淺談各類漿材在水庫壩體堵漏施工中的應用

(中國水電基礎局有限公司，天津 武清，301700)

1　工程簡述

1.1　工程概況

四川某電站于2011年8月20日通過蓄水驗收，蓄水后上游庫區(qū)水位抬高，大壩下游河道開始出現(xiàn)滲流、滲壓計數(shù)值偏高等情況。結(jié)合大壩下游出現(xiàn)的異常情況，建設單位組織召開了兩次下游滲水專家咨詢會，根據(jù)會議討論及專家意見，對滲流采取“排、堵結(jié)合”方式進行處理，首先對滲水出露點進行反濾及減壓處理，防止出現(xiàn)管涌破壞，然后對重點懷疑部位進行補強帷幕灌漿，以期封閉滲水通道。

1.2　工程重難點

由于大壩已經(jīng)蓄水運行，帷幕灌漿須在廊道內(nèi)進行，因此施工工況在國內(nèi)基礎處理工程中較為罕見。所面臨的特殊施工條件有：①施工場地小，很多現(xiàn)有的施工機械無法使用；②覆蓋層處理深度大，最深處有80多m；③高水頭、大流速地下水。因此，本次帷幕灌漿鉆孔、灌漿施工難度很大，施工難點主要表現(xiàn)為：

(1)施工場地限制。由于本次施工在預留廊道內(nèi)進行，場地狹窄，高度有限，造成很多大型、先進的灌漿施工機械無法使用，僅能使用常規(guī)的地質(zhì)鉆機施工；

(2)鉆孔難度大。施工部位有較高的承壓水頭，鉆孔時涌水涌砂情況嚴重，極易發(fā)生孔內(nèi)涌水、塌孔等事故，鉆孔難度大、工效低；

(3)灌漿難度大。由于地層中存在較高的承壓水頭、高速水流，常規(guī)的孔口封閉工藝、阻漿裝置均無法使用，這些都給灌漿施工帶來極大的困難；

(4)適用的漿液材料可選擇范圍小。由于存在高壓涌水、高壓水流，適用的灌漿堵漏材料可選擇范圍較小。

2　漿液材料

2.1　各類型漿材

本次灌漿采用水泥漿液、膏狀漿液、增粘劑水泥漿液、雙液及固體材料配合的漿材四種溶液配合灌注，四種溶液的原材料如下表1。

表1各種灌注溶液所需原料統(tǒng)計

2.2　漿液選擇

依據(jù)設計單位對壩基廊道地質(zhì)條件分析及我部的前期施工經(jīng)驗，對各地層灌注漿材進行分類，達到物盡其用的目的。

2.2.1強透水區(qū)

根據(jù)前期施工情況顯示，該施工區(qū)域存在強透水區(qū)，壓水呂榮值大于20Lu，一般在防滲墻下5m～20m范圍內(nèi)，該區(qū)域采用首先灌注0.5∶1的水泥漿液，灌注干料1.0t，后灌注增粘劑漿液、雙液及固體材料溶液的方式進行實施。

2.2.2強卸荷強風化巖體

根據(jù)前期施工情況顯示，強卸荷強風化巖體段壓水呂榮值在10Lu～20Lu之間，一般在深入基巖15m～25m范圍內(nèi)，該區(qū)域采用水泥漿液、膏狀漿液、增粘劑漿液、雙液及固體材料溶液相配合的方式進行實施。

2.2.3弱風化巖體

根據(jù)前期施工情況顯示，弱風化巖體段深入基巖30m后范圍內(nèi)，該區(qū)域主要采用灌注水泥漿液，膏狀漿液相配合的方式進行實施。

2.2.4覆蓋層灌漿

在覆蓋層鉆灌過程中，極易發(fā)生涌水、涌砂現(xiàn)象，針對該工況，各型漿液材料的選擇按照“增粘劑漿液及雙液固體漿液充填大通道、膏狀漿液封堵小通道、水泥濃漿成幕”的原則進行。

(1)當涌水壓力P≤0.2MPa或涌水流量Q≤20L/min時，采用純水泥漿液灌注；

(2)當涌水壓力0.2MPa

(3)當涌水壓力P>0.4MPa或涌水流量Q>50L/min時，采用增粘劑漿液起灌；

(4)當發(fā)生大量涌砂現(xiàn)象時，采用增粘劑漿液或者雙液漿液起灌。

3　漿液灌注

3.1　灌注工藝

本次加密灌漿采用“孔口封閉，孔內(nèi)循環(huán)，自上而下，分段灌漿”的工藝進行施工。

在正常情況下，每鉆完一個段長，提起鉆具，采用鉆桿作射漿管，下入孔段內(nèi)，射漿管距孔底不大于50cm，孔口管頂部安設孔口封閉器，灌漿過程中經(jīng)?；顒庸酀{管，以免埋管、鑄管。

當遇地下大量涌水、涌砂等情況時，可關(guān)閉防涌水裝置中所有控制閥門，在封閉帶壓情況下取出鉆桿和鉆頭，然后再下灌漿管，采用孔口封閉法灌漿。若灌漿過程中出現(xiàn)回漿管路堵塞，出現(xiàn)鑄管現(xiàn)象，則繼續(xù)采用純壓式的方式灌注，灌漿結(jié)束后待凝，然后掃孔返鉆桿，以保證灌漿的質(zhì)量。

3.2　漿液灌注

3.2.1水泥漿液灌注

水泥漿液按先稀后濃的原則灌注，采用水灰比2∶1的漿液開灌，漿液變換比級分為2∶1、1∶1、0.8∶1、0.5∶1四個級別，按照變漿原則逐級加濃灌注。

帷幕灌漿漿液變換原則：

(1)當灌漿壓力保持不變，注入率持續(xù)減少時，或注入率不變而壓力持續(xù)升高時，不得改變水灰比；

(2)當某一比級漿液的注入量已達300L以上或灌注時間已達1h，而灌漿壓力和注入率均無改變或改變不顯著時，應改濃一級；

(3)當注入率大于30L/min時，可根據(jù)具體情況越級變濃；

(4)灌漿過程中，灌漿壓力或注入率突然改變較大時，應立即查明原因，采取相應的措施處理。

灌漿段在最大設計壓力下，注入率不大于1L/min，持續(xù)灌注30min即可結(jié)束。當采用最濃級漿液灌漿而注入率大于30L/min，或者單位注入量累計達到1.5t，而注入率和壓力變化不明顯時，則改用膏狀漿液灌注。

3.2.2膏狀漿液灌注

3.2.2.1膏狀漿液性能

膏狀漿液由水泥、膨潤土(或粘土)、粉煤灰、一定的外加劑組成，按照設計技術(shù)標準，要求配制的膏狀漿液析水率小于5%，抗剪屈服強度τ0宜小于15Pa～35Pa，塑性粘度η宜為0.1Pa·s～0.3Pa·s，漿液密度大于1.5g/cm3，R28≥7.5MPa，滲透系數(shù)K≤1×10-6cm/s。

所配漿液應根據(jù)灌注結(jié)構(gòu)層的物質(zhì)組成、緊密程度及顆粒級配等進行漿液配比試驗，同時要求配制的膏狀漿液應具有一定的可灌性和可控性。確定本項目膏狀漿液灌注分為3個比級，其配比及性能指標見下表2。

3.2.2.2膏狀漿液攪拌

由制漿站拌制水泥粉煤灰原漿送至施工現(xiàn)場的專業(yè)膏漿攪拌機內(nèi)，根據(jù)水泥漿的數(shù)量以及所

表2膏狀漿液配比及相關(guān)性能指標

需膏狀漿液比級確定要加的膨潤土重量，按照膏漿三種比級進行攪拌，根據(jù)前期的攪拌試驗，攪拌時間為3min，完成后經(jīng)灌漿泵送入孔內(nèi)。

3.2.2.3膏狀漿液灌注

膏狀漿液灌注遵循由稀至濃的原則，逐級加濃。采用專業(yè)膏漿攪拌機攪拌完成后，經(jīng)3SNS灌漿泵直接灌注孔內(nèi)，相關(guān)數(shù)據(jù)采用電腦記錄儀記錄。

3.2.2.4變漿原則

(1)各級灌漿漿液灌入量達到300L/m～400L/m，而灌漿壓力和注入率均無改變或改變不顯著(改變不顯著可理解為某一級濃度的漿液在灌注一定數(shù)量之后，注入率仍大于初始注入率的70%)，應改濃一級；

(2)膏狀漿液灌漿時不得越級變漿；

(3)當灌漿壓力保持不變，注入率持續(xù)減少，或注入率不變而壓力持續(xù)升高時，應以在灌比級漿液繼續(xù)灌注，而不應改變漿液比級；

(4)改變漿液比級后，如灌漿壓力突增或吸漿量突然減小(注入率減小超過50%)，應立即回稀到原漿液比級進行灌注。

3.2.2.5結(jié)束標準

在規(guī)定的壓力下，吸漿量小于10L/min時，繼續(xù)灌注5min，可結(jié)束灌漿待凝，掃孔后復灌至結(jié)束。

當灌注量水泥干料超過2.0t/m時，灌注壓力或流量無明顯的提升及減少，則改用增粘劑水泥漿液灌注。

3.2.3增粘劑水泥漿液灌注

3.2.3.1增粘劑原理

通過在水泥漿液中填加增粘劑，使?jié){液在灌注初期即具有較高的初始粘度，既可避免因填加速凝劑使?jié){液凝結(jié)過快，增加灌漿操作的難度，又能提高抗水流沖擊能力。

增粘劑是一種具有較長鏈狀結(jié)構(gòu)的高分子聚合物，它能在微細水泥顆粒之間起到連接和架橋作用，從而在本質(zhì)上改變了顆粒的接觸表面。從表面化學的角度看，漿材中的水溶性聚合物通過氫鍵與部分拌和用水結(jié)合，并以分子形式分散在拌和水中，因此，拌和水被束縛在水溶性聚合物的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)里，從而變得非常粘稠。這種非常粘稠的水又包裹了水泥顆粒和骨料，并由此賦予漿材抗水沖的特性。

3.2.3.2增粘劑材料

目前，已經(jīng)投入實際應用的增粘劑主要有三類，即聚丙烯酰胺類、羧甲基纖維素類、速凝劑類。

(1)聚丙烯酰胺

聚丙烯酰胺有很多種，用途極為廣泛。用做增粘劑的聚丙烯酰胺有磺化聚丙烯酰胺(SPAM)、水解性聚丙烯酰胺(HPAM)、陰離子型聚丙烯酰胺、陽離子型聚丙烯酰胺及復合型聚丙烯酰胺等。

陽離子型聚丙烯酰胺是一種無色或紅棕色粘稠液體，有效物質(zhì)含量為3%左右。分子量為300～600萬。在石油行業(yè)上用做各種水基鉆井液的增粘劑，兼有降濾失、耐溫、抗鹽、抗石膏和抑制黏土的水化能力等作用。使用時一般稀釋成1%濃度，加量為1.5%～2%。

(2)羧甲基纖維素

該材料是一種白色或微黃色的纖維狀粉末，有吸濕性，不結(jié)塊，無嗅、無味、無毒，不溶于醇酸等有機溶劑，易分散于水中成膠體。有一定的抗鹽能力和熱穩(wěn)定性，純度95%左右。在石油行業(yè)，主要用做水基鉆井壓裂液的增粘劑，兼有一定的乳化和降濾失作用，可與多價金屬離子交聯(lián)成凝膠。

(3)速凝水泥

速凝水泥主要起到速凝的作用，其初凝時間為6min，終凝時間為8min，摻加到水泥漿液中，使其盡快凝固，起到抗水沖刷的作用。

3.2.3.3漿液配比及相關(guān)性能指標

該漿液由公司科研院研發(fā)配制，在實驗室進行攪拌試驗，其性能指標為：塑性粘度200～400、凝結(jié)時間20min～300min、有一定抗水沖性能、流動度10.0cm。

各材料進場后，結(jié)合本項目對漿液的特殊要求，依據(jù)公司科研院提供的配合比進行多組的攪拌試驗，確定了適合本項目使用的增粘劑水泥漿液配合比，各種材料摻量見下表3。

表3增粘劑配合比統(tǒng)計

該配合比漿液在攪拌完成后30min漿液變粘，變粘后取出漿液涂抹到手上，在水管下沖洗，一部分漿液粘附手上無法沖刷下去，說明漿液有一定的抗水性；其初凝時間為60min，終凝時間為244min，流動度為9.5cm。

經(jīng)過現(xiàn)場多組試驗比對驗證表明，上述配合比拌制的漿液性能可滿足本工程所需的粘度大、凝固快、具有抗水性等需求，適合本項目使用。

3.2.3.4漿液攪拌及灌注

按照相應的配比，采用專業(yè)的膏狀攪拌機拌制增粘劑水泥漿液，各種原材料稱量必須準確。攪拌完成后經(jīng)砂漿灌漿泵直接灌注孔內(nèi)。

由于該漿液為速凝漿液，灌注過程中要保證灌漿孔內(nèi)鉆桿安全，防止出現(xiàn)孔內(nèi)事故。

3.2.3.5結(jié)束標準

在規(guī)定的壓力下，吸漿量小于10L/min時，繼續(xù)灌注5min，可結(jié)束灌漿待凝，掃孔后復灌至結(jié)束。

當灌注量水泥干料超過1.0t/m時，灌注壓力或流量無明顯的提升及減少，則改用雙液溶液灌注。

3.2.4雙液及固體材料配合灌注

3.2.4.1漿液選型

本次雙液漿液選用水玻璃-水泥漿液，該漿液有凝結(jié)時間短，可以從幾秒鐘到幾十分鐘，并且可以有效而比較準確地控制，結(jié)石率高，可達95%以上；有一定的強度等優(yōu)點，適合本項目高水頭動水條件下堵漏施工。

固體材料選用纖維、鋸末粉及膜袋片等可灌性固體材料。

3.2.4.2溶液灌注

(1)灌漿設備可采用現(xiàn)場的1臺套3SNS水泥灌漿泵，1臺套砂漿泵；

(2)灌漿前將射漿管下設至距孔底0.5m，并在頂端安裝單向閥鉆桿；

(3)灌注時首先灌注0.5∶1的水泥漿液200L，再灌注加入固體材料的水泥漿400L，然后暫停灌注水泥漿液，改為灌注水玻璃漿液100L，依次類推灌注。按照水玻璃與0.5∶1的水泥漿液的體積比為1∶6；

(4)灌漿過程中采用間歇灌漿的方法灌注，并時刻注意兩臺灌漿泵的灌注壓力，要保證水泥漿的注入壓力大于水玻璃的注入壓力；

(5)雙液漿液的結(jié)束標準，在該灌漿段最大設計壓力下，以灌到孔段不吸漿后結(jié)束；

(6)由于水玻璃的性能參數(shù)存在不確定性，在后續(xù)施工中相關(guān)參數(shù)由現(xiàn)場試驗決定；

(7)由于雙液漿液灌注的特殊性，該漿液灌注需根據(jù)現(xiàn)場實際情況決定。

3.2.5后續(xù)漿液灌注

各類型漿液灌注待凝時間暫按照18h控制，實際待凝時間根據(jù)現(xiàn)場施工進行動態(tài)控制。

各類型漿液灌注完畢后，均需掃孔至原孔位，再采用水泥漿液復灌，達到設計結(jié)束標準，方可進行下一段鉆孔灌漿施工。

4　應用效果及前景

現(xiàn)堵漏施工正在緊張有序的進行中，依照現(xiàn)場應用，各孔段灌漿效果良好，整體應用效果待完工后檢查確定。

當前國家正致力于大力加強基礎設施建設。發(fā)改委接連批準了一系列水電站建設，而水電站建設的過程中存在冒進、激進的現(xiàn)象，造成工程使用壽命與設計不符，本工程的研究成果，對水電站壩體滲漏封堵具有較好的指導作用，有很好的實際意義，其應用前景廣闊。