CN116337713A - 高水头作用下复杂结构覆盖层帷幕灌浆质量检查方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了高水头作用下复杂结构覆盖层帷幕灌浆质量检查方法，包括灌浆前的材料室内试验质量检查以及灌浆施工后的灌浆帷幕现场试验质量检查。灌浆前的材料室内试验质量检查包括各灌浆浆液浆材的注浆性能、耐久性能、抗水冲性能等检查，以及对灌浆前、灌浆凝结后覆盖层整体幕体的应力变形特性、长期应力和冲蚀的耦合特性等检查；灌浆施工后的灌浆帷幕现场试验质量检查包括帷幕灌浆幕体五点法压水试验、疲劳压水试验、耐压压水试验等检测，以及幕体有效厚度检测。该方法的有效性和实用性已顺利通过工程实践检验，填补了现行规范只适用于中低水头作用下一般结构覆盖层帷幕灌浆质量检查的空白。
Description
技术领域
本发明涉及水利水电工程技术领域，具体涉及高水头作用下复杂结构覆盖层帷幕灌浆质量检查方法。
背景技术
覆盖层主要为内外地质作用而覆盖在基岩之上的松散堆积、沉积物，在西南山区河流中广泛分布，一般深度为数十米，最深可达数百米。一般具有结构松散、层次结构多且不连续等特点，在厚度、岩性、岩相横向/纵向变化、内部结构不均匀等方面差异性很大，其力学特性与物质组成、密实程度、胶结状况有关，也与成因、沉积时代、埋深等有关。覆盖层作为建筑物的地基，会出现地基承载与不均一变形、抗滑稳定、渗漏与渗透稳定、砂土液化等影响工程成败的重大关键技术问题。
灌浆帷幕是深覆盖层坝基渗流控制的重要措施之一，主要通过形成的弱透水幕来达到防渗目的。
座落在深厚覆盖层上的水库大坝需要对地基进行防渗处理，主要采用防渗墙和灌浆帷幕联合防渗。就覆盖层灌浆而言，在工程量和处理效果方面，我国的技术水平已处于世界前列，目前覆盖层处理灌浆深度已达到223m。然而，受待灌地层特性的复杂多变和施工部位的隐蔽性等限制，灌浆目前仍是一门实践性很强的技术，理论发展滞后，尤其是深厚覆盖层中灌浆过程的浆液运移、灌入条件、帷幕体抗冲蚀特性等规律尚不清晰，灌浆效果、工期和成本常与设计预期存在较大的差别，基岩帷幕灌浆近年来实施了大量的工程，取得了很多进展，但覆盖层灌浆的理论基础和施工技术仍需要深入研究和论证，相关技术规程规范尚有较多空白需要填补。
发明内容
本发明的主要目的在于提供高水头作用下复杂结构覆盖层帷幕灌浆质量检查方法，解决上述背景技术中的问题。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：包括灌浆前的材料室内试验质量检查以及灌浆施工后的灌浆帷幕现场试验质量检查；
灌浆前的材料室内试验质量检查包括灌浆浆材质量检查、帷幕灌浆和覆盖层形成的整体幕体质量检查；
灌浆施工后的灌浆帷幕现场试验质量检查包括帷幕灌浆幕体耐久性检测和灌浆帷幕幕体厚度检测。
优选方案中，灌浆浆材质量检查是基于室内试验，对各灌浆浆液浆材的注浆性能、耐久性能、浆材的抗冲性能试验，选出适用工况的浆液浆材。
优选方案中，耐久性能试验：包括固结体的质量与体积在干湿循环调节下变化、在冻融循环中的质量、体积与强度变化，测定总质量损失率、体积损失率分、抗压强度；
抗水冲性能试验：对浆液进行水冲试验，使其在水槽中自由扩散，观察其形态变化。
优选方案中，帷幕灌浆和覆盖层形成的整体幕体质量检查是基于室内试验，对灌浆前、灌浆凝结后覆盖层整体幕体的应力变形特性、长期应力和冲蚀的耦合特性等进行研究，得到灌浆作用对覆盖层力学特性的影响，评价帷幕灌浆和覆盖层形成的整体幕体质量。
优选方案中，利用覆盖层材料制作两组试样，在对其中一组试样进行灌浆处理后，对两组试样进行相同控制调节的应力变形试验，对比两组试验结果得到灌浆对覆盖层材料应力变形特性的影响；
室内制备灌浆后灌浆体和覆盖层材料的组合体，待凝结后再施加应力条件下开展抗渗特性研究，逐级提高渗透压力，并在每级渗透压力下均持续一定时间，记录灌浆体渗漏量和冲出颗粒材料随渗透压力和灌浆压力的发展规律，得出帷幕灌浆体长期应力和冲蚀的耦合特性。
优选方案中，帷幕灌浆幕体耐久性检测是通过五点法压水试验计算覆盖层透水率；
通过疲劳压水试验计算灌浆处理后的覆盖层在一定水头的持续作用下的耐久性，验证坝基的安全性与可靠性；
通过进行耐压压水试验计算覆盖层经灌浆后所能承受的水力极限破坏压力，根据试验成果分析幕体的比例渗透极限与压水压力相关关系，求出幕体的极限破坏压力和破坏水力比降值。
优选方案中，疲劳压水试验：每个检查孔选取1段进行疲劳压水试验，压力为1.5～2倍坝前水头的压力，在选定的检查孔的孔段上连续压水3～7天，看是否会发生破裂或冲蚀，如发生破裂或冲蚀，压入流量会突然增大或逐渐增大。
优选方案中，耐压压水试验：每个检查孔选取2段进行耐压压水试验，压力为0.5～3MPa,压力逐级升高，每级压力下进行保压3～5min；
如漏水量和压力无明显变化时，可升一级压力，破坏后，逐级降低压力直到压力为零为止，绘制压力流量曲线；
根据试验成果分析幕体的比例渗透极限与压水压力相关关系，计算幕体的极限破坏压力和破坏水力比降值。
优选方案中，根据覆盖层帷幕灌浆浆液扩散情况、后序孔取芯情况，孔与孔之间串浆情况，结合灌浆补强孔的孔、排距，计算灌浆帷幕幕体厚度检测，浆液的有效扩散半径进行一定折减，折减系数按照0.7～0.8考虑。
本发明提供了高水头作用下复杂结构覆盖层帷幕灌浆质量检查方法，包括灌浆前的材料室内试验质量检查以及灌浆施工后的灌浆帷幕现场试验质量检查；灌浆前的材料室内试验质量检查包括灌浆浆材质量检查以及帷幕灌浆和覆盖层形成的整体幕体质量检查；灌浆施工后的灌浆帷幕现场试验质量检查包括帷幕灌浆幕体耐久性检测以及灌浆帷幕幕体厚度检测。
灌浆前，基于室内试验，对各灌浆浆液浆材的注浆性能、耐久性能、浆材的抗冲性能试验，选出最经济适用对应工况的浆液浆材；基于室内试验，对灌浆前、灌浆凝结后覆盖层整体幕体的应力变形特性、长期应力和冲蚀的耦合特性等进行研究，得到灌浆作用对覆盖层力学特性的影响，评价帷幕灌浆和覆盖层形成的整体幕体质量。
灌浆施工后，进行五点法压水试验获取覆盖层透水率；进行疲劳压水试验研究灌浆处理后的覆盖层在一定水头的持续作用下的耐久性，验证坝基的安全性与可靠性；进行耐压压水试验研究覆盖层经灌浆后所能承受的水力极限破坏压力，根据试验成果分析幕体的比例渗透极限与压水压力相关关系，求出幕体的极限破坏压力和破坏水力比降值；检测帷幕幕体的有效厚度是否满足设计要求的幕体厚度。
本发明提供的检查方法综合评价高水头作用下复杂结构覆盖层帷幕灌浆质量，成功经过了工程实践检验。填补了现有规范只适用于中低水头作用下一般结构覆盖层帷幕灌浆质量检查的空白。
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是本发明SJ1-1孔疲劳压水试验曲线图；
图2是本发明SJ1-3孔疲劳压水试验曲线图；
图3是本发明SJ1-5孔疲劳压水试验曲线图；
具体实施方式
实施例1
高水头作用下复杂结构覆盖层帷幕灌浆质量检查方法包括：
灌浆前的材料室内试验质量检查：
灌浆浆材质量检查：
灌浆浆液包括：普通水泥浆液、硫铝酸盐水泥复合浆液、硫铝酸盐水泥复合不分散浆液、水泥水玻璃双液浆、硅溶胶。灌浆浆液在第四阶段的基础上，通过生产性试验及补充工艺试验进一步对不同地层所需的浆液进行了研究，主要包括用于大渗漏通道的速凝、抗冲浆液以及用于局部砂层的化学灌浆材料，浆材体系完善，可根据不同地层针对性进行灌注以硫铝酸盐水泥复合、硫铝酸盐水泥复合不分散、硅溶胶灌浆材料为研究对象，对各浆材的注浆性能、耐久性能进行了深入研究，同时，通过室内试验探究了硫铝酸盐水泥复合、硫铝酸盐水泥复合不分散浆材的抗冲性能。
浆液主要性能：硫铝酸盐水泥复合与硫铝酸盐水泥复合不分散浆液的粘度具有时变性，即随着时间的增加，其粘度也会增大。硫铝酸盐水泥复合与硫铝酸盐水泥复合不分散浆液的凝结较一般的水泥浆液也更为快速，终凝时间分别为124min与96min，且抗渗性能均较好，固化后养护28天后的强度均超过了21MPa。
硅溶胶化学浆液的固化时间为29min，与硅溶胶相比，凝胶时间减短，与水泥-水玻璃浆液相比较长，这更有利于实际注浆工程；从强度试验中可以看出，养护28天后，硅溶胶浆材固化后的抗压强度为1.27MPa。
水泥-水玻璃浆液试验采用的水玻璃浓度为40波美度，水灰比为0.5:1，双液体积比为1：0.15，其胶凝时间为14s，7d、14d和28d强度分别为18.37MPa、19.78MPa、21.40MPa。
耐久性：硫铝酸盐水泥复合、硫铝酸盐水泥复合不分散固结体的质量与体积在干湿循环条件下变化不明显，在冻融循环中的质量、体积与强度变化表现良好。其中，经过15次冻融循环后，总质量损失率分别为3％与2.4％，体积损失率分别为3.5％与0.9％，质量与体积损失率均低于5％，但抗压强度在冻融循环中均受到一定程度的影响，经过15次冻融循环，其强度分别下降了21.7％与21.0％。
水泥-水玻璃浆液固化体的质量、体积及强度在干湿循环与冻融循环条件下均产生一定程度的损失，在循环次数达到8次时，其质量损失率分别为3.6％与1.81％，体积损失率分别为3.9％与1.74％，强度损失率分别为35.2％与22.4％，从试验结果来看，水泥水玻璃的耐久性较差，经过8次环境条件循环变化后，其强度已难以满足工程要求。
硅溶胶浆液形成的固砂体的长期强度变化规律符合工程要求：随时间逐渐增加，后增长速度放缓而趋于稳定，其180天的长期单轴抗压强度在4MPa以上。
抗渗性能：硅溶胶、硫铝酸盐水泥复合不分散、硫铝酸盐水泥复合三种灌浆材料均在加压压力满足一定条件后才开始出现渗流现象。其中硅溶胶灌浆材料在P为1.0MPa时，才出现渗流，说明其抗渗性能相对较好。硅溶胶、硫铝酸盐水泥复合不分散、硫铝酸盐水泥复合三种灌浆材料的渗透系数分别为3.4×10-7cm/s、5.6×10-7cm/s、2.4×10-6cm/s。
对灌浆部位进行钻孔取芯，对取样试件切割制样后进行孔芯样临界比降的测定，三个试样取平均值得到取样岩芯处的临界坡降约很大，灌浆后岩芯渗透系数约为i×10-6cm/s。
抗水冲性能：对浆液进行水冲试验。对于硫铝酸盐水泥复合不分散浆液，其在水槽中自由扩散形态较为均匀，大致呈现为圆饼状。硫铝酸盐水泥复合不分散浆液遭受水流冲刷后，形态变化不明显，大体形状不发生改变，随着冲刷过程的进行，厚度逐渐变薄，纵向扩散距离略有增加；对于硫铝酸盐水泥复合浆液，其在水槽中自由扩散后形态也呈现为圆饼状，但均匀性与硫铝酸盐水泥复合不分散浆液相比较差，硫铝酸盐水泥复合不分散浆液的形态保持更为完整，对水流的抵抗能力更强。
随着冲刷时间的加长，硫铝酸盐水泥复合与硫铝酸盐水泥复合不分散两种浆液质量留存率呈不断减小的趋势，考虑到抗冲浆材的粘度会随时间增加且整体流动性减弱，对水流的抵抗能力得到增强，所以留存率减小的速率愈发缓慢；在任意时刻内，硫铝酸盐水泥复合不分散浆液的留存率均高于硫铝酸盐水泥复合浆液，在0.5m/s与1.0m/s流速条件下，冲刷120s后与冲刷180s后相比，其质量留存率分别只减小了1％与4％，硫铝酸盐水泥复合不分散浆液留存率在冲刷后期的变化趋势趋于平缓，其抗冲性能较为优异。
综上所述，硫铝酸盐水泥复合、硫铝酸盐水泥复合不分散、硅溶胶灌浆材料的浆液性能、耐久性能、抗冲性能良好，对于本工程有较好的适用性。
帷幕灌浆和覆盖层形成的整体幕体质量检查：
基于室内试验，对灌浆前、灌浆凝结后覆盖层材料的应力变形进行研究，得到灌浆作用对应力变形特性的影响。
利用覆盖层材料制作两组试样，设计可行的灌浆方法，在对其中一组试样进行灌浆处理后，对两组试样进行相同控制条件的应力变形试验，对比两组试验结果得到灌浆对覆盖层材料应力变形特性的影响。
室内制备灌浆后灌浆体与覆盖层材料的组合体，待凝结后在施加应力条件下开展抗渗特性研究，逐级提高渗透压力，并在每级渗透压力下均持续一定时间，考察灌浆体渗漏量、冲出颗粒材料等随渗透压力、灌浆压力的发展规律，揭示帷幕灌浆体长期应力和冲蚀的耦合特性。
灌浆施工后帷幕灌浆现场质量检查：
帷幕灌浆幕体耐久性检测：
如图1～3所示，高水头作用下复杂结构覆盖层帷幕灌浆质量检查方法，SJ1-3孔84.60～97.00m段五点法压水试验成果见表1。
表1：五点法压水试验成果
从上表中可知，该部位覆盖层透水率在4～6Lu，对该处的渗透系数具有一定的印证作用。孔口封闭方式进行的压水试验是综合性压水试验，因此，不能以此获得的透水率值作为实际透水率值。
疲劳压水试验成果分析：
1)检查孔SJ1-1孔115～120m段疲劳压水试验，历时70小时40分，其中在压水压力0.8MPa(约1倍坝前水头)下历时5小时10分，在压水压力1.2MPa(约1.5倍坝前水头)下历时59小时30分，再在压水压力0.8MPa下历时6小时。
2)检查孔SJ1-3孔105～110m段疲劳压水试验，历时71:30，其中在压水压力0.8MPa(约1倍坝前水头)下历时7小时30分，在压水压力1.2MPa(约1.5倍坝前水头)下历时59小时，再在压水压力0.8MPa下历时5小时。
3)检查孔SJ1-5孔114.85～120m段疲劳压水试验，历时71小时40分，其中在压水压力0.8MPa(约1倍坝前水头)下历时6小时，在压水压力1.2MPa(约1.5倍坝前水头)下历时59小时40分，再在压水压力0.8MPa下历时6小时。
4)SJ1-1孔、SJ1-3孔、SJ1-5孔的疲劳压水试验成果见表2～表4、图1～图3。
5)疲劳压水试验结果表明，在压水压力1.2MPa(约1.5倍坝前水头)下的渗透系数为0.5×10-4～1×10-4cm/s，最大渗透系数为1×10-4cm/s，经灌浆处理后的覆盖层的抗渗稳定性和耐久性强，能够稳定承受1.5倍坝前水头压力。
耐压压水试验成果分析：
1)SJ1-1孔、SJ1-3孔、SJ1-5孔的耐压压水试验成果见表5～表7。
2)从表中可知：经灌浆处理后的覆盖层的耐压压力为1.91～2.70MPa，大于坝前水头，破坏时渗透量为70～95.6L/min，透水率为6.79～6.92Lu，渗透系数为0.42×10-4～1×10-4cm/s，因此试区灌后地层具备抗渗透破坏能力。
幕体水力坡降理论计算：
帷幕厚度与帷幕幕体内的水力坡降的最大允许值有关，参见下式：
Ia＝(δ/T)H
式中：Ia—帷幕幕体内(帷幕前后)的允许水力坡降；
δ—通过帷幕的水头衰减系数(δ＝帷幕前后的水头差/水头)；
H—水头，m；
T—帷幕厚度，m。
根据SJ1-5孔耐压压水试验成果按照上式计算得到的试验帷幕幕体内的水力坡降值见表8。深层3排孔帷幕厚度(T)理论上约为两边边排之间的距离再加上边排孔孔距的65％，水头衰减系数(d)取0.8。
表8：帷幕幕体内的水力坡降
帷幕灌浆厚度分析：
通过河床段覆盖层帷幕灌浆补充试验对浆液的扩散半径及留存问题进行了进一步探究验证。即在河床段防渗墙内上游排选择两个相邻的Ⅰ序孔进行覆盖层钻孔和灌浆，在Ⅰ序孔施工完成后选取两孔之间的Ⅱ序孔作为效果验证孔。
通过取芯，发现在多个部位存在水泥结石(有几处结石以长柱状形态取出，最长达70cm)，表明浆液的留存情况较好，同时说明浆液的有效扩散半径基本能够达到1.5m。通过压水试验，小于10Lu的段次为32段，占74.4％，大于10Lu的段次为11段，占25.6％，最大透水率为26.68Lu，超过20Lu仅有一段(在134～135m段次)，表明通过灌浆后整体地层渗透性有较为明显的改善。
根据本次河床段覆盖层帷幕灌浆浆液扩散情况、后序孔取芯情况，孔与孔之间串浆情况，基础局认为浆液扩散半径是有保证的，结合本次灌浆三排补强孔的孔、排距，考虑浆液的有效扩散半径有一定折减，按照0.8的折减系数考虑，幕体的有效厚度为3.8m，按照0.7的折减系数考虑，幕体的有效厚度为3.5m，满足幕体厚度3.5m的设计要求。
上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.高水头作用下复杂结构覆盖层帷幕灌浆质量检查方法，其特征是：包括灌浆前的材料室内试验质量检查以及灌浆施工后的灌浆帷幕现场试验质量检查；
灌浆前的材料室内试验质量检查包括灌浆浆材质量检查、帷幕灌浆和覆盖层形成的整体幕体质量检查；
灌浆施工后的灌浆帷幕现场试验质量检查包括帷幕灌浆幕体耐久性检测和灌浆帷幕幕体厚度检测。
2.根据权利要求1所述高水头作用下复杂结构覆盖层帷幕灌浆质量检查方法，其特征是：灌浆浆材质量检查是基于室内试验，对各灌浆浆液浆材的注浆性能、耐久性能、浆材的抗冲性能试验，选出适用工况的浆液浆材。
3.根据权利要求2所述高水头作用下复杂结构覆盖层帷幕灌浆质量检查方法，其特征是：耐久性能试验：包括固结体的质量与体积在干湿循环调节下变化、在冻融循环中的质量、体积与强度变化，测定总质量损失率、体积损失率分、抗压强度；
抗水冲性能试验：对浆液进行水冲试验，使其在水槽中自由扩散，观察其形态变化。
4.根据权利要求1所述高水头作用下复杂结构覆盖层帷幕灌浆质量检查方法，其特征是：帷幕灌浆和覆盖层形成的整体幕体质量检查是基于室内试验，对灌浆前、灌浆凝结后覆盖层整体幕体的应力变形特性、长期应力和冲蚀的耦合特性等进行研究，得到灌浆作用对覆盖层力学特性的影响，评价帷幕灌浆和覆盖层形成的整体幕体质量。
5.根据权利要求4所述高水头作用下复杂结构覆盖层帷幕灌浆质量检查方法，其特征是：利用覆盖层材料制作两组试样，在对其中一组试样进行灌浆处理后，对两组试样进行相同控制调节的应力变形试验，对比两组试验结果得到灌浆对覆盖层材料应力变形特性的影响；
室内制备灌浆后灌浆体和覆盖层材料的组合体，待凝结后再施加应力条件下开展抗渗特性研究，逐级提高渗透压力，并在每级渗透压力下均持续一定时间，记录灌浆体渗漏量和冲出颗粒材料随渗透压力和灌浆压力的发展规律，得出帷幕灌浆体长期应力和冲蚀的耦合特性。
6.根据权利要求1所述高水头作用下复杂结构覆盖层帷幕灌浆质量检查方法，其特征是：帷幕灌浆幕体耐久性检测是通过五点法压水试验计算覆盖层透水率；
通过疲劳压水试验计算灌浆处理后的覆盖层在一定水头的持续作用下的耐久性，验证坝基的安全性与可靠性；
通过进行耐压压水试验计算覆盖层经灌浆后所能承受的水力极限破坏压力，根据试验成果分析幕体的比例渗透极限与压水压力相关关系，求出幕体的极限破坏压力和破坏水力比降值。
7.根据权利要求6所述高水头作用下复杂结构覆盖层帷幕灌浆质量检查方法，其特征是：疲劳压水试验：每个检查孔选取1段进行疲劳压水试验，压力为1.5~2倍坝前水头的压力，在选定的检查孔的孔段上连续压水3~7天，看是否会发生破裂或冲蚀，如发生破裂或冲蚀，压入流量会突然增大或逐渐增大。
8.根据权利要求6所述高水头作用下复杂结构覆盖层帷幕灌浆质量检查方法，其特征是：耐压压水试验：每个检查孔选取2段进行耐压压水试验，压力为0.5~3MPa,压力逐级升高，每级压力下进行保压3~5min；
如漏水量和压力无明显变化时，可升一级压力，破坏后，逐级降低压力直到压力为零为止，绘制压力流量曲线；
根据试验成果分析幕体的比例渗透极限与压水压力相关关系，计算幕体的极限破坏压力和破坏水力比降值。
9.根据权利要求1所述高水头作用下复杂结构覆盖层帷幕灌浆质量检查方法，其特征是：根据覆盖层帷幕灌浆浆液扩散情况、后序孔取芯情况，孔与孔之间串浆情况，结合灌浆补强孔的孔、排距，计算灌浆帷幕幕体厚度检测，浆液的有效扩散半径进行一定折减，折减系数按照0.7~0.8考虑。
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