復合不分散漿材模擬灌漿試驗研究

王 曉 飛

(中國水電基礎局有限公司三公司，四川 成都 610213)

0 前 言

傳統(tǒng)水泥膏漿是通過在水泥漿中摻加一定量的輔助材料攪拌而成的穩(wěn)定漿液，中國先后在貴州省烏江上游紅楓水庫、小灣水電站、托口水電站等工程應用推廣和創(chuàng)新。但近年來還有許多受到大滲漏、高壓力、大流量涌水地層影響的病險水庫的滲漏問題沒有得到有效地治理，而該地質條件下需要的高性能灌漿材料仍是當前灌漿技術中一個急需解決而又未完全解決的難題。通過復合不分散漿材模擬灌漿試驗研究，將進一步驗證復合不分散漿材在上述復雜地層中的適用性，為今后類似地層處理提供借鑒。

1 試驗背景

瀘定水電站壩基補強灌漿工程是在超過60 m的高水頭動水條件下進行灌漿施工，其中在孔深130～154 m范圍內(nèi)地層中細顆粒含量較低，以卵礫石層為主，涌水壓力普遍在0.4～0.6 MPa之間，涌水流量普遍在50～100 L/min之間，常規(guī)的膏漿在動水條件下難以留存，需要一種性能更佳同時具備速凝、抗沖和一定擴散性的漿材，為瀘定水電站補強帷幕灌漿工程的實施提供技術支撐。

2 試驗目的

(1)進行鐵桶模擬灌漿試驗，研究復合不分散漿液灌注的可灌性、擴散性、灌漿充填效果等參數(shù)；

(2)進行水渠通水模擬抗沖試驗，研究復合不分散漿液在高速水流下的抗沖性和留存性；

(3)進行高壓水條件下模擬灌漿試驗，研究復合不分散漿液在類似瀘定項目實際動水壓力的條件下，驗證漿液的擴散性、抗沖性、速凝性和留存性。

3 試驗內(nèi)容

3.1 復合不分散漿材性能

通過多種漿材對比試驗發(fā)現(xiàn)，采用硫鋁酸鹽水泥為基材，通過摻加多種外加劑配置而成的復合不分散漿材性能最優(yōu)，加水拌制時間為3 min，拌制好的漿液初凝時間為40～60 min，漿液擴散度為10～13 cm(3SNS灌漿泵即可灌注)，在水中具備良好的不分散性能。復合不分散漿液性能見表1。

3.2 鐵桶模擬灌漿試驗

3.2.1 鐵桶模擬試驗

鐵桶模擬試驗如圖1所示。

表1 復合不分散漿液性能

圖1 灌漿試驗模型裝置示意

3.2.2 試驗集配料

試驗所用礫石集配料物理性質如見表2。參照DL/T 5151—2001《水工混凝土砂石骨料試驗規(guī)程》進行參數(shù)測定。

表2 試驗砂礫石集配料物理性質

3.2.3 試驗步驟

按設計要求制作灌漿試驗模型裝置，用橡膠條密封桶體周圍防止灌漿過程中漏漿，將特定級配砂土裝入試驗箱體中，箱體和砂土之間放置土工布，防止壓水或灌漿過程中砂土沖出桶體。按照各種漿材配比配制漿材，將拌制好的漿液灌入儲漿容器，準備灌漿；開始灌漿。開啟灌漿泵和管道節(jié)閥，不斷調節(jié)灌漿壓力，使得壓力表示數(shù)趨于穩(wěn)定到設計灌漿壓力，觀察并記錄漿液的流動情況，壓力傳感器記錄孔隙水壓的變化；停止灌漿。當儲漿容器中漿液注完或者漿液不再進入或者漿液流動范圍基本不變時停止灌漿；待漿液凝固后打開試驗箱體，觀察并記錄容器內(nèi)部漿液的分布和擴散情況，對試驗數(shù)據(jù)整理分析并研究其擴散規(guī)律。

3.2.4 灌漿試驗

考慮動水影響，采用飽和礫石料進行試驗，灌漿壓力1.0 MPa，動水流量25 L/min，復合不分散漿液灌漿模擬試驗。

將裝在桶中的礫石提前通過下部進水口通水飽和，以模擬真實地層。將灌漿管路、壓力計、流量計、空氣包，穩(wěn)壓器、射漿管接好，進行管路通水試驗確保管路密封完好。接通水龍頭放水，從桶體另一側水龍頭流出，測試涌水流量25 L/min，灌漿過程中持續(xù)打開水龍頭，模擬流動水狀態(tài)。制備好體積為250 L的復合不分散漿材準備灌漿，開灌流量為10 L/min，盡快達到設計壓力，持續(xù)灌注，上部出水口先是自來水清水流出，流量變大，約100 L/min，隨著灌漿持續(xù)進行，流水逐漸渾濁，直至上部出水口有復合不分散漿液排出，閉漿30 min，灌漿結束。灌漿過程中壓力和流量均很穩(wěn)定。灌漿過程中未出現(xiàn)上部蓋重密封不嚴實稍微有漏漿的情況，灌漿達到設計量(約120 L)時，上部出漿口出現(xiàn)漿液滲出的情況。

24 h后將鐵桶切開，觀察漿液在礫石料中的狀態(tài)。通過打卡鐵桶，桶下部及周圍礫石料呈緊密固結狀態(tài)，切掉鐵桶周邊，復合不分散漿材礫石料固結體完好，桶上部和外部輪廓被復合不分散漿液包裹。全部切開桶體全面清理之后，用水槍清洗，觀察固結體為桶體圓柱狀漿液礫石料結石體。分析由于復合不分散漿材為顆粒溶液，黏稠度較大，抗沖性能良好，在動水條件下，很容易在礫石料層中擴散，表現(xiàn)為整個桶體射漿管周圍充填灌漿方式。從固結體的狀態(tài)來看，復合不分散漿材在礫石料層中灌注的擴散范圍較大，抗水流沖擊漿體殘留率較高，充填效果較理想。

72 h后進行取芯試驗，采用Φ75 mm鉆具取芯，芯樣結實率高，充填效果良好，通過鉆孔取芯結石強度試驗(見表3)可以看出芯樣結石強度較高，與漿材室內(nèi)強度接近，考慮到現(xiàn)場灌漿及養(yǎng)護條件，強度略有降低是正常的情況。從芯樣結石體狀態(tài)來看，復合不分散漿材在礫石料層中充填效果良好。為了更進一步了解漿液在礫石中的擴散狀態(tài)，將取芯孔外側切開，觀察漿液固結體的狀態(tài)，可以明顯看出復合不分散漿液在礫石層中擴散良好，固結緊密。

表3 芯樣結石強度測試結果

3.3 水渠通水模擬抗沖試驗

考慮到地層中存在大孔隙架空地層，因此本試驗采用塊石堆積體模擬壩體，塊石的粒徑約為5～30 cm，在水渠上游側持續(xù)通水，流量約為60 L/min，流速約為2 m/s，采用復合不分散漿液進行灌漿模擬試驗。

通水后，將拌制好的復合不分散漿液從堆石體上方倒入，每桶漿液體積約15 L，在倒入的過程中顯示下泄的水流逐漸減小，在倒入2桶漿液后，下泄水流完全中斷，漿液已將局部堆石體內(nèi)的孔隙完全填充，且在漿液倒入過程中，漿液基本未被下泄水流帶出，下泄水流基本清澈。

試驗完成后，保持水渠上游側60 L/min的通水不間斷，50 min后漿液已初凝，24 h后漿液感官強度已較高(現(xiàn)場進行了踩踏試驗)，通過持續(xù)觀察，從灌漿結束到初凝前，水渠處于持續(xù)通水狀態(tài)，即使水流超過了漿液堆積體上部，但也未將漿液帶走，下泄水流一直清澈，說明復合不分散漿液抗沖性能良好。

3.4 高壓水條件下模擬灌漿試驗

考慮地下水影響，采用飽和礫石料進行試驗，灌漿壓力1.0 MPa，動水流量為25 L/min，動水壓力為0.55 MPa，復合不分散漿液灌漿模擬試驗。

試驗采用圓鐵管中間開槽安裝進漿口方式，圓鐵管中裝滿礫石料，圓鐵管一端通水，控制水壓和流量，從另一端流水如圖2所示。從進漿口注漿，復合不分散漿液，在一定時間內(nèi)灌注漿液復合不分散漿液使得圓鐵管中不在流水，關閉進水閥，結束灌漿。

在巖芯管中裝滿礫石料，兩邊采用鋼絲網(wǎng)，防止石料被水流沖到較細的出漿口堵塞管路，從進水口進水，控制水壓0.55 MPa和流量20 L/min，從另一端流水。從進漿口注漿，控制進漿壓力0.6 MPa和流量30 L/min，注入復合不分散漿液，在一定時間內(nèi)灌注漿液復合不分散漿液使得圓鐵管中不在流水，關閉進水閥結束灌漿。

復合不分散漿液凝結時間為46 min，試驗結束后約46 min后，從進水管通水，打開出漿口節(jié)閥，采用控制水壓0.55 MPa和流量20 L/min，通過水流頂開漿液固結體未達到效果，繼續(xù)加大壓采用控制水壓1.5 MPa和流量80 L/min才將漿液固結體頂開，出漿口出現(xiàn)坨狀或段狀膏漿。從試驗結果來看，復合不分散漿材在動水流條件下礫石料層中抗沖效果良好，漿液達到較好的存留。

4 試驗成果分析及結論

(1)通過鐵桶模擬灌漿試驗表明，采用復合不分散漿液處理礫石層，由于地層孔隙率較大，稍給壓力就可以達到灌注均勻、充填密實的效果，有效孔隙填充率達80%以上，灌注過程中應限流灌注，流量控制在20～30 L/min為宜，不宜高壓力劈裂灌漿。

(2)通過水渠通水模擬灌漿試驗中表明，復合不分散漿液具備良好的抗沖性，同時具備速凝性能，在動水條件下留存性能較好。本工程后續(xù)實施過程中采用的漿液凝結時間為60 min，既能滿足灌注所需的操作時間，又能滿足漿液的擴散需要，凝結時間根據(jù)工程實際情況調整，如灌漿管路長度和地層動水情況、擴散半徑等參數(shù)確定。

(3)通過高壓水條件下模擬灌漿試驗表明，復合不分散漿液在高壓水條件下抗沖性能和留存性能良好，漿液達到較好的存留。

綜上，通過上述三項模擬灌漿試驗，驗證了復合不分散漿材的性能優(yōu)良，為后續(xù)瀘定水電站補強帷幕灌漿的施工提供有利的技術支撐。后續(xù)通過瀘定水電站補強帷幕灌漿的應用，在檢查孔取芯時發(fā)現(xiàn)漿液與原地層結合情況良好，取芯率較高，檢查孔透水率基本符合設計要求，充分驗證了復合不分散漿材在大滲漏、高壓力、大流量涌水地層的灌注是可行的，過程中經(jīng)過多次會議評審，得到了有關權威部門的一致認可。

同時，這也開創(chuàng)了病壩處理無需放空就能夠施工的先例，按照瀘定電站設計正常蓄水位平水年的發(fā)電量為37.8億(kW·h)/a計算，可減少電站發(fā)電損失約10億/a，通過本期補強灌漿處理，保證了工程的長期安全穩(wěn)定運行，極大推進了瀘定電站的最終驗收事宜。