陈志军

(辽宁水利土木工程咨询有限公司，辽宁 沈阳 110000)

我国是一个多山的国家，且具有十分广泛的岩溶分布，据测算，可溶岩的面积约占1/3。在岩溶地质环境下，地下动水地质灾害成为影响当地地下工程建设发展的瓶颈。显然，在地下动水治理过程中不仅需要堵水能力较好的材料，还需要科学合理的施工工艺进行堵水工程。本文结合国内相关领域的研究成果，采用纳米水泥基动水注浆材料，力求在地下工程动水治理中取得良好的封堵效果，以期对相关工程具有一定的借鉴价值。

1 试验材料

1.1 水泥

水泥基—水玻璃双液注浆材料所用的水泥采用的是PO.425普通硅酸盐水泥，其物理力学性能见表1。选用普通硅酸盐水泥是由于双液材料的凝胶时间极短，不会产生严重析水现象，同时这种水泥成本较低，具有显著的经济优势[1]。

表1 试验用水泥物理力学性能指标

1.2 高效减水剂

在当前工程领域，常用的减水剂有三聚氰胺减水剂、苯系高效减水剂等多种减水剂，但上述减水剂均有缺陷[2]。因此，本次研究拟选用JSS高效减水剂。该减水剂具有良好的减水效果，分散性好，同时掺量较低，对周边环境影响小，其性能指标见表2。

表2 自制减水剂性能指标

1.3 早强剂

试验中选用VT早强剂，是一种无机盐类早强剂，在常规条件下属于白色粉末，化学性质比较稳定[3]。

1.4 纳米材料

本次试验选用纳米二氧化硅，它是一种具有较高火山灰活性的无定形物质，具有十分强大的表面吸附力，在促进水泥水化和提升其耐久性方面具有重要作用，其基本性能见表3[4]。

表3 纳米材料基本材料

1.5 抗分散剂

抗分散剂的主要作用是不破坏水泥其他理化性能的前提下，对水泥浆液起到增粘和絮凝效果。本次研究选用QM纤维素类抗分散剂，其在常温下为白色粉末，易溶于水，分子量约为30万。

2 试验方法

在注浆材料确定后，材料配合比就成为影响注浆效果的主要影响因素。因此，在本次研究中依据相关研究成果和实际施工经验，采用正交法进行材料配合比试验[5]。本次试验中需要考虑的因素有水灰比、减水剂、早强剂、纳米材料和抗分散剂，在保证试验结果科学性与可靠性的基础上，选用正交法适当精简试验次数以缩短试验时间。

表5 正交试验结果

结合该领域相关学者的研究结论，注浆材料主要考虑因素有水灰比(A)，减水剂含量(B)，早强剂含量(C)，纳米材料含量(D)，抗分散剂含量(E)。对上述五个因素分别设置四个不同的配比水平，共得到16组试验，详见表4。

表4 基于正交法的影响因素水平设计表

3 试验结果与分析

根据正交试验设计组合，对纳米水泥基动水注浆材料的初始流速、可泵期、凝结时间及结石体的强度分别进行测试，结果见表5。

由表5的数据可知，纳米水泥浆液的初始流动速度会随着水灰比的减小而减小，同时初凝时间也有所缩短，但抗压强度有所增大，对留存率的影响并不明显；当减水剂含量增加时，初始流动速度也会有较为明显的加大，同时初凝时间延长，但对浆液的抗压强度和留存率等其他属性影响并不明显；早强剂的加入可以缩短初凝和终凝时间，明显提高24h抗压强度，对其他属性没有明显影响；纳米材料的加入可以有效提升抗压强度，同时改善不易冲散性；QM纤维素最主要的作用是提高浆液的留存率，对浆液的其余属性影响不明显。

结合试验数据和分析结果，优选出四种不同配比的纳米水泥注浆材料方案，具体结果见表6。为了表示方便，文中以方案1、方案2、方案3、方案4表示四种优化方案。

表6 注浆材料优选配合比方案

4 工程应用实践

4.1 工程背景

胜利水电站位于新宾县胜利村境内的苏子河上，是一座以发电为主，兼具防洪、养殖等综合效益的大型水利枢纽工程[6]。电站的引水隧洞进水口布置在左岸坝前，为岸塔式进水口。在引水隧洞开挖过程中，掌子面底部有小部分涌水，开挖继续进行后，地面便产生大量涌水，严重影响施工。有项目工程资料可知，该段为泥灰岩、泥质白云岩地质，由于开挖面位于地下水位以下，且围岩不稳定，急需处理涌水。在施工过程中，根据钻孔揭示的涌水情况，实施了水泥-水玻璃双液注浆，但效果不理想。因此，拟采用纳米水泥基动水注浆材料进行封堵施工。

4.2 施工方案

通过现场分析，注浆管长度过短，浆液不容易被注入，而随着注浆压力的增大，孔口连接处也容易脱落。此外，由于纳米水泥浆液凝结较快，孔口裂隙会很快被浆液封堵，不利于堵水效果的发挥。鉴于上述情况，本次注浆采用长度为2.5m的注浆管。

根据相关施工经验[7]，注浆孔的孔径选择为50mm，采用气动凿岩机进行钻进。根据前期钻孔探查结果，在钻孔上从右边墙脚、掌子面以及左边墙脚实施斜向钻孔，间距设定为1m，孔深为3m，如果钻到4m仍未出水，则停止钻孔。

钻孔完成后，对有喷水的孔进行注浆管安装，在管口和注浆管的连接处设置球阀开关。根据注浆管与孔口之间间隙和孔内水压的大小，在注浆管外缠绕一定厚度的面纱，可以起到固定和止浆的双重作用[8]。

4.3 注浆施工工艺

在动水封堵中，注浆材料的确定应该考虑如下因素：一是岩体的特性；二是水流的大小，根据上述因素对注浆的扩散范围和加固强度进行分析判断，并最终确定注浆材料。根据本次施工中强度要求高、制浆站距离较远等实际情况，确定采用方案2和方案3交替注浆。结合现场施工情况和涌水量，在注浆施工中首先使用方案3进行注浆，并根据注浆的效果使用方案2进行补充注浆。当注浆压力达到3MPa且没有降低趋势，在持续10min后即可停止注浆。

4.4 注浆效果评价

利用纳米水泥基动水注浆材料进行注浆作业后，开始从排水泄压口喷出较稀的浆液，随着注浆的持续进行，喷出的浆液逐渐变浓，且数量持续减少，直到没有浆液冒出，同时注浆孔口周围也没有明显跑浆。在浆液凝固后，进行二次钻孔监测，在钻孔深度达到4.5m时仍未见明显水流涌出，说明纳米水泥注浆对岩体裂隙涌水具有较好的封堵效果。

5 结论

岩溶地质在我国具有广泛分布，在这种地质环境下的地下工程施工极容易遭遇大量涌水，给施工造成极大困难。本文基于当前注浆工艺的优势和不足，提出了纳米水泥动水注浆材料，并得出了如下结论：

(1)研究中依据相关成果和实际施工经验，采用正交法进行材料配合比试验，对不同的水灰比、减水剂含量、早强剂含量、纳米材料含量、抗分散剂含量等五个因素对浆液性能的影响进行研究分析。

(2)根据正交法试验结果，提出了四种纳米水泥注浆材料优选配合比方案。

(3)工程施工结果显示，纳米水泥注浆对岩体裂隙涌水具有较好的封堵效果。

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