泸定水电站砂土层模拟灌浆试验研究

王晓飞

(中国水电基础局有限公司三公司，成都，610213)

1 试验背景

灌浆技术的应用可显著降低砂土地层的渗透系数，提高地基承载力，但灌浆浆液在砂土地层中的扩散形态及扩散过程是隐蔽不可见的，浆液与土体间的渗透、压密或劈裂等作用方式的发展进程无法直接观测，这使得以室内试验为基础的灌浆理论研究远落后于工程实践的需要，也使得灌浆工艺更多依赖于经验，提升、改进空间有限。室内灌浆研究的相对滞后严重制约着复杂地层中水利工程等行业的建设，因此，亟须开展此方面的相关试验研究。

泸定水电站坝基补强灌浆工程在覆盖层深100m～130m范围内不同深度分布了多个砂土层，对灌浆效果的影响极大，为了解决砂土层的灌注、浆液的扩散及留存问题，特开展不同浆材的对比模拟试验，以便为工程施工提供指导和依据。

2 试验目的和内容

2.1 试验目的

(1)设计一套灌浆试验模型装置，并加工制作。

(2)针对砂土层，分别灌注两种浆材，研究两种浆液的可灌性、渗透性、扩散性、灌浆充填效果等参数。

(3)研究两种浆材在砂土层中的灌浆试验效果，为灌浆施工提供参考。

2.2 试验内容

2.2.1 灌浆试验模型装置的设计与制作

根据施工现场具有的条件，设计与制作一套灌浆试验模型。

采用现场废旧铁桶作为灌浆空间，桶上下和周围采用废旧铁板、钢筋和钢条加强固定，在桶口开孔设置注浆管路和排气排水管路。灌浆试验装置可以多次利用，铁桶为一次性使用。

新型试验装置主要通过以下技术方案实现：

(1)本灌浆模拟试验装置主要包括：灌浆平台(铁桶)、下钢板支架、上钢板压重、加固支架(活动支架，可拆卸)、灌浆桶周围加固桶箍、储浆桶、灌浆泵、流量计、压力表、上下灌浆进出口、排气口、灌浆管路、球阀等。如图1和图2所示。

(2)灌浆平台：灌浆平台由废旧铁桶制成，在桶顶开口方便砂土装入桶中，最终灌浆平台内部形成一个φ585mm×885mm圆柱形空腔体，用于装填砂土。

(3)下钢板支架：为方便在灌浆桶下部安装出浆口，预留一定空间，在桶下部设置钢板支架。钢板支架主要是支撑作用和方便安装出浆口。

(4)上钢板压重：考虑灌浆时桶顶开口处需要有灌浆盖重，采用15mm厚方型钢板作为压重，中间打孔预留射浆管入口和排气口。安装孔口封闭器和球阀在上钢板盖重上，可拆卸和多次利用。

(5)加固支架：考虑灌浆时浆液压力过大顶开上钢板盖重，采用φ28螺纹钢筋车丝扣螺母加固。

(6)灌浆桶周围加固桶箍：由于铁桶壁较薄(1mm)，考虑灌浆时浆液压力过大而撑开铁桶壁，采用宽50mm的钢条卷成圆环并用螺母加固。

(7)储浆桶与灌浆泵及其他灌浆设备：储浆桶顶部开一处孔口，为进出浆口，通过管线灌浆泵连接。流量计、压力表、上下灌浆进出口、封闭器、排气口、灌浆管路、球阀等安装在适当位置。射浆管下设至深度为桶高度的2/3处，以利于浆液更好地灌注和扩散。

图1 灌浆试验模型装置示意

图2 灌浆试验模型装置三维导视

2.2.2 试验集配料

试验所用砂土为廊道内灌浆孔深100m～130m钻孔涌砂，砂土物理性质见表1，参照《土工试验规程》(SL 237-1999)进行常水头试验测定其渗透系数。砂土级配见表2和图3。

表1 试验砂土物理性质

表2 试验砂筛分级配分析

图3 砂土级配曲线

2.2.3 灌浆材料

本次试验灌浆材料主要为复合灌浆材料和HSS型纳米灌浆材料。

(1)复合灌浆材料

复合灌浆材料主要解决较大渗漏通道，采用常规的水泥浆液灌注可以解决一部分孔隙，注入复合浆液可以渗透至较大通道，充填地层达到一定扩散范围形成防渗止水帷幕。因此，采用的浆材需要满足一定时间内较快凝结、抗水冲的性能和良好的扩散性能等特点。

(2)HSS型纳米灌浆材料

HSS型纳米灌浆材料为中国水电基础局的专利产品，其固砂体强度可达5MPa及以上，材料特性包括：

①浆液粘度低，流动性好，可灌入粒径0.05mm以下的粉细砂层或基岩微细裂隙；

②凝胶体抗渗性能好，能满足工程建筑物高标准的防渗要求；

③HSS型纳米灌浆材料结构致密，强度高，耐久性和稳定性优良；

④浆液安全环保，施工工艺及设备简单，人员操作少，性价比高。

HSS型纳米灌浆材料主要性能见表3。

表3 HSS型纳米灌浆材料主要性能

(3)水

灌浆用水从泸定电站库区内抽取，应遵守DL/T 5144-2015的规定。

2.2.4 灌浆浆液

灌注浆液包括复合浆液和HSS型纳米浆液，根据地层情况，选择适当的浆液灌注。灌浆浆液配置如下：

(1)复合浆液

复合浆液是在复合灌浆材料里加水拌制而成，水灰比为0.6∶1，所采用的复合浆液初凝时间为40min～60min。

(2)HSS型纳米浆液

在现场根据施工需要将A、B液按一定配比配置好，贮存在制浆站塑料桶内，用管路输送至各机组。根据本工程特点，初步拟定采用的浆液的可操作时间为10min～30min。

2.2.5 灌浆施工

不同条件下灌注各种浆液至桶上出浆口冒浆即可结束，闭浆待凝。

2.2.6 试验步骤及方案

(1)试验步骤

按设计要求制作灌浆试验模型装置，用橡胶条密封桶体周围防止灌浆过程中漏浆，将特定级配的建筑砂土装入试验箱体中，箱体和砂土之间放置土工布，防止压水或灌浆过程中砂土冲出桶体。将拌制好的浆液灌入储浆容器，准备灌浆。开始灌浆，开启灌浆泵和管道节阀，不断调节灌浆压力，使得压力表示数趋于稳定到设计灌浆压力，观察并记录浆液的流动情况，压力传感器记录孔隙水压的变化；停止灌浆，当储浆容器中浆液注完或者浆液不再进入或者浆液流动范围基本不变时停止灌浆；待浆液凝固后打开试验箱体，观察并记录容器内部浆液的分布和扩散情况，对试验数据整理分析并研究其扩散规律。

(2)进行不同浆材对比灌浆试验

采用饱和砂土进行试验，在0.4MPa灌浆压力下采用不同浆材在砂土中进行灌浆对比试验。

3 试验成果及分析

3.1 试验过程及成果

3.1.1 采用复合灌浆材料

采用饱和砂土进行试验，灌浆压力0.4MPa，复合浆液灌浆模拟试验。

将装在桶中的砂土提前通过下部进水口通水饱和，以模拟真实地层。将灌浆管路、压力计、流量计、射浆管接好，进行管路通水试验确保管路密封完好(见图4)。制备好复合浆材准备灌浆，开灌流量5L/min，尽快达到设计压力，持续灌注(见图5)，直至上部出水口有浆液排出，闭浆30min，灌浆结束。

图4 安装好灌浆装置

图5 灌浆

24h后将铁桶切开，观察浆液在砂土中的状态见图6。通过打开铁桶，桶下部及周围砂土呈试验之前松散状态，切掉铁桶周边，砂土散落。随着慢慢开挖至射浆管附近，遇到强度较硬的水泥结石和水泥砂土固结物。全面清理之后，用水枪清洗。观察固结体为沿射浆管周边圆柱状水泥砂土结石体和桶口圆盖状水泥砂土结石体。从固结体的状态来看，复合浆液在砂土层中灌注的扩散范围十分有限，桶顶部扩散半径约0.293m，除顶部以外砂土层中扩散半径约0.1m，充填效果不理想。

3.1.2 采用HSS型纳米灌浆材料

采用饱和砂土进行试验，灌浆压力0.4MPa，HSS型纳米浆液灌浆模拟试验。

将装在桶中的砂土提前通过下部进水口通水饱和，以模拟真实地层。将灌浆管路、压力计、流量计、空气包，稳压器、射浆管接好，进行管路通水试验确保管路密封完好。制备好体积为100L的HSS型纳米浆材(凝结时间为15min)准备灌浆，开灌流量5L/min，尽快达到设计压力，持续灌注，直至上部出水口有浆液排出，闭浆30min，灌浆结束。灌浆过程中压力和流量很稳定，灌浆过程中未出现上下盖重密封不严实的情况，灌浆达到设计量(约80L)时，上部出浆口出现浆液渗出的情况。

24h后将铁桶切开，观察浆液在砂土中的状态。通过打开铁桶，桶下部及周围砂土呈精密固结状态，切掉铁桶周边，HSS型纳米浆液砂土固结体完好。随着切开桶体全部，全面清理之后，用水枪清洗。观察固结体为桶体圆柱状浆液砂土结石体(见图7)。分析由于HSS型纳米浆液为真溶液，颗粒较小很容易在砂土层中扩散，表现为整个桶体射浆管周围渗透灌浆方式。从固结体的状态来看，HSS型纳米浆液在砂土层中灌注得均匀扩散且范围较大，充填效果较理想。

图7 切开桶体砂土固结状态(HSS型纳米浆液)

3.2 试验成果分析

3.2.1 地质条件对灌浆成果的影响

试验是在饱和砂土层中进行，采用铁板作为盖重，浆液从铁桶上部或桶周围的细缝通道中跑浆。同时有部分灌入孔内的浆液在凝固之前注入桶底，所以灌浆不饱满。例如复合浆液在饱和砂土中预计扩散半径为0.15m，但浆液并没有按照设计扩散半径扩散，实际扩散半径除桶顶部外仅为0.1m，灌浆效果较差。HSS型纳米灌浆材料设计的扩散半径按0.293m设计，直到把计划浆量全部灌注完毕为止，灌浆过程一切正常，灌浆效果较好。

3.2.2 灌浆压力对灌浆成果的影响

通过灌浆试验说明，对于HSS型纳米灌浆材料，处理软弱地基时，尤其是砂土层，灌浆压力不宜过大，否则浆液就沿着可能存在的通道灌注，而且不能均匀渗透固结，影响灌浆效果。对于复合浆液，处理砂土层，由于地层较为密实，灌浆压力不宜过大，否则浆液就沿着可能存在的通道灌注，也就是劈裂灌浆，在最为薄弱的裂隙通道中灌注，表现为沿射浆管周围劈裂灌浆和沿射浆管顶部扩散灌浆，而且不能均匀渗透固结，影响灌浆效果。

4 结论

通过铁桶模拟试验，在相同的饱和砂土层中分别采用复合浆液和HSS纳米浆液进行灌注，由于复合浆液的颗粒较粗(和普通硅酸盐水泥浆液类似)，无法渗透进入砂层中的孔隙，以挤压和劈裂为主，很难改善砂层本身的渗透系数；而HSS纳米浆液属于真溶液，渗透性接近于水，基本上水能渗入的孔隙，HSS纳米浆液也能渗入，非常适合砂层的灌注，对改善砂层的渗透系数效果明显。