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先進的防水補漏灌漿方法

發布時間：2014-08-09

美國大壩安全協會所指定的1999年度的國家修復工程，即賓西法尼亞州的彭福里斯特壩，是密西西比河以東最大的碾壓混凝土壩。它取代一座1956～1957年修建的老壩，向伯利恒市供水。
    老壩是一座長558米、高44米的分區土石壩，在巖基上設有一道防滲心墻。1960年由于滲流率高，在鄰近水庫水面的上游壩坡出現了滲坑。對土石壩進行了修復，但至1994年滲漏已發展到必須進行大修或重建的程度。

    新彭福里斯壩，正好位于原壩的上游。壩高55米，壩長約610米。新壩包括一道3排鉆孔的灌漿帷幕。灌漿孔是豎直的，與近豎直的主要節理組不交叉。原壩采用單排灌漿帷幕，這不適合于它的規模和基礎情況。
    新彭福理斯壩的設計期短，這意味著第一排（A排）灌漿得采用常規的灌漿工藝施工，包括使用常規的純水泥漿、人工監測技術、目測壓力計記錄與用測深桿測量水泥漿饋漿良和吸漿量。然而，在評估利用先進灌漿材料和控制系統的潛在效益后，這些灌漿材料和控制系統已用于后兩排孔灌漿。
    因此，B排和C排采用平衡穩定的懸浮漿（摻和料增強的配方）施工，懸浮漿具有不泌水、低粘結力和在灌注時具有較高的抗相變性。灌漿使用先進的計算機監視和評價系統進行，該系統可提供實時的流量、壓力和估算的瞬時滲透值的曲線。
    由于采用了常規和先進的兩種灌漿技術，兩者之間可以進行直接比較。先進的灌漿系統可獲得優質的施工質量，給業主帶來效益，節省費用約100萬美元，施工期縮短了近8周。
1 灌漿材料和摻合料
    在水泥基漿液中采用摻和料的目的是改善穩定性（泌水）和流變特性（粘滯性、粘結力和內摩擦力或結合力），以增強灌漿材料的可灌如性和流動特性。流變特性的兩種規律可以用純粘淀性流體（例如水）和即具有粘滯性又具有粘聚性的賓漢流體來說明。
    本工程使用的摻和料包括膨潤土、粉煤灰、Welan膠和塑化劑。在膨福里斯特壩使用的增強純水泥漿的特性（B和C排）與常規純水泥漿（A排）的比較概述于以下各節。
2 粘度
    粘度按照美國石油學會標準工藝規程用馬斯圓錐測量。平衡穩定水泥漿可以配置提供相似的粘度或馬斯圓錐流動時間，與常規純水泥漿比較。用摻和料獲得稍高的粘度。
3 粘結力
    粘結力值按照1985年朗巴迪提出的工藝規程確定。平衡穩定的粘結力由于超塑化劑的散凝作用比純水泥漿低。稍高的粘度值使灌注速度稍低。然而，對于某些裂縫，采用平衡穩定漿，其較低的粘結力從理論上講會提供較大的貫入半徑。

4 泌水
    泌水用1L量筒量測。兩種漿液的穩定性或泌水的差別是很顯著的。在達到最終的灌漿壓力后，漿液中的泌水積累將使裂縫不能完全填塞。灌漿后可能導致發生顯著的第二次滲透，由于泌水通道所形成的流徑網絡而使耐久性降低。
5 壓力滲透
    壓力滲透是由流態漿體內的混合料和水與水泥分離而引起的，特別是在壓力灌漿作業期間。壓力滲透系數根據美國石油學會濾水壓試驗方法確定。
    平衡、穩定的混合料的壓力滲透特性明顯優于常規純水泥漿。可以觀察到純水硬性水泥漿在僅僅2～3分鐘后，就冒氣，表明大多數水已被擠出。
    高壓滲透值和泌水明顯表明兩種不利的影響。首先，純水泥漿的流變在壓力灌漿的過程中是不穩定的，并導致自稠化過程（沉淀）。平衡穩定漿液經過較長的泵送距離而不沉淀或無干填發生。第二個不利影響是大量的水正在注入屬于“吸漿”的巖層中。
6 觸變凝結時間
    本試驗按照1991年威弗敘述的方法進行。正如所料，平衡穩定漿中的攙和料使水化過程放慢，因而使凝結時間較慢。這些結果同樣提醒人們，超過2h的純水泥漿由于開始發生明顯的化學結合或內摩擦應當廢棄。平衡穩定漿提供了較長的作業時間，由于不需要廢棄灌漿材料而可能減少費用。
7 抗壓強度
    抗壓強度比較表明，平衡穩定漿的總抗壓強度比純水泥漿的低，但大于35kg/cm2（混合料B約為14kg/cm2）。抗壓強度超過14kg/cm2的漿足以履行其防滲水的功能，并可提供足夠的耐久性。
8 計算機自動監控和評價系統
    A排灌漿帷幕采用常規監控技術灌漿。灌漿的監控、記錄和分析基本上用機械儀表和人工方法進行。相對于該控制技術水平所用的工具、方法和設備來說，灌漿工程的實施達到了高標準。
    B排和C排灌漿帷幕采用先進的監控系統施工。該系統由壓力和磁流量傳感器、數據采集硬件和計算機輔助灌漿評價系統（CAGES）組成。

   CAGES是計算機實時數據采集、監視、分析和評價軟件。它具有3個主要功能:
  1.以實時圖形顯示漿液流量、灌漿壓力和視呂榮值（視滲透系數）的趨勢，監視灌漿作業的進展；
  2.評價初始漿液的適宜性和灌漿巖層的實時吸漿量；
  3.顯示其它灌漿數據，諸如灌漿時間、漿液擴散半徑和有效灌漿壓力。
    CAGES具有選擇灌漿類型（巖石或土）、灌注孔和灌注段數量、漿液配料，以及顯示和記錄灌漿次數的能力。每孔或每段都有各自用戶規定的參數，例如文件名、分段長度、地下水位、水尺高度和孔的角度。
   CAGES也能用水代替水泥漿進行水壓試驗。特定孔或分段的滲透系數（呂榮值）即用曲線圖又用數字連續顯示。當呂榮值成為常數時，水壓試驗的歷時可大大地減少。
   所有灌漿參數和灌漿數據都存儲在計算機中。這些數據能用于回歸分析。在孔和分段灌漿之后，漿液流量、表壓力和視呂榮值可立即打印出來。
   CAGES的關鍵的作用是確定建立在水壓試驗基礎上的初始混合物的配料。初始配料的適用性在灌漿作業初始階段根據適應性系數來估計。適應性系數低表示漿液不能滲入水能達到的隙縫。根據饋漿量和視呂榮值的趨勢，灌漿操作人員可以開始變換隨后的灌漿混合料。
   根據顯示的灌漿數據，工程師可以按實時追蹤視呂榮值、饋漿量和漿液擴散半徑及累計吸漿量。該資料使工程師能估計一種特定的漿液如何才能適應此巖層，當巖石或土的灌漿作業需要更換漿液的配料時，也能使工程師迅速合理地作出決定。
    先進的監視和評價系統有若干主要方面超過常規方法：
  。提供饋漿量、灌漿壓力、視呂榮值和理論上的漿液擴散及信息；
  。顯示漿液流量。視呂榮值和吸漿量的趨勢；
  。識別和處理視呂榮值的突然變化。只要視呂榮值不突然增大，可以安全地使用較高的壓力；
  。讓工程師們把更多的時間花在決策上，因為他們不再需要做人工記錄和用手工計算；
  。提供詳細、準確和永久記錄，以記載灌漿作業的全過程；
  。允許多孔或多段灌漿；
  。減少所需的檢查時間；
  。消除無效（出毛病）的灌漿作業；
  。選擇適合的配合比，避免采用昂貴的微細粒水泥；
  。提供關于漿體混合料對已知巖層適用性的科學論據。

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