新型速凝浆液在坝基注浆加固中的应用试验与效果评价

涂燕周

(锦曦控股集团有限公司，福建 福州 350001)

1 工程背景

焦源水库是福建省南平市武夷新区云谷水系补水工程中的工程任务，以景观供水为主，同时兼顾下游城区防洪的小(2)型水利工程[1]。工程总库容68.50万m3，正常蓄水位201.00 m，相应库容60.15万m3，死水位190.50 m，相应死库容3.87万m3。水库枢纽主要建筑物由拦河坝、输水涵管、下游输水河道、管理房及上坝公路等组成。工程等别为Ⅴ等，拦河坝、溢洪道和进水口等按5级建筑物设计。其中，水库拦河坝为C15砌石重力坝，坝顶高程203.50 m，最大坝高28.00 m，顶宽5.50 m，坝顶全长117.00 m。溢洪道布置在河床中部，溢流段净宽10.00 m，溢流堰顶高程201.00 m，溢流面为WES曲线，溢流堰上设宽5.50 m的交通桥。输水涵洞布置在大坝桩号BZ0+009.50 m处，输水涵管共长18.00 m，直径φ600，设计最大输水流量0.11 m3/s。

由于工程区有大面积的灰岩分布，岩溶较发育，多填充含砾粉质黏土及角砾土，同时岩体产状不清晰，节理裂隙发育，工程地质条件较差，如不进行必要的工程处理措施，水库建成后会发生较为严重的坝基渗漏问题，影响到工程作用的发挥。同时，坝址区地下水主要为孔隙潜水和基岩裂隙水，水量较为丰富。因此，采用传统注浆浆液和工艺，会面临注浆时间长、无法起压和浆液大量流失问题，难以达到工程效果[2]。因此，采用新的注浆浆液和工艺技术尤为必要。

2 新型速凝浆液材料与配比设计

2.1 注浆材料的选取

在地层注浆施工过程中，由于地质环境和工程条件的复杂性，并不存在具有普遍适用性的注浆材料，必须要结合工程需求进行新型注浆材料的研发[3]。因此，研究中结合背景工程实际，选择水泥(S)、粉煤灰(F)和改性水玻璃(GS)作为浆液配置的材料。其中，水泥选择的是P·O 42.5普通硅酸盐水泥。粉煤灰来源于河南省郑州市，为电厂二级粉煤灰。试验用水玻璃的模数为2.8，浓度为35°Bé(波美度)。

水玻璃的改性利用乙二醇和己二酸，改性过程中按照2.00∶0.02∶0.02∶1的比例确定水、乙二醇、己二酸和水玻璃的质量[4]。改性过程为将纯水加热至70 ℃，然后，分别加入乙二醇和己二酸，待冷却至室温后再加入水玻璃。

2.2 浆液配比设计

为了优化配比，参照相关研究文献资料，设计12种不同配比方案进行浆液性能的室内试验，结果如表1所示。结合背景工程注浆施工的需要，注浆浆液需要有较好的流动度、较短的凝固时间以及一定的强度[5]。综合考虑上述要求，认为方案8效果最佳，因此，在注浆施工中按照方案8确定的配合比进行注浆浆液的配置。

表1 浆液性能室内试验结果

3 注浆加固现场试验

3.1 施工工艺参数

在注浆施工过程中，注浆管的管壁需要开设梅花形钻孔，以利于注浆浆液在岩土体中呈柱状扩散特征[6]。因此，注浆的时间、浆液扩散半径以及钻孔距离等参数计算如式(1)、式(2)：

(1)

(2)

式中：r1为浆液扩散半径，m；k为渗透系数，cm/s；h1为注浆压力水头，m；t为注浆时间，min；β为浆液黏度与水的比；n为孔隙率；r0为注浆管半径，m；y为注浆孔孔距，m；b相邻注浆孔浆液扩散范围相交厚度，m。

按照相关施工规范和工程设计资料，利用上述公式计算出浆液扩散半径为7.20 m，注浆孔孔距为12.5 m，边缘孔距为7.15 m。注浆孔沿大坝轴线两侧呈梅花形布置。

在注浆量计算过程中，应该充分考虑注浆方式、渗透半径以及岩土体孔隙率等主要因素的影响，如式(3)：

(3)

式中：Q为注浆量，m3；L为注浆长度，m；λ为浆液损失系数，取1.3。

按照式(3)进行计算，得出单孔注浆量为512 m3。当然，在具体施工过程中还应该根据实际情况进行必要的调整。

注浆压力也是重要的注浆参数，其确定需要考虑地质结构和浆液特征有密切关系[7]。对于此次现场试验而言，岩溶溶洞和裂隙的填充率应该达到80%以上。因此，在注浆施工中采用1.0～1.5 MPa的注浆压力，在20 min内注浆量<50 L/min或注浆压力<2 MPa并稳定15 min即可停止注浆。

3.2 施工工艺流程

在双液化学注浆过程中，需要考虑胶凝时间和用水泥土体类型选择注浆方法。一般来说，对于胶凝时间长的浆液应该采用单枪注浆，胶凝时间中等则采用1.5枪注浆，胶凝时间短的则采用双枪注浆[8]。鉴于此次试验采用的是胶凝时间较短的浆液，因此采用双枪注浆的方式，也就是将水泥-粉煤灰浆液和改性水玻璃浆液分别采用注浆泵泵入注浆孔孔底混合。具体的注浆工艺流程如图1所示。

图1 注浆工艺流程

在注浆施工开始前，首先按照设计方案利用测量放线的方式确定注浆孔位。注浆孔钻孔采用工程地质钻，在钻孔前要精确定位，保证孔位偏差在10 cm以内，同时要严格控制好方向和深度；在注浆孔钻孔完毕之后，要使用压缩空气清洗钻孔，排除影响注浆施工的渣屑。此外，钻孔施工中要做好记录。特别是孔位岩土体和地质数据，为后续注浆参数的调整提供依据。在埋设孔口管的过程中要安装好球型闸阀，以封闭钻孔过程中可能出现的涌水。在注浆施工过程中压力要缓慢提升，直至达到注浆设定的压力水平。如果注浆孔孔口压力明显下降或出现负压，应该对注浆参数进行适当调整。注浆过程中采用自下而上分段注浆的方式进行，在每段注浆段结束之后，上提注浆芯管，进行下一注浆段的注浆，直至单孔注浆结束。

4 注浆效果评价

4.1 注浆效果评价方法

根据地质条件和注浆效果检测的目的和任务，此次现场试验中采用地震映像法和钻芯取样法进行检测。其中，地震映像探测仪采用的是北京中地远大勘测科技有限公司生产的ZD11型多功能地震仪。在地震映像法检测过程中，沿注浆施工中线两侧布置两个检测剖面，两个剖面的间距为15 m，各剖面上的点距均为5 m。根据试验区域的地层特点，试验中的平均波速约为300 m/s，有效采样时窗为400 ms，最大探测深度为30 m，完全可以满足此次检测的要求。

在钻芯检测过程中，在试验区随机布置12个钻芯取样点，能够覆盖试验区的中心和边缘地带。钻芯取样在注浆施工结束后7 d进行。

4.2 评价结果

利用专业软件将试验现场采集到的地震波资料进行滤波处理，形成两个监测剖面的地震映像图像。从结果来看，两个监测剖面仅在部分点位的浅部出现异常现象。在地层的深部，各个点位均没有出现比较明显的较强信号。由此可见，在两个检测剖面上地层内部均没有较大的空洞异常，说明注浆加固施工获得良好的效果。

在注浆结束后7 d进行钻芯取样，取样共涉及12个钻孔，总长度为360 m，取芯率为75%。从取得的芯样来看，其中存在凝固的浆液结石体，充填比较密实，说明地基处理效果良好。其中，取芯率较低的取样孔均处于试验区的边缘部位，试验区中心部位的取芯率和充填密实度均呈良好状态。由此可见，此次试验研究中提出的新型速凝浆液在背景工程中具有良好的适配性，可以充分发挥地下水动水作用下填充孔隙和止水堵水的作用，完全满足工程要求，可以在后续施工中应用。

5 结 语

坝基渗漏是岩溶等地质条件复杂地区水利工程建设中经常面临的问题，而进行坝基注浆加固是解决上述问题的重要工程技术措施。基于此，此次研究以具体工程为背景，提出水泥-粉煤灰-改性水玻璃新型速凝注浆材料，以适应背景工程的特殊地质环境。从现场试验结果来看，采用新型速凝注浆材料可以获得良好的注浆效果。当然，针对新型注浆材料还应该在工厂化生产和现场应用方面进行进一步的分析研究，在考虑制作成本的前提下，制定出适合大规模生产和应用的工艺流程，为其工程推广和应用提供进一步的支持。