水库土坝防渗工程中黏土固化剂的应用

2023-02-20王玉金王浙津

大科技 2023年4期

李峰，王玉金，王浙津

（中国水电基础局有限公司，天津 301700）

0 引言

水库水坝由于受到建设年代技术水平的影响，其堤防存在着不同程度的安全隐患，其中最为常见的安全隐患就是渗漏。针对水库土坝渗漏问题，我国主要的治理方式仍是以传统的灌浆技术为主。但是传统的灌浆技术需要消耗极多的水泥，其施工成本较高。由此，黏土固化剂灌浆技术便应运而生，其通过在黏土以及水泥中添加固化剂，来有效地改良浆液，为施工节约了极大的水泥使用数量，不仅防渗效果得到了明显的提升，其施工效益也得到了全面的提高，真正实现了经济效益与社会效益的有机统一。

1 案例工程综述

1.1 工程概况分析

乔苗水库地处左江流域黑水河支流的向水河上游，其坝体位于大新县全茗镇乔苗村新意屯，与大新县城约有10km 的距离。大新县归属崇左市管辖，地处我国广西壮族自治区西南边陲，其东北方向靠近隆安县，北方比邻天等县，西北方毗邻靖西县，西南方靠近龙州县，水库的工程等级为Ⅲ级，主体建筑物的等级为3级，次级建筑物的等级为4 级[1]。

水库库区地处峰林谷地，谷地长度可绵延数千米，谷地宽度为0.5～1.5km 不等，谷底相对较为平缓，谷底覆盖土层为第四系土层，谷底裸露岩层以及岩溶地貌相对较为少见，岩溶处有泉水涌出，谷地高程为302～304m，存有一条天然形成的小溪，其宽度为1.5～2m 不等，沿着谷地中部向下游蜿蜒流行。峰林谷地的山顶高度为430～490m，最高峰为606m，其山体形态各有不同，山体岩层呈现纵向走向，山顶脊状呈现不规则的锯齿状，横向岩层走向可以在峰林的单面山上看见。水库中存在锥状孤峰以及散落的角峰，出露于水库水面，角峰大小各不相同，形态多变，错落有致，山水辉映，层次分明，是典型的岩溶地貌景观。

1.2 水库基岩分析

乔苗水库施工现场的地层相对较为裸露，其新老地层，由老及新的分布如下：寒武岩层及砂泥岩层，下方存有少量的炭质。泥盆系的下方为碎屑岩，中部为碳酸盐岩，存有少量的硅质岩，其下方与寒武岩的角度并不整合。石炭系主要以碳酸盐岩为主，存有少量的硅质岩。二迭系的组成岩层较为复杂，由火山岩、硅质岩、碎屑岩以及碳酸盐岩构成。三迭系一般是由火山岩及碎屑岩等其他岩层构成。第三系的裸露程度相对不高，主要是细颗粒的石英砂岩，下方存有一定的砾岩，中部夹带煤线。第四系一般裸露出大部分的地区。

乔苗水库的坝体基岩为灰岩，是中硬岩的一种，其自身的实际负荷以及抗剪性都较好，没有软夹层以及破碎层等不良岩层，基岩表面存有一定起伏，浅层岩体由于受到流水侵蚀以及风化作用，其溶蚀裂缝相对较为明显，其透水性为中等，岩体下方的透水性要低于上方，基岩的整体透水性为中等。经过专业人员的评估后，基岩与土层接触面存在一定的渗漏情况，下方的基岩的局部地区存有渗漏通道。乔苗水库坝体的防渗施工区域存有冲洪积层以及一定量的人工填土，下方为石炭系的白云质灰岩，其由新及老的分布如下。

（1）近代冲积物。颜色为灰黑色，主体为淤泥质砂砾，呈现饱和状态，一般分布于水库库区。

（2）人工填土。一般是坝体的填筑层，土体来源为坝体右侧山丘的次生红黏土，其含砂砾程度与取土场地有关。

（3）冲洪积物。一般为灰黑色的有机土，存有一定的腐烂植物，呈现饱和状态，一般分布于谷地的表面以及溪流部分，但是已经被坝体压密，厚度约为2.5m。冲洪积物的中层为次生红黏土，存有一定铁锰砂砾，一般分布于谷地岩面之上，其厚度为2～8m 不等。冲洪积物的下层为红色的次生红黏土，存有铁锰结核块，局部的铁锰含量已经达到富集状态，存在一定的土层孔隙。

（4）石炭系。其中层存有碎屑岩、燧石以及白云质灰岩，其强度相对较高，但是可溶性相对较低，出露大坝左侧，厚度约为180m[2]。

岩土的实际接触带一般为耕表土以及次生红黏土，由于其溶蚀的裂缝较大，所以其透水性也相对较强，属中等透水性。

1.3 乔苗水库渗透分析

根据专业的技术人员对库区的勘测得知，乔苗水库的基岩存在一定的渗漏，其渗漏形式主要分为两种：①借助坝基岩体，水流经过溶蚀缝隙以及岩溶通道进行渗漏。②水流借助坝体左侧的岩溶裂缝以及岩溶管道进行绕坝渗漏。这两种情况均属于岩溶通道混合型渗漏。在对其进行具体施工之前，技术人员对其进行钻孔采样，发现其接触带的岩土分界线存有一定的泥浆，并且在，帷幕灌浆的过程中存在无压无回的情况，其采样如图1 所示。

图1 采样

由此可知，乔苗水库的坝体渗漏土层为岩土接触带，其采样中泥浆的厚度约为1.2m，且泥浆中含有冲洪积物的中层以及下层的碎石，且泥浆上方存有次生红黏土，厚度为1m 左右，含水量较大，经专业技术人员分析，其接触带的渗漏宽度约为2.5m。

2 黏土固化剂的防渗机制分析

黏土固化剂之所以可以在水库防渗工程中发挥出极高的效能，离不开其自身所具有的防渗机制。黏土固化剂可以对当前的土层进行固化，从而改善土层自身强度的一种添加剂，同时，黏土固化剂也可以对水泥浆液的性能进行改善，且黏土固化剂的实际性能要优于水泥浆液，例如其自身所具有的抗腐蚀性、无析水性、胶凝可控性以及抗震性等。其浆液的制作建材相对较为常见，且制作成本相对较低，灌浆所要使用的浆液配比为黏土占比80%～90%，水泥占比10%～20%。黏土固化剂中的水泥掺量要控制在10%～20%，水料配比为（0.8∶1）～（2∶1）[3]。

在建材之间进行流动的水分会在其黏土固化剂的化学反应中被消耗，并且使得水泥浆液的水化反应顺向发展，从而降低灌浆建材的凝固时间。并且，含有黏土固化剂的灌浆浆液一般没有析水性，在其凝固之后，会生成强度很高的胶凝体以及结晶体，并渗入周围的岩石缝隙之中，等到岩石缝隙中的浆液凝固之后，其胶凝体的自身体积会出现膨胀，从而将溶蚀的渗漏通道进行堵塞，以此来形成防渗，由于凝固体的渗透系数相对较小，所以其自身拥有良好的挡水性质，将对其灌浆建材的配比控制，便可以充分控制好浆液的凝结时间，以此来提升水库防渗工程质量及效率。

3 黏土固化剂在水库土坝防渗工程中的应用分析

乔苗水库的坝体为黏土质，为切实提升其坝体的防渗质量，技术人员根据水库坝体的基本填土情况以及基岩的实际现状，决定对水库坝体进行垂直防渗加固。乔苗水库的坝体高程为18.3m，坝体的填土为次生红黏土，其填土中存有一定的碎石、铁锰结核以及其他砂质。可以使用角度较大的摆喷或是旋喷来进行灌浆，施工人员考量到其施工的最大灌浆深度为28m，平均灌浆深度为20m，所以根据有关规程决定使用高喷来对其进行防渗加固。

3.1 岩土接触带高喷分析

在对其进行高喷灌浆之前，施工人员需要对其高喷浆液进行配制。灌浆的建材配比为黏土80%，水泥为20%，使用15%的黏土固化剂，其黏土可以当地取材，在对其进行灌浆时其黏土颗粒含量要高于50%，其塑性系数不能低于20%。在对其进行灌浆之前，要使用2mm的方孔对其进行刷选，灌浆所需要的浆液都需要在浆站进行统一的配置，之后使用运输管道将配置好的浆液运输到各个浆点，其浆液的浓度需要先稀后浓，其水料比重为2∶1、1.5∶1、1.2∶1 以及1∶1. 通常情况下，2∶1 的水料一般用于基岩的开罐，1.5∶1 一般用于基岩的持续浇灌以及坝体的浇灌。1.2∶1 用于间歇浇灌，1∶1 一般用于封孔。

乔苗水库的坝体的覆盖层需要进行高喷灌浆，高喷的最高孔深为27m，基岩的钻孔深度需要高于0.5m，包含风化层深度，坝体高喷灌浆的实际范围需要高于主河床的2m 的坝段，也就是从桩号坝的0-100—0+835，其总长度为935m，其灌浆孔使用单排形式，灌浆孔洞距离间隔1m，高喷灌浆孔的间距需要在确保其钻孔范围的灌浆可以充分进行搭接，以此来行之有效的保证其防渗施工的建设效果，按照乔苗水库防渗施工的情况而言，其高喷灌浆孔距离为1m。若是渗漏严重的部分，其孔距可以实时调整，将其孔距设置成为0.75m。在对基岩进行钻孔的过程中，施工人员可以将钻孔样品放置在实地，并对其定位桩进行标记，使用鲜明的油漆对其进行涂抹编号，与其他的孔序进行区别，根据实际的施工情况进行钻孔施工，其钻孔方位与实际设计方位的偏差不得高于10cm，垂直度要低于0.5%，施工时要保证其钻孔垂直度符合施工钻孔需求[4]。

高喷灌浆施工中，施工人员会使用钻喷一体台式机，在实际的施工过程中，其岩土接触带的高程上文已经提及，为304～308m，也就是其灌浆孔深为16～20m 的范围，在对其水泥浆液进行浇筑时，岩土接触带的水泥要被进行一定程度的稀释以及扩散，其高喷台车如下图2 所示。

图2 高喷台车

3.2 基岩的帷幕灌浆分析

乔苗水库的坝体帷幕灌浆孔之间的距离为2m，根据灌浆编号0-100—0+700，其帷幕灌浆的实际深度，最高为34m，帷幕灌浆的高程上限为岩土分界线，其灌浆的下限为透水率为5Lu 线以下3m 处，针对其断层破碎带，可以提高帷幕灌浆的深度。根据施工人员对施工现场的钻孔进行检测发现，乔苗水库的岩土接触带存在2m 厚的破碎风化层，其渗透程度相对较高，实际的渗透宽度已经达到了2.5m。由于乔苗水库在防渗施工期间是大新县城的农业灌溉水源以及生活备用水源，导致其在施工的过程中无法将水位进行下降，所以其泥浆层将一直存在，综合帷幕灌浆技术、高喷灌浆技术以及乔苗水库的实际施工条件，施工人员决定对其坝体覆盖层进行高喷，在坝体黏土的内部浇筑成墙，浇筑墙体要深入基岩0.5m，等到高喷灌浆完成后，再对其下方进行帷幕灌浆。其灌浆的顶部要与高喷灌浆所形成的墙体搭接2m。在对其进行灌浆的过程中，施工人员可以使用五孔三序的形式对其灌浆，乔苗水库所使用的灌浆方式为循环式以及纯压式相结合的灌浆方式，在坝体的基岩上进行注浆之后，要对其进行分段注浆，分段注浆的形式可以由上至下，基岩的注浆长度一般为5m 为一段，若是注浆的长度高于7m 时，就需要对其进行分段注浆，若是在注浆的过程中出现了不回浆液。没有压力的情况时，就需要将注浆的水料比重进行调整，一般出现这种情况时，施工人员都会将水料比重调整至1.2∶1，并将注浆的间隔时间调整为30min，倘若仍出现上述情况，施工人员就需要将其注浆的间隔时间进行再次延长，一般为24h 或是更多。若是存在冒浆现象，施工人员可以使用砂砾石对其进行反滤盖，并对冒浆处进行回填、并夯实[5]。