砂卵石地层动水注浆可注性影响因素试验研究

高建

（喀左县水利局，辽宁 朝阳 122000）

0 引言

随着经济社会的迅速发展和施工技术的不断进步，我国的水利工程建设呈现出高速发展的态势，无论是建设规模、速度还是难度均居世界前列。在这一背景下，许多水利工程会面临前所未有的复杂地质条件，同时，也给工程设计和施工带来诸多技术性问题[1]。我国的地质条件错综复杂，堤坝建设往往会遇到富水砂卵石地层等诸多不良地质条件，工程地质灾害也时有发生，给水利工程建设的安全和高效开展产生诸多制约。富水砂卵石地层具有结构松散、胶结能力差、自稳能力弱、渗透性强、粘聚力小等特点，属于典型的力学不稳定地层[2]。如果在堤坝建设中遇到富水砂卵石地层，如不进行有效处理，不仅会造成水资源的大量渗流，同时，也会对堤坝工程的稳定性和安全性造成极大影响[3]。

在富水砂卵石地层的治理过程中，采用最多的方法就是注浆治理。该治理技术的原理较为简单，即通过将浆液形式的胶结材料注入目标地层，从而改变其力学性能，达到降低渗透性、提高地层强度的目的[4]。由于砂卵石本身具有特殊性质，不仅粒径大小不一，地下水动水作用的影响也不容忽视，注浆加固更为困难。基于此，国内外学者在砂卵石地层注浆加固领域展开大量研究，提出了一系列新型注浆浆液和施工工法，但是针对动水条件下砂卵石地层可注性的研究较少。在砂卵石地层注浆施工中，含水砂卵石地层受施工扰动的影响，其渗透性、重力分布及水流速度和方向均会发生变化，会对注浆效果产生直接影响[5]。此次研究通过室内模型试验的方式，探讨砂卵石地层动水注浆可注性影响因素及规律，以便为相关理论研究和工程应用提供有益的借鉴。

1 试验方法

1.1 试验装置与材料

此次研究的试验装置主要由试验桶和注浆设备构成[6]。试验桶为圆柱形塑料桶，直径和高均为1.0 m，在桶侧面的上端和下端分别开孔，用于试验过程中注水和出水。注浆设备主要是注浆管和注浆机，注浆管的内径为10.00 mm，注浆机可提供的最大注浆压力为3.0 MPa。

试验使用的注浆材料是水灰比为1∶1 的普通水泥-水玻璃注浆浆液[7]。其中，水泥为P.O42.5普通硅酸盐水泥，水玻璃浓度为38 波美度。

1.2 试验方案

结合相关研究成果，此次研究选择砂卵石地层的渗透系数、注浆压力及动水速度进行试验，探索其对可注性的影响规律[8]。对于渗透系数而言，砂卵石体的渗透系数主要受孔隙度的影响，因此，试验中根据砂卵石地层的实际情况和工程经验，设置0.25，0.30，0.35 和0.40 等4 种不同的初始孔隙率，其对应的渗透系数分别为0.61，0.72，0.96 和1.23 m/d。注浆压力是可注性的重要影响因素，在此次试验中设计了0.5，1.0，1.5 和2.0 MPa 等4种不同的注浆压力进行试验；对于动水速度，分别设置0，5.00，10.00 和15.00 m/d 进行试验。鉴于试验研究的浆液注入时间较短，流场对注浆中浆液的扩散影响有限，因此，在注浆完成后添加流场，研究动水流速的实际影响。

1.3 试验方法

试验中，利用细砂、中砂和卵石按照不同的比例配制出不同初始孔隙率的砂砾石材料，将砂砾石材料分层装入试验筒内并夯实，以保证初始孔隙率的准确性。装完一层之后，在桶的周围环绕一圈有孔洞的水管，然后继续加入下一层砂卵石并环绕一圈有孔洞的水管，直至达到试验设定高度，最后在上部铺上钢筋网，并利用水泥混合封盖，其剖面示意图如图1 所示。

图1 剖面示意图

在注浆试验时，首先利用水管通水，在出水量稳定时，通过阀门调节水量，使流速达到试验设定标准，然后开始注浆。在注浆结束3 d 后进行开挖和结石体测量，并进行相应的结果分析。

在试验过程中要佩戴手套和穿工作服，避免浆液对人体的伤害。由于注浆过程中的压力不稳定，可能发生溢浆或喷浆现象，因此，在注浆过程中要远离实验桶。

2 试验结果与分析

2.1 渗透性

鉴于注浆加固体的形状基本呈椭球体，在对可注性的评判过程中除了使用浆液三维扩散尺寸之外，还在计算固结体体积的过程中引入等效扩散球体的概念，也就是利用等体积法将浆液在砂卵石中的扩散形态转化为等效扩散球体。对不同初始孔隙率试验方案的数据进行整理和计算，结果如表1 所示。从表1 可以看出，浆液的三维扩散特征存在一定的差异性：随着初始孔隙率的增大，X轴方向呈现出先增大后减小的变化特点；Y轴方向呈现出不断减小的变化特点；Z轴方向呈现出不断增大的变化特点。浆液的等效扩散半径随着初始孔隙率的增大呈现出不断增大的变化特点，且呈现出比较明显的正相关关系。究其原因，主要是砂土的渗透系数越小，其内部结构越紧密，孔隙率越低，浆液颗粒通过孔隙的能力也会变低；反之，其内部结构越松散，孔隙率越高，浆液颗粒通过孔隙的能力越强。

2.2 注浆压力

对不同注浆压力试验方案的数据进行整理和计算，结果如表2 所示。从表2 可以看出，浆液的三维扩散特征基本相同，各个方向的尺寸均随着注浆压力的增大而增大；浆液的等效扩散半径随着注浆压力的增大而显著增大，且呈现出比较显著的线性特征。由此可见，注浆压力对浆液的可注性存在显著影响，提高注浆压力有利于浆液的注入。究其原因，由于注浆浆液具有不可压缩性，注浆压力可以为浆液对抗土层中的土应力，从而产生挤压扩张效应，扩大孔隙通道的半径，最终形成体积更大的注浆结石体。

表2 不同注浆压力试验结果

2.3 动水速度

鉴于动水速度会对注浆过程中浆液的流失量产生变化，进而影响到可注性，此次研究利用试验中的相关数据，计算获取不同动水速度下注浆核心区的浆液流失率，结果如图2 所示。由图2 可以看出，在水流的影响下，注浆核心区的浆液颗粒将向冲刷方向扩散，导致注浆核心区也会发生明显的变化。另一方面，注浆核心区浆液颗粒的流失率会随着动水速度的增大而迅速增大。由此可见，动水速度是影响砂卵石地层可注性的重要因素，较大的动水速度会对可注性产生十分显著的负面影响。

图2 核心区浆液流失率随动水速度变化曲线

3 结语

在河道堤坝施工过程中，经常会遇到饱和含水砂卵石地层，其地基加固和防渗处理效果对工程建设的顺利开展和耐久性的提升具有十分重要的意义和作用。此次研究利用室内模型试验的方式，探讨了渗透性、注浆压力及动水速度对砂卵石地层可注性的影响规律。当然，此次研究受到试验条件等诸多因素的限制，试验方案和数据还不十分丰富，在今后的研究中需要进行更为深入的探讨和分析，特别是基于更多的试验数据，拟合获取具有普遍适用性的砂卵石地层可注性判别公式。