丹江口大壩水泥灌漿帷幕耐久性研究

李曉鄂，李 珍

（長江科學(xué)院a.材料與結(jié)構(gòu)所；b.水利部水工程安全與病害防治工程技術(shù)研究中心；c.國家大壩安全工程技術(shù)研究中心，武漢 430010）

丹江口大壩水泥灌漿帷幕耐久性研究

李曉鄂a，b，c，李 珍a，b，c

（長江科學(xué)院a.材料與結(jié)構(gòu)所；b.水利部水工程安全與病害防治工程技術(shù)研究中心；c.國家大壩安全工程技術(shù)研究中心，武漢 430010）

為了解丹江口大壩初期工程河床壩段防滲帷幕的耐久性，對后期補強灌漿提出建議，采用理化分析及滲透試驗等方法對帷幕中的水泥結(jié)石進行了相關(guān)試驗研究。結(jié)果表明：多數(shù)檢查孔芯樣中的水泥結(jié)石水化產(chǎn)物結(jié)構(gòu)較致密，礦物成分和化學(xué)成分未見明顯異常；膠結(jié)較好的水泥結(jié)石芯樣抗?jié)B性能較好，滲漏溶蝕出的CaO少，且隨著滲透時間延長，CaO的溶蝕速率減緩；對于水泥結(jié)石致密的帷幕，估算的防滲有效年限為100年以上，說明水泥灌漿帷幕抗溶蝕耐久性較好；個別壩段的水泥結(jié)石存在較明顯的CaO溶出現(xiàn)象，需進行補強灌漿處理。

丹江口大壩；水泥灌漿帷幕；耐久性

1 概 述

丹江口水利樞紐初期工程正常蓄水位157.0 m，壩頂高程162.0 m，大壩加高后的正常蓄水位170.0 m，校核洪水位174.4 m，壩頂高程176.6 m，加高后正常蓄水位較初期將抬高13 m。大壩加高工程擋水建筑物由河床及兩側(cè)岸坡混凝土壩和兩岸土石壩組成，總長3 446 m。混凝土壩段均設(shè)有基礎(chǔ)灌漿廊道，初期工程中對右5＃、右6＃及3＃至32＃壩段全部進行了防滲帷幕灌漿處理。其中右5＃、右6＃、3＃、8＃、12＃及13＃等壩段設(shè)一排主孔，其余壩段設(shè)主、副兩排帷幕灌漿孔。對細微裂隙發(fā)育的9＃至10＃、14＃至16＃、21＃至28＃壩段，還在兩排灌漿孔之間增設(shè)了加強排，一般采用普通水泥漿灌注，加強排采用磨細水泥及丙凝漿液灌注。河床壩段壩基防滲帷幕建成后已運行近40年，大壩加高后其運行條件發(fā)生變化，上游水頭更高，原防滲帷幕能否滿足加高后的防滲要求，帷幕的耐久性如何，成為丹江口大壩加高工程備受關(guān)注的問題，為此開展了帷幕防滲效果和耐久性現(xiàn)場檢測及室內(nèi)試驗研究。室內(nèi)試驗樣品為現(xiàn)場鉆孔取芯所得，芯樣直徑為91 mm，芯樣上可見基巖裂縫中充填有水泥結(jié)石。

本文根據(jù)水泥結(jié)石的化學(xué)成分、礦物成分和微觀結(jié)構(gòu)、芯樣抗?jié)B性能、結(jié)石抗溶蝕耐久性等試驗結(jié)

2 試驗方法

2.1 化學(xué)成分和礦物組成分析

將芯樣中的水泥結(jié)石研磨制備成通過0.08 mm篩的粉狀樣品，分別取樣分析其化學(xué)成分和水化產(chǎn)物的礦物組成，化學(xué)成分分析采用X射線熒光光譜儀測試，礦物組成分析采用X射線衍射儀測試。

2.2 微觀結(jié)構(gòu)

從芯樣中取出灌漿水泥結(jié)石，將結(jié)石切割成滿足電鏡試樣臺要求的大小，對試樣表面進行噴涂導(dǎo)電層處理后，采用掃描電子顯微鏡對其微觀結(jié)構(gòu)進行觀測分析，通過其顯微結(jié)構(gòu)形貌了解水泥水化產(chǎn)物的狀態(tài)。

2.3 抗?jié)B性能和溶蝕耐久性試驗

為了解灌漿水泥結(jié)石的防滲效果，用作抗?jié)B試驗的芯樣裂縫應(yīng)貫穿兩端并被水泥結(jié)石膠結(jié)。選取滿足要求的芯樣將兩端鋸平，放入上口直徑175 mm，下口直徑185mm，高150mm的試模中，在芯樣周圍澆筑混凝土，澆筑高度與芯樣長度平齊，制成抗?jié)B試驗試件，待制好的試件在標準養(yǎng)護室養(yǎng)護14 d后，按SL352－2006《水工混凝土試驗規(guī)程》進行抗?jié)B試驗。在抗?jié)B試驗基礎(chǔ)上，選取部分芯樣進行滲透溶蝕試驗，測試在模擬水頭（60 m）作用下含水泥結(jié)石芯樣的滲水量和CaO溶出量隨時間的變化。

3 結(jié)果與討論

3.1 化學(xué)成分分析

從含有水泥結(jié)石的芯樣中選取6組芯樣取其裂縫中的水泥結(jié)石進行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1。

從表1可以看出，除J32樣品外，其余樣品主要化學(xué)成分含量差異不大，均為氧化鈣（CaO）、二氧化硅（SiO2）、三氧化二鋁（Al2O3）及三氧化二鐵（Fe2O3），CaO／SiO2在1.6～2.6之間，而從燒失量結(jié)果來看，水泥水化產(chǎn)物比較穩(wěn)定。

J32樣品中CaO含量減少很多，SiO2含量較高，CaO／SiO2僅為0.3，且燒失量也較小。主要原因為31＃壩段壩基存在F609斷層，初期工程未進行丙凝灌漿，可能存在滲漏，水泥結(jié)石被滲水逐漸侵蝕，CaCO3和Ca（OH）2變成可溶的重碳酸鈣Ca（HCO3）2和CaSO4，使CaO不斷溶出，而水泥水化產(chǎn)物水化硅酸鈣凝膠需要在一定的Ca（OH）2濃度下才能保持穩(wěn)定，隨著溶蝕的不斷進行，最終會引起水化硅酸鈣凝膠分解。因此，可見J32所在處的灌漿水泥結(jié)石存在滲漏溶蝕現(xiàn)象，會影響灌漿防滲帷幕的防滲效果。此結(jié)果與壩基滲流量監(jiān)測成果分析資料給出的31＃壩段滲流量占防滲板基礎(chǔ)灌漿廊道總滲流量的比例增大相一致。

3.2 礦物組成分析

上述6組芯樣中的水泥結(jié)石X－射線衍射分析結(jié)果見表2。的相應(yīng)分解，使水泥結(jié)石的結(jié)構(gòu)向疏松多孔結(jié)構(gòu)發(fā)展，將降低灌漿帷幕的防滲效果。

表1 水泥結(jié)石化學(xué)成分分析結(jié)果Table 1 Chem ical constituents of cement stones

表2 水泥結(jié)石礦物組成Table 2 M ineral constituents of cement stones

3.4 抗?jié)B性能

J28和J29兩個檢查孔芯樣的抗?jié)B試驗結(jié)果見表3。J28為基巖裂隙灌漿的樣品，J29為封孔水泥與基巖膠結(jié)的樣品。

從表2可以看出，各芯樣水泥結(jié)石都含有主要水化產(chǎn)物水化硅酸鈣和氫氧化鈣，但J32結(jié)石中這2種水化產(chǎn)物含量較其它樣品低，特別是氫氧化鈣含量很少，結(jié)合以上化學(xué)分析結(jié)果，可見由于氧化鈣的不斷溶出，使水泥水化初期形成的水化產(chǎn)物發(fā)生變化，形成硅酸鈣石、粒硅鈣石、硬硅鈣石等礦物。

3.3 微觀測試分析

采用掃描電子顯微鏡觀測了6組水泥結(jié)石的微觀結(jié)構(gòu)（圖略）。鏡下觀測水泥水化產(chǎn)物的狀態(tài)表現(xiàn)為水化鋁酸鈣呈針棒狀，氫氧化鈣晶體呈棱柱狀，水化硫鋁酸鈣呈六邊形片狀或不規(guī)則薄片狀，鈣礬石呈針狀，水化硅酸鈣呈無定形狀相互穿插生長成晶網(wǎng)填膠結(jié)構(gòu)。除J32樣品外，這種晶網(wǎng)填膠結(jié)構(gòu)一般較致密，但J32樣品水化產(chǎn)物間相互搭接較差，結(jié)構(gòu)較疏松，說明由于CaO的溶出及其它水化產(chǎn)物

表3 抗?jié)B性能試驗結(jié)果Table 3 Results of seepage tests

從表3結(jié)果來看，各試件抗?jié)B水力坡降離散性較大，對水泥結(jié)石膠結(jié)較好的芯樣抗?jié)B性能較好，抗?jié)B壓力可達0.5 MPa以上，滲水坡降可達300以上。

3.5 溶蝕耐久性試驗

通過測試模擬水頭作用下含水泥結(jié)石芯樣的滲水量和CaO溶出量隨時間的變化對防滲帷幕的抗溶蝕耐久性進行定性分析，為推測水泥帷幕耐久壽命提供依據(jù)。試驗結(jié)果見表4和表5。

表4 累計滲水量試驗結(jié)果Table 4 Accumulated volume of seepage discharge of different samp les

表5 累計CaO溶出量試驗結(jié)果Table 5 Accumulated volume of corroded CaO of different samp les

從表4結(jié)果可以看出，在試驗初期，試樣滲水量較大，特別是3＃和9＃試樣滲水量比其它3個樣大很多，但隨滲透試驗時間延長，滲水量呈下降趨勢。從表5結(jié)果來看，CaO溶出量與滲水量多少和水泥結(jié)石多少有關(guān)，如3＃和9＃試樣滲水量較大，但從試樣看，9＃試樣中水泥結(jié)石明顯多于3＃試樣（3＃試樣裂縫相對較細且含有丙凝膠體），因此溶出的CaO較多；3＃試樣雖然滲水量較大，但因水泥結(jié)石少，CaO溶出量較少；12＃試樣的滲水量較小，但試樣幾乎一半為水泥結(jié)石，因此過水面的水泥結(jié)石較多，CaO的溶出量也較大。總體來看，除9＃試樣外，各試樣在試驗初期溶出的CaO較多，隨試驗時間延長，CaO的溶出量呈下降趨勢，試驗至28 d以后，試樣每天的CaO溶出量已很小。

溶蝕試驗結(jié)果表明，對膠結(jié)良好的芯樣滲漏量小，滲漏溶蝕的CaO少，且隨著滲透時間延長，滲漏量呈下降趨勢，CaO的溶蝕速率減緩，CaO僅微量溶出，說明水泥結(jié)石抗溶蝕耐久性較好。

4 初期工程水泥帷幕耐久壽命預(yù)測

研究水泥灌漿帷幕的耐久性，應(yīng)對形成帷幕的膠凝材料進行分析，初期工程帷幕灌注材料主要為硅酸鹽水泥。從前述試驗結(jié)果可知，帷幕中的水泥結(jié)石主要由水化硅酸鈣、氫氧化鈣、水化鋁酸鈣、水化硫鋁酸鈣、鈣礬石水化產(chǎn)物構(gòu)成，這些水化產(chǎn)物決定了水泥結(jié)石的特性。一般情況下水化物是穩(wěn)定的，但在壩基的滲流場中，這些水化物與滲透水流中的各種離子相互作用、遷移轉(zhuǎn)化，從而破壞水泥結(jié)石的結(jié)構(gòu)，同時也改變了滲透水流的化學(xué)成分。滲透水流對灌漿帷幕中水泥結(jié)石的侵蝕主要有溶出型侵蝕、碳酸型侵蝕、一般酸性侵蝕、硫酸鹽侵蝕、鎂鹽侵蝕5種。丹江口大壩加高帷幕目前主要是溶出型侵蝕，即滲水對水泥結(jié)石中的Ca（OH）2產(chǎn)生侵蝕破壞，使其變成可溶的Ca（HCO3）2和CaSO4的過程。CaO的溶出速率（溶出量和原有內(nèi)部總量之比）與水泥灌漿的結(jié)石強度衰減程度密切相關(guān)，前蘇聯(lián)學(xué)者通過試驗得出，當CaO的累計溶出率大于25%時結(jié)石強度將急劇下降。本文以芯樣中水泥結(jié)石的CaO含量為計算依據(jù)，將CaO溶出量達25%作為極限指標，嘗試由此來估算水泥灌漿帷幕的安全運行壽命。

根據(jù)溶蝕試驗樣品中水泥結(jié)石含量計算的CaO累計溶出率見表6，J28和J29檢查孔溶蝕試驗結(jié)果得出的CaO平均累計溶出率作曲線如圖1。

從圖1可以看出，P-t曲線類似于冪函數(shù)P＝atb，對2組數(shù)據(jù)進行回歸分析與曲線擬合，J28及J29芯樣的P-t曲線分別如式（1）和式（2）所示：

式中：t為CaO溶蝕時間（d）；P為CaO累計溶出率（%）。

以P＝25代入式（1），求得J28檢查孔水泥結(jié)石芯樣溶蝕耐久性壽命約184年；以P＝25代入式（2），求得J29檢查孔水泥結(jié)石芯樣溶蝕耐久性壽命約278年。

試樣編號芯樣編號取樣深度／m累計CaO溶出率／% 3 d 7 d 14 d 21 d 28 d 60 d 3＃J28 35.9～36.3 0.004 0.007 0.009 0.010 0.012 0.017 7＃J28 52.8～53.0 0.003 0.004 0.004 0.005 0.005 0.006 9＃J28 37.3～37.48 0.004 0.014 0.039 0.059 0.075 0.113 10＃J29 13.2～14.3 0.006 0.013 0.019 0.024 0.028 0.033 12＃J29 13.2～14.3 0.018 0.091 0.131 0.146 0.155 0.180

圖1 累計CaO溶出率P與溶蝕時間關(guān)系曲線Fig.1 Curves of accumulated corrosion rate P of CaO versus corrosion time

由于J29檢查孔水泥結(jié)石芯樣溶蝕耐久性壽命相對較大，因此以J28檢查孔溶蝕耐久性壽命推求其它檢查孔水泥結(jié)石溶蝕耐久性壽命是偏安全的。根據(jù)前述的芯樣水泥結(jié)石化學(xué)成分分析結(jié)果中的CaO含量，比照J28檢查孔芯樣的溶蝕耐久性壽命，可推求出防滲性能未見明顯下降的其它檢查孔芯樣的水泥結(jié)石的溶蝕耐久性壽命（按直線比例近似推求），結(jié)果見表7。

根據(jù)表7水泥結(jié)石耐久壽命推算結(jié)果，對于芯樣完整、水泥結(jié)石致密的芯樣，其溶蝕耐久性壽命均在100年以上，仍能滿足設(shè)計年限。

表7 水泥結(jié)石溶蝕耐久性壽命推算結(jié)果Table 7 Calculated durability of cement stone against corrosion

5 結(jié) 論

多數(shù)檢查孔芯樣中的水泥結(jié)石水化產(chǎn)物結(jié)構(gòu)較致密，礦物成分和化學(xué)成分未見明顯異常。個別檢查孔中的水泥結(jié)石化學(xué)成分及礦物成分與其它明顯不同，存在較明顯的CaO溶出現(xiàn)象，其水化產(chǎn)物間相互搭接較差，結(jié)構(gòu)較疏松，所在壩段存在滲漏溶蝕危害。水泥結(jié)石膠結(jié)較好的芯樣抗?jié)B性能較好，滲漏坡降可達300以上，在模擬水頭作用下，芯樣滲漏量小，滲漏溶蝕的CaO少，且隨著滲透時間延長，滲漏量呈下降趨勢，CaO的溶蝕速率減緩，說明水泥結(jié)石抗溶蝕耐久性較好；對于水泥結(jié)石致密的帷幕，估算的防滲有效年限約為100年以上，仍能滿足設(shè)計年限。對于存在滲漏溶蝕危害的壩段，水泥結(jié)石不夠致密，隨著時間延長其帷幕防滲效果將不能滿足設(shè)計要求，需進行補強灌漿處理。

［1］ 劉斌云.水泥灌漿帷幕的耐久性分析［J］.水利水電技術(shù)，1998，29（6）：34－37.（LIU Bin-yun.Analysis of Durability of Cement Grouting Curtain［J］.Water Resources and Hydropower Engineering，1998，29（6）：34－37.（in Chinese））

［2］ 高鐘璞.大壩基礎(chǔ)防滲墻［M］.北京：中國電力出版社，2000：180－194.（GAO Zhong-pu.Impermeable Wall of Dam Foundation［M］.Beijing：China Electric Power Press，2000：180－194.（in Chinese） ）

（編輯：周曉雁）

Durability of Cement Grouting Curtain at Danjiangkou Dam

LIXiao-e，LIZhen
（Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

To study the durability of impermeable curtain and to propose suggestions for the strengthening grouting of the curtain in the later stage，physical-chemical analysis and permeability test are performed on the cement stone of the impermeable curtain which is constructed at the riverbed section of Danjiangkou dam in the early stage.The structures of hydration products of cement stone from core samples in most investigated holes aremanifested to be compactwith no abnormal mineral or chemical compositions.These core samples with compact structure exhibit good impermeability with little CaO corroded by percolating water.The corrosion speed of CaO reduced with the permeation time extended.The effective age of the curtains with dense cement stones is estimated to exceed 100 years，which indicates that the grouted cement curtain has good durability and corrosion resistance.Strengthening grouting is required at dam sectionswhere CaO is visibly corroded.

Danjiangkou Dam；grouted cement curtain；durability

TV421.3

：A果對初期工程的帷幕防滲效果及耐久性進行評價。

1001－5485（2011）09－0040－04

2010-11-25

“十一五”國家科技支撐計劃課題（2006BAB04A01）

李曉鄂（1963-），女，湖北松滋人，高級工程師，主要從事混凝土堿骨料反應(yīng)和水工新材料開發(fā)方面的研究，（電話）027-82820429（電子信箱）lixe＠m(xù)ail.crsri.cn。