透水性紅砂巖防滲帷幕丙烯酸鹽化學(xué)灌漿試驗研究

曾國華1肖承京23

(1.湖北省碾盤山水利水電樞紐工程建設(shè)管理局，武漢 430062; 2.長江科學(xué)院 材料與結(jié)構(gòu)研究所，武漢 430010；3.水利部水工程安全與病害防治工程技術(shù)研究中心，武漢 430010 )

1 研究背景

湖北省碾盤山水利水電樞紐工程是國務(wù)院批復(fù)的《長江流域綜合規(guī)劃》的漢江梯級開發(fā)方案中的重要組成部分，也是“十三五”時期172項節(jié)水供水重大水利工程項目之一。該工程位于湖北省荊門鐘祥市境內(nèi)，為大(2)型Ⅱ等工程，主要由左岸連接土壩、泄水閘、電站廠房、船閘、魚道、混凝土連接壩段、右岸副壩等組成，采用一線式布置，最大壩高25.8 m。樞紐泄水閘基礎(chǔ)持力層為砂礫石層，為滿足泄水閘結(jié)構(gòu)穩(wěn)定及閘基地層土體滲透穩(wěn)定的要求，在泄水閘壩軸線處設(shè)置混凝土防滲墻；防滲墻下部巖體為泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖、中粗砂巖、含礫中粗砂巖等(K2P3-1)，呈紅褐色，弱風(fēng)化狀，本文統(tǒng)稱為紅砂巖。根據(jù)鉆探資料，泄水閘閘址河床承壓水賦存于膠結(jié)較差的中粗砂巖、含礫中粗砂巖中，主要有3個承壓含水層，其中第1承壓含水層距離基巖頂部厚度約為0.5～4 m，為相對隔水層，在水庫蓄水后，承壓水頭會相應(yīng)抬升，根據(jù)計算，該頂部隔水層有可能發(fā)生滲透破壞。因此，設(shè)計要求對泄水閘底部基巖的第1承壓含水層進行帷幕灌漿封閉處理。

普通水泥帷幕灌漿試驗發(fā)現(xiàn)紅砂巖巖層水泥灌漿吸漿量小，灌后檢查孔透水率仍普遍>10 Lu，說明普通水泥的處理效果有限。根據(jù)以往工程經(jīng)驗，此類膠結(jié)較好、孔隙率較大的透水砂巖可采用化學(xué)灌漿進行處理，尤其是采用丙烯酸鹽化學(xué)灌漿，既可滿足防滲目的，又具有相對更好的經(jīng)濟性和可控性[1-2]。丙烯酸鹽灌漿材料在化學(xué)灌漿材料體系中具有黏度低、可灌性好、滲透能力強、凝膠體抗?jié)B強度高、水中膨脹性適中及耐老化性能良好等優(yōu)點[3-4]，常用于處理大壩帷幕微細裂隙和混凝土結(jié)構(gòu)微裂隙滲漏[5-6]。但單純采用化學(xué)灌漿造價仍太高，為兼顧工程造價可控和技術(shù)可行，在滿足帷幕灌漿巖體透水率<5 Lu的設(shè)計要求下，借鑒水泥-化學(xué)復(fù)合灌漿技術(shù)[7-8]和控制性灌漿方法[9-11]開展紅砂巖丙烯酸鹽室內(nèi)灌漿和現(xiàn)場灌漿試驗研究，獲得了良好效果，并在泄水閘帷幕灌漿中全面應(yīng)用，該工藝原理和應(yīng)用經(jīng)驗值得類似工程借鑒，也為水利水電工程開展智能灌漿控制提供了技術(shù)支撐[12]。

2 試驗方案設(shè)計

2.1 室內(nèi)試驗

為驗證泄水閘帷幕透水性紅砂巖(中粗砂巖和細砂巖)的可灌性，開展室內(nèi)巖樣特性、漿材特性及漿材對巖樣滲透特性研究。巖樣特性分析重點測定巖體的吸水率，通過巖體的吸水率反映其孔隙率，評價巖體的可灌性；漿材特性分析用于評價其對巖體孔隙的滲入充填情況，重點關(guān)注漿材的黏度及膠凝特性；針對紅砂巖孔隙率大、孔隙尺寸小、水泥漿中水泥顆粒難以滲入的特征，通過室內(nèi)漿材無壓滲透和有壓滲透試驗，評價漿材對巖體的可灌性。

2.2 現(xiàn)場試驗

2.2.1 試驗場地選擇

選擇泄水閘上游靠左岸區(qū)域開展現(xiàn)場試驗，試驗區(qū)作為泄水閘帷幕的一部分，直接在帷幕線上進行灌漿施工，以充分驗證試驗成果。所選試驗區(qū)域具有良好的代表性，含有泄水閘帷幕紅砂巖中典型的中粗砂巖及細砂巖互層結(jié)構(gòu)，部分試驗孔孔口滲水的滲壓對應(yīng)的水柱高達到0.5～2 m(滲壓可以折算為水頭高度)。

2.2.2 試驗思路

泄水閘紅砂巖巖體具有透水率較大、滲透特性相對均勻、適用于采取控制性灌漿來快速提高巖體的抗?jié)B性能[13]的特征，結(jié)合控制性灌漿相關(guān)技術(shù)經(jīng)驗，灌漿試驗的總體思路為：先用水泥漿液充填防滲墻底部及紅砂巖地層中可能存在的較大孔隙或裂隙，再用可灌性好的丙烯酸鹽化學(xué)材料浸潤、滲透紅砂巖中的細小孔隙及風(fēng)化巖體；在單排灌漿孔布置不變的條件下，通過控制性灌漿技術(shù)，摸索材料膠凝時間、單位灌入量、灌漿壓力以及灌漿結(jié)束條件等關(guān)鍵參數(shù)，達到幕體厚度、防滲標(biāo)準滿足設(shè)計要求，且材料節(jié)省、工程造價受控等目的。

2.2.3 現(xiàn)場試驗方案

丙烯酸鹽灌漿試驗采用自上而下分段灌漿方式?？紤]到工程設(shè)計防滲標(biāo)準要求(<5 Lu)和作用水頭(<50 m)，為節(jié)約工程投資，控制漿液擴散范圍，灌漿壓力控制≤0.5 MPa，設(shè)計布置2個灌漿試驗區(qū)，試驗Ⅰ區(qū)采用定量灌注方式，固定每米丙烯酸鹽漿材進漿量，灌注完成即可結(jié)束灌漿，定量灌注量分別為50 kg/m和80 kg/m。試驗Ⅱ區(qū)采用常規(guī)化學(xué)灌漿工藝，按注入率<0.02 kg/(min·m)后繼續(xù)灌注30 min后或漿液達到凝膠時間后結(jié)束。按1.5 m孔距布孔，灌漿完成后先對檢查孔進行壓水檢測，達到設(shè)計防滲標(biāo)準即可完成試驗，否則仍按相關(guān)方法對檢查孔進行丙烯酸鹽灌漿，此時的灌漿孔距即為0.75 m，灌注完成后再布置檢查孔?；瘜W(xué)灌漿試驗參數(shù)及方案見表1。

表1 丙烯酸鹽化學(xué)灌漿試驗方案參數(shù)Table 1 Parameters of acrylate chemical grouting test

灌漿試驗孔布置參照原帷幕灌漿孔設(shè)計要求，單排布置(見圖1)，防滲墻底第1段2 m采用普硅水泥灌漿，第2段、第3段段長均為5 m，進行丙烯酸鹽灌漿。試驗Ⅰ區(qū)分2個子區(qū)，探索不同灌注量下漿液的擴散范圍及防滲效果。

圖1 泄水閘帷幕丙烯酸鹽灌漿試驗孔布置Fig.1 Layout of test holes for acrylate grouting ofsluice curtain

試驗Ⅱ區(qū)按《水工建筑物化學(xué)灌漿施工規(guī)范》(DL/T5406—2010)相關(guān)要求進行灌漿試驗，布置3個灌漿孔，分兩序施工，驗證分序加密作用和防滲效果。

現(xiàn)場選定的試驗區(qū)位于泄水閘二區(qū)上游帷幕線上，試驗Ⅰ區(qū)50 kg/m定量灌注孔為B017、B018，80 kg/m定量灌注孔為B019、B020，試驗Ⅱ區(qū)3個孔為B021、B022、B023。

3 室內(nèi)可灌性試驗

3.1 試驗方法

室內(nèi)試驗的巖樣為泄水閘壩段孔編號為SY1-3-Ⅱ的鉆孔芯樣，取樣深度3～9.8 m。根據(jù)現(xiàn)場取芯及壓水資料，芯樣中的中粗砂巖和細砂巖透水率在10～20 Lu之間，代表性芯樣見圖2(圖中上面為中粗砂巖，下面為細砂巖)。

圖2 中粗砂巖和細砂巖芯樣外觀Fig.2 Appearance of core samples of medium coarsesandstone (upper) and fine sandstone (lower)

3.1.1 芯樣吸水率

將不同芯樣置于蒸餾水中，浸泡48 h后取出，抹干表面明水，稱量芯樣吸水飽和后的質(zhì)量，并通過排水法測量芯樣的體積。將芯樣置于60 ℃烘箱中烘烤48 h，然后每小時測定一次質(zhì)量，當(dāng)質(zhì)量不再減少時，記錄芯樣完全干燥的質(zhì)量，測定芯樣的吸水率。

3.1.2 丙烯酸鹽漿材性能

選用長江水利委員會長江科學(xué)院研發(fā)的CW520丙烯酸鹽灌漿材料進行透水性紅砂巖室內(nèi)灌漿試驗和現(xiàn)場試驗研究，該材料具有黏度低、固化時間可控、抗?jié)B性優(yōu)異、綠色環(huán)保等特點[14]，參照《丙烯酸鹽灌漿材料》(JC/T 2037—2010)進行漿材性能檢測。

3.1.3 芯樣無壓滲透試驗

利用丙烯酸鹽漿材進行中粗砂巖和細砂巖芯樣無壓滲透試驗。將烘干至恒重的中粗砂巖和細砂巖芯樣周邊用環(huán)氧材料進行密封，上下端面不做處理，然后將芯樣固定于PVC圓管的下部，周邊與管壁粘貼密封，裝置外觀見圖3。PVC圓管的上部注入丙烯酸鹽漿液，持續(xù)注入確保液面高度維持在10 cm，觀察并記錄漿液滲過芯樣從下端面流出的時間。

圖3 干燥芯樣漿液無壓滲透試驗Fig.3 Pressureless permeability test of dry core samplesthrough slurry

3.1.4 芯樣有壓滲透試驗

采用相同的方法對芯樣四周進行密封，灌漿前芯樣在水中浸泡48 h以達到飽水狀態(tài)，PVC圓管的上部封閉后連接漿液液柱管，通過控制液柱高度控制灌漿壓力，有壓灌漿試驗的壓力設(shè)定為0.02 MPa(2 m高液柱壓)和0.05 MPa(5 m高液柱壓)，記錄漿液透過芯樣的時間。

3.2 試驗結(jié)果及分析

中粗砂巖與細砂巖芯樣的吸水率試驗結(jié)果見表2，可見芯樣巖體密實度偏低，吸水率分別達到17.3%和16.67%。對比而言，中粗砂巖比細砂巖吸水率更大，孔隙率更大。

表2 中粗砂巖及細砂巖的吸水率測定結(jié)果Table 2 Measurement results of water absorption ofmedium coarse sandstone and fine sandstone

文獻[15]中的有效灌漿半徑公式為

R=0.71L。

(1)

式中:R為化學(xué)漿液有效擴散半徑(m)；L為灌漿孔間距(m)。

單位長度巖體耗漿量為

Q=πR2ρb。

(2)

式中:Q為單位長度巖體耗漿量(kg/m)；ρ為漿材密度；b為紅砂巖平均孔隙率，取值17%。

根據(jù)式(1)計算丙烯酸鹽灌漿的目標(biāo)擴散半徑為1.06 m，設(shè)定紅砂巖巖孔隙率為17%，根據(jù)式(2)得到孔隙全充填耗漿量約為605 kg/m。

因?qū)嶋H工況下孔隙全填充無法實現(xiàn)也無必要，且帷幕防滲標(biāo)準相對較低，結(jié)合以往工程經(jīng)驗[9]，暫定定量灌注量為全填充方式下耗漿量的1/10左右，分別為50 kg/m和80 kg/m，對應(yīng)漿液膠凝時間控制在35～45 min，灌前壓水透水率大的孔段，膠凝時間可相對調(diào)短，且要求灌漿時快速升壓至目標(biāo)壓力。

試驗用CW520丙烯酸鹽灌漿材料的性能指標(biāo)見表3，試驗用漿材具有極低的初始黏度(6.0 mPa·s)和較高的力學(xué)性能。

表3 CW520丙烯酸鹽灌漿材料性能參數(shù)Table 3 Performance parameters of CW520 acrylategrouting material

干燥芯樣的漿液無壓滲透試驗結(jié)果見表4，飽水芯樣的有壓滲透試驗結(jié)果見表5，滲透試驗后芯樣的外觀見圖4。對比2種芯樣中漿液的滲透速率，發(fā)現(xiàn)干燥芯樣中漿液在中粗砂巖中的滲透速率比在細砂巖中要快很多，速率比為4.6∶1。有壓驅(qū)動下漿液在2種飽水芯樣中滲透速率呈現(xiàn)相同趨勢，0.02 MPa壓力驅(qū)動下滲透速率比為5∶1，0.05 MPa壓力驅(qū)動下滲透速率比為2.6∶1。

表4 干燥芯樣的漿液無壓滲透試驗結(jié)果Table 4 Results of pressureless permeability test ofdry core samples through slurry

表5 飽水芯樣的漿液有壓滲透試驗結(jié)果Table 5 Results of pressurized permeability test ofwater saturated core samples through slurry

圖4 壓力驅(qū)動下化學(xué)漿液滲透通過芯樣Fig.4 Core samples penetrated by chemical slurryunder pressure

根據(jù)紅砂巖芯樣試驗分析結(jié)果，中粗砂巖和細砂巖都具有較大的吸水率和孔隙率。由無壓滲透和有壓灌漿模擬試驗結(jié)果可知，丙烯酸鹽漿材對中粗砂巖和細砂巖的可灌性良好，在較低的壓力驅(qū)動下可排除芯樣內(nèi)部水分滲透通過整個芯樣。

4 現(xiàn)場試驗結(jié)果分析

4.1 灌前透水率

在化學(xué)灌漿前進行分段壓水檢測，各試驗區(qū)平均透水率見表6，可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)歷超細水泥灌漿后的紅砂巖透水率仍遠大于5 Lu設(shè)計指標(biāo)。試驗區(qū)第1段灌前透水率大于第2段，試驗Ⅰ區(qū)灌前透水率略大于試驗Ⅱ區(qū)。

表6 不同試區(qū)化學(xué)灌漿孔灌前透水率Table 6 Water permeability of chemical grouting holesin different test areas before grouting

4.2 化學(xué)灌漿成果

化學(xué)灌漿試驗共布置2個試驗區(qū)7個灌漿孔，每個孔2段，共計14段。其中試驗Ⅰ區(qū)4個灌漿孔，試驗Ⅱ區(qū)3個灌漿孔。

Ⅰ-1區(qū)B017孔和B018孔基本按照單位注入量50 kg/m控制，實際平均單位注入量為66.3 kg/m，因兩孔的部分孔段(B017孔兩段和B018號孔第1段)達到結(jié)束量時回壓較小，甚至無回壓，故結(jié)束時平均注入率>50 kg/m。

Ⅰ-2區(qū)B019孔和B020孔按照單位注入量80 kg/m控制，實際單位注入量為79.0 kg/m。B018和B019孔第2段結(jié)束時回壓均較小，達到規(guī)定注入量后即結(jié)束灌漿。

Ⅱ-1區(qū)B021孔、B022孔和B023孔按照正常灌漿標(biāo)準結(jié)束，實際單位注入量為74.2 kg/m，其中B021和B022孔的分段灌漿量單位注入量分別為136、81 kg/m和58、94 kg/m，兩孔的平均單位注入量為92.5 kg/m；而B023孔因灌前透水率較小(6.2 Lu)，相應(yīng)單位注入量只有30 kg/m。

4.3 灌后壓水檢查

灌漿結(jié)束3 d后，按設(shè)定方案對檢查孔進行鉆孔壓水檢查，壓水結(jié)果見表7，J1孔兩段透水率分別為6.4 Lu和8.2 Lu，均>5 Lu，未達到設(shè)計要求；J2、J3兩個檢查孔的全孔透水率均<5 Lu，其中J2孔兩段分別為3.5 Lu和3.8 Lu，J3孔兩段分別為4.4 Lu和4.2 Lu，達到設(shè)計防滲目標(biāo)。

4.4 檢查孔取芯

化學(xué)灌漿完成后按照試驗方案進行檢查孔取芯，圖5為J2、J3孔鉆孔取芯芯樣，由于紅砂巖自身強度偏低，丙烯酸鹽凝膠體無色透明且只有防滲效果而無補強作用，單管鉆具取芯芯樣斷裂和破損較嚴重，鉆孔過程中孔口大量返砂，導(dǎo)致巖芯獲取率偏小。

檢查孔作業(yè)時還發(fā)現(xiàn)鉆孔返水手摸可感覺漿材凝膠存在，所獲芯樣可聞到丙烯酸鹽凝膠氣味。對比灌后檢查孔芯樣和灌前芯樣，水對芯樣的浸潤特性發(fā)生了很大變化，灌后芯樣干燥后呈現(xiàn)一定的疏水特征，水不易浸入砂巖中，孔隙中充填的丙烯酸鹽凝膠起到了充填防水作用，見圖6。

表7 丙烯酸鹽灌漿檢查孔壓水透水率統(tǒng)計Table 7 Statistics of permeability of acrylate groutinginspection holes under water pressure

圖5 J2與J3檢查孔巖芯Fig.5 Rock core specimens of inspection holes ofJ2 and J3

圖6 灌漿前后巖樣水浸潤特征對比Fig.6 Water infiltration characteristics of rock specimensbefore and after grouting

4.5 現(xiàn)場試驗結(jié)果分析

(1)采用不同定量灌注量和結(jié)束標(biāo)準進行丙烯酸鹽化學(xué)灌漿試驗結(jié)果表明，50 kg/m定量灌注區(qū)灌后檢查壓水透水率不滿足設(shè)計要求；80 kg/m定量灌注區(qū)灌后檢查孔兩試段透水率分別為3.5 Lu和3.8 Lu，滿足設(shè)計要求。

(2)不定量灌注試驗區(qū)單位注入量為74.2 kg/m，去除異?？譈023后平均單位注入量為92.5 kg/m，檢查孔兩試段透水率分別為4.2 Lu和4.4 Lu，滿足設(shè)計要求，但相對80 kg/m定量灌注區(qū)稍大。

對比試驗結(jié)果，推薦在大規(guī)模施工中采用80 kg/m定量灌漿方案，同時針對灌前透水率的差異，對定量灌注量可進行適當(dāng)調(diào)整。

5 結(jié) 論

(1)室內(nèi)巖樣分析和模擬灌漿試驗表明，丙烯酸鹽灌漿材料在泄水閘紅砂巖地層中具有良好的可灌性，漿液可以快速滲入紅砂巖內(nèi)部。

(2)現(xiàn)場化學(xué)灌漿工藝試驗證明，針對碾盤山樞紐工程泄水閘紅砂巖地層防滲帷幕灌漿，本研究提出的定量控制性灌漿思路是合適的，選定的灌漿定量值可實現(xiàn)對壩基紅砂巖帷幕快速灌注處理，達到設(shè)計防滲要求。

(3)試驗成果及制定的施工工藝已成功應(yīng)用于碾盤山工程泄水閘防滲帷幕施工中，可為類似工程壩基紅砂巖防滲處理提供借鑒。