混凝土建筑物有蓋重固結(jié)灌漿試驗(yàn)探索

陳佳培 任 磊 向 吉

(1.南京市水利建筑工程有限公司，江蘇 南京 210000；2.中國(guó)葛洲壩集團(tuán)股份有限公司，湖北 武漢 430000)

廣西大藤峽南木江副壩工程地質(zhì)較為復(fù)雜，為驗(yàn)證設(shè)計(jì)水工建筑物有蓋重灌漿孔布置方式是否合理、是否存在優(yōu)化可能，同時(shí)論證擬采用的有蓋重固結(jié)灌漿方法的可行性、技術(shù)參數(shù)的合理性，探索適合有蓋重固結(jié)灌漿的施工方法、施工程序、灌漿壓力、漿液配合比，以及評(píng)價(jià)有蓋重固結(jié)灌漿試驗(yàn)后地基的滲透性，研究受灌地層的灌漿特點(diǎn)，開(kāi)展此次大藤峽南木江副壩混凝土建筑物有蓋重固結(jié)灌漿試驗(yàn)研究。

1 工程概況

大藤峽南木江副壩布置在南木江與黔江匯合口下游750m處，主要由黏土心墻石渣壩段、灌溉取水口及生態(tài)泄水壩段和混凝土重力壩壩段組成，南木江魚(yú)道過(guò)魚(yú)口布置在混凝土重力壩壩段上。

混凝土建筑物固結(jié)灌漿設(shè)置在壩上0+015.00～壩下0+017.00、樁號(hào)0+687.75～0+763.75之間，梅花形布置，灌漿深度為入巖5m，間排距2m×2m，灌漿孔遇伸縮縫時(shí)適當(dāng)調(diào)整孔位，與縫的最小距離為0.5m。

固結(jié)灌漿試驗(yàn)區(qū)位于壩下0+005.00～壩下0+009.00、樁號(hào)0+696.75～0+707.75之間，試驗(yàn)軸長(zhǎng)11m，混凝土蓋重1.3m，灌漿試驗(yàn)孔18個(gè)，抬動(dòng)孔1個(gè)，質(zhì)量檢查孔1個(gè)。有蓋重固結(jié)灌漿合格標(biāo)準(zhǔn)為：透水率q≤5Lu。南木江副壩混凝土建筑物有蓋重固結(jié)灌漿試驗(yàn)區(qū)位置見(jiàn)圖1。

圖1 南木江副壩混凝土建筑物有蓋重固結(jié)灌漿試驗(yàn)區(qū)平面(尺寸單位：m)

2 試驗(yàn)區(qū)工程地質(zhì)

2.1 試驗(yàn)區(qū)地層巖性

南木江河床段被厚度1m左右的淤泥質(zhì)黏土覆蓋。階地覆蓋層厚度一般8m左右，上部以黏土為主，厚度4～6m，下部為黏土或混合土卵石，厚度約2～5m，兩岸岸坡覆蓋層厚度1～3m，為黏土或混合土碎石。

基巖為那高嶺組第D1n11-7層～第D1n13-1層，巖層走向NNW，傾向NE，傾角3°～8°。由細(xì)砂巖、含泥質(zhì)細(xì)砂巖、粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖和泥巖構(gòu)成。

2.2 試驗(yàn)區(qū)地質(zhì)構(gòu)造

試驗(yàn)區(qū)主要發(fā)育3條斷層，F(xiàn)240斷層在左岸山坡通過(guò)，斷層走向與壩線(xiàn)交角35°，鉆孔ZK964孔深9.95m，其揭露的F240斷層破碎帶由碎裂巖和斷層泥組成，F(xiàn)285斷層在左岸山坡通過(guò)，斷層走向與壩線(xiàn)交角67°，斷層規(guī)模不大，F(xiàn)141斷層在右岸山坡露出，斷層走向與壩線(xiàn)夾角60°，傾向山里，傾角70°，破碎帶寬度不大。

2.3 試驗(yàn)區(qū)巖體風(fēng)化狀態(tài)及水文地質(zhì)

左岸山坡強(qiáng)風(fēng)化帶厚度1m左右，弱風(fēng)化帶厚度14～30m。地下水主要為松散堆積層中的空隙潛水和基巖裂隙水?？紫端饕植加诼?、I級(jí)階地的砂石層中?；鶐r裂隙水主要分布于基巖的風(fēng)化裂隙中。左岸地下水位埋深15～35m。南木江副壩混凝土建筑物有蓋重固結(jié)灌漿試驗(yàn)區(qū)地質(zhì)剖面見(jiàn)圖2。

圖2 南木江副壩混凝土建筑物有蓋重固結(jié)灌漿試驗(yàn)區(qū)地質(zhì)剖面 (單位：m)

3 灌漿試驗(yàn)設(shè)備及材料

a.鉆孔設(shè)備：灌漿試驗(yàn)孔采用ZGYX-410E潛孔鉆機(jī)造孔，檢查孔采用XY-Ⅱ型地質(zhì)鉆機(jī)，金剛石鉆頭造孔。

b.灌漿設(shè)備：灌漿采用3SNS-A高壓灌漿泵，制漿采用ZJ-600L高速制漿機(jī)，儲(chǔ)漿攪拌機(jī)容量為600L。

c.灌漿記錄儀：采用自動(dòng)灌漿記錄儀。

d.水泥：固結(jié)灌漿試驗(yàn)水泥采用P·O42.5普通硅酸鹽水泥，受潮結(jié)塊不得使用。

e.水：固結(jié)灌漿試驗(yàn)用水由右岸壩肩高位水池供應(yīng)，用水取自黔江，原水經(jīng)提升、沉淀后使用。

4 有蓋重固結(jié)灌漿試驗(yàn)施工程序

固結(jié)灌漿試驗(yàn)主要施工項(xiàng)目包括灌漿孔及質(zhì)量檢查孔。

有蓋重固結(jié)灌漿試驗(yàn)施工程序?yàn)椋嚎孜环艠印?dòng)孔施工→固結(jié)Ⅰ序孔施工→固結(jié)Ⅱ序孔施工→灌后質(zhì)量檢查。

5 有蓋重固結(jié)灌漿試驗(yàn)施工方法

5.1 測(cè)量放樣

有蓋重固結(jié)灌漿試驗(yàn)由測(cè)量人員采用全站儀或GPS進(jìn)行孔位放樣，并用紅油漆標(biāo)識(shí)清楚，測(cè)量時(shí)需對(duì)孔口高程進(jìn)行記錄。固結(jié)灌漿孔孔位偏差不得大于10cm，現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)實(shí)際情況(如需避開(kāi)預(yù)埋儀器及止水等)進(jìn)行孔位適當(dāng)調(diào)整。

5.2 鉆孔施工

抬動(dòng)觀測(cè)孔采用風(fēng)動(dòng)沖擊器鉆孔，以ZGYX-410E潛孔鉆機(jī)為主，抬動(dòng)觀測(cè)孔為鉛直孔，鉆孔孔徑76mm。

抬動(dòng)觀測(cè)孔鉆孔完成后，安裝抬動(dòng)觀測(cè)裝置，抬動(dòng)變形觀測(cè)裝置在灌漿作業(yè)前完成埋設(shè)，觀測(cè)15～20m范圍內(nèi)的灌漿孔，在裂隙沖洗、壓水試驗(yàn)及灌漿過(guò)程中由專(zhuān)人連續(xù)進(jìn)行觀測(cè)，每10min測(cè)計(jì)一次讀數(shù)，并填寫(xiě)觀測(cè)記錄表。

固結(jié)灌漿試驗(yàn)鉆孔采用ZGYX-410E鉆機(jī)進(jìn)行，終孔孔徑76mm。質(zhì)量檢查孔采用XY-2鉆機(jī)配金剛石鉆頭鉆孔。

對(duì)于質(zhì)量檢查孔需取芯保留，每一鉆進(jìn)回次巖芯應(yīng)輕敲取出，巖芯按孔口到孔底的順序依次排放在巖芯箱內(nèi)，并用巖芯牌隔開(kāi)，巖芯按順序自左而右、自上而下列放，并進(jìn)行巖芯描述，繪制鉆孔柱狀圖。

5.3 鉆孔沖洗、裂隙沖洗及壓水試驗(yàn)

5.3.1 鉆孔沖洗

固結(jié)灌漿試驗(yàn)孔鉆孔完成后，采用大流量水流將孔內(nèi)巖粉等物沖出，直至回水澄清10min后結(jié)束，并測(cè)量、記錄沖洗后鉆孔孔深，鉆孔沖洗后底殘留物厚度不得大于20cm。

5.3.2 裂隙沖洗

固結(jié)灌漿試驗(yàn)孔(段)在灌漿前采用壓力水進(jìn)行裂隙沖洗，裂隙沖洗要求至回水澄清或總時(shí)間不小于30min。采用高低壓脈動(dòng)沖洗，壓力為灌漿壓力的80%。

5.3.3 壓水試驗(yàn)

固結(jié)灌漿孔壓水試驗(yàn)在裂隙沖洗后進(jìn)行，壓水試驗(yàn)采用簡(jiǎn)易壓水試驗(yàn)，壓水試驗(yàn)孔數(shù)不少于總孔數(shù)的5%，灌后質(zhì)量檢查孔壓水試驗(yàn)采用五點(diǎn)法。

壓水壓入流量的穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)為：在穩(wěn)定的壓力下，每5min測(cè)讀一次壓入流量，連續(xù)四次讀數(shù)中最大值與最小值之差小于最終值的10%，或最大值與最小值之差小于1L/min時(shí)，本階段試驗(yàn)即可結(jié)束，取最終值作為計(jì)算值，其成果以透水率q表示。

5.4 灌漿施工

本次有蓋重固結(jié)灌漿試驗(yàn)一次性成孔、一段灌漿。

固結(jié)灌漿采用3SNS灌漿泵、自動(dòng)記錄儀監(jiān)控記錄，灌漿方式采用“孔口阻塞、孔內(nèi)循環(huán)”法施工，孔內(nèi)射漿管距灌漿段底不大于50cm。

a.灌漿塞采用機(jī)械擠壓式栓塞，灌漿塞安設(shè)在孔口處，防止漏灌。

b.固結(jié)灌漿試驗(yàn)孔分二序進(jìn)行，先施工Ⅰ序孔，在Ⅰ序孔完成后再施工Ⅱ序孔。

c.灌漿壓力及段長(zhǎng)。?固結(jié)灌漿全孔一段灌漿，段長(zhǎng)為5m；?在施工過(guò)程中，由于Ⅰ序孔流量普遍大于50L/min且外漏較普遍，故擬定Ⅰ序孔壓力為0.25MPa。Ⅱ序孔壓力為0.4MPa。

d.漿液攪拌。水泥漿液攪拌采用ZJ-600L高速制漿機(jī)(轉(zhuǎn)速大于1200r/min)，攪拌時(shí)間不小于30s，漿液在使用前過(guò)篩，濾除較大顆粒，儲(chǔ)漿采用低速儲(chǔ)漿桶，漿液從制備至用完時(shí)間不大于4h。

e.漿液配比及變換：灌漿漿液為純水泥漿液，漿液配比(重量比)為3 ∶1、2 ∶1、1 ∶1、0.8 ∶1和0.5 ∶1，灌漿原則上從3 ∶1漿液開(kāi)灌，由稀到濃逐級(jí)變換。

漿液配比變換標(biāo)準(zhǔn)如下：?當(dāng)灌漿壓力保持不變，注入率持續(xù)減少，或當(dāng)注入率不變而灌漿壓力持續(xù)升高時(shí)，不得改變水灰比；?當(dāng)某一比級(jí)漿液的注入量已達(dá)300L以上或灌注時(shí)間已達(dá)30min，而灌漿壓力和注入率均無(wú)改變或改變不顯著時(shí)(規(guī)定時(shí)段末的注入率大于開(kāi)始注入率的70%～80%)，應(yīng)改濃一級(jí)的水灰比；?當(dāng)注入率大于30L/min時(shí)，可根據(jù)具體情況越級(jí)變濃。

若孔口無(wú)回漿或壓力小于0.1MPa，則直接灌注0.5 ∶1的水泥漿液；當(dāng)采用最大濃度漿液施灌，吸漿量很大而不見(jiàn)減少時(shí)，采用間歇灌漿法，同時(shí)可考慮摻入砂，如因加入摻和料而使吸漿量突減，則應(yīng)停止使用摻和料。

灌漿過(guò)程中，當(dāng)灌漿壓力或注入率突然改變較大時(shí)，應(yīng)立即查明原因，采取相應(yīng)的措施進(jìn)行處理。

灌漿過(guò)程中應(yīng)定時(shí)測(cè)記漿液密度，必要時(shí)應(yīng)測(cè)記漿液溫度。灌漿結(jié)束時(shí)亦應(yīng)測(cè)定漿液比重并做出記錄。

5.5 結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)

灌漿段在設(shè)計(jì)壓力下，當(dāng)注入率不大于1L/min時(shí)，持續(xù)灌注30min即可結(jié)束灌漿。

5.6 封孔

a.灌漿的封孔應(yīng)采用泵壓漿液封孔方式，封填前應(yīng)盡量將孔內(nèi)污物沖洗干凈，量測(cè)孔深。并由施工單位對(duì)孔深及全孔灌漿成果分析鑒定，確定合格才可封孔，并填寫(xiě)封孔單以便查核。

b.封孔時(shí)必須采用0.5 ∶1的濃漿，排除孔內(nèi)稀漿后，用該孔設(shè)計(jì)最大灌漿壓力繼續(xù)純漿灌漿30min，待孔內(nèi)水泥漿凝固后，灌漿孔上部空余部分不大于3m，并用水泥砂漿人工填實(shí)。

c.封孔后，如發(fā)現(xiàn)孔口冒漿或滲水，應(yīng)掃孔重新封孔。

6 有蓋重固結(jié)灌漿試驗(yàn)成果分析

6.1 水泥消耗量分析

有蓋重固結(jié)灌漿生產(chǎn)性試驗(yàn)分段灌漿注入水泥量見(jiàn)表1。

表1 有蓋重固結(jié)試驗(yàn)灌漿水泥量統(tǒng)計(jì)

從表1可看出，固結(jié)灌漿Ⅰ序孔注入水泥量為42866kg，平均單位注入量為952.58kg/m，Ⅱ序孔注入水泥量為12700kg，平均單位注入量為282.22kg/m，Ⅰ序孔比Ⅱ序孔注入量大，符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際地址情況。

灌漿試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)個(gè)別孔灌灰量波動(dòng)幅度較大，為了達(dá)到良好的灌漿質(zhì)量，NZG11-10、NZG11-11、NZG12-9、NZG12-10每米灌入量達(dá)到1000kg以上，反映建基面淺表層原狀巖體通道呈不規(guī)律分布，導(dǎo)致灌灰量分布不均勻。

試驗(yàn)區(qū)共計(jì)水泥量為55566kg，平均單位注入量為617.4kg/m，反映試驗(yàn)區(qū)地層可灌性較好。

注入量隨著灌漿次序遞增呈遞減趨勢(shì)，Ⅱ序孔較Ⅰ序孔平均單位注灰量下降670.36kg/m，灌漿效果較為顯著。

從單位注灰量頻率曲線(xiàn)上可以看出，隨著灌漿次序遞增，Ⅰ序單位注灰量大于500kg/m頻率曲線(xiàn)遞增，Ⅱ序小于500kg/m頻率曲線(xiàn)遞減，符合正常灌漿規(guī)律。

大藤峽南木江副壩左岸基礎(chǔ)固結(jié)灌漿(試驗(yàn))各次序單位注入量頻率及累計(jì)曲線(xiàn)見(jiàn)圖3。

圖3 左岸基礎(chǔ)固結(jié)灌漿(試驗(yàn))各次序單位注入量頻率及累計(jì)曲線(xiàn)

6.2 透水率分析

整體固結(jié)灌漿試驗(yàn)區(qū)共計(jì)18孔，壓水按照《廣西大藤峽水利樞紐工程副壩灌漿施工技術(shù)要求》選取5%共計(jì)3段，最大透水率為559.5Lu，最小透水率為27.12Lu，反映受灌地層整體較為破碎、不完整，透水性較好。

固結(jié)灌漿試驗(yàn)區(qū)根據(jù)監(jiān)理指示布置灌后檢查孔1個(gè)，檢查孔壓水結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 有蓋重固結(jié)試驗(yàn)灌漿檢查孔壓水結(jié)果

大藤峽南木江副壩左岸基礎(chǔ)固結(jié)灌漿(試驗(yàn))各次序透水率及累計(jì)曲線(xiàn)見(jiàn)圖4。

為了評(píng)估管長(zhǎng)對(duì)紙瓦楞管的影響，選用壓縮速率12 mm/min的正五邊形紙瓦楞管分析，其吸能特性參數(shù)值與軸向壓縮載荷-位移曲線(xiàn)如表4與圖7所示。X向與Y向正五邊形紙瓦楞管在管長(zhǎng)為110 mm時(shí)，初始峰值載荷、平均壓潰載荷皆最高，管長(zhǎng)過(guò)大反而引起承載力降低。由于紙瓦楞管的承載面積不變，管長(zhǎng)的增加使得管的可壓縮距離增加，X向紙瓦楞管與Y向紙瓦楞管的總吸能、單位面積吸能、行程利用率都增大，但由于結(jié)構(gòu)總質(zhì)量也增加，比吸能變化不大，管長(zhǎng)為110 mm時(shí)紙瓦楞管的比吸能稍?xún)?yōu)。

圖4 左岸基礎(chǔ)固結(jié)灌漿(試驗(yàn))各次序透水率及累計(jì)曲線(xiàn)

以上數(shù)據(jù)顯示：灌前平均透水率為234.12Lu，灌后平均透水率為1.72Lu。

NZG-T1位于試驗(yàn)區(qū)0+705.75，全孔壓水透水率滿(mǎn)足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，灌漿效果較為明顯。

6.3 固結(jié)灌漿試驗(yàn)孔串、漏漿分析

試驗(yàn)孔施工過(guò)程中有1段發(fā)生串漿、外漏情況(見(jiàn)圖5)，灌漿時(shí)外漏點(diǎn)距離該孔達(dá)10m左右，反映受灌層裂隙通暢、擴(kuò)散半徑大、地質(zhì)條件復(fù)雜、巖體裂隙發(fā)育豐富。

圖5 左岸基礎(chǔ)固結(jié)灌漿(試驗(yàn))漏漿現(xiàn)場(chǎng)照片

發(fā)生外漏及串漿時(shí)，通常采取低壓、濃漿、限流、限量、間歇灌漿等方法封堵外漏點(diǎn)。

6.4 鉆孔取芯分析

由圖6可知，建基面淺、表層巖體呈碎塊及砂狀，較為破碎。下部巖層節(jié)理、裂隙發(fā)育，溶蝕現(xiàn)象明顯，灌后檢查孔內(nèi)多處可見(jiàn)水泥結(jié)石，反映巖層可灌性較好。

圖6 蓋重固結(jié)灌漿試驗(yàn)檢查孔鉆孔柱狀圖

7 結(jié) 語(yǔ)

b.由灌漿試驗(yàn)及檢查孔施工分析可知，所采用的“一次成孔、全孔一段灌漿”是可行的。

c.由灌漿試驗(yàn)及檢查孔施工分析可知，灌漿試驗(yàn)排數(shù)、孔距、孔序、孔深、灌漿段長(zhǎng)、灌漿壓力、漿液比重是適宜的。

d.由灌漿試驗(yàn)區(qū)水泥灌入量與檢查孔取芯及壓水可知，基巖面淺、表層通道分布不規(guī)律，貫通性差，通過(guò)灌漿法施工可以改善淺、表層巖體的完整性。

e.由于裂隙發(fā)育豐富，灌漿串、冒漿現(xiàn)象明顯，當(dāng)灌漿發(fā)生串、冒漿時(shí)，采取濃漿、低壓、限流、限量、間歇法灌注，當(dāng)串、漏漿部位漿液比重達(dá)到進(jìn)漿比重時(shí)，吸漿量與灌漿壓力無(wú)變化，灌漿可待凝24h后掃孔復(fù)灌，灌漿能夠正常結(jié)束，對(duì)于類(lèi)似特殊情況采取該種灌漿方式與處理方法較為適宜。

f.由于透水率與單位注入量均較大，受灌地層節(jié)理、裂隙發(fā)育，試驗(yàn)時(shí)采取的3 ∶1、2 ∶1、1 ∶1、0.8 ∶1、0.5 ∶1 五個(gè)比級(jí)可適當(dāng)優(yōu)化，提高工效。

g.裂隙沖洗、壓水、灌漿過(guò)程外漏現(xiàn)象較多，且灌漿串漏部位距灌漿孔較遠(yuǎn)，漿液擴(kuò)散半徑偏大，導(dǎo)致水泥灌入量偏大。