坝下砂砾石层劈裂注浆浆液扩散半径试验研究

姜鹏程

（辽宁润中供水有限责任公司，辽宁沈阳110000）

1 工程概况

辽宁省小望海水库是一座以供水为主，兼具防洪、旅游、养殖等诸多功能为一体的中型水利枢纽工程[1]。鉴于水库淤积情况比较严重，库容量已经明显缩小，已经影响到其供水功能的发挥。因此，在水库除险加固中拟对大坝进行加高培厚，将坝顶高程由原来的260.58 m 提高到271.58 m，坝顶宽由5 m 增加至6 m，以增加水库库容量，提高水库的供水能力。根据现场地质勘测资料，大坝加高加固施工区河床内存在大量由水流冲刷、搬运后形成的砂砾石层，厚度分布不均，一般为2.5～13.5 m，主要分布在河槽和河床部位。由于大坝施工过程中在该部位覆盖了人工填土以保护坝基，全部开挖置换工程量较大，因此采用注浆加固的方式进行地基处理。

2 试验过程

2.1 试验材料

研究采用水泥浆液进行注浆试验，试验用水泥为32.5 R 普通硅酸盐水泥。由于原型砂砾石层的土体粘聚力较小，因此在试验中选择滑石粉和轻质碳酸钙作为胶结材料，在加入5%的水和黏土之后保证其与原型地层在粘聚力和内摩擦角上的一致性[2]。注浆地层的细砂和砂砾石材料取自于工程现场。

2.2 试验装置

试验装置由试验箱体、荷载补偿系统、注浆系统、水压加载系统及数据采集系统构成。其中，试验箱体的外径、内径和高度分别为160，140和135 cm，在箱体的四周设有水压施加孔和传感器引线孔，上部和下部设有进水孔和出水孔；水压加载系统可以提供最高压力为3.0 MPa 的持续水压；上部荷载系统可以利用液压泵提供最大10.0 MPa的补偿荷载，以模拟地层的压力；注浆系统可以模拟实际注浆施工过程，最大注浆压力为0.6 MPa；数据采集系统可以实时采集试验过程中的各种数据信息。

2.3 试验方案设计

试验前查阅了注浆施工研究领域的相关文献资料，认为地层特征、注浆压力和材料参数是影响浆液扩散的主要因素[3，4]。由于此次研究采用水泥单浆液，因此选取的影响因素为注浆压力P（MPa）、渗透系数k（cm/s）以及浆液的水灰比m。由于在试验过程中地层渗透系数通过5 组不同的材料级配进行控制和实现，因此另外两个因素也选择5 个因素水平[5]。其中，注浆压力的5个水平分别为0.2，0.3，0.4，0.5 和0.6 MPa；浆液的水灰比为1.1，1.0，0.9，0.8 和0.7。利用正交试验原理进行试验方案的具体设计，结果如表1 所示。

表1 试验方案设计表

2.4 试验过程

首先按照不同的渗透系数确定试验用注浆介质的配比，然后在试验箱中分层铺设试验注浆介质材料，并分层击实至指定高度[6]。在铺设完毕之后，对试验箱进行加水，待材料吸水饱和后静置12 h 再进行注浆试验[7]。试验前首先将各试验系统相互连接，启动上部荷载系统进行补偿荷载的加压；根据设计的水灰比制作好水泥浆并灌入试验装置的储液罐，打开注浆系统的空气压缩机，调整压力至注浆压力，然后开始注浆[8]。待浆液彻底凝固之后，对模型进行开挖，对浆液的扩散半径进行计算。

3 试验结果与分析

3.1 浆液扩散半径

浆液扩散半径r（cm）是影响注浆效果的重要指标，试验过程中的测量结果显示：SY1-SY5 等5个试验方案的浆液最大扩散半径分别为13.4，68.0，24.6 ，21.1 和43.3 cm。对试验结果进行非线性函数拟合分析，获得扩散半径和3 个试验参数之间的关系为：

利用公式（1）对5 个方案的扩散半径进行计算，结果如表2 所示。结果显示计算值和实测值的差别不大，说明拟合公式具有良好的拟合度。

表2 浆液扩散半径的计算与实测结果

利用拟合公式（1），对不同水灰比、不同注浆压力及不同渗透系数，保持其中两个因素不变条件下的浆液扩散半径进行计算，结果显示上述3 个因素均与浆液的扩散半径成显著的正相关关系，也就是3 个因素的值越大，浆液的扩散半径也就越大。其中，注浆压力对浆液的扩散半径影响最为显著，其次为浆液的水灰比，渗透系数的影响最小。

3.2 注浆量的影响分析

试验中，先将注浆压力设定到预定值，在注浆过程中对注浆量进行实时监测，并对注浆流量和速率进行计算，根据计算结果绘制出如图1 和图2所示的注浆量和注浆速率变化曲线。根据注浆过程中注浆量和注浆速率的变化规律，将注浆过程划分为充填、压密、初次劈裂和后续劈裂4 个不同的阶段。其中，充填阶段的注浆阻力小，因此注浆速率快、注浆量小，持续的时间也较短；压密阶段的注浆阻力有所增大，因此注浆的速率不高，注浆量也相对较小；初次劈裂阶段，由于砂砾层中形成了劈裂通道，注浆的压力迅速降低，因此注浆速率高，注浆量也迅速增加；在后续劈裂阶段，初次劈裂通道发育完毕，浆液又开始压密，注浆压力回升，注浆速率减小，同时注浆层内出现部分水平向劈裂。

对不同试验方案而言，编号SY1 在初次劈裂之后注浆量基本没有变化，注浆速率的起伏也不明显；编号SY4 在初次劈裂阶段之后注浆量稍微增加，说明后续劈裂阶段的表现并不十分明显，其余试验方案与上述描述相符。因此，水灰比、注浆压力和渗透系数对注浆量和浆液的扩散过程存在明显的影响。此外，注浆速率的变化是不均匀的，存在多个波峰和波谷，主要与注浆过程中砂砾层的劈裂裂缝发育过程有关。因此，在砂砾层的注浆过程中，并不是单一挤压到塑性破坏劈裂的过程，而是反复浆液输送、挤压、劈裂的过程。

图1 注浆量变化曲线

图2 注浆速率变化曲线

4 结论

注浆加固是防止坝基渗漏，提高大坝承载能力和安全性的重要手段。此次研究以辽宁省小望海水库大坝加高加固工程为例，对坝下砂砾石层注浆加固进行了室内试验研究。试验结果显示，注浆压力、水灰比和砂砾石层渗透系数值越大，浆液的扩散半径也就越大，按照影响力大小排序为注浆压力＞浆液的水灰比＞渗透系数。另一方面，根据注浆过程中注浆量和注浆速率的变化规律，注浆过程并不是单一的挤压到塑性破坏劈裂的过程，而是反复的浆液输送、挤压、劈裂的过程。此次研究成果对地质特点相似的坝基注浆工程施工具有一定的借鉴和指导意义。当然，受到坝基地质环境复杂性的影响，在具体施工中还需要结合工程实际，选择最合适的注浆方式和参数，保证施工效果。