中交第四航务工程勘察设计院有限公司 广州 510230
摘要：本文主要介绍改性水泥浆液与丙烯酸盐浆液在坝基帷幕补强灌浆中的应用，涉及到浆液的配合比、灌浆施工工艺、以及某大型坝基地质条件下灌浆存在的问题等，对类似灌浆工程中具有一定的参考意义。
关键词：改性水泥；灌浆；配合比；地质条件
0 引言
我国在上世纪50年代后随着注浆技术的发展，注浆材料才兴起研究，基本上以硅酸钠为注浆材料。随着国家工程建设的发展以及化学工业的产生，水泥硅酸钠等双液注浆材料开始出现[1]。上世纪80年代，我国注浆材料也获得了较大的突破，尤其在种类与性能上，例如超细水泥、酸性硅酸钠、丙烯酸盐等。三峡工程建设中，超细水泥作为注浆材料大量在断层破碎带、帷幕防渗以及裂隙中使用[2]。
该大坝主要建筑物包括：南干渠首电站、泄洪闸、隔墩坝段、河床电站、北干渠首电站和土石副坝。坝顶高程1242.6m，坝顶长度860.24m，河床电站坝段坝顶宽18.15m。河床电站最大坝高36.8m，泄洪闸坝段最大坝高28.4m。补强灌浆区域为泄洪闸及南干电站坝段的坝基帷幕。该段遇水易崩解的软岩、强透水的砂岩及混凝土与基岩接触层为补强灌浆处理的主要地层，根据该段工程地质及水文条件及灌浆要求，综合使用了改性水泥浆液及化学浆液来灌浆处理不良地质条件，达到防渗补强的作用。
该文的改性水泥浆液主要以水泥为基本材料，加入适量的膨润土及其他外加剂所组成的干混材料，加水搅拌后具有大流动度、早强、分散均匀稳定等性能。膨润土在改性水泥浆液中起到稳定分散的作用，膨润土在水泥浆液中高度分散并搭接成网络结构，形成该网络结构需要浆液中的大量自由水，因此浆液中大量自由水变成网络结构中的束缚水，因而形成了凝胶，该凝胶为非牛顿型且具有触变性。膨润土的掺加，浆液粘度上升，保水性能提高，触变性能变好[3]。丙烯酸盐化学灌浆材料具有粘度低、可灌入细微裂缝、凝胶时间可控、渗透系数较低、固砂体抗压强度较大等特点[4]。该文主要浅述改性水泥浆液和丙烯酸盐浆液两者同时在坝基帷幕补强工程中的综合应用。
1 坝基工程地质及水文地质条件
1.1 地层岩性及构造
此次坝基帷幕补强区域地层主要有石炭系中统靖远组（C2j）砂岩、泥质灰岩、炭质页岩等。自上而下分述如下：①灰质泥岩：泥质结构，薄层状构造，岩性软弱，层面倾角40～50°，岩体具遇水易软化，失水易崩解特征。②砂岩：粗粒结构，层状构造，岩质坚硬，节理裂隙发育，多闭合，少量张开，张开宽度最大约3mm，节理面平直光滑，倾角80～85°。③泥质灰岩：泥质结构，薄层状构造，岩体较破碎，节理裂隙发育，多闭合，节理面平直光滑，倾角80～85°。④砂质泥岩：泥质结构，层状构造，岩体较完整。节理裂隙较发育，多闭合，节理面平直光滑，倾角80～85°。从岩芯完整程度来看，砂岩段岩体内节理裂隙非常发育，多为陡倾角裂隙，倾角75～85°。岩层总体倾向右岸，倾角45°左右。
1.2 水文地质
坝址区地下水类型主要为基岩裂隙水，主要赋存于坝址区石炭系地层中。粉砂质泥岩、砂岩的裂隙中发育的石膏和铁明矾的集中条带，极易受渗透水溶蚀形成有害的腐蚀性水，试验段地下水中硫酸根离子含量高，地下水对混凝土具结晶性侵蚀性，坝区地下水呈酸性。通过钻孔压水试验显示坝区砼与基岩接触面透水率q=2.6～63.0Lu，大部分具中等透水性；砂岩层内透水性中等，q=1.2～53.7Lu；灰质泥岩岩体内透水率q=0.7～9.7Lu，属于弱透水带。
2 灌浆难点
2.1 岩体透水性改善问题
本次灌浆范围内坝基下伏石炭系中统靖远祖（C2j）灰质泥岩、泥岩、砂岩（粗粒）、泥质灰岩、砂质泥岩等，岩性变化较大、软硬不一，岩体透水性差异较大。其中，砂岩（粗粒）岩体内节理裂隙非常发育，多为陡倾角裂隙，涌水现象普遍存在，灌浆过程中出现吸水不吸浆、浆液回浓及灌浆后涌水反复出现等给补强灌浆施工大大地增加了难度。
岩体透水性的改善须通过改善浆材的流动性能、与地层裂隙的可灌适应性，本次补强灌浆施工只有通过研究改性水泥稳定浆液和丙烯酸盐化学浆材和专门的施工方法、工艺参数解决地层可灌性较差的难题，才能形成有效灌注，形成防渗帷幕，方能达到目的。
2.2 坝后扬压力过高的问题
从试验钻孔揭露的地层涌水和原有的扬压力观测孔数据，坝体内扬压力一般达到0.1～0.15MPa，最高达到0.198MPa。坝基内砂岩层以45°左右角度向山体内延伸，目前补强帷幕设置的范围虽能切断其直接的透水通道，但不能封闭较深层的砂岩绕渗途径，由于砂岩透水性较强，地下水通过深层砂岩仍然可达到坝体砂岩与砼接触面，仍会致使坝后扬压力过高，需设计丙烯酸盐化学灌浆来解决深层砂岩的绕渗问题及坝后扬压力过高的问题。
2.3 地下水的渗透与腐蚀性
依据原有地质资料，粉砂质泥岩、砂岩的裂隙中发育的石膏和铁明矾的集中条带，极易受渗透水溶蚀形成有害的腐蚀性水，已有的地下水水质分析报告资料显示，灌浆区地下水中硫酸根离子含量高，对混凝土具结晶性侵蚀性。本次补强灌浆施工揭露的坝基岩体透水较强烈和存在涌水部位主要为砂岩、软岩与砂岩、粉砂岩界面、砼与基岩接触面，帷幕灌浆材料采用高抗硫酸盐水泥和膨润土为主要材料，主要目的是解决地下水的渗透和侵蚀问题。但由于改性水泥稳定浆液对微细裂隙的可灌入性有限，灌浆帷幕防渗功能（有效性、耐久性）将会受限。综合考虑，选用了对环境污染较小的丙烯酸盐做为化学灌浆材料进行微细裂隙的防渗补漏灌浆。
3 灌浆技术要求及施工工艺
3.1 主要技术要求
1）钻孔：①将钻机移至设计的孔位上，按照要求进行机架、机座校正，配备良好钻具，并用校正钻孔开孔角度。施工廊道内空间狭窄，采取人工撬移的方式移动钻机，钻机固定采用膨胀螺杆固定。②清水回转钻进，开孔φ91mm；终孔孔径不小于φ56mm，终孔孔深按照设计孔深，结合终段岩体的透水率、岩性确定。③各孔段钻进时均须详细填写钻探班报表，记录孔号、孔位、顶角、孔深、孔径、钻进时间、回水颜色、大小、钻速、特殊情况（含掉钻、卡钻等）等。先导孔和抬动观测孔均采用双管单动取心管取心，并进行编录装箱，记录岩层分层厚度、岩性描述等。④岩心采取率达需到90%以上。取芯的回次进尺长度控制在2m以内，一旦发现芯样卡钻或被磨损，应立即取出。对于软岩遇水软化显著的岩层，钻孔应采用干钻法取芯施工，中硬岩区段采用水钻钻孔施工。
⑤对于垂直孔或顶角小于5°的灌浆孔，孔底偏差不得大于表3.1-1中相应值；对于顶角大于5°的灌浆孔，孔底偏差可适当放宽，但方位角不应大于5°。
表3.1-1 灌浆孔孔底允许偏差表 单位：m
2）孔口管埋设：钻孔揭穿混凝土进入基岩2m后，先采用阻塞器封闭，对基岩接触段按要求进行灌浆，灌浆结束后，注入0.5：1浓水泥浆，下入孔口管，待凝48小时，确认孔口管镶嵌牢固后，方可继续施工以下段。
3）压水试验：各灌浆段在灌浆前采用压力水进行裂隙冲洗，冲洗压力不超过灌浆压力的80%，并小于1Mpa，冲洗至回水较清。简易压水试验压力采用灌段灌浆压力的80%。当计算压力值超过1MPa时，采用1MPa。压水时间20min，每5min测读一次压入流量，取最后的流量值作为计算流量，其成果以透水率q（Lu）表示[5]。透水率计算式如下：
q= Q/（P•L）
式中：q：试段的透水率（Lu）；
Q：最终稳定流量（L/ min）；
P：试验压力（MPa）；
L：试段长度（m）。
3.2 灌浆施工工艺
1）该项目所有灌浆孔分为Ⅲ个序列，每个孔间距2.0m，同序列相邻孔间距6.0m，施工流程：施工准备→抬动孔施工（钻孔→涌水灌浆止水→扫孔→抬动装置安装）→先导孔施工→Ⅰ序孔施工→Ⅱ序孔施工→Ⅲ序孔施工……。
2）灌浆试验施工方法：水泥浆液、稳定浆液采用“孔口封闭、自上而下分段、孔内循环”的灌浆方法进行灌浆。对于丙烯酸盐灌浆材料，采用“自上而下、分段阻塞”纯压式灌浆方法进行灌浆。对于软弱岩层段，采用专用加长灌浆水压阻塞装置，将栓塞下入到灌浆段的上方0.5～1m处，先进行止水试验，后进行灌浆。对于试验孔，主要采用稳定浆液进行灌浆处理。对于大渗漏量的特殊孔段，注入率较大时，采用低流动性稳定浆液灌注，并保证浆液扩散半径范围内裂隙的有效充填，达到有效形成防渗帷幕的目的。当灌段内出现吸水不进浆、浆液回浓时，改用相同比级浆液灌注，若继续出现回浓，则进行扫孔后采用丙烯酸盐灌浆材料进行灌浆。通过钻孔各灌段简易压水试验确定透水率，通过透水率确定灌浆材料的选取，改性水泥及化学浆液灌浆材料选取要求：
①若透水率大于3Lu，采用改性水泥灌浆。
②若透水率小于3Lu，直接采用丙烯酸盐灌浆材料进行灌浆。
3）灌浆分段及灌浆压力如表3.2-1所示，具体根据灌浆过程中各种特殊情况调整确定。
表3.2-1 不同注浆段设计注浆压力
4）结束标准
水泥浆液、改性水泥稳定浆液灌注在规定压力下，不大于0.4L/min时，继续灌注60min，或不大于1L/min时，继续灌注90min，灌浆可结束。化学浆液在规定压力下，注入率不大于0.02L/（min•m）时，继续灌注达到胶凝时间，灌浆结束。
4 灌浆材料及配比
通过室内配合比试验和已进行灌浆试验成果，针对该坝基的水文地质条件，选择各种材料浆液配合比如下：
1）帷幕采用稳定浆液、水泥浆液灌注，配合比依据地层和涌水情况选择。
（1）对于软岩段或无涌水段，采用改性水泥稳定浆液灌注。配合比：水泥：膨润土：水：减水剂：早强剂=1：0.43：6.80：0.005：0.0002。
（2）对于砂岩段或涌水段，采用改性水泥稳定浆液灌注。配合比：水泥：膨润土：水：减水剂：早强剂=1：0.85：10.60：0.005：0.0002。
（3）混凝土与基岩接触段：纯水泥浆液开灌，开灌水灰比为5：1，依次逐级变浓为3：1、2：1、1：1、0.8：1、0.5：1。
2）帷幕灌浆采用丙烯酸盐灌浆材料灌注时，配合比为：丙烯酸盐灌浆材料缓凝剂先配制成质量分数为10%的水溶液。以水溶液方式，按表4-1中配合比，加入到B液中，搅拌均匀。在施工时按A、B液体积比1：1混合进行灌浆。
表4-1 丙烯酸盐灌浆材料浆液配合比
以上改性水泥浆液及化学浆液各配合比只针对该项目，如果有相似项目需借鉴，建议进行室内试验后再选用合适的配合比。
5 不同地层中涌水情况与单位注入量分析
1）砂岩：大部分砂岩钻孔揭露后均有涌水，透水率大于3Lu占90%以上，单位注入量多在60～330L/m之间。其中单位注入量大于150L/m和透水率大于5Lu的灌浆段，主要集中在表部灌浆段。采用改性水泥稳定浆液对砂岩灌浆可灌性较好，基本可以解决砂岩的涌水问题，待凝扫孔后，孔内有少量涌水出现，说明采用改性水泥稳定浆液在砂岩中可灌性受限，扩散半径相对较小，采用可灌性好的丙烯酸盐灌浆材料，对砂岩段继续渗透灌浆，可保证帷幕防渗效果。
表5-1 砂岩透水及灌浆情况统计表
2）软岩：各种软岩透水率均较低，大部分灌浆段没有涌水或涌水量较小，但不同性质的软岩可灌性相差很大，可灌性与透水率没有明显关系，灌浆机理主要以劈裂为主，渗透为辅。其中砂质泥岩和泥岩可灌性较差，单位注入量在100L/m以内。钻孔中有三段为灰质泥岩，单位注入量分别达到487.5L/m（两次合计）、407.8L/m、840.3L/m，说明改性水泥稳定浆液在软化的灰质泥岩内可灌性较好。在上述三段灌浆过程中，抬动观测仪中监测到明显的抬动变形，通过待凝、降低灌浆压力，减少注入率，有效地控制了抬动继续上升。同时，可以推测对于灰质泥岩或其它软岩进行化学灌浆时，过大的灌浆压力将导致地层反复劈裂，因此在软岩段进行化学灌浆时，最大灌浆压力降低到0.8MPa为宜。因此适宜的施工工艺可以解决可灌性较差的软岩地层，提高软岩层的强度。
表5-2 软岩透水及灌浆情况统计表
3）混合地层：单位注入量大于150L/m的孔段，主要集中于混凝土与砂岩接触面、砂岩与泥岩接触面的灌浆孔段。表明改性水泥稳定浆液对上述界面具有较好的可灌性。同时，改性水泥稳定浆液对于砂质泥岩+砂岩、砂质泥岩+混凝土、砂岩+泥质灰岩接触面的灌入量有限，可灌性较差。例如：在包含有砂岩与泥质灰岩接触面的灌浆段，透水率达到45.5Lu，是目前钻孔揭露透水性最强、涌水量最大的一段，在压水试验中最大试验压力仅0.2MPa。在灌浆过程中，先采用改性水泥稳定浆液进行灌浆，浆液注入率快速降到1L/min以内，灌入浆量很少。灌浆结束后扫孔至原孔深位置，继续出现涌水，涌水流量为仍达到25L/min、涌水压力0.16MPa，灌前简易压水试验压力0.6～0.7MPa时，压入流量为35L/min，表明改性水泥稳定浆液对此类岩性介质灌浆虽有一定的效果，但没能彻底解决渗透涌水问题。之后，采用纯膨润土浆液试灌，试验无机灌浆材料在此种地层的可能性，但灌入浆量仍然很少。说明在此类地层，采用无机灌浆材料进行渗透灌浆，可灌性不理想，难以满足防渗要求，此时进行丙烯酸盐化学灌浆进行防渗灌浆处理，能确保防渗要求。
表5-3 不同地层接触面涌 况汇总表
6 化学灌浆施工效果分析
对于Z-I-26孔中7.4～12.8m灌段，在采用改性水泥稳定浆液和膨润土浆液难以灌入，防渗效果不好的情况之下，采用丙烯酸盐化学灌浆。
考虑到Z-I-26孔中7.4～12.8m灌段的地下水PH接近5，采用改性水泥稳定浆液灌后，涌水流量为25L/min。采用序号1配比丙烯酸盐材料进行灌浆，纯灌时间约70min后，灌浆压力上升到1MPa左右。达到结束时，灌浆时长约2小时，累计灌入丙烯酸盐浆液347.1kg。在4小时后扫孔至原孔深，在12m处仍有少量水流。这可能是由于灌浆段长过长，涌水量过大所造成。灌浆结束后12小时测试C01、C02水位，C01水位从-6.71m下降到-7.10m，C02水位从-6.39m下降到-6.60m，两者均有一定程度下降。
从化学灌浆试验可知，丙烯酸盐灌浆材料能在改性水泥稳定浆液无法灌入的地层中较好的灌入，可通过调节材料胶凝时间，达到控制浆液扩散半径，并保证灌浆效果。同时也可看出，在遇到大的涌水地段，在丙烯酸盐灌浆材料灌浆之前，应采用改性水泥稳定浆液先进行预充填灌浆，封堵宽大的裂隙，降低灌浆段的涌水流量和压力，同时减少丙烯酸盐灌浆材料的注入量。在改性水泥稳定浆液灌浆之后，再采用丙烯酸盐材料对细微裂缝进行封堵，既可达到较好的防渗效果，降低了因透水坝基后扬压力，又能增加幕体的耐久性，丙烯酸盐灌浆材料成本高于改性水泥灌浆材料，两者灌浆材料的综合合理使用，降低了工程成本，具有良好的经济效益。
7 结论
探索了改性水泥稳定浆液在不同地层的可灌性和灌浆止水有效性，现有数据证明采用改性水泥稳定浆液在混凝土+基岩、砂岩+泥岩、泥岩、砂岩（孔深小于7.8m）的单位注入量较大，并有一定的止水和补强效果，而在其它岩性地层中，可灌性较差，防渗效果不好时，采取化学灌浆材料解决了可灌性较差地层的防渗问题，同时也解决了坝基渗水扬压力过高的问题。初步试验了化学灌浆，了解到丙烯酸盐灌浆材料能在改性水泥稳定浆液无法灌入的地层中较好的灌入，可通过调节材料胶凝时间，达到控制浆液扩散半径，并保证灌浆效果，对化学灌浆材料的胶凝时间和扩散半径的关系有了一定了解。同时确信合理的施工工艺是灌浆成功与否的基本保障。
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[5] 水工建筑物水泥灌浆施工技术规范.DLT 5148-2012.
作者简介：
1.袁俊航（1990-）、男、汉、湖南祁阳、助理工程师、硕士、地质工程.2.何笑明（1990-）、女、汉、广东广州、助理工程师、学士、地质工程.
论文作者:袁俊航1,何笑明2
论文发表刊物:《基层建设》2018年第35期
论文发表时间:2019/3/12
标签：浆液论文; 砂岩论文; 水泥论文; 丙烯酸论文; 泥岩论文; 透水论文; 材料论文; 《基层建设》2018年第35期论文;