水下不分散混合漿液在圍堰防滲堵漏中的應(yīng)用

向?qū)W忠，鄧樹密

(中國水利水電第十工程局有限公司，四川都江堰 611830)

水下不分散混合漿液在圍堰防滲堵漏中的應(yīng)用

向?qū)W忠，鄧樹密

(中國水利水電第十工程局有限公司，四川都江堰 611830)

高壓噴射灌漿作為一種技術(shù)可行、經(jīng)濟合理、施工快捷的防滲方式在水利水電工程中廣為應(yīng)用，但在遇到強透水、大漏失等復(fù)雜地層結(jié)構(gòu)時，高噴質(zhì)量往往會受到一定影響。在這種地質(zhì)條件下，就需要采取其它輔助手段配合高噴以確保防滲取得較好的效果。在總結(jié)各類復(fù)雜地層高噴施工經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，介紹了一種新型水下抗分散水泥混合漿液，其可彌補高噴灌漿在特殊地層中的局限性，使高噴防滲墻質(zhì)量可靠性更進一步加強。

水下不分散；混合漿液；圍堰防滲；防滲堵漏

0 引 言

圍堰在水利水電工程施工過程中占有很重要的地位。尤其是在大江截流及大壩施工階段，圍堰施工速度與所形成圍堰的防滲性能好壞直接影響到工程的進度與施工質(zhì)量。圍堰堰體主要由河床原始地層和人工填筑層堆砌而成，所處的地基一般多為砂層、大顆粒砂卵石層、淤泥層、孤石及漂石密集地層；所采用的原材料有砂、石、土以及混凝土等材質(zhì)性能與材料尺寸相差很懸殊的堆積料；采用的堆積方式多采用自卸汽車直接往下卸料，大部分地方未按要求進行分層碾壓，從而導(dǎo)致堰體密實性和土料間膠結(jié)力較差，加之堰體下部因填筑時自然篩分而形成的大顆粒石塊，致使堰體底部架空現(xiàn)象普遍、嚴(yán)重，堰體抗?jié)B能力較差。此外，一些河床由于受地層沉積和人工開采砂石等因素的影響，圍堰基礎(chǔ)層存在大塊石、孤石和級配極不合理的卵(礫)石等，這些地層局部架空、透水性極強，同時還受到地下高速水流的影響，噴灌漿液流失嚴(yán)重，給圍堰防滲增加了很大難度。

目前解決圍堰防滲難題的主要手段有靜壓可控性灌漿、高壓噴射灌漿、混凝土(固化灰漿)防滲墻等。混凝土防滲墻在理論上是最安全可靠的，完全可以單獨采用，但其施工成本也是最高的。采用噴或灌為主的防滲方法因其對施工場地要求不高、投入的設(shè)備機具小、施工效率高、綜合成本低，在方案的技術(shù)、經(jīng)濟方面比混凝土防滲墻具有更多的優(yōu)越性，因而在圍堰防滲中被廣泛推廣應(yīng)用，但是在遇到塊石架空層和高水頭、大流量、地下動水條件時，采用單一的、傳統(tǒng)的以噴和灌為主的防滲處理方法很難對這些復(fù)雜地層進行有效處理。為了解決這些問題，也曾采取過多種技術(shù)措施，這些措施有利有弊，效果因地層情況差異較大，目前很難統(tǒng)一制定出一套可完全復(fù)制的技術(shù)措施、方法來應(yīng)對復(fù)雜地層圍堰防滲。筆者根據(jù)目前圍堰防滲堵漏的實際應(yīng)用情況，借鑒了國內(nèi)外下不分散混凝土水下澆筑所取得的良好成效的經(jīng)驗，構(gòu)思了一種摻加了水下抗分散外加劑的水泥混合漿液灌漿來封堵漏失通道，這種漿液具有較強的抗沖刷和稀釋能力，在地下水流速度快、強透水的松散地層中尤為適用。

1 圍堰防滲堵漏常用的幾種方法比較

1．1 高壓噴射灌漿

高壓噴射灌漿(Jet grouting)技術(shù)于1968年首創(chuàng)于日本。20世紀(jì)70年代初，我國鐵路、煤炭、水電及冶金系統(tǒng)相繼引進并開始研究高壓噴射灌漿技術(shù)，80年代以來，意大利、荷蘭及前蘇聯(lián)等國也大規(guī)模采用該項技術(shù)。我國水電系統(tǒng)已于1980年首先將此項技術(shù)用于山東白浪河電站。90年代在二灘、小浪底和三峽工程完成了高噴防滲幕墻，其施工設(shè)備精良、技術(shù)先進，施工工期短，質(zhì)量好，帶動了我國高噴技術(shù)的發(fā)展。該項技術(shù)主要適用于人工填筑層、軟土或砂礫石地層，具有施工速度快、造價低的特點；但在水頭壓差較大、含有較多漂石或塊石的地層中應(yīng)慎用。因為其在地下水流速大、塊石架空層集中的部位使用時，由于漿液自身性能的局限而無法改變原有地層結(jié)構(gòu)，往往造成漿液大量(有些幾乎全部)流失而無法取得預(yù)期的效果。

1．2 常規(guī)靜壓灌漿

在架空結(jié)構(gòu)嚴(yán)重且有動水存在的地層中進行常規(guī)灌漿，其灌漿過程可控性較差，而且往往不能按照返漿或有壓的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)束；而采用定量的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)束時，其效果的評價、可靠性等難以控制。已有的研究表明:普通硅酸鹽水泥在水下、尤其是動水下凝結(jié)的時間需要10 h以上，甚至發(fā)生假凝或不凝現(xiàn)象，因而無法取得預(yù)期效果，故其只適用于低水頭、低滲壓的地層。

1．3 可控性灌漿

在許多圍堰工程實施中，由于在高水頭、短滲徑、高流速的條件下，常規(guī)灌漿施工一直無法取得較好的成效。許多研究者針對實際情況的需要，一直致力于具備抗水流沖釋能力、具有不分散效果灌漿漿液的研究和開發(fā)。于是就誕生了可控性灌漿。在控制性防滲灌漿材料中，又以水泥膏漿和雙液灌漿運用的最為廣泛。

水泥膏漿通常指的是在水泥漿中摻入大量的粘土、膨潤土、粉煤灰等摻合料及少量外加劑而構(gòu)成的低水灰比的膏狀漿液，其基本特征是漿液的初始剪切屈服強度值可以克服其自身重力的影響，其主要性能是抗水流沖釋性能和自堆積性能，可以用于有中等開度(如10～20 cm)滲漏通道的一定流速、大流量的堆石體滲漏地層。雙液灌漿是將水泥漿液與速凝漿液混合后灌入地層，利用其快速凝固的特點，在鉆孔附近快速凝固成水泥結(jié)石而不會被水流帶走。“雙液灌漿”在國內(nèi)早有應(yīng)用，但未形成規(guī)模，且其施工工藝可行性差，理論上雖然可行，但在實際應(yīng)用時的可操作性不強，尤其是雙液如何混合和最佳膠凝時間如何控制，均有待于進一步研究。

2 水下抗分散水泥混合漿液的材料組成及特性

水下抗分散漿材是在借鑒國內(nèi)外水下混凝土澆筑經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，在純水泥漿液、水泥膨潤土漿或水泥砂漿中摻入抗分散劑和專用調(diào)凝劑，以提高漿液分散介質(zhì)的粘稠性，從而達到抗水稀釋的目的。抗分散能力是指水泥混合漿液通過水域時抵抗水流沖刷稀釋的能力。如果漿液的屈服剪切應(yīng)力大或塑性粘度高，那么，在通過水層時，水流無法將其稀釋沖散，漿液表現(xiàn)出良好的抗分散性。

水下不分散水泥粘土漿液著眼于灌漿漿液自身性能的改善，即通過在普通水下水泥漿液中加入水下不分散外加劑(通常是水溶性高分子聚合物)來提高漿液的粘稠性，從而達到抗水沖刷的目的。抗分散劑由主劑和輔助劑組成。其中，主劑又被稱為絮凝劑，主要作用是增稠，通過主劑的加入來提高水泥漿體的粘度。目前，所研制的抗分散劑的主劑大部分是水溶性纖維素醚或水溶性丙烯酸類的聚合物。根據(jù)其類型又分為緩凝型、普通型、早強型和雙快型等幾種，輔助劑的主要作用是減少漿液灌注時的吸水量、增加強度、改善漿液的流動性、降低增稠聚合物在漿液中的摻量，從而最終降低成本。可用于做輔助劑材料的種類很多，既有高分子聚合物，也有無機材料。在這些輔助用劑中，最常用的輔助劑是減水劑。研究者在研制抗分散劑時，都會把減水劑作為其中的一個重要組分。原因有兩點:一是由于摻加了絮凝劑的水泥漿液通過水層時，吸水量會有很大幅度的增長。摻入減水劑后，可以降低漿液的吸水量；二是從水下水泥漿液的流動性角度考慮，減水劑的加入，在水灰比不變的情況下，起到了增加流動性的作用，適合水下工程的施工。不同種類外加劑復(fù)配時存在相容性的問題，即兩種或兩種以上的材料復(fù)合使用時，是否能充分發(fā)揮其各自的效能。因此，輔助劑中的減水劑需能保證與絮凝劑之間的相容性好，兩者不會影響各自效能的發(fā)揮。

3 水下抗分散水泥混合漿液的室內(nèi)試驗

3．1 試驗材料的組成及成分

水下抗分散水泥混合漿液以普通水泥漿或水泥膨潤土漿為基礎(chǔ)，向漿液中摻加不同組成成分的其他材料，以提高漿液的塑性粘度，增加其塑性和抗水流沖釋的能力。

(1)水泥:試驗采用P．C42．5R普通硅酸鹽早強型水泥。

(2)抗分散材料:選用中國石油集團工程技術(shù)研究院研制生產(chǎn)的UWB－Ⅱ型絮凝劑和與之相配的調(diào)凝劑。該材料能使水下不分散混凝土在施工性能、抗分散性能、流動性能、塌落度損失控制及物理力學(xué)性能等方面都有了突破性的提高。其具有攪拌粘度和輸送阻力小、抗分散性能好、流動性好、強度高、凝結(jié)時間可調(diào)范圍大、摻入方法簡單等特點，它是一種粉末狀物質(zhì)，能夠賦予普通混凝土(砂漿)超強的抗分散性、適宜的流動性和滿意的施工性能，用于圍堰防滲可以解決高速水流條件灌(噴)入地層中漿液嚴(yán)重流失的技術(shù)難題，其推薦摻入量為水泥重量的2%～3%。

3．2 漿液室內(nèi)性能參數(shù)測試

本次室內(nèi)試驗采用水灰比為1∶1、0．8∶1、0．6∶1、0．5∶1等四種純水泥漿，在其中分別摻入了不同數(shù)量的絮凝劑和調(diào)凝劑，分析測試漿液的粘度、初凝時間、終凝時間、7 d和28 d的抗壓強度等指標(biāo)。各種性能指標(biāo)對比情況分別見表1至表3。

表1 摻加不同數(shù)量絮凝劑的漿液性能指標(biāo)表

表2 相同絮凝劑摻入量、不同調(diào)凝劑摻入量的漿液性能指標(biāo)表

表3 相同絮凝劑摻入量與不同水玻璃摻入量的漿液性能指標(biāo)表

從表1至表3的數(shù)據(jù)可以看出:在相同水灰比、不摻加速凝劑的情況下，漿液馬氏漏斗粘度隨著UWB－2型絮凝劑摻入量的增加而增大，在摻入量達到4%時，黏度超過150 s；當(dāng)摻入量達到5%水泥重量時，漿液流動性極差，呈半膠凝狀態(tài)，馬氏漏斗粘度計顯示為滴漏狀態(tài)。初凝和終凝時間隨著摻入量的不斷增大而延長，而抗壓強度也隨著絮凝劑摻入量的增加而呈降低的趨勢。在絮凝劑摻入量不變的前提下，在漿液中加入速凝劑以改善漿液性能、加快凝結(jié)時間，采用了UWB－T專用調(diào)節(jié)膠凝時間的干粉材料和常用的水玻璃速凝劑兩種材料進行對比，試驗室測試結(jié)果表明:兩種速凝材料均能在一定程度上縮短漿液凝結(jié)時間，但UWB－T專用速凝劑摻入后反應(yīng)遲緩，只有當(dāng)摻入量達到一定數(shù)量后其所起的作用才明顯。本次實驗的摻入量最大為10%，而水玻璃摻入后反應(yīng)速度較快，對加快漿液凝結(jié)時間起到的作用更加明顯。在抗壓強度方面，UWB－T摻入量達到一定數(shù)量時對強度影響不大，摻入量達到一定值后，對強度有降低的影響，而水玻璃摻入后抗壓強度有上升趨勢，在本次試驗水玻璃的最大摻入量為水泥重量的5%，摻入后，強度較加入前明顯提高。

根據(jù)上述試驗數(shù)據(jù)，結(jié)合圍堰防滲施工現(xiàn)場可能遇到的各種不利因素進行綜合分析，最終選擇B4、B5、C3和C4等四種配比的漿液更有利于圍堰的防滲灌注，B5和C5兩種配比可根據(jù)現(xiàn)場漏失情況在添加適量膨潤土或砂后攪拌成類似膏狀的漿材進行大漏失段的封堵。

4 室內(nèi)模擬灌注試驗

4．1 試驗方法

為了驗證采用水下抗分散劑后的水泥漿在動水條件下和架空層中的堵漏效果，采用了兩個廢棄的強制式混凝土拌合機上料斗，現(xiàn)場分別裝滿直徑為20～40 cm的卵石，其中間不含任何填充物，在其下端個開一個直徑為20 mm的小孔，分別灌注0．5∶1的純水泥漿和水灰比為1∶1、外摻2%UWB－2絮凝劑及8%UWB－T型調(diào)凝劑的不分散漿液。

為了更準(zhǔn)確地模擬地下動水條件，在兩個試驗料斗內(nèi)各放置了一根水管，在灌注過程中，供水管路始終以40 L/min的流量連續(xù)向兩個集料斗中的卵石層中給水。根據(jù)灌注前的準(zhǔn)備情況，每個料斗灌入250 L漿液，原則上要求全部灌入卵石層中，3～7 d后檢查漿液膠結(jié)情況。

4．2 試驗情況

采用0．5∶1純水泥漿灌注的料斗由于卵石中沒有填充物，架空情況嚴(yán)重，灌注的漿液被水稀釋后直接從底部小孔流出，連續(xù)輸送約100 L漿液后停止，灌后的檢查發(fā)現(xiàn)漿液幾乎全部流失。另一組采用外摻絮凝劑和調(diào)凝劑攪拌形成的水泥混合漿液灌注，持續(xù)灌注量約100 L后即可看到料斗底端小孔滲漏量明顯減少，繼續(xù)灌注量達到200 L時，底部漏失孔被完全封堵住，卵石中的孔隙全部填滿漿液。灌注完成7 d后檢查水泥結(jié)石情況時發(fā)現(xiàn):采用純水泥漿灌注的幾乎沒有結(jié)石，而采用水下抗分散水泥混合漿液灌注的水泥結(jié)石率可以達到85%以上。

現(xiàn)場模擬灌注試驗結(jié)果表明:水下抗分散水泥混合漿液各項性能指標(biāo)基本達到要求，防滲堵漏效果與預(yù)計目標(biāo)基本接近，完全可以用于大漏失、高水頭、地下動水條件下的圍堰防滲工程中。

5 不分散混合漿液在圍堰防滲堵漏工程中的應(yīng)用

5．1 工程概況

圖1 灌注前卵礫石層結(jié)構(gòu)圖

圖2 采用不分散漿液灌注后情況

四川某水電站利用河床明渠導(dǎo)流，分兩枯施工，一枯施工右岸部分，圍堰堰體采用土工膜防滲，堰基設(shè)計采用高噴防滲，高噴防滲墻分兩期施工。一期圍堰高噴軸線施工長度597 m，分為上游橫向圍堰、河床縱向圍堰和下游橫向圍堰三段，基坑截水總面積約3萬m2，屬于較大型基坑:高噴孔單排布置，孔距1 m，孔深深入巖石0．5 m，鉆孔深度為10～31 m。

河床地層以砂卵(礫)石為主。由于人工采砂的影響，粒徑小于25 mm的細(xì)骨料和砂含量少，河床地層擾動深度接近基巖，下覆巖石由粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖及砂巖組成。

一期圍堰采用雙重管法進行高噴防滲，完成后基坑抽水時發(fā)現(xiàn)基坑有明顯的滲漏點，尤其是下游橫向圍堰合攏段出現(xiàn)了幾處滲漏點，隨著基坑開挖逐漸加深，坑內(nèi)外水頭不斷增大，滲漏量越來越大且開始冒渾水，不斷有砂顆粒帶出，為防止出現(xiàn)管涌，經(jīng)過現(xiàn)場仔細(xì)勘查后決定立即采取措施對滲漏點進行處理，通過對幾種處理方案比較分析后確定采用水下不分散漿液灌注。

5．2 實施方案及效果

根據(jù)現(xiàn)場情況，將灌漿孔布置在原高噴灌漿孔中間，孔距1 m，深度入巖0．5 m，根據(jù)鉆孔漏風(fēng)、返水、返渣等情況進行分析后，確定重點處理孔深以下9～18 m范圍。灌注水灰比采用0．8∶1、0．6∶1和0．5∶1三種，絮凝劑摻量為2%，調(diào)凝劑摻量為10%。首次灌注時，由于存在水頭差，部分漿液沿著基坑內(nèi)的漏失通道流出，于是將第一次序孔在孔深10～15 m處改用螺桿泵灌注水下不分散膏漿，這種膏狀漿液由水泥漿、膨潤土、砂子、絮凝劑和水玻璃速凝劑等組成，第二次序孔根據(jù)漏失情況決定采用水下不分散水泥混合漿液或不分散速凝膏漿灌注。通過實施，在原高噴軸線一共布置了35個孔，灌注完成后，出現(xiàn)較大漏失通道部位完全被封堵住。1個月后，在這些部位進行了鉆孔取芯檢查，從該部位取出的巖芯可以看出:巖芯多呈柱狀結(jié)構(gòu)，卵礫石與水泥漿包裹密實，芯樣抗壓強度超過20 MPa，滲透系數(shù)小于1× 10－5cm/s，完全滿足該工程防滲要求。

6 結(jié)語

水下抗分散水泥混合漿液作為一種新型防滲灌漿材料具有在水下不分散、抗水性強、膠凝過程中粘度不斷增大、不容易被地下動水帶走、凝膠時間可以通過速凝劑調(diào)節(jié)等優(yōu)點，其性能指標(biāo)優(yōu)于普通水泥漿、水泥砂漿和水泥-水玻璃雙組分漿液，可以作為高水頭、大流量和動水條件下的防滲堵漏材料。試驗結(jié)果充分表明:按照不同地層條件和要求配置的不分散漿液，完全可以滿足各類水工圍堰的防滲要求。

復(fù)雜地層圍堰防滲一直是一個難題。如何在保證圍堰防滲可靠的前提下，優(yōu)化設(shè)計和施工方案，采取最經(jīng)濟、科學(xué)、合理的方法是每一個從事防滲工程設(shè)計和施工的技術(shù)人員都值得探討的技術(shù)問題，對于筆者提出的水下不分散水泥混合漿液其實也是具有適用范圍和局限性的，比如擴散半徑、灌漿壓力、灌注量的控制等都需要進一步深入研究和大量的實踐來驗證。在此，筆者希望對這方面感興趣的專業(yè)技術(shù)人員不斷探索、研究，以推動圍堰防滲堵漏技術(shù)水平的不斷提高。

TV52;TV551;TV543;TV223．4;TV42

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1001-2184(2015)05-0001-04

向?qū)W忠(1970-)，男，重慶豐都人，基礎(chǔ)工程分局局長，高級工程師，從事水利水電施工與技術(shù)管理工作；

(責(zé)任編輯:李燕輝)

2015-08-25

鄧樹密(1971-)，男，四川廣安人，基礎(chǔ)工程分局總工程師，教授級高級工程師，從事水利水電、房屋建筑工程施工與技術(shù)管理工作．