水库土坝工程中黏土固化剂防渗灌浆技术的应用

廖会文,黄飞翔

(江西省水利水电建设集团有限公司,南昌 330000)

0 引 言

中小型水库在运行过程中普遍面临坝基渗漏、坝体渗漏、绕坝渗漏等安全隐患,针对此类病害,大多采用帷幕灌浆、高压旋喷、劈裂灌浆、钻抓成槽、套井回填等处治措施。此类常规工艺水泥用量大,处治成本高;水泥浆液对环境存在一定程度污染。近年来出现的黏土固化剂防渗灌浆技术通过在水泥和黏土混合体内掺加黏土固化剂,减少水泥用量的同时,使浆液性能得到改良和优化,无毒无害,对环境友好。文章依托具体水利工程,对黏土固化剂防渗灌浆技术在坝体及坝基防渗加固中的应用展开分析,以期为黏土固化剂防渗灌浆处治技术的推广应用提供参考。

1 工程概况

某水库坝址以上控制流域面积为1441.2km2,总库容1049.31×104m3,主要承担灌溉、防洪、养殖等功能。工程主要包括主坝、副坝及放水建筑物。因建设年代较早,建造质量较差,再加上长期缺乏养护,主副坝坝体坝基表现出不同程度的渗漏,亟待加固养护。

以该水库1#副坝为黏土固化剂试点坝,该副坝坝高13.0m,坝顶高程154.5m,坝顶轴线长106.9m。坝基主要为粉砂岩,夹页岩和砂岩,强风化,节理裂隙发育。均质土坝坝身就地取材,以两岸山坡砂岩、灰岩、页岩风化残积土为主要土料,块石含量高,填筑块结合及密实度差,空隙大。调查发现,1#副坝坝基渗漏及坝肩绕渗较为严重,坝身散浸明显;涵洞壁和山体间未施作防渗体,渗漏较严重;上游坝坡渗透坡降达不到要求。

2 防渗方案

针对该水库1#副坝坝基所存在的渗漏及坝肩绕渗,提出水泥灌浆、套井冲抓回填、黏土固化剂浆液灌浆等处理方案。

2.1 水泥灌浆(方案1)

采用水泥浆液灌浆加固,水泥用量大,施工成本高;必须先进行导孔试验,确定出灌浆压力、灌浆深度、浆液浓度等施工参数值,试验周期长,对工期造成不利影响。水泥与黏土缺乏相容性,水泥浆液对地表水、地下水等环境污染大。

2.2 套井冲抓回填(方案2)

结合1#副坝坝基地勘资料,砾岩存在严重溶蚀,坝基开挖后,基岩面存在明显的凹凸不平现象。如果采用套井冲抓回填防渗方案,冲抓难度及施工质量控制难度均较大,工期长;此外,冲抓回填施工过程还受到施工场地、地下水位、冲抓深度、地质条件、天气等影响较大;黏土取用量大,必须占用耕地,成本高。

2.3 黏土固化剂浆液灌浆(方案3)

将能促进土壤固化,并改善土壤性能的添加剂统称为黏土固化剂。该固化剂可针对普通水泥浆液、水泥黏土浆液性能的不足进行改良,提升其抗侵蚀性、无析水性、胶凝体积微膨胀性、抗震性、结石体耐久性。黏土固化剂价格低廉,灌浆施工时,按照水泥掺量的10%～20%添加黏土固化剂,将水料重量比控制在0.8∶1～2.0∶1之间。

在灌浆材料中掺水并拌和均匀,固化剂溶于水后会释放出大量的SO42-、AlO2-和SiO32-,与水泥水化反应后的Ca3(AlO3)2和Ca(OH)2作用后,进一步生成无定型水化硅酸二钙、均质绒毛状水化铝酸三钙以及具备较大膨胀性的硫铝酸钙[1]。以上反应中将材料间游离的自由水分大量消耗,并对水泥水化反应起到助推作用,使灌浆材料凝固时间大大缩短。以上试验期间,灌浆材料几乎未表现出吸水性,凝固后生成高强度水化结晶和胶凝体[2]。灌浆孔周围土壤裂隙及岩石中所入渗的浆液凝固后,胶凝体体积发生微膨胀,会进一步将灌浆孔周边渗流通道完全封堵,增强防渗效果。浆液凝固时间可通过调节灌浆材料配合比加以控制,便于提升施工质量。

该处治方案水泥消耗量小,施工成本低,浆液无毒,对地表水、地下水及周围环境无污染;浆液具有较好的可泵性和稳定性,凝结时间易于控制;结石体强度高,防渗、抗侵蚀能力强;施工过程也不受气候、场地等的影响。

综合以上分析,最终选择方案3即黏土固化剂浆液灌浆处治方案,施工简便,灌浆成本低,防渗效果优良,经济效益和环境效益凸显。

3 黏土固化剂防渗方案设计

3.1 孔位布置

根据水库1#副坝渗漏位置、渗流量大小、地质条件、防渗帷幕厚度、浆液扩散半径等确定孔位,在坝段和山体间布置3排注浆孔,中间排孔沿坝顶轴线布置,上下游排孔则分别布置在与坝轴线相距1.0m的上游侧和下游侧,且2排灌浆孔轴线均平行于坝轴线。孔距1.5m,排距1.0m,按照梅花形布设。坝肩灌浆平面布置情况见图1。

图1 坝肩灌浆平面布置图

3.2 帷幕厚度及深度

结合试验结果,该水库土坝所用HXNY-901黏土固化剂静切力及黏度增速较快,能快速形成具备一定塑性强度的胶凝体;固化剂掺量较少时,浆液塑性强度增长缓慢,适合灌注施工,而当固化剂掺量较大时,浆液速凝特征凸显,固结速度加快。故通过调整固化剂掺量制备出长凝型和短凝型浆液,前者用于地层均匀、渗透系数小的情况,后者用于岩溶或卵石层等渗透系数大的情况[3]。

该水库土坝加固所采用的HXNY-901黏土固化剂以黏粒含量在30%以上的黏土为主要材料,经过浆液试验后得出的黏土水泥比为8∶2,按照水泥用量的15%掺加固化剂,按要求控制水料比;浆液实际用料量为黏土40kg、水泥10kg、水75kg、泥浆结构剂1.5kg;浆液容重为1.64t/m3,泥浆浓度则控制在1.8～2.5g/cm3,失水量不超出20mL,胶体率在35%以上,pH值为8～12。根据试验结果,按照以上施工参数所得到的防渗墙渗透系数在1.0×10-5cm/s以下,渗透破坏比降在20以上。

根据《碾压式土石坝设计规范》(SL274—2020),帷幕厚度必须根据设计灌浆压力下浆液所产生的扩散宽度确定。在浆液有效扩散半径取0.5m的情况下,帷幕设计厚度应为1.8m。根据试验结果,黏土固化剂帷幕具备较好的抗化学溶蚀和抗机械破坏水力梯度。

按照水库最大坝高,其属于中型坝,灌浆深度应按透水率取10Lu进行控制。根据大坝体质剖面及渗透剖面图,应以坝顶或地面与坝肩基岩面间的进尺确定灌浆深度,最大钻深应为44.8m。结合坝基地质条件及渗透稳定要求,黏土固化剂灌浆帷幕必须伸入强风化基岩至少2.0m。

3.3 灌浆压力

结合坝肩地质条件,为防止因灌浆压力过大而造成土体劈裂破坏,初始灌浆压力必须控制在0.1～0.2MPa之间,且灌浆深度每增大5.0m,灌浆压力应按0.05MPa递增。灌浆压力过小,则浆液扩散半径达不到要求,相应部位帷幕厚度得不到保证,甚至会造成防渗失败。为此,在正式灌浆前,必须展开先导孔灌浆试验,确定灌浆压力合理取值范围[4]。

4 黏土固化剂防渗施工要点

4.1 施工顺序

按照先周边孔,后中间孔,分序加密的原则,由上至下展开分段防渗灌浆施工。结合工程实际,先灌注坝轴线下游侧排孔,再灌注坝轴线上游侧排孔,最后灌注中间排孔。

4.2 施工设备配置及浆液制备

为保证黏土固化剂防渗灌浆施工过程的顺利展开,必须配备相应的施工及测量设备,具体而言,需配置2台钻机,1～2台粉碎机,1～2台泥浆泵,2个高速搅拌桶,1～2台抽浆泵,2台水泵,2套灌浆管,1批水管浆管,辅助工具若干。具体使用量及型号、规格根据施工进度及灌浆工程量大小确定。此外,还应配置2台压力表,1～2台流量计,1～2台电子称,2个秒表,2个量杯,1～2把米尺,4个浮标。具体用量根据施工实际调配。

在工程所在地采挖红色黏土,浆液在制浆站集中制备后通过管道输送至各灌浆点,灌浆前浆液必须过2mm方孔筛;此后按照先稀后浓、逐级变换的原则注浆。浆液水料重量比共分为2.0∶1.0、1.5∶1.0、1.2∶1.0、1.0∶1.0等比级,分别适用于基岩开灌、基岩续灌和坝身灌注、基岩续灌和间歇灌注、封孔。

4.3 钻孔

从左坝肩开始依次向右坝肩编号,并标注出施工次序,其中坝基岩石灌浆孔间距2.0m,土体灌浆孔间距为1.0m。中间段坝体灌浆孔和基岩灌浆孔之间存在部分重叠,待完成下部基岩灌浆后,再展开上部土体灌浆。通过经纬仪和皮尺测量相结合的方式展开孔位放样,并将实际孔位和设计孔位偏差控制在10cm以内。

4.4 灌浆

水库土坝坝基及坝身均施作单排孔帷幕,按照5孔3序钻注,即基岩先钻注Ⅰ序孔,再钻注Ⅱ序孔,此后钻注加密孔等Ⅲ序孔;坝体土层先钻注Ⅰ序孔,再钻注Ⅱ、Ⅲ序孔。实际施工过程中,配置数台钻机时,相邻孔灌注时间应错开至少24h,以保证施工效果。

土坝采用循环式和纯压式结合的灌浆工艺,坝身、坝基灌浆压力分别为0.10～0.15MPa和0.15～0.30MPa。土体段全段灌注;基岩段段长7m以内的全段,7m以上的分段灌注。同一段灌注施工期间如出现无回浆、无压力且吃浆量大的孔,必须间歇灌注,并改用水灰比1.2∶1的浓浆。间歇时间应先按照30min确定,如无回浆、无压力现象仍未改变,则应延长至24h以上。

5 施工效果分析

5.1 土体透水率

该水库1#副坝灌浆帷幕工后4个月采用检查孔质量检测。按照规范将检查孔布设在帷幕中线处地质条件复杂且渗漏严重,钻孔偏斜大,注浆量多等灌浆质量控制难度较大的区域。共设置了8个检查孔,依次编号为Jc1～8,布置情况见图2。土体渗透性通过降水头注水试验检测,岩石渗透性通过“单点法”压水试验检测。

图2 帷幕检查孔布置情况(单位:m)

土体检查孔压水试验结果见表4,其中Jc1和Jc7检查孔测值未显示,故不考虑。根据表中结果,11个注水试验段试验结果100%满足设计要求。防渗加固处治后,坝土体渗透系数均降至1.0×10-5cm/s以下,岩体透水率也均<10Lu,均达到合计要求。

表4 坝体检查孔压水试验结果

现场注水试验、钻孔压水试验及室内原状土样渗透试验结果显示,该水库1#副坝灌浆加固后坝体和坝基透水性均明显降低,表明相应坝段帷幕灌浆体已经形成,达到了预期效果。

5.2 坝体下游渗水点

灌浆处治前,该水库1#副坝左坝脚处存在一股流量10L/s的明流,右坝坡和山体接触带高程126～140m处存在面积40m2、流量2～3L/s的散浸。灌浆加固后,以上情况均消失。表明帷幕灌浆施工后大坝岩体内大部分节理裂隙得到有效填充,坝基和坝体渗漏通道也得到有效阻隔,防渗效果良好[5-6]。

6 结 论

工程应用结果表明,黏土固化剂浆液和水泥浆液、水泥黏土浆液、化学浆液等常规材料相比,浆液初始黏度高,稳定性和流动性好,无析水性,胶凝时间易控,且具有较高结石率,固化后的结石体渗透系数可达到1.0×10-6～1.0×10-9cm/s,防渗效果十分优异。应用黏土固化剂防渗灌浆技术,还能减小水泥用量,黏土料就地取材,施工成本可控。该水库1#副坝防渗灌浆取得成功后,黏土固化剂防渗灌浆技术又在水库其余渗漏坝段得到推广应用。水库工程运行至今已逾3个自然年,大坝坝体渗漏和坝肩绕渗现象再未出现,防渗效果显著且持久。