黏土水泥漿液在壩基帷幕灌漿中的應(yīng)用研究

李長存，周永昌

(沈陽市遼中區(qū)水利建筑工程公司，遼寧 沈陽 110000)

壩基帷幕灌漿工程是一項隱蔽工程，耗用水泥量大，成本高，且不便于檢測，灌漿質(zhì)量的高低對于工程的安全與長期穩(wěn)定運行具有重要意義，那么就要求灌漿材料必須具有足夠的耐久性[1]。

如何準(zhǔn)確評判帷幕灌漿的安全性一直是工程界的重要話題，建立合理的評價體系指標(biāo)是一方面[2]。耐久性對于安全至關(guān)重要，其本質(zhì)上包括灌漿材料和帷幕體結(jié)構(gòu)兩方面的耐久性，施工過程中的壓力波動和控制、施工工藝、外加劑的使用、配合比等均會對帷幕灌漿的質(zhì)量產(chǎn)生影響[3- 5]。水泥漿液一直以來都是壩基帷幕灌漿的首選材料，其在合理的施工工藝條件下可以達(dá)到良好的防滲效果，并保持足夠的耐久性[6]，但水泥耗用量高，在很多巖性不夠好的地區(qū)，往往使投資成本大大增加，影響工程的投資效益，故而選擇一種既能達(dá)到良好的防滲效果，又能達(dá)到工程造價目的的替代材料一直工程界比較活躍的話題，而黏土水泥漿液則成為開發(fā)和研究的重點[7- 12]。

黏土在很多地方可以就地取材，不僅節(jié)約了運輸成本，還節(jié)約了水泥和外加劑使用量，但目前國內(nèi)針對黏土漿液的研究大多傾向于其性能，對于耐久性的研究還不夠完善，因此本文通過室內(nèi)試驗和現(xiàn)場工程實例來驗證黏土水泥漿液在壩基帷幕灌漿中的可行性和有效性。

1 試驗簡介

試驗黏土取自某在建電站當(dāng)?shù)兀嗖捎肞O42.5普通硅酸鹽水泥，氧化鈣成分占比約為55%，試驗拌制時采用實驗室當(dāng)?shù)刈詠硭芪g及抗?jié)B試驗時采用電站當(dāng)?shù)氐叵滤渲饕x子成分為K+、Na+、Ca2+、Cl-等。試驗配比分別為5組，即水灰比為2∶1、1.1∶1、0.5∶1的3組純水泥漿，水灰比為2∶1、水固比為1.1∶1的黏土水泥膏漿(加入少量的改性劑：偏鋁酸鈉、石膏及膨潤土)以及黏土水泥漿液，見表1。分別進(jìn)行水溶蝕試驗：測量CaO溶出量、試件質(zhì)量損失率；抗?jié)B試驗：測量各組滲透系數(shù)。

表1 試驗配合比

2 試驗結(jié)果對比分析

2.1 抗水溶蝕性能分析

2.1.1CaO隨浸泡時間的溶出量變化

將配置養(yǎng)護(hù)好的試件浸泡在地下水中，前期(0～10d)每隔2d測一次CaO含量，后期(11～60d)每隔10d測量一次CaO含量。各試件的CaO溶出量隨時間的變化關(guān)系如圖1所示。從圖1中可以看到：在各組試件中，隨著浸泡時間的增加，變化規(guī)律基本一致，即前期溶出量快速增大，中后期溶出速率減緩；隨著水灰比的增大，CaO的累計溶出量也相應(yīng)增大，這是因為硅酸鹽水泥的水化產(chǎn)物Ca(OH)2是最為容易分解的成分，水泥量越多，生成的Ca(OH)2含量越高，溶出量也就越大；同等水灰比的黏土水泥膏漿，其溶出量要小于純水泥組和黏土水泥漿液，這是因為在黏土水泥膏漿中，黏土取代了部分水泥，可起到減緩CaO溶出的作用，同時加入的改性劑中可能會生成具有活性的凝膠物質(zhì)，增強(qiáng)了黏土的強(qiáng)度，減少CaO的溶出。這也說明，黏土水泥膏漿具有良好的抗溶出能力，較同等水灰比的黏土水泥漿液和純水泥組更好。

圖1 CaO溶出量測試結(jié)果

2.1.2質(zhì)量損失對比分析

對相同水灰比下的純水泥組、黏土水泥膏漿組以及黏土水泥漿液組的質(zhì)量進(jìn)行了浸泡前后的質(zhì)量測定，其相對質(zhì)量損失率計算結(jié)果如圖2所示。從圖2中可以看出，黏土水泥膏漿組及黏土水泥漿液組在前測試時，質(zhì)量反而有所增加，這有可能是因為結(jié)石體內(nèi)的水泥尚未完全反應(yīng)，在浸泡過程中繼續(xù)反應(yīng)，吸收水并形成結(jié)晶體，故而質(zhì)量有所增加；相同水灰比下，黏土水泥膏漿組的質(zhì)量損失率與純水泥組相差不大，而黏土水泥漿液組的質(zhì)量損失率要稍大于純水泥組。可見，黏土水泥膏漿組在水環(huán)境下具有良好的穩(wěn)定性能。

圖2 質(zhì)量損失隨浸泡時間變化關(guān)系

2.2 抗?jié)B性能分析

利用ZH- 201A自動控制滲透儀，對養(yǎng)護(hù)7和28d的各試驗組試件進(jìn)行滲透試驗，其結(jié)果對比如圖3所示。從圖3中可以看出，不同齡期的各組試件其滲透系數(shù)變化規(guī)律一致，養(yǎng)護(hù)齡期越長，其內(nèi)部反應(yīng)越充分，連通孔隙結(jié)構(gòu)越少，滲透系數(shù)越小；在純水泥組中，水灰比越大，孔隙含量越多，其滲透性越強(qiáng)，抗?jié)B能力越差；相同水灰比下，均表現(xiàn)為：K4

圖3 滲透系數(shù)對比

3 工程實例論證分析

3.1 工程概況

某水電站為沅水干流上第五梯級開發(fā)電站，裝機(jī)容量為83萬kW，該電站由大壩、廠房、引水系統(tǒng)以及通航系統(tǒng)等工程組成。其中，根據(jù)前期地質(zhì)勘查，壩基附近上層主要為紅層-灰?guī)r地層、下層主要為礫巖層，先導(dǎo)孔壓水試驗揭示該地區(qū)的透水率主要分布在10～30Lu，屬中等透水區(qū)域，有些巖層段透水率大于100Lu。由于帷幕灌漿工程量大，且投資控制難度較大，在灰?guī)r等巖層地區(qū)更是存在灌漿質(zhì)量差、技術(shù)難度高等特點，為了提高整體的防滲效果，并結(jié)合工程造價，在紅層—灰?guī)r段采用黏土水泥膏漿，而在礫巖層主要采用黏土水泥漿液進(jìn)行灌注，灌注方法均采用空口封閉法。

采用常規(guī)壓水試驗對試驗孔進(jìn)行灌漿后滲透率測試，采用疲勞壓水試驗進(jìn)行耐久性測試，來綜合判定灌漿效果。

3.2 灌漿效果分析

取1#試驗孔作為例子分析，該段5～20.65m為紅層灰?guī)r，20.65～56.8m為礫巖層。以每5m作為一個試驗段，測定各段的透水率結(jié)果見表2。從表2中可以看出：經(jīng)過黏土水泥膏漿和黏土水泥漿液帷幕灌漿后，其灌后的透水率均小于3Lu，透水率明顯降低，完全滿足灌漿防滲的需要，表明黏土水泥膏漿和黏土水泥漿液應(yīng)用于壩基帷幕灌漿是可行的，且效果良好。

表2 1#試驗孔壓水試驗成果

分別對相似地質(zhì)情況的4#試驗孔進(jìn)行疲勞壓水試驗，每2h測定一次透水率，連續(xù)不間斷測2d，得到的疲勞壓水透水率隨時間的變化曲線如圖4所示。從圖4中可以看到：不管是灰?guī)r段還是礫巖層段，其疲勞透水率均隨時間呈負(fù)冪函數(shù)型降低，當(dāng)測試時間達(dá)到10h后，其疲勞透水率基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，穩(wěn)定的透水率值分別為0.5和1.55Lu，均小于規(guī)范要求的5Lu值，可見經(jīng)過黏土水泥膏漿和黏土水泥漿液帷幕灌漿后，其耐久性也是滿足相關(guān)要求的，不僅解決了灌漿技術(shù)難度問題，還大大節(jié)省了工程投資。

圖4 疲勞透水率隨測試時間的變化

4 結(jié)論

(1)黏土水泥膏漿和黏土水泥漿液具有良好的抗溶蝕和抗?jié)B性能，同等水灰比下的黏土水泥漿液的耐久性強(qiáng)于純水泥漿液。

(2)通過工程實例分析，黏土水泥(漿液)膏漿應(yīng)用于不同的壩基巖性地層均具有較好的灌漿效果，其透水率均滿足相關(guān)規(guī)范要求，表明黏土水泥漿液的耐久性是滿足帷幕灌漿工程的相關(guān)技術(shù)要求的，且可大大節(jié)省工程投資。