李 毅,劉 磊,孫 翔,盧 冰

(1.中國(guó)水電基礎(chǔ)局有限公司,天津301700;2.南陽(yáng)市水利建筑勘測(cè)設(shè)計(jì)院,河南 南陽(yáng) 473000;3.河南靈捷水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限公司,河南南陽(yáng) 473000)

1 概 述

約旦死海低于海平面400 m左右,常年高溫少雨,夏季室外溫度可高達(dá)50℃,水分蒸發(fā)快,鹽水濃度高,礦物離子多,比重約為1.3。鹽水中K+的含量為0.6%,Na+的含量為2.8%,Mg2+的含量為 3.6%,Cl-的含量為17.8%,Ca2+的含量為1.4%。APC鉀鹽廠位于死海邊,該廠曬鹽池?cái)U(kuò)建項(xiàng)目采用從死海中引來高濃度的鹵水到鹽池中晾曬,以獲得不同的產(chǎn)品。為了防止不同濃度鹽池中的鹵水相互串通影響產(chǎn)品質(zhì)量,需要對(duì)各個(gè)鹽池之間進(jìn)行防滲處理[1]。

由于鹽水中的Ca2+會(huì)污染作為固壁材料的膨潤(rùn)土漿,造成絮凝現(xiàn)象,而且膨潤(rùn)土漿的比重太輕(一般只有1.1左右),在開挖過程中不易保持孔壁穩(wěn)定;而單獨(dú)的水泥膨潤(rùn)土自凝灰漿又易受到鹽水中Cl-的侵蝕,發(fā)生離子交換,在墻體材料中產(chǎn)生孔洞,達(dá)不到防滲效果,也滿足不了耐久性要求 。所以,為了達(dá)到理想的防滲效果,本項(xiàng)目采用了在水泥膨潤(rùn)土自凝灰漿中下設(shè)2.5 mm厚高密度聚乙脂膜(HDPE)的組合防滲方式。

在槽孔開挖過程中,自凝灰漿作為懸浮液維持槽孔的穩(wěn)定性,待它凝固后,確保埋入其中的高密度聚乙烯防滲膜能與之聯(lián)為一體。自凝灰漿要保證長(zhǎng)時(shí)間溝槽開挖的穩(wěn)定性和連續(xù)性,同時(shí)保證在灰漿還是流體狀時(shí),完成高密度聚乙烯防滲膜的貫入安裝。雖然自凝灰漿防滲墻自法國(guó)軟土防滲公司在20世紀(jì)60年代開發(fā)以來,推廣應(yīng)用很快,但在在高溫、鹽水環(huán)境施工條件下的自凝灰漿防滲墻幾乎沒有,也沒有可供參考的施工方法,因此采用在實(shí)驗(yàn)室初步配比滿足規(guī)范[2～5]的要求下,進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)性試驗(yàn),以確定合適的配比對(duì)現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜條件的適應(yīng)性,并從中選出最符合現(xiàn)場(chǎng)條件的配比作為實(shí)際施工時(shí)使用,同時(shí)通過試驗(yàn),來驗(yàn)證以下幾個(gè)方面的問題:

(1)自凝灰漿配比:初步推薦的自凝灰漿比重為1.2,但地下水比重為1.3,灰漿會(huì)不會(huì)只浮在地下水上面,能否均勻擴(kuò)散到地下水中,或是灰漿在地下水中發(fā)生顆粒分散,喪失了膠凝性,使自凝灰漿不能有效的懸浮開挖出來的顆粒,造成槽孔中的含沙量和孔底泥沙淤積超過規(guī)范要求。

(2)外加劑(緩凝劑):鹽水中的Cl-具有速凝作用,同時(shí)在高溫條件下,灰漿的凝固速度加快,但要保證能順利下膜,又需要較長(zhǎng)的凝結(jié)時(shí)間,緩凝劑的劑量較大,太大量的緩凝劑會(huì)不會(huì)造成不凝結(jié),或凝結(jié)時(shí)間太長(zhǎng),自凝灰漿墻不能自穩(wěn),需要用額外的方法來支撐開挖好的槽孔。

(3)槽孔固壁灰漿比重:根據(jù)經(jīng)典的槽孔開挖穩(wěn)定理論,固壁灰漿應(yīng)該比地下水重,而且槽孔穩(wěn)定的安全系數(shù)要達(dá)到1.3左右才合適,但對(duì)于本項(xiàng)目,地下水比重高于固壁灰漿,而且地下水位高,計(jì)算出來的穩(wěn)定系數(shù)只有1左右,開挖過程中,能否保證孔壁穩(wěn)定是個(gè)問題。同時(shí),灰漿中包含的膨潤(rùn)土材料在配制自凝灰漿時(shí)已經(jīng)受到了水泥中的Ca2+污染,泥餅厚度從2 mm變到12 mm左右,從薄而致密變得疏松多孔。入槽孔后又與鹽水中的離子發(fā)生交換,形成的泥皮效果到底如何,能否起到良好的固壁效果。

2 選用材料及現(xiàn)場(chǎng)配比特性

2.1 材料

(1)水泥:普通的滿足美國(guó)材料試驗(yàn)協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)[2]C150的波特蘭水泥或者高熔爐渣水泥都可以使用,本項(xiàng)目采用約旦水泥廠生產(chǎn)的OPC42.5水泥。

(2)水:無論對(duì)膨潤(rùn)土泥漿還是自凝泥漿,只能采用淡水。

(3)膨潤(rùn)土:采用印度產(chǎn)的滿足美國(guó)石油協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)[3]API SPEC13A要求的鈉基高膨脹Ashapura膨潤(rùn)土。

(4)外加劑:通過試驗(yàn)選用的是Fosroc廠的Complast R,主要成分為木質(zhì)粉璜酸鈣,有緩凝、引氣、加強(qiáng)塑化性的作用。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)配比及初始特性

自凝灰漿采用兩步法拌制,先制膨潤(rùn)土泥漿,膨潤(rùn)土漿的配比和特性見表1。

表1 膨潤(rùn)土漿的配比和特性

新鮮的膨潤(rùn)土泥漿膨化8 h后才使用,在膨化期間,為了保證膨潤(rùn)土顆粒均勻的分散到水中,在膨潤(rùn)土漿池底部通入空氣來攪動(dòng)和混合膨潤(rùn)土漿。同時(shí),為了防止高溫造成膨潤(rùn)土漿黏度增加過快,對(duì)漿池進(jìn)行了遮蓋和通風(fēng)處理。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)合格的膨潤(rùn)土漿用泵經(jīng)過65 mm管徑的PVC管道送到自凝灰漿攪拌站,與水泥和外加劑一起攪拌90 s制成合格的自凝灰漿材料。自凝灰漿制好放在一個(gè)6 m3左右的開敞箱子中,在箱子中安裝泥漿泵循環(huán),以使?jié){液中的外加劑分散均勻,加強(qiáng)自凝灰漿的塑化性。制備好的自凝灰漿通過泵或水車送到現(xiàn)場(chǎng)放入槽孔中。最后的6組用于不同槽孔中的配比及其還未和槽孔中的鹽混合時(shí)的特性如表2所示。

表2 現(xiàn)場(chǎng)自凝灰漿配比及新鮮漿液特性

3 水泥膨潤(rùn)土自凝灰漿防滲墻現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

3.1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)布置

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)選在防滲墻深度最大的的12#鹽堤上,墻體深度為16.3m,位置為平行于永久防滲墻向上游1.5 m,分為A1區(qū)(0+310～0+325.2),A2區(qū)(0+950～0+965.2),槽孔布置見圖1、圖2。每個(gè)區(qū)均布三個(gè)槽孔T1、T2、T3,槽孔間距 1.5 m,其中T1、T2位于試驗(yàn)區(qū)兩側(cè),寬度均為2.8 m,只是一個(gè)主抓;T3分布在試驗(yàn)區(qū)的中間,寬度為6.6 m,分為兩個(gè)主抓和一個(gè)副抓,主抓長(zhǎng)度2.8m,副抓長(zhǎng)度1 m。所有試驗(yàn)段的開挖頂高程為-391.7 m,結(jié)束高程為-408 m,試驗(yàn)平臺(tái)高于地下水位2.2 m,開挖過程中地下水位基本恒定。

3.2 試驗(yàn)施工工藝

自凝灰漿墻試驗(yàn)槽主要的工藝流程為:測(cè)量放線——開挖導(dǎo)向槽——埋設(shè)預(yù)制導(dǎo)墻——開挖成槽(注入自凝灰漿)——清孔——頂部添漿。

試驗(yàn)槽的導(dǎo)向槽開挖深度0.8 m,采用反鏟開挖,底部用打夯機(jī)夯實(shí),人工調(diào)平。導(dǎo)墻下設(shè)采用預(yù)制導(dǎo)墻形式,導(dǎo)墻規(guī)格為8 m×0.8 m×0.25 m(長(zhǎng)×寬×高),導(dǎo)墻之間采用0.25m和0.23 m寬的兩塊槽鋼反扣進(jìn)行鎖緊,以保證導(dǎo)墻在槽孔開挖過程中的穩(wěn)定性。兩個(gè)平行導(dǎo)墻之間的間距為0.45 m,中間用木板和預(yù)制鐵架支撐。槽孔采用SG35液壓抓斗進(jìn)行開挖,用HR130旋挖鉆機(jī)鉆導(dǎo)孔進(jìn)行導(dǎo)向,對(duì)比較堅(jiān)硬的結(jié)晶鹽層用機(jī)械抓斗配重鑿進(jìn)行破碎。在開挖的同時(shí),通過65 mmPVC管路把自凝灰漿從制漿站送到槽孔中,以保證孔壁穩(wěn)定和懸浮開挖材料。

3.3 漿液開挖特性

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)于2007-08-05開始,先施工A2區(qū)域,再施工A1區(qū)域,每個(gè)區(qū)域都按照T1,T3,T2的順序施工,共歷時(shí)20 d。A2T1開挖用時(shí)17.2 h,開挖為面積2.8 m×16.3 m,A2T3開挖用時(shí)8.7 h,開挖面積為2.8m×16.3 m,A2T2開挖用時(shí)18 h,開挖面積 6.6 m×16.3 m。A1T1開挖用時(shí)12.7 h,開挖面積2.8 m×16.3 m,A1T3開挖用時(shí)為8.7 h,開挖面積2.8 m×16.3 m,A1T2開挖用時(shí)17.3 h,開挖面積6.6m×16.3 m。

由于在開挖過程中,遇到了結(jié)晶鹽層和其他因素的影響,使得自凝灰漿在槽孔中性能發(fā)生了很大的變化,為了準(zhǔn)確了解漿液在各種情況下的變化情況,在開挖過程中和開挖結(jié)束后對(duì)槽孔內(nèi)的漿液特性進(jìn)行了觀測(cè),得到的漿液各項(xiàng)指標(biāo)見表3、表4。

圖1 A1區(qū)槽孔布置圖

表3 開挖時(shí)槽孔中漿液的各項(xiàng)指標(biāo)

表4 開挖結(jié)束時(shí)的漿液性質(zhì)

圖2 A2區(qū)槽孔布置圖

從現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)測(cè)結(jié)果可知,開挖深度在8.0 m以上時(shí),不同漿液在不同深度的黏度變化并不是很大,主要還是開挖時(shí)間較短,漿液較新鮮,能保證很好的流動(dòng)性和懸浮性。雖然在8m左右含砂量很大,但對(duì)黏度影響不大。到了開挖結(jié)束時(shí),孔內(nèi)的開挖材料基本上都能夠懸浮起來,被挖到槽孔外面去。

但由于地層在8 m以下為鹽層,而且有兩層結(jié)晶鹽還很堅(jiān)硬,開挖用的時(shí)間較長(zhǎng),漿液中混入了較多的結(jié)晶鹽和鹽水,使得在開挖結(jié)束后,不同漿液的黏度情況就有了很大的變化。在此情況下,外加劑用量較多的則能夠保持較小的黏度,而少的就容易喪失流動(dòng)性。其中A1T3雖然只是用了8.7 h的開挖,但由于外加劑只有5.5 L,所以在開挖結(jié)束后就凝固了;A1T2用了17 h,但外加劑的用量為8 L,在同樣的地質(zhì)條件下,開挖時(shí)間雖然長(zhǎng)了1倍,但黏度在開挖結(jié)束后還很小。

3.4 清孔后的漿液特性

為了方便下膜,在開挖結(jié)束后,需要把孔底的沉淀清理干凈,同時(shí)補(bǔ)充新鮮漿液,以保證孔壁穩(wěn)定,還要為下膜留一定的準(zhǔn)備時(shí)間,所以做試驗(yàn)時(shí)在開挖結(jié)束后等了1 h,才進(jìn)行清孔,按槽孔中的相同配比補(bǔ)充新鮮漿液,清孔后的漿液性質(zhì)見表5。

表5 清孔后的漿液性質(zhì)

結(jié)合表2和表5數(shù)據(jù)可知,下膜時(shí)的漿液黏度在外加劑為8 L時(shí)為90 s左右,在外加劑為10 L時(shí)為60 s左右。雖然60 s好下膜,但對(duì)后續(xù)工作影響較大,在漿液黏度為90 s時(shí),下膜可能會(huì)有一點(diǎn)阻力。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)[6],一般認(rèn)為漿液黏度為90 s時(shí)自凝灰漿將逐步凝固,槽孔內(nèi)阻力將加大,需要加大下膜時(shí)的慣入力。

3.5 頂部添漿的特性

為了掌握好準(zhǔn)確的漿液凝固時(shí)間以利拆除對(duì)下設(shè)好的膜的支撐,同時(shí)也為了對(duì)自凝灰漿清孔后頂部泌水進(jìn)行置換,以確保槽孔上部的質(zhì)量和確定初步的材料損耗,需要量測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的漿液凝結(jié)情況。清孔后各孔的凝固時(shí)間及頂部補(bǔ)漿量見表6。

表6 清孔后各孔的凝固時(shí)間及補(bǔ)漿量

從表6中可以看出,在清孔后12 h,在外加劑為8 L或10 L的情況下,測(cè)針還是可以到孔底,對(duì)于后續(xù)下設(shè)HDPE膜時(shí)間是足夠的,但是頂部泌水嚴(yán)重,需要耗費(fèi)更多的漿液進(jìn)行補(bǔ)漿,也不利于預(yù)制導(dǎo)墻的盡快拆除。

4 漿液效果評(píng)價(jià)

4.1 滲透性評(píng)價(jià)

成槽28 d后,每一片區(qū)域在工程師指定的槽孔中央鉆孔,用雙管鉆具取芯,取出的巖芯均勻、連續(xù),沒有裂縫或粘接不牢區(qū)域,有較明顯的同心層理現(xiàn)象。同時(shí),在現(xiàn)場(chǎng)按照工程師指定位置用降水頭方式進(jìn)行滲透性試驗(yàn),滲透性試驗(yàn)采用“Lefranc”法。同時(shí),對(duì)在新鮮漿液和槽孔中的漿液取樣,在實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)條件下淡水養(yǎng)護(hù),按照土工試驗(yàn)方法進(jìn)行降水頭試驗(yàn),三種狀況下得出滲透系數(shù)見表7。

表7 三種狀況下試樣滲透系數(shù)對(duì)比表

由表中數(shù)據(jù)可知,在槽孔內(nèi)取的樣由于混進(jìn)了鹽水和砂等顆粒,滲透系數(shù)小于新鮮漿液一個(gè)數(shù)量級(jí)左右,但都＜10-7m/s,滿足規(guī)范要求。

4.2 強(qiáng)度評(píng)價(jià)

開挖槽孔過程中,分別取新鮮漿液和槽孔不同深度的漿液,放于實(shí)驗(yàn)室養(yǎng)護(hù),選取樣本做14 d、28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度,試驗(yàn)結(jié)果見表8。

表8 試樣14 d、28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

從表8數(shù)據(jù)可知,同樣的配比,漿液在槽孔凝固了,但新鮮的卻不凝固,證明槽孔中的鹽速凝作用很明顯,并且在同等條件下,新鮮漿液的試件強(qiáng)度比槽孔中的要高。

5 結(jié) 論

(1)通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),最后選用的自凝灰漿配比為947∶253∶7(膨潤(rùn)土漿∶水泥∶外加劑)作為施工使用,在實(shí)際施工中這個(gè)配比反應(yīng)良好,基本能達(dá)到規(guī)范規(guī)定的強(qiáng)度、滲透性指標(biāo),同時(shí)也能夠滿足下設(shè)HDPE膜的要求。

(2)鹽水條件下,對(duì)自凝灰漿的腐蝕和速凝作用很明顯,槽孔中的自凝灰漿強(qiáng)度明顯比沒有受到鹽水腐蝕的強(qiáng)度低很多。

(3)外加劑的劑量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過生產(chǎn)說明書上說明的0.8%～1.6%,實(shí)際使用基本上重量比在2.5%～3.6%左右。外加劑對(duì)自凝灰漿的現(xiàn)場(chǎng)性質(zhì)影響明顯。外加劑用量少了會(huì)造成自凝灰漿在槽孔內(nèi)凝固,無法進(jìn)行后續(xù)的下膜作業(yè);用量過多,則會(huì)造成槽孔頂部泌水嚴(yán)重,雖然最后會(huì)凝結(jié),但強(qiáng)度增長(zhǎng)緩慢,影響下一步施工。因此外加劑的用量需根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況合理調(diào)節(jié)。

[1] Apc Plant Optimization and Production Expension Projects Solar Ponds-Specification Volume 2[R].Jordanain:Arab Potash Company,2009.

[2] ASTM D2166,Standard Test Method for Unconfined Compressive Strength of Cohesive Soil[S].America:America socity test and material,2000.

[3] Api Rp 13B,Recommended Practice for Field Testing Water-Based Drilling Fluids***Iso AdoptionFrom Iso 10414-1[S].America:America Petroleum Institute,2003.

[4] ASTM D5084,Standard Test Methods for Measurement of Hydraulic Conductivity of Saturated Porous Materials Using a Flexible Wall Permeameter[S].America:America socity test and material,2003.

[5] Api Spec 13A,Drilling Fluid Materials-Specification and Tests[S].America:America Petroleum Institute,2006.

[6] 叢葛森.地下連續(xù)墻設(shè)計(jì)施工與應(yīng)用[M].北京:中國(guó)水利水電出版社,2001:623-638.