大坝含泥软弱基础复合灌浆的几点体会

叶林宏

(广州科化新材料技术有限公司，广东广州，510000)

作者简介: 叶林宏(1942—)，男，四川荣县人，研究员，主要从事化学材料开发和应用研究。

【摘 要】 本文通过总结笔者对多个大坝含泥软弱地基进行复合灌浆取得的成功经验，阐述了对化灌浆材的合理要求与因地制宜采取相应的施灌工艺措施的必要性。

【关键词】 复合灌浆; 体会

1 前言

1987年，青海龙羊峡电站大坝基础采用“水泥－高渗透环氧中化－798化灌浆材”处理含泥软弱的G4劈理带大规模施工取得成功，在世界上开创了用“水泥－化灌浆材复合灌浆方法”取代传统的开挖回填方法处理大坝含泥软基的成功先例，不仅得到了现场参观的国际大坝会议专家的赞誉，还被载入1993年《中国水力发电年鉴》。现已过去27年，中间经历了塘格木6.3级地震的考验，蓄水实现了库容满负荷设计要求，经日常监测显示，大坝基础稳定安全运行。27年中，“水泥－化灌浆材复合灌浆技术”已在多个大坝应用，处理含泥软弱基础的加固和帷幕灌浆。其所用的改性环氧浆材性能在不断改进创新中提高，其使用的施灌工艺也能结合不同地质条件的实际情况有针对性地改进与创新; 正因为在这27年间环氧浆材与施灌工艺两个方面的创新，从而使多个不同地质情况的软弱坝基运用“水泥－化灌浆材复合灌浆技术”进行加固取得了成功。在此，笔者将这27年来在这类工程中对环氧浆材的认识与研究以及如何针对不同地质情况改进施灌工艺的几点体会写出来，抛砖引玉，与各位同行共同探讨，以利于促进水泥－化灌浆材复合灌浆技术的发展。

2 水泥－化灌浆材复合灌浆加固大坝低渗性软基取得成功的前提是灌好水泥浆

2．1 水泥灌浆的目的是改善被灌地层的地质不均一性

大坝软弱基础被灌地层均存在地质不均一性，即使被处理的软弱岩层，如锦屏一级电站大坝基础的煌斑岩，块状岩体自身渗透系数极低，均为10－6～10－8cm/s，但地层存在许多裂缝和孔隙将其分割，形成许多渗流通道。这种状况在含泥断层破碎带尤为显著，这些渗流通道先灌水泥浆进行充填固结，才能避免低粘度的渗透性环氧化灌浆液顺这些通道流走，才能发挥渗透作用往软弱岩体或泥层里渗透，固化后发挥加固作用。所以，第一步的水泥灌浆能否灌好、实现渗流通道的有效充填与封闭，能否显著改善地层的地质不均一性，是保证第二步化灌成败的关键。

2．2 水泥灌浆后的吸水率要达到1Lu左右为高渗透环氧浆材化灌的最佳条件

按施工程序，首先要对整个被处理地层进行水泥灌浆。灌浆时，通常以不引起地层产生有害抬动为前提，尽量达到设计压力进行灌浆，但从灌后压水检测情况看，有些观察检测孔可以达到1Lu以下，有的在3～4Lu，平均值可能达到2～3Lu。这种状况表明，虽然整个被灌地层经水泥灌浆后大的裂缝通道已被充填，地质不均一性有较大改善，但由于水泥浆粘度大，扩散范围有限，局部的渗流通道还有些未被充填，尚未达到适合化灌的条件。如大岗山电站大坝基础β88岩脉，被处理的整个地层经水泥灌浆后检测，平均吸水率为3Lu，化灌实验孔第一段灌浆就起不了好效果，压进浆200L后停灌，发现相距17m远的正在钻孔的孔内有化灌浆液出现，这种串浆现象说明该灌浆地层局部还存在较大的渗透通道。第一次水泥灌浆未充填好，其解决办法是进行了第二次水泥灌浆，灌后使吸水率降到了1Lu以下，从而保证了化灌正常进行。所以，以后每段化灌前做简易压水试验，吸水率在1.2Lu以上的都在该段重新灌水泥，灌后都能降到1Lu以下，再进行化灌时就未出现过串浆现象，确保了化灌正常进行，使高渗透的“中化－798－Ⅲ改性环氧浆液”在β88岩脉中十几公分厚的泥层中充分渗透，从而使波速提高到4500m/s以上，超过设计要求。

通过水泥灌浆及第二次补灌水泥浆使每一化灌段灌前压水的吸水率达到1Lu左右是确保化灌成功的前提条件，这一体会是经历了龙羊峡G4劈理带的施工性试验、1991年河南故县大坝帷幕灌浆施工工程以及云南小湾水垫塘水泥－化灌现场试验所总结出来的。2011年在大岗山现场试验中再次得到了验证。

3 针对遇水易崩解的断层泥地层，化灌前做简易压水时应以压浆替代传统的压水方法测吸水率

水泥灌浆后在化灌前需对该化灌段进行简易的压水试验测吸水率，其目的是确定化灌的合适压力，但对遇水易崩解的断层泥地层，前面水泥灌浆和钻化灌孔时水对泥层已有不良影响，如再对每一化灌段灌前反复压水，势必引起断层泥崩解，使断层泥变成稀泥层，大大增加化灌时浆液渗入泥层的难度。1991年河南故县水电站大坝对F32断层进行帷幕灌浆时先进行水泥灌浆，因反复压水，已使F32断层变成了稀泥潭，不得不暂停灌浆，大岗山电站大坝基础β88Ⅳ类岩泥层厚度十几厘米，原岩泥层样放入水杯后5min即崩解，10min即在杯底成稀泥层，如采取传统的简易压水方法测吸水率，将大大增加化灌难度，后来笔者提出以压浆替代压水确定灌浆压力的方案，可完全避免压水造成泥层崩解，压浆测得的吸浆率确定化灌压力更切合实际，且压进去的浆可视为有效灌注。这一方案取得设计方、业主方和监理同意后实施，保证了化灌的顺利进行并取得了各方满意效果。

4 现场准备一组初凝时间快慢不一而力学性能相近的化灌浆材辩证施灌，可有效提高化灌成功率

尽管通过对整个化灌区域进行水泥灌浆和有些孔段进行了补充水泥灌浆，地质的不均一性大有改善，但水泥灌浆对较细的裂缝难于灌入且扩散范围有限，所以灌段周围地层依然存在一些裂缝和孔隙，若开灌时低压即进浆量大时使用初凝时间短的浆液先灌入充填，可使浆液不致扩散太远，更能有利于后面初凝时间长的浆液往难进的泥层渗透。当化灌压力已达到设计压力而进浆量小于5m L时，再换成初凝时间短的浆液灌至结束，这有利于快浆护壁，对钻孔易卡钻的地段十分有效，并缩短扫孔待凝时间。河南故县水电大坝帷幕灌浆时，F32断层钻孔时易卡钻，断层泥遇水易崩解。经水泥灌浆过程F32断层局部已变成稀泥潭。7m长的钻杆掉下去如泥牛入海，捞不上来，不得不暂停灌浆。后来化灌时准备了一组初凝时间快慢不一的“中化－798高渗透改性环氧浆液”按上述方案辩证施灌取得成功，还获得了1994年水电部三等奖。

5 化灌前先灌丙酮开路，是一种浪费且对化灌效果不利的被淘汰的工艺措施

这项措施是80年前安徽陈村电站大坝用“中化－798浆材”第一次做现场试验时由笔者提出的，当时的想法是想避免浆材直接接触地层中的水，帮助提高浆材的渗透性。到1987年在龙羊峡经过现场试验成功后进行100m施工性试验时，觉得此方法不妥。因为室内研究结果和陈村、二滩、龙羊峡三地的现场试验证明，浆材具有局部的亲水和整体的排水性且渗透性优异，能灌入断层泥中，并没有必要先灌丙酮开路。再从大规模施工角度看，整个灌区面积大，是分排、分行按序施工，一般是前面一序孔自上而下化灌三段后，下一序孔开始第一段化灌，因此，对Ⅰ序孔先灌入的丙酮充填占位反而对后面化灌浆液的灌入不利，尤其是对Ⅲ序孔不利，因此，当时以中科院广化所的名义致函水电四局和西北院，要求取消灌前先灌丙酮的工序。这对龙羊峡大规模施工取得成功是有益的。这点体会曾在全国灌浆学术会上和文章中表述过，但后来还是见到有些大坝基础灌浆中继续使用，笔者认为还是取消为好。

以上是笔者从事化灌三十多年来对水泥－化灌复合灌浆在施灌工艺方面的几点体会。另外，对于浆材的研究也有一点体会与大家共同探讨。

6 片面追求降低浆液粘度和片面追求延长可操作时间是研发方面的误区

第一个误区是试图通过实现尽可能低的粘度来提高浆液的渗透性，但无论如何都难以将环氧类浆液降到水的粘度1mm Pa·s。这种方式往往是以牺牲浆液的力学性能为代价，大量增加稀释剂的做法，即使达到了1mm Pa·s的粘度，其渗透性也未必能达到渗入泥层的能力。某浆液的粘度比水还低，却不能灌入泥层中，所以粘度不是重要的因素。而影响浆液渗透性的重要因素是浆液与被灌岩土的接触角，以及浆液与岩土间的界面张力，接触角越小越有利于渗透，从浆液与被灌介质岩土的亲和力F=Rcosθ来看，接触角越小，亲和力越大，当F浆＞F水时，浆液才能将泥层孔隙中的水置换而进入泥层中，油井中注水驱油也是这个原理。而这两者都是靠添加表面活性剂以降低接触角来实现的。

第二个误区是试图尽量长时间保持浆液的低粘度(即尽量长的可操作时间)来保持浆液的渗透性。这是一个美好的愿望，但前提是浆液自身渗透性能要好，能渗入泥层才行，即浆液与被灌岩土的亲和力F浆要大于岩土中的孔隙水对岩土的亲和力F水，F浆＞F水是浆液能渗入被灌岩土的充分必要条件。如果不能渗入泥层的低粘度浆液，时间再长，压力加大也不能渗入泥层中。这好比水在荷叶上，时间再长也无法渗入一样的道理。对于能渗入泥层的浆液而言，可操作时间适当延长对渗透是有利的，但完全没有必要片面地追求过长的可操作时间。以龙羊峡所用的第一代“中化－798浆材”为例，其初始粘度约5～7mm Pa·s，在25℃时，5个多钟头已升至100mm Pa·s，但其渗透性依然符合F浆＞F水。所以依然能渗入龙羊峡G4劈理带的泥层中。对大岗山β88Ⅳ类岩的化灌因为含有十几厘米的泥层，现场试验我们准备了三种浆材，可操作时间分别为20h、12h、6h内粘度小于100mm Pa·s的三种浆材。但我们仅用可操作时间12h与6h两种浆材也取得了成功。这是因为对于能渗入泥层的浆材而言，加压能加速它的渗透。反过来说，就是加压大大缩短了浆液在泥层中渗透时间。从泥层的渗透系数来看，K=10－6～10－8cm/s，也就是说在无压状态下浆液渗入泥层深度1cm需要十万秒至千万秒的时间。假如按最少的10万秒计，渗入1cm深则需11.57d。显然靠自然渗透再长的可操作时间都渗透不了十几厘米的泥层，实践证明: 对可以渗入泥层的浆液，无须去片面追求过长的可操作时间，加压灌浆是解决可渗入泥层浆液加速渗透的有效途径。当然对不能渗入泥层的浆液，加压也不能渗入，再加大压力只会使泥层产生劈裂或脉状充填，不能渗入使土质变岩质。

参考文献

［1］叶林宏，何泳生，冼安如，任克昌.论化灌浆液与被灌岩土的相互作用［J］.岩土工程学报，1994，(6):47－55.

［2］何泳生，冼安如，张光照，叶林宏.高渗透环氧系列化灌材料YOS浆材的研究［J］.高分子材料与工程. 1993，(5): 139－143.

［3］叶林宏.不断创新的三代中化－798高渗透改性环氧化灌浆材及在工程中的应用［J］.科研成果管理与研究.2011，(5): 90－94.

［4］叶林宏，苏长林.大岗山电站大坝基础V类岩化灌加固处理现场试验及几点体会［C］.全国化学灌浆技术交流会论文集.2012.