＞滲透系數(shù)。另一方面，根據(jù)注漿過程中注漿量和注漿速率的變化規(guī)律，注漿過程并不是單一的擠壓到塑性破壞劈裂的過程，而是反復(fù)的漿液輸送、擠壓、劈裂的過程。此次研究成果對(duì)地質(zhì)特點(diǎn)相似的壩基注漿工程施工具有一定的借鑒和指導(dǎo)意義。當(dāng)然，受到壩基地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜性的影響，在具體施工中還需要結(jié)合工程實(shí)際，選擇最合適的注漿方式和參數(shù)，保證施工效果。