CN106442893B - 砂砾石层灌浆模拟装置以及利用该装置进行试验的方法 - Google Patents
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Abstract
一种砂砾石层灌浆模拟装置，包括底筒，底筒以及两侧板通过多个螺栓连接，各连接处设置密封层后组成灌浆模拟筒体；底部板体的中心位置上设置有与套管相配合的定位环，两根第一出浆/水管对称设置，两根第二出浆/水管对称设置，第二出浆/水管伸入灌浆模拟筒体内的长度大于第一出浆/水管伸入灌浆模拟筒体内的长度；两顶板连接处的中心位置上开设有与套阀管相配合的凹槽。本发明提供的砂砾石层灌浆模拟装置以及利用该装置进行试验的方法，可以解决在深厚砂卵砾石层中进行帷幕灌浆无经验的问题，验证灌浆参数的合理性，有效地解决了模拟砂砾石层室内灌浆试验的技术难题。
Description
技术领域
本发明涉及钻探灌浆领域，尤其是一种用于砂砾石覆盖层地基防渗处理工程的灌浆模拟装置及其试验方法。
背景技术
随着水电事业的飞速发展，水电站的开发逐步向西部高原和峡谷流域展开，建坝条件越来越复杂，尤其是在西部大开发机遇下重点建设的地区，山高谷深、水湍峡长、覆盖层深厚、地质条件复杂。如何做好深厚覆盖层条件下电站的基础防渗体系是当今解决我国西部地区水电开发的关键技术问题之一，而在深厚砂卵砾石层中进行帷幕灌浆，国内设计与施工经验很少。有很多问题，例如帷幕布置方式、灌浆压力、灌浆方法、灌浆浆材、钻灌工艺等均需要在施工前通过试验研究予以确定。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供砂砾石层灌浆模拟装置以及利用该装置进行试验的方法，可以解决在深厚砂卵砾石层中进行帷幕灌浆无经验的问题，在室内模拟砂砾石层进行各项灌浆试验，通过试验模型可观察套阀管的开环情况、压力随渗流方向的衰减情况、浆液的扩散情况及灌后地层的抗渗性能等，以此比较直观的方式来探求深厚砂砾石层灌浆合适的灌浆材料与施工工艺，验证灌浆参数的合理性，有效地解决了模拟砂砾石层室内灌浆试验的技术难题。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种砂砾石层灌浆模拟装置，
包括底筒，底筒以及两侧板通过多个螺栓连接，各连接处设置密封层后组成灌浆模拟筒体；
底筒由底部筒体和环绕底部筒体外缘设置的底部外缘板组成，底部筒体的底部板体的中心位置上设置有与套管相配合的定位环，底部筒体上对称设置有两根带底部闸阀的底筒排水管；
组成灌浆模拟筒体侧壁的两侧板上分别连通有带压力表和闸阀的第一出浆/水管和第二出浆/水管，两根第一出浆/水管对称设置，两根第二出浆/水管对称设置，第二出浆/水管伸入灌浆模拟筒体内的长度大于第一出浆/水管伸入灌浆模拟筒体内的长度；
灌浆模拟筒体的两侧板上端通过两顶板连接，各连接处设置密封层后形成带顶板的灌浆模拟筒体；
两顶板连接处的中心位置上开设有与套阀管相配合的凹槽，带压力表和闸阀的顶部排气进水管穿过顶板伸入灌浆模拟筒体内。
密封层为橡胶垫片，分别设置于底筒、两侧板以及两块顶板的各连接处，再通过螺栓连接。
第二出浆/水管伸入灌浆模拟筒体内的长度比第一出浆/水管伸入灌浆模拟筒体内的长度多20厘米。
一种利用上述砂砾石层灌浆模拟装置进行砂砾石层灌浆模拟试验的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
步骤1：采用螺栓连接方式将底筒以及两侧板拼装组成灌浆模拟筒体；
步骤2：将套管通过定位环定位于灌浆模拟筒体底部板体的中心位置上；
步骤3：将步骤2组装好的灌浆模拟筒体放在电动振动筛上，向灌浆模拟筒体内分层填筑并洒水、振捣密实砂砾石料至筒顶，完成砂砾石层14的填筑；
步骤4：向套管内灌注填料后，将套阀管平稳地放入到套管内；
步骤5：拔除套管后，将填料补满；
步骤6：将两块顶板之间通过螺栓连接，将套阀管通过两块顶板之间的凹槽形成的孔置于灌浆模拟筒体的中心位置后，再将两块顶板与两侧板螺栓连接紧固形成带顶板的灌浆模拟筒体，即组装完成带有砂砾石层的砂砾石层灌浆模拟装置；
步骤7：待凝3天后进行各项砂砾石层灌浆模拟试验，砂砾石层灌浆模拟试验主要有：
套阀管开环试验、浆液扩散半径试验、浆液垂直扩散距离试验以及灌浆方法试验，
记录试验结果；
步骤8：对试验过程中各个有出浆的管口进行通水冲洗；
步骤9：待凝14天后进行压水试验；
步骤10：灌后拆模观测：先后拆除砂砾石层灌浆模拟装置的两顶板及两侧板，对局部无浆液扩散的地方辅以人工掏挖后，观测模型中模拟的砂砾石料层的灌浆效果，
即完成灌浆模拟试验。
步骤7中套阀管开环试验的过程为：
将液压式灌浆塞阻塞于套阀管内单环孔或双环孔段上，采用水固比5∶1的稀膨润土水泥浆开环后，换用灌浆浆液进行灌浆至结束；通过观测四根第一出浆/水管和第二出浆/水管管口的出浆情况、压力，以及灌后压水和拆模后观测，对比在不同开环条件下的开环效果、浆液扩散范围大小及压力随渗流方向的衰减情况，在验证套壳料及灌浆效果的基础上，确定每次开环灌浆的环孔数。
步骤7中浆液扩散半径试验的过程为：
在砂砾石层灌浆模拟装置中分别模拟中等透水地层、强透水地层，将液压式灌浆塞阻塞于套阀管内灌浆孔段上，采用水泥浆、膨润土水泥浆等不同灌浆浆材，以及1MPa、2MPa、3MPa等不同灌浆压力进行浆液扩散半径试验；通过观两根第一出浆/水管和两根第二出浆/水管管口的出浆情况，以及灌后拆模观测，分别绘制出中等透水地层、强透水地层中不同灌浆浆材、不同灌浆压力下的浆液扩散半径曲线图，为拟定帷幕灌浆参数提供参考。
步骤7中浆液垂直扩散距离试验的过程为：
在砂砾石层灌浆模拟装置中模拟中等透水地层，将液压式灌浆塞分别阻塞于出浆环距为35厘米、50厘米的套阀管内的灌浆孔段上，采用水泥浆、膨润土水泥浆等不同灌浆浆材，以及1MPa、2MPa、3MPa等不同灌浆压力进行浆液垂直扩散距离试验；通过灌后拆模观测浆液垂直的扩散距离，分别绘制出中等透水地层中不同灌浆浆材、不同灌浆压力下的浆液垂直扩散距离曲线图，为拟定适宜的出浆环距等灌浆参数提供参考，以确保相邻灌浆环/段间的有效搭接。
步骤7中灌浆方法试验的过程为：
在砂砾石层灌浆模拟装置中模拟强透水地层分别进行自上而下、自下而上分段灌浆法试验；采用1MPa的灌浆压力、1∶1的水泥浆液、纯压式灌浆方式分2环/段灌注，第1环/段以两根第一出浆/水管和两根第二出浆/水管管口出浆后结束灌注，第2环/段以在1MPa的灌浆压力下续灌2min结束；待凝7d后进行压水试验，并进行拆模后观测灌浆效果对比，以此方式为灌浆方法的选择提供参考。
步骤9中压水试验的过程为：
灌后压水试验采用灌浆泵从上部的两根顶部排气进水管进水加压，为确保各管口内通畅，灌浆后应及时插入细钢管对有出浆的管口进行通水冲洗，灌后压水试验一般开始压力为0.5MPa，测得稳定渗流流量后再加压到1.0MPa进行压水试验。
本发明提供的砂砾石层灌浆模拟装置以及利用该装置进行试验的方法，有益效果如下：
1、能模拟不同透水地层，操作简单、方便，可直观地观测灌浆试验过程、对比不同试验参数的灌浆效果。
2、结构简单，安装、拆卸方便，可以重复使用，费用低，达到了降低试验设备成本的效果。
3、试验方法操作简单、快捷、高效、安全，可进行多项灌浆试验，达到了大幅降低灌浆试验成本、加快灌浆试验研究进度和确保灌浆试验质量的有益效果。
4、可较直观地观察套阀管的开环情况、压力随渗流方向的衰减情况、浆液的扩散情况及灌后地层的抗渗性能等，达到探求深厚砂砾石层灌浆合适的灌浆材料与施工工艺、验证灌浆参数合理性的目的，有效地解决了模拟砂砾石层室内灌浆试验的技术难题。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
图1为本发明装置的结构示意图；
图2为本发明装置的底筒的俯视图；
图3为本发明装置的底筒的主视图；
图4为本发明装置的侧板示意图；
图5为本发明装置的连接在一起的两顶板的俯视图；
图6为本发明装置的连接在一起的两顶板的主视图；
图7为采用本发明装置进行试验的示意图。
具体实施方式
实施例一
如图1-6所示，一种砂砾石层灌浆模拟装置，
包括底筒1，底筒1以及两侧板2通过多个螺栓6连接，各连接处设置密封层10后组成灌浆模拟筒体；
底筒1由底部筒体和环绕底部筒体外缘设置的底部外缘板1-2组成，底部筒体的底部板体1-1的中心位置上设置有与套管11相配合的定位环16，底部筒体上对称设置有两根带底部闸阀8的底筒排水管9；
底部筒体直径为200厘米，高5厘米；中心位置上的定位环16直径为10毫米，高为2厘米；外侧排水管采用外径20毫米钢管，长20厘米。
组成灌浆模拟筒体侧壁的两侧板2上分别连通有带压力表和闸阀的第一出浆/水管4和第二出浆/水管7，两根第一出浆/水管4对称设置，两根第二出浆/水管7对称设置，第二出浆/水管7伸入灌浆模拟筒体内的长度大于第一出浆/水管4伸入灌浆模拟筒体内的长度；
侧板2为横截面为半圆形的侧板，半圆弧直径为200厘米，高65厘米；
第一出浆/水管4和第二出浆/水管7的外径为32毫米，第一出浆/水管4伸入灌浆模拟筒体内的长度为30毫米，第二出浆/水管7伸入灌浆模拟筒体内的长度为50毫米；
灌浆模拟筒体的两侧板2上端通过两顶板3连接，各连接处设置密封层10后形成带顶板的灌浆模拟筒体，带顶板的灌浆模拟筒体能承受3MPa灌浆压力。
两顶板3连接处的中心位置上开设有与套阀管12相配合的凹槽15，带压力表和闸阀的顶部排气进水管5穿过顶板3伸入灌浆模拟筒体内；
顶板3为直径处设有连接板3-1的半圆形板，直径为200厘米，凹槽17为半圆形凹槽，直径为9.8毫米，排气进水管5采用直径为32毫米钢管，露出灌浆模拟筒体的长度20厘米，伸入灌浆模拟筒体内的长度为15厘米。
密封层10为橡胶垫片10，分别设置于底筒1、两侧板2以及两块顶板3的各连接处，再通过螺栓6连接。
第二出浆/水管7伸入灌浆模拟筒体内的长度比第一出浆/水管4伸入灌浆模拟筒体内的长度多20厘米。
实施例二
如图7所示，一种利用上述砂砾石层灌浆模拟装置进行砂砾石层灌浆模拟试验的方法，该方法包括以下步骤：
步骤1：采用螺栓连接方式将底筒1以及两侧板2拼装组成灌浆模拟筒体；
步骤2：将套管11通过定位环16定位于灌浆模拟筒体底部板体1-1的中心位置上；
步骤3：将步骤2组装好的灌浆模拟筒体放在电动振动筛上，向灌浆模拟筒体内分层填筑并洒水、振捣密实砂砾石料至筒顶，完成砂砾石层14的填筑；
步骤4：向套管11内灌注填料13后，将套阀管12平稳地放入到套管11内；
步骤5：拔除套管11后，将填料13补满；
步骤6：将两块顶板3之间通过螺栓连接，将套阀管12通过两块顶板3之间的凹槽15形成的孔置于灌浆模拟筒体的中心位置后，再将两块顶板3与两侧板2螺栓连接紧固形成带顶板的灌浆模拟筒体，即组装完成带有砂砾石层的砂砾石层灌浆模拟装置；
步骤7：待凝3天后进行各项砂砾石层灌浆模拟试验，砂砾石层灌浆模拟试验主要有：
套阀管开环试验、浆液扩散半径试验、浆液垂直扩散距离试验以及灌浆方法试验，
记录试验结果；
步骤8：对试验过程中各个有出浆的管口进行通水冲洗；
步骤9：待凝14天后进行压水试验；
步骤10：灌后拆模观测：先后拆除砂砾石层灌浆模拟装置的两顶板3及两侧板2，对局部无浆液扩散的地方辅以人工掏挖后，观测模型中模拟的砂砾石料层的灌浆效果，
即完成灌浆模拟试验。
套管11的外径为146毫米，套阀管12的外径为89毫米。
步骤7中套阀管开环试验的过程为：
将液压式灌浆塞阻塞于套阀管内单环孔或双环孔段上，采用水固比5∶1的稀膨润土水泥浆开环后，换用灌浆浆液进行灌浆至结束；通过观测两根第一出浆/水管4和两根第二出浆/水管7管口的出浆情况、压力，以及灌后压水和拆模后观测，对比在不同开环条件下的开环效果、浆液扩散范围大小及压力随渗流方向的衰减情况，在验证套壳料及灌浆效果的基础上，确定每次开环灌浆的环孔数。
步骤7中浆液扩散半径试验的过程为：
在砂砾石层灌浆模拟装置中分别模拟中等透水地层、强透水地层，将液压式灌浆塞阻塞于套阀管内灌浆孔段上，采用水泥浆、膨润土水泥浆等不同灌浆浆材，以及1MPa、2MPa、3MPa等不同灌浆压力进行浆液扩散半径试验；通过观两根第一出浆/水管4和两根第二出浆/水管7管口的出浆情况，以及灌后拆模观测，分别绘制出中等透水地层、强透水地层中不同灌浆浆材、不同灌浆压力下的浆液扩散半径曲线图，为拟定帷幕灌浆参数提供参考。
步骤7中浆液垂直扩散距离试验的过程为：
在砂砾石层灌浆模拟装置中模拟中等透水地层，将液压式灌浆塞分别阻塞于出浆环距为35厘米、50厘米的套阀管12内的灌浆孔段上，采用水泥浆、膨润土水泥浆等不同灌浆浆材，以及1MPa、2MPa、3MPa等不同灌浆压力进行浆液垂直扩散距离试验；通过灌后拆模观测浆液垂直上下方向的扩散距离，分别绘制出中等透水地层中不同灌浆浆材、不同灌浆压力下的浆液垂直扩散距离曲线图，为拟定适宜的出浆环距等灌浆参数提供参考，以确保相邻灌浆环/段间的有效搭接。
步骤7中灌浆方法试验的过程为：
在砂砾石层灌浆模拟装置中模拟强透水地层分别进行自上而下、自下而上分段灌浆法试验；采用1MPa的灌浆压力、1∶1的水泥浆液、纯压式灌浆方式分2环/段灌注，第1环/段以两根第一出浆/水管4和两根第二出浆/水管7管口出浆后结束灌注，第2环/段以在1MPa的灌浆压力下续灌2min结束；待凝7d后进行压水试验，并进行拆模后观测灌浆效果对比，以此方式为灌浆方法的选择提供参考。
步骤9中压水试验的过程为：
灌后压水试验采用灌浆泵从上部的两根顶部排气进水管5进水加压，为确保各管口内通畅，灌浆后应及时插入细钢管对有出浆的管口进行通水冲洗，灌后压水试验一般开始压力为0.5MPa，测得稳定渗流流量后再加压到1.0MPa进行压水试验。
Claims (9)
1.一种砂砾石层灌浆模拟装置，其特征在于：
包括底筒（1），底筒（1）以及两侧板（2）通过多个螺栓（6）连接，各连接处设置密封层（10）后组成灌浆模拟筒体；
底筒（1）由底部筒体和环绕底部筒体外缘设置的底部外缘板（1-2）组成，底部筒体的底部板体（1-1）的中心位置上设置有与套管（11）相配合的定位环（16），底部筒体上对称设置有两根带底部闸阀（8）的底筒排水管（9）；
组成灌浆模拟筒体侧壁的两侧板（2）上分别连通有带压力表和闸阀的第一出浆/水管（4）和第二出浆/水管（7），两根第一出浆/水管（4）对称设置，两根第二出浆/水管（7）对称设置，第二出浆/水管（7）伸入灌浆模拟筒体内的长度大于第一出浆/水管（4）伸入灌浆模拟筒体内的长度；
灌浆模拟筒体的两侧板（2）上端通过两顶板（3）连接，各连接处设置密封层（10）后形成带顶板的灌浆模拟筒体；
两顶板（3）连接处的中心位置上开设有与套阀管（12）相配合的凹槽（15），带压力表和闸阀的顶部排气进水管（5）穿过顶板（3）伸入灌浆模拟筒体内。
2.根据权利要求1所述的砂砾石层灌浆模拟装置，其特征在于：密封层（10）为橡胶垫片（10），分别设置于底筒（1）、两侧板（2）以及两块顶板（3）的各连接处，再通过螺栓（6）连接。
3.根据权利要求1所述的砂砾石层灌浆模拟装置，其特征在于：第二出浆/水管（7）伸入灌浆模拟筒体内的长度比第一出浆/水管（4）伸入灌浆模拟筒体内的长度多20厘米。
4.一种利用上述权利要求1-3中任一项所述的砂砾石层灌浆模拟装置进行砂砾石层灌浆模拟试验的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
步骤1：采用螺栓连接方式将底筒（1）以及两侧板（2）拼装组成灌浆模拟筒体；
步骤2：将套管（11）通过定位环（16）定位于灌浆模拟筒体底部板体（1-1）的中心位置上；
步骤3：将步骤2组装好的灌浆模拟筒体放在电动振动筛上，向灌浆模拟筒体内分层填筑并洒水、振捣密实砂砾石料至筒顶，完成砂砾石层（14）的填筑；
步骤4：向套管（11）内灌注填料（13）后，将套阀管（12）平稳地放入到套管（11）内；
步骤5：拔除套管（11）后，将填料（13）补满；
步骤6：将两块顶板（3）之间通过螺栓连接，将套阀管（12）通过两块顶板（3）之间的凹槽（15）形成的孔置于灌浆模拟筒体的中心位置后，再将两块顶板（3）与两侧板（2）螺栓连接紧固形成带顶板的灌浆模拟筒体，即组装完成带有砂砾石层的砂砾石层灌浆模拟装置；
步骤7：待凝3天后进行各项砂砾石层灌浆模拟试验，砂砾石层灌浆模拟试验主要有：
套阀管开环试验、浆液扩散半径试验、浆液垂直扩散距离试验以及灌浆方法试验，
记录试验结果；
步骤8：对试验过程中各个有出浆的管口进行通水冲洗；
步骤9：待凝14天后进行压水试验；
步骤10：灌后拆模观测：先后拆除砂砾石层灌浆模拟装置的两顶板（3）及两侧板（2），对局部无浆液扩散的地方辅以人工掏挖后，观测模型中模拟的砂砾石料层的灌浆效果，
即完成灌浆模拟试验。
5.根据权利要求4所述的利用砂砾石层灌浆模拟装置进行砂砾石层灌浆模拟试验的方法，其特征在于，步骤7中套阀管开环试验的过程为：
将液压式灌浆塞阻塞于套阀管内单环孔或双环孔段上，采用水固比5∶1的稀膨润土水泥浆开环后，换用灌浆浆液进行灌浆至结束；通过观测两根第一出浆/水管（4）和两根第二出浆/水管（7）管口的出浆情况、压力，以及灌后压水和拆模后观测，对比在不同开环条件下的开环效果、浆液扩散范围大小及压力随渗流方向的衰减情况，在验证套壳料及灌浆效果的基础上，确定每次开环灌浆的环孔数。
6.根据权利要求4所述的利用砂砾石层灌浆模拟装置进行砂砾石层灌浆模拟试验的方法，其特征在于，步骤7中浆液扩散半径试验的过程为：
在砂砾石层灌浆模拟装置中分别模拟中等透水地层、强透水地层，将液压式灌浆塞阻塞于套阀管内灌浆孔段上，采用水泥浆、膨润土水泥浆等不同灌浆浆材，以及1MPa、2MPa、3MPa等不同灌浆压力进行浆液扩散半径试验；通过观两根第一出浆/水管（4）和两根第二出浆/水管（7）管口的出浆情况，以及灌后拆模观测，分别绘制出中等透水地层、强透水地层中不同灌浆浆材、不同灌浆压力下的浆液扩散半径曲线图，为拟定帷幕灌浆参数提供参考。
7.根据权利要求4所述的利用砂砾石层灌浆模拟装置进行砂砾石层灌浆模拟试验的方法，其特征在于，步骤7中浆液垂直扩散距离试验的过程为：
在砂砾石层灌浆模拟装置中模拟中等透水地层，将液压式灌浆塞分别阻塞于出浆环距为35厘米、50厘米的套阀管（12）内的灌浆孔段上，采用水泥浆、膨润土水泥浆不同灌浆浆材，以及1MPa、2MPa、3MPa不同灌浆压力进行浆液垂直扩散距离试验；通过灌后拆模观测浆液垂直的扩散距离，分别绘制出中等透水地层中不同灌浆浆材、不同灌浆压力下的浆液垂直扩散距离曲线图，为拟定适宜的出浆环距灌浆参数提供参考，以确保相邻灌浆环/段间的有效搭接。
8.根据权利要求4所述的利用砂砾石层灌浆模拟装置进行砂砾石层灌浆模拟试验的方法，其特征在于，步骤7中灌浆方法试验的过程为：
在砂砾石层灌浆模拟装置中模拟强透水地层分别进行自上而下、自下而上分段灌浆法试验；采用1MPa的灌浆压力、1∶1的水泥浆液、纯压式灌浆方式分2环/段灌注，第1环/段以两根第一出浆/水管（4）和两根第二出浆/水管（7）管口出浆后结束灌注，第2环/段以在1MPa的灌浆压力下续灌2min结束；待凝7d后进行压水试验，并进行拆模后观测灌浆效果对比，以此方式为灌浆方法的选择提供参考。
9.根据权利要求4所述的利用砂砾石层灌浆模拟装置进行砂砾石层灌浆模拟试验的方法，其特征在于，步骤9中压水试验的过程为：
灌后压水试验采用灌浆泵从上部的两根顶部排气进水管（5）进水加压，为确保各管口内通畅，灌浆后应及时插入细钢管对有出浆的管口进行通水冲洗，灌后压水试验一般开始压力为0.5MPa，测得稳定渗流流量后再加压到1.0MPa进行压水试验。
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