复合微密石在建筑物渗漏处置中的适用性研究

于广斌，肖 雄，贾洪波

(中国安能集团第三工程局成都分公司，四川 成都 610000)

1 引言

随着我国水利水电工程的进一步发展，特别是西部及西南地区水电工程建设，在深厚覆盖层上修建土石围堰已成为必然趋势。在大渡河干支流、金沙江中上游、怒江中上游、西藏和新疆一些河流均存在深厚覆盖层问题。深厚覆盖层是指堆积于河谷之中，厚度大于30 m 的第四纪松散堆积物，大多结构松散，岩层不连续，岩性成因复杂且变化较大[1]。在河床深厚覆盖层上建坝时，由于河床基础材料存在较多的孔隙，所以必定面临渗漏的问题。目前，关于水利工程建筑物加固防渗的措施，主要有在临水一面设置防渗墙技术、灌浆加固技术、土工膜施工技术等。脱云飞等[2]针对垂直帷幕灌浆方法在甘肃省肃南县酥油口水库的防渗漏效果不明显的工程难题，提出了斜孔帷幕灌浆方案，该方案显著地减小了水库渗漏，达到了预期目的。陆健辉等[3]根据长江口软土地基上水库堤身结构和堤基地质条件，对渗漏及渗透变形问题提出了3种垂直防渗墙方案，并对这3种方案进行了经济技术对比，发现高压摆喷结合旋喷形成防渗墙防渗效果最佳。袁宝远等[4]通过室内模拟试验，利用从国外引进的格威系列地质雷达，掌握了相关典型目标物的雷达图像特征，通过大量的测试分析总结，建立了深部逐步层次测试分析方法。并将此项技术应用到了南门峡水库坝基的探测中，发现基岩中存在明显的强渗漏带，灌浆隧洞右岸局部地方存在破碎带，这为水库除险加固工程的设计和施工提供了技术支撑。李延忠等[5]通过分析数据差异，发现土工合成材料可以使坝体自身的致密度增加，阻水性得到加强，使其防渗性能得到提升。杜科等[6]对长江中游界牌河段中高滩鱼嘴局部护坡沙枕采用的CW-S新型防老化涂层材料进行了试验，发现该材料可以大幅提高编织袋材料的耐老化性能，强度及柔韧性，使其能够更好地抵御含沙水流的冲刷，成永辉等[7]采取施打拉森钢板桩止水、增设大功率水泵降排水等措施，使防渗墙成墙的质量、进度均达到了设计要求。我国在高分子灌浆材料技术的研究起步相对较晚，聚脲[8～10]、聚氨酯[11～13]、环氧树脂[14，15]、木质素[16]灌浆材料等的研发与发展也比较慢。

考虑到防渗墙、灌浆加固等技术的施工要求复杂，且成本高，本文选用复合微密石作为研究目标，并对其防渗效果进行讨论分析。

2 试验概况

2.1 材料基本性质

表1为复合微密石基本物理参数，在松装和密装的条件下具有一定的差异，复合微密石颗粒的外观整体呈灰白色，散粒状，内核为卵石，外层为干燥的、极易吸水膨胀的有机矿物包裹层。其级配曲线如图1所示，复合微密石颗粒粒径几乎全分布在1～10 mm之间。复合微密石是通过化学原理吸水，其外层有机矿物包裹层水化后变得软黏，当一定量的膨胀颗粒聚集在一起时，颗粒便容易粘连在一起，水化后的复合微密石具有良好的阻水作用，图2为复合微密石膨胀前后对比图。

2.2 试验步骤

2.2.1 试验场地选址及模型确定

试验通过改变不同铺盖条件并结合试验所得数据，分析复合微密石的防渗性能及防渗适用性。根据现场场地条件，试验场地选址于基坑碎石振冲桩施工平台下游原河床，试验场地长约20 m，宽约5 m。为满足试验要求，分别开挖2个水塘、2个水槽，其中水塘直径3 m，深0.6 m；水槽顶长4 m，顶宽2 m，底长3 m，底宽0.8 m，深0.6 m。水塘模型内分别用采用黏土和复合微密石防渗铺盖；同时，为模拟围堰渗漏，在2个水槽模型内筑坝，坝高均为0.55 m，坝顶宽均为0.20 m，上下游坡比均为 1∶1.5，坝体采用黏土材料。

表1 复合微密石基本物理参数

图1 复合微密石级配曲线

图2 复合微密石膨胀前后对比

对于试验模型的修建，首先对试验场地进行整平，此过程为避免破坏原地层，采用人工修整。然后使用挖掘机按照设计尺寸进行水塘和水槽的开挖，此过程机械不能在试验场地范围内。之后采用人工对试验模型进行修整，主要将模型内垃圾清理干净，并平整坡比。围堰填筑并碾压。将围堰模型的坝轴线选在混凝土槽长度方向的中间位置，坝顶宽度均为0.2 m。坝体上下游的坡比按1∶1.5进行填筑。模型从底层开始分层填筑，分层厚度为15 cm。坝体填筑必须满足标准要求的密实度和均匀性，坝体填筑料应进行碾压。待每层达到标准密实度后，暂停30 min，取2组试样进行含水率测量，保证与最优含水率差距在5%以内，再进行下一层土体碾压，直到坝体高度达到55 cm，停止填筑，围堰模型筑成。模型保护。为防止试验场地及模型的破坏，在试验区设置警示围栏和警示牌对其进行保护。

2.2.2 试验流程

2.2.2.1 水塘模型试验

首先分别向水塘内铺盖黏土和复合微密石，其中黏土厚10 cm，复合微密石厚5 cm，黏土铺设过程需要碾压密实。当防渗铺盖施工完成后，为防止水流高速冲刷，向水塘底部均铺设5 cm碎石保护层。在模型内埋设水位标尺，为后期测量做准备。向水塘内加水至预定水位后，开始测量水位，并记录时间。每隔5～10 min进行一次测量，直至流量为零或一段时间内流量变化不明显。

2.2.2.2 水槽模型试验

首先向其中一个水槽围堰前及库底铺撒复合微密石厚3 cm，铺设过程无需碾压，另外一个水槽为对比试验组(库底无防渗措施)。向水塘内加水至预定水位后，开始测量水位，并记录时间。每隔5～10 min进行一次测量，直至流量为零或一段时间内流量变化不明显。

3 试验结果及分析

依照上述试验步骤进行试验，针对不同模型条件，研究复合微密石铺盖的防渗特性，各模型的设计参数见表2。

表2 复合微密防渗适用性试验方案

3.1 水塘模型

在试验过程中，在不同防渗材料，相同铺盖面积，不同铺盖厚度条件下所测水深随时间的变化如图3所示。

图3 水塘模型水深随时间的变化

从图3可知，水深随时间不断降低，且都是在一开始快速下降，到一定时间后缓慢变化。采用黏土防渗的A1组在前80 min的时间水深下降趋势明显，之后水深下降速度减缓，最终水位远低于试验初始水位；采用复合微密石防渗的A2组在前20 min的时间，水深呈下降趋势，之后水深下降速度减缓，在60 min时，水深基本保持不变，最终水位较初始水位下降幅度小。尽管A1组试验铺盖厚度大于A2组试验的铺盖厚度，但采用复合微密石防渗的A2组试验的水深一直高于采用黏土防渗的A1组的水深。因为黏土团粒吸水膨胀，土内产生不均匀应力，胶质逐渐溶解，团粒水膜变厚，但防渗性能发挥时间较长。复合微密石在初始水化阶段，形成一种缓慢的流量减小趋势，复合微密石在吸水之后自膨胀，其表面有机包裹层膨胀之后能起到很好的防渗作用，最终渗流量随时间的变化逐渐减小至不再发生渗漏。

3.2 水槽模型

在试验过程中，所测水深随时间的变化如图4所示。

图4 水槽围堰模型水深随时间的变化

从图4可知，空白试验B1组水位下降迅速，在62 min时,水深为0；采用复合微密石防渗的B2组在前10 min的时间内，吸水和渗漏较明显，导致该时间段水位小幅度下降，从10 min开始，水深基本保持不变。整个实验过程采用复合微密石防渗的B2组水位一直高于空白试验B1组水位，且差异明显，试验结果表明，对比库底无防渗措施的试验组，采用复合微密石的试验组结果理想，复合微密石表现出优良的防渗效果。

4 结论

试验通过现场物理模型测试复合微密石作为防渗铺盖的抗渗效果，分别设置水塘和水槽围堰模型进行试验。通过测量不同条件下模型渗流量随时间的变化，得出变化曲线，并对复合微密石的铺盖性能进行了分析，得出了以下结论。

(1)试验过程中，尽管试样所处的条件不同，但渗流流量随时间的变化关系大致相同。在试验开始时，由于复合微密石未水化，吸水和渗漏较多，导致水位下降较快；在快速水化后，水位基本保持不变，防渗性能优良。

(2)根据对比试验，可以发现复合微密石在自膨胀状态下的防渗性能远强于黏土。

(3)复合微密石在初始水化阶段过后，渗漏皆形成一种缓慢的流量减小趋势，该趋势随着铺盖条件的不同而产生细微的变化，最终渗流量随时间的变化逐渐减小至不再发生渗漏。

(4)试验过程中发现，材料极易遇水粘结，但并不影响材料使用，相反，更有利于材料发挥其防渗性能。

(5)复合微密石作为防渗铺盖作用时，遇水后表面有机矿物包裹层膨胀软化，此时水流对它的冲击作用明显，应避免水流从其表面快速流动，在流速较大区域应设置一定厚度的抗冲保护层。

(6)整个试验过程中，复合微密石材料都表现出了良好的防渗效果，试验所测得渗流量都随时间呈指数性降低。

复合微密石材料防渗能力强，具有一定的自膨胀性、自密性和自愈性，且复合微密石作为防渗体的施工不受雨季的影响，下雨时可照常施工。同时这种防渗料也可以在水下浇筑。因此在抗洪抢险施工，人工湖防渗处理方面具有很强的适用性。复合微密石作为一种新型的防渗材料，施工条件限制少、成本低、防渗效果佳的优点，使得复合微密石的应用面很广泛。