基于黄土地区大坝基础防渗处理的劈裂注浆技术研究

崔汝静

（云南昭通市昭鲁大型灌区管理局,云南 昭通 657000）

1 引言

西北地区分布这大面积的黄土,黄土的湿陷性是最大的特点之一,而引起黄土湿陷性的原因是黄土具有多孔性、垂直节理发育等特征,该结构组成会造成黄土遇水后将其疏松的土粒聚集,而黄土的组成主要由粉粒和亲水性较弱的矿物成分所构成,由于黄土长期处于半干旱和干旱的气候中,使得黄土中水分蒸发,致使黄土中含水量比较小；而黄土中具有粘粒的强结合水连接和盐类成分胶结连接,在比较干燥的环境中,黄土承担一定的承载力之后变形不是很大。但是,当黄土遇水遭到浸湿之后,土粒之间的连接明显发生减弱以及黄土中的结合水膜加厚,由于结合水膜分布在颗粒间,导致结合水的连接作用减弱甚至会消失,而可溶性的盐类成分也会溶于水中,以上原因会导致黄土的主体骨架结构的承载能力减弱,在上层覆盖土的自重压力及外部附加压力作用下,主体结构遭到破坏,土颗粒向大孔隙滑动,黄土的承载力减小,从而黄土出现大面积湿陷[1-2]。

2 大坝加固技术

目前工程上常用的加固技术有很多,前人也进行比较深入的研究。本世纪初,廉翔[3]基于七一水库大坝工程实例,通过研究高喷注浆防渗墙的具体设计和施工要求,给高喷注浆技术的工程应用提供了理论指导。杨亚新[4]结合具体工程案例,对大坝坝基渗漏的原因进行了分析,并给出了具体的防渗加固方案,给工程实践提供了参考范例。尚海涛[5]等在分析宫山嘴水库大坝质量问题的基础上,给出了高压定喷灌浆方案,并通过注水试验,验证了施工效果。李焱华等[6]研究了特殊地质、气候条件下高压摆喷灌浆技术的工程应用,通过工程设计和参数优化,以及具体的施工要求,得出高压摆喷灌浆技术在高原地区应用技术可行、效果显著。王欣荣[7]分析了化学灌浆技术在大坝基础处理中的应用,研究了不同化学灌浆材料和新型化学灌浆技术,得出化学灌浆技术在大坝基础的防渗加固中是安全可靠的。黄观幸对高压喷射注浆在防止大坝渗流中的应用进行研究,通过高压喷射注浆技术形成的防渗墙能够有效防止大坝渗流。周文帅等[8]通过试验研究了土钉支护技术加固河道边坡的应用,通过设置不同的土钉间距以及不同的坡度条件展开试验,最后得出在下相同坡度条件下,随着孔径的减小,边坡最大土壤流失量也在减小。

综合以上可以发现,前人对灌浆技术的研究大多集中在方案设计和施工技术等方面,对于具体的注浆机理,不同注浆参数对注浆加固效果的影响等方面的研究尚有欠缺。

3 注浆试验

3.1 场地概况

地质勘查报告,试验场地地基土分层分别为：素填土（Q4ml）,平均厚度约2.56 m；黄土状粉土（Q4al+pl）,平均厚度约6.37 m；马兰黄土（Q3eol）,平均厚度约24 m；圆砾（Q3al+pl）,平均厚度约4.5 m。经评价,该地基土为Ⅳ级严重自重湿陷性类型[9-10]。

3.2 试验设计

在试验场地分3 组打注浆孔,每组6 个注浆孔,孔距80 cm,孔位按等边三角形布置,见图1 。

图1 注浆孔位布置图

注浆所用浆液为P.O42.5纯水泥净浆,注浆量Q的计算方法如下所示：

式中：Q1为桩芯所需注浆量,m3；Q2为单个支脉所需注浆量,m3；c1为经验系数,可取1.1～1.3,所需复合地基承载力高时,取较大值,d为桩径,m；l为桩长,m；n为支脉个数,c2为浆液扩散系数取1.5,V为单个支脉体积,m3。

计算注浆量时,为了计算方便,将支脉简化为长、宽、厚均匀的薄板状形态。

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每组注浆孔所用注浆浆液配比不同,分别为：第一组,注浆浆液水灰比1.2,第二组,注浆浆液水灰比为1.0,第三组,注浆浆液水灰比为0.7。注浆过程分为全段劈裂注浆和分层劈裂注浆两步进行,为了避免在注浆过程中相邻两注浆孔相互影响,需要进行隔孔注浆。首先进行注浆孔的钻孔作业,注浆孔孔径11 cm,孔深10 m,钻孔结束后,进行注浆浆液的配制,然后开始全段劈裂注浆,注浆管长10 m,管壁开喷浆孔。第1 组全段注浆完成后,钻第二组注浆孔,配制第二组注浆浆液,进行第二组全段注浆,依次进行。

3.3 注浆参数分析

在注浆过程中,记录好每次注浆的注浆压力（P）、注浆量（Q）、随注浆时间（t）的变化数据,注浆结束后,每组挑选两个最具代表性的注浆孔的注浆参数进行分析。第一组1号孔和5号孔全段劈裂注浆的注浆压力（P）、注浆量（Q）随时间（t）额变化情况见图2、图3。

图2 1号孔P-Q-t变化曲线

图3 5号孔P-Q-t变化曲线

由图2、3可以发现,当注浆浆液水灰比为1.2 时,两个注浆孔的注浆上压时间分别为98 s和95 s,此后压力不断增大,分别在第275 s和270 s达到最大值,1号孔注浆压力最大值为0.63 MPa,5 号孔注浆压力最大值为0.65 MPa,可见对于同一水灰比的浆液,同一地点注浆时,注浆上压时间、压力达到最大值的时间以及最大注浆压力相差不大,具有参考价值。

第二组注浆浆液水灰比为1.0,注浆完成后,选择最具代表性的2-2 和2-5 号孔的注浆参数,绘制其P-Q-t变化曲线见图4、图5。

图4 2-2号孔P-Q-t变化曲线

图5 2-5号孔P-Q-t变化曲线

由图3、图4可以看出,当注浆浆液水灰比为1.0时,两个注浆孔的注浆上压时间分别为82 s、79 s,此后压力不断增大,分别在第220 s和218 s达到最大值,注浆压力最大值分别为0.53 MPa和0.49 MPa,可见两个注浆孔的注浆参数差别不大,并且与水灰比为0.7 的注浆参数相比,注浆上压时间和最大注浆压力均有所减小,但是同一时间段内的浆液用量有所增加。

第三组注浆浆液水灰比为1.2,注浆完成后,选择最具代表性的3-3 和3-6 号孔的注浆参数绘制其P-Q-t变化曲线见图6、图7。

图6 3-3号孔P-Q-t变化曲线

图7 3-6号孔P-Q-t变化曲线

由图5、图6可以得出,当注浆浆液水灰比为0.7 时,两个注浆孔的注浆上压时间分别为58 s和61 s,此后压力不断增大,分别在第150 s和152 s达到最大值,注浆压力的最大值分别为0.47 MPa和0.45 MPa,两个注浆孔的注浆参数差别不大,并且与水灰比为1.0 的注浆参数相比,注浆上压时间和最大注浆压力也均有所减小,而相同时间段内的浆液用量在3种水灰比中为最大。

3.4 浆液扩散规律分析

试验所用注浆浆液为P.O42.5水泥净浆,水泥浆为宾汉流体,属非牛顿流体的一种,以浆液微圆柱体为研究对象,设土体劈裂裂缝宽度为,微圆柱体梁端的压力分别为f和f+ df,则此段微圆柱体的压力差为 df,微圆柱体表面所受剪应力为,则有[11]：

式中：b为浆液粘度；τs为浆液的剪切屈服强度；v为浆液的剪切速率,

设浆液微圆柱体高度为h0,对h0≤h≤0.5l或-0.5l≤h≤-h0区域内,认为浆液流速分布为抛物线形状,见图8。

图8 注浆浆液流速分布

对（6）式沿按边界条件z=0.5l、v=0的边界条件沿方向积分,则有：

由于在-h0≤h≤h0区域内,注浆浆液不受剪应力作用,于是：

对劈裂面进行积分,则可得浆液的平均流速方程为：

土体劈裂所形成的的劈裂通道假定为椭圆形,其方程为：

其中,a为椭圆的长轴,即为浆液所扩散的最大长度,则a=a（t）,t为注浆时间,b为椭圆的短轴,,则土体劈裂时所形成的的劈裂通道的宽度为：

其中,E为黄土的弹性模量,K为裂缝断开时的韧度,由于土体劈裂裂缝通道的体积和流入浆液的体积相等,则有：

其中, q为浆液流速, t为时间,联立式（11）、（12）可得浆液扩散距离为：

劈裂裂缝末端的扩散速率则为：

4 结语

通过设计不同浆液水灰比下的三组注浆试验,分别得到了浆液水灰比在1.2、1.0、0.7时的注浆压力、注浆量和注浆时间之间的变化关系,通过绘制P-Q-t变化曲线图并进行分析,最终得出以下结论：

（1）随着注浆浆液水灰比不断减小,注浆上压时间、最大注浆压力和达到最大注浆压力所用的时间均随之减小,可见在浆液水灰比越小,浆液越稀的情况下,注浆压力增加的越快,所需的最大注浆压力也越小,即浆液水灰比越小,越容易将土体劈裂。

（2）随着注浆浆液水灰比的不断减小,同一时段内的注浆量越大,说明在浆液越稀的情况下,浆液在土体中的渗透作用越强。此时,浆液不仅会对土体进行劈裂,而且会随着劈裂裂缝不断渗透、扩散,因此,在这种情况下,注浆扩散半径也会越大。

（3）在实际工程中,注浆压力与注浆浆液水灰比息息相关。当浆液水灰比较大时,注浆压力较小,浆液无法对土体进行劈裂,不能填充挤压土体,起到防渗加固的作用；当浆液水灰比较小时,注浆压力较大,浆液对土体形成劈裂,但会随着劈裂和渗透作用,扩散半径不断增大,会造成大量的浆液消耗,同时所形成的结石体强度不高,加固效果不好。因此,选择合适的浆液配比至关重要,从试验结果可知,浆液水灰比应选择1.0为宜。

（4）通过理论推导,得出劈裂注浆浆液的扩散距离和扩散速率的表达式,明确了浆液扩散距离和扩散速率随时间的变化规律,为工程实践提供理论指导。