透水性红砂岩防渗帷幕丙烯酸盐化学灌浆试验研究_曾国华.pdf
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1、收稿日期:;修回日期:基金项目:国家自然科学基金青年基金项目();长江科学院基本科研业务费项目(,);新疆生产建设兵团十一师重大科技攻关项目()作者简介:曾国华(),男,湖北仙桃人,正高级工程师,主要从事大中型水利水电工程的建设管理工作。:通信作者:肖承京(),男,江西万安人,正高级工程师,博士,主要从事水工新型防护与加固材料研究与应用工作。:,():,透水性红砂岩防渗帷幕丙烯酸盐化学灌浆试验研究曾国华,肖承京,(湖北省碾盘山水利水电枢纽工程建设管理局,武汉;长江科学院 材料与结构研究所,武汉;水利部水工程安全与病害防治工程技术研究中心,武汉 )摘 要:碾盘山水利水电枢纽泄水闸坝段防渗墙下部岩
2、体为泥质粉砂岩、粉砂岩、中粗砂岩、含砾中粗砂岩等(),为中等透水红砂岩,水泥灌浆吸浆量小,灌后透水率仍普遍大于 ,处理效果不理想。为了解决该问题,根据以往工程经验,采用丙烯酸盐化学灌浆进行处理,开展经室内岩样有压、无压可灌性试验和现场化学灌浆试验。结果表明:丙烯酸盐灌浆材料对帷幕红砂岩具有良好可灌性;控制丙烯酸盐灌浆材料的浆液胶凝时间为 ,定量灌注量为 时,既可达到工程设计防渗要求,又能有效控制灌浆量,节约工程投资。研究成果已成功应用于碾盘山水利水电枢纽主体工程防渗帷幕灌浆设计与施工。关键词:透水性红砂岩;可灌性;控制性灌浆;帷幕灌浆;丙烯酸盐灌浆材料中图分类号:;文献标志码:文章编号:()开
3、放科学(资源服务)标识码():,(,;,;,):,(),:;第 卷 第 期长 江 科 学 院 院 报 年 月 研究背景湖北省碾盘山水利水电枢纽工程是国务院批复的长江流域综合规划的汉江梯级开发方案中的重要组成部分,也是“十三五”时期 项节水供水重大水利工程项目之一。该工程位于湖北省荆门钟祥市境内,为大()型等工程,主要由左岸连接土坝、泄水闸、电站厂房、船闸、鱼道、混凝土连接坝段、右岸副坝等组成,采用一线式布置,最大坝 高。枢纽泄水闸基础持力层为砂砾石层,为满足泄水闸结构稳定及闸基地层土体渗透稳定的要求,在泄水闸坝轴线处设置混凝土防渗墙;防渗墙下部岩体为泥质粉砂岩、粉砂岩、中粗砂岩、含砾中粗砂岩等
4、(),呈红褐色,弱风化状,本文统称为红砂岩。根据钻探资料,泄水闸闸址河床承压水赋存于胶结较差的中粗砂岩、含砾中粗砂岩中,主要有 个承压含水层,其中第 承压含水层距离基岩顶部厚度约为 ,为相对隔水层,在水库蓄水后,承压水头会相应抬升,根据计算,该顶部隔水层有可能发生渗透破坏。因此,设计要求对泄水闸底部基岩的第 承压含水层进行帷幕灌浆封闭处理。普通水泥帷幕灌浆试验发现红砂岩岩层水泥灌浆吸浆量小,灌后检查孔透水率仍普遍,说明普通水泥的处理效果有限。根据以往工程经验,此类胶结较好、孔隙率较大的透水砂岩可采用化学灌浆进行处理,尤其是采用丙烯酸盐化学灌浆,既可满足防渗目的,又具有相对更好的经济性和可控性。
5、丙烯酸盐灌浆材料在化学灌浆材料体系中具有黏度低、可灌性好、渗透能力强、凝胶体抗渗强度高、水中膨胀性适中及耐老化性能良好等优点,常用于处理大坝帷幕微细裂隙和混凝土结构微裂隙渗漏。但单纯采用化学灌浆造价仍太高,为兼顾工程造价可控和技术可行,在满足帷幕灌浆岩体透水率 的设计要求下,借鉴水泥化学复合灌浆技术和控制性灌浆方法开展红砂岩丙烯酸盐室内灌浆和现场灌浆试验研究,获得了良好效果,并在泄水闸帷幕灌浆中全面应用,该工艺原理和应用经验值得类似工程借鉴,也为水利水电工程开展智能灌浆控制提供了技术支撑。试验方案设计 室内试验为验证泄水闸帷幕透水性红砂岩(中粗砂岩和细砂岩)的可灌性,开展室内岩样特性、浆材特性
6、及浆材对岩样渗透特性研究。岩样特性分析重点测定岩体的吸水率,通过岩体的吸水率反映其孔隙率,评价岩体的可灌性;浆材特性分析用于评价其对岩体孔隙的渗入充填情况,重点关注浆材的黏度及胶凝特性;针对红砂岩孔隙率大、孔隙尺寸小、水泥浆中水泥颗粒难以渗入的特征,通过室内浆材无压渗透和有压渗透试验,评价浆材对岩体的可灌性。现场试验 试验场地选择选择泄水闸上游靠左岸区域开展现场试验,试验区作为泄水闸帷幕的一部分,直接在帷幕线上进行灌浆施工,以充分验证试验成果。所选试验区域具有良好的代表性,含有泄水闸帷幕红砂岩中典型的中粗砂岩及细砂岩互层结构,部分试验孔孔口渗水的渗压对应的水柱高达到(渗压可以折算为水头高度)。
7、试验思路泄水闸红砂岩岩体具有透水率较大、渗透特性相对均匀、适用于采取控制性灌浆来快速提高岩体的抗渗性能的特征,结合控制性灌浆相关技术经验,灌浆试验的总体思路为:先用水泥浆液充填防渗墙底部及红砂岩地层中可能存在的较大孔隙或裂隙,再用可灌性好的丙烯酸盐化学材料浸润、渗透红砂岩中的细小孔隙及风化岩体;在单排灌浆孔布置不变的条件下,通过控制性灌浆技术,摸索材料胶凝时间、单位灌入量、灌浆压力以及灌浆结束条件等关键参数,达到幕体厚度、防渗标准满足设计要求,且材料节省、工程造价受控等目的。现场试验方案丙烯酸盐灌浆试验采用自上而下分段灌浆方式。考虑到工程设计防渗标准要求()和作用水头(),为节约工程投资,控制
8、浆液扩散范围,灌浆压力控制,设计布置 个灌浆试验区,试验区采用定量灌注方式,固定每米丙烯酸盐浆材进浆量,灌注完成即可结束灌浆,定量灌注量分别为 和 。试验区采用常规化学灌浆工艺,按注入率 ()后继续灌注 后或浆液达到凝胶时间后结束。按 孔距布孔,灌浆完成后先对检查孔进行压水检测,达到设计防渗标准即可完成试验,否则仍按相关方法对检查孔进行丙烯酸盐灌浆,此时的灌浆孔距即为,灌注完成后再布置检查孔。化学灌浆试验参数及方案见表。第 期曾国华 等 透水性红砂岩防渗帷幕丙烯酸盐化学灌浆试验研究表 丙烯酸盐化学灌浆试验方案参数 分区 编号浆材灌注量()灌浆压力调整前调整后初始孔距检查孔透水率调整试验孔距检查
9、孔透水率备注区区 非定量可行可行不可行可行可行不可行可行可行不可行 灌浆试验孔布置参照原帷幕灌浆孔设计要求,单排布置(见图),防渗墙底第 段 采用普硅水泥灌浆,第 段、第 段段长均为 ,进行丙烯酸盐灌浆。试验区分 个子区,探索不同灌注量下浆液的扩散范围及防渗效果。B 0 1 7J 1J B 1 B 0 1 8B 0 1 9J B 2 J 2B 0 2 0B 0 2 1J 3J B 3B 0 2 2B 0 2 30.7 5 0.3 7 5 0.3 7 51.50.7 50.3 7 5 0.3 7 51.50.3 7 5 0.3 7 50.7 5序灌浆孔序灌浆孔检查孔兼补充化学灌孔灌后检查孔-1
10、区-2 区单位:m(a)试验区(b)试验区图 泄水闸帷幕丙烯酸盐灌浆试验孔布置 试验区按水工建筑物化学灌浆施工规范()相关要求进行灌浆试验,布置 个灌浆孔,分两序施工,验证分序加密作用和防渗效果。现场选定的试验区位于泄水闸二区上游帷幕线上,试验区 定量灌注孔为、,定量灌注孔为、,试验区 个孔为、。室内可灌性试验 试验方法室内试验的岩样为泄水闸坝段孔编号为 的钻孔芯样,取样深度 。根据现场取芯及压水资料,芯样中的中粗砂岩和细砂岩透水率在 之间,代表性芯样见图(图中上面为中粗砂岩,下面为细砂岩)。图 中粗砂岩和细砂岩芯样外观 ()()芯样吸水率将不同芯样置于蒸馏水中,浸泡 后取出,抹干表面明水,称
11、量芯样吸水饱和后的质量,并通过排水法测量芯样的体积。将芯样置于 烘箱中烘烤,然后每小时测定一次质量,当质量不再减少时,记录芯样完全干燥的质量,测定芯样的吸水率。丙烯酸盐浆材性能选用 长 江 水 利 委 员 会 长 江 科 学 院 研 发 的 丙烯酸盐灌浆材料进行透水性红砂岩室内灌浆试验和现场试验研究,该材料具有黏度低、固化时间可控、抗渗性优异、绿色环保等特点,参照丙烯酸盐灌浆材料()进行浆材性能检测。芯样无压渗透试验利用丙烯酸盐浆材进行中粗砂岩和细砂岩芯样无压渗透试验。将烘干至恒重的中粗砂岩和细砂岩芯样周边用环氧材料进行密封,上下端面不做处理,然后将芯样固定于 圆管的下部,周边与管壁粘贴密封,
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