速凝水泥膏浆灌浆技术在格里桥水电站工程中的应用

张 旭，贾梅艳，黄 云

(四川二滩国际工程咨询有限责任公司，四川成都 610072)

1 溶洞地质分析

贵州格里桥水电站右岸高程650m灌浆隧洞根据开挖揭露的情况，地质条件复杂，岩溶强发育。位于坝横K0+78.8m(Dr2危岩体底部)发育S101泉水点，枯季流量为2～3l/s，雨季一般流量10～15l/s，但在暴雨过后流量变大，最大流量近1m3/s。2009年5月12日，由于来水较大、下游出水口通道排量有限导致排水不畅，致使右岸高程650m灌浆隧洞(桩号:K0+521～K0+538m段)底板出现了严重的破坏性抬动开裂，隧洞内积水深达0.8m左右，从7号施工支洞和大坝坝体廊道分向流出，此股涌水一直持续了约36h左右。随后在隧洞K0+489～K0+574m间的施工物探孔做了3对CT。从物探成果分析得出:隧洞底板5m以下为强溶蚀及岩溶管道区。物探揭露岩溶管道为溶洞群，单个溶洞直径约15m，最深的部位在K0+499～K0+539m之间，岩溶管道底部高程625m。在右岸高程724m廊道桩号K1+070m左边墙发育一溶洞，溶洞向低高程发育，穿过帷幕线后向上游发育，端头高程为685～690m，全溶洞仅在端头处见流水。为了进一步了解右岸724m溶洞、右岸650m溶洞及S101泉水点三者之间的关系，在右岸724m溶洞进行了连通试验。试验结果表明，右岸724m溶洞、右岸650m溶洞与S101泉水点是连通的，连通时间约2h。从WT1、WT2两个物探孔地下水位分析，两个物探孔测得地下水位距右岸650m隧洞底板分别为11.8m、12.3m，地下水位高程约为640m，与前推测一致。此高程高于目前上游河水位(高程630m)。

总体分析，S101岩溶管道发育于帷幕上游，顺断层上盘发育，并于WT1一带斜穿帷幕，并最终由S101泉排出。

2 方案选择

方案一:在右岸650m隧洞K0+538m位置靠上游开挖一条等同灌浆隧洞尺寸的支洞绕过溶洞至K0+521m，对支洞内进行混凝土衬砌和防渗墙施工，以达到防渗堵漏效果;然后再在主灌浆洞内进行帷幕防渗灌浆施工。

方案二:(1)在右岸650m隧洞溶洞段K0+485.15～K0+536.60m部位的底板破坏位置进行混凝土浇注，在上游面边墙底部位置打一排排水孔，以降低隧洞混凝土承受山体内涌水的水头压力，并对隧洞溶洞段边墙、顶拱已浇的混凝土进行锚杆加固处理。(2)底板混凝土达到龄期后，对溶洞段底板布置多排灌浆孔:首先，在该部位帷幕灌浆轴线上、下游底板各布置一排副帷幕灌浆孔，孔深入完整基岩5m，采用速凝水泥膏浆进行灌注，在副帷幕各孔灌浆结束之后下一根φ25同孔深的钢筋进行破碎带的加固;其次，再用稳定浆液进行主帷幕灌浆以及补强灌浆施工，补强帷幕灌浆孔布置在隧洞帷幕轴线上、下游与副帷幕孔排之间(孔深入完整基岩5m)。

为了使大坝防渗帷幕灌浆工作保质、保量地顺利完工，确保电站在预定的节点日期下闸蓄水发电，经过多方的咨询论证，最后讨论决定采用方案二对溶洞段进行先堵后补强的方法。对该溶洞段多次进行了水泥稳定浆液、混合浆液以及大孔径灌注水泥砂浆等处理，但效果都不是很好，且灌浆材料流失严重。随后引进速凝水泥膏浆灌浆法进行堵漏，采用水泥粉煤灰混合浆液补强防渗灌浆。在本工程，速凝膏浆灌浆对溶洞堵漏取得了显著的效果，解决了普通灌浆浆液材料灌注效果不佳的难题。

3 速凝水泥膏浆特性

速凝水泥膏浆是在普通水泥浆液中掺入大量的黏土、膨润土、粉煤灰等掺合料及少量外加剂混合搅拌而成的低水灰比的膏状浆液。通过不同掺量的外加剂和浆液中的其他掺物进行一系列的反应可以改变膏浆浆液的凝结时间，使浆液的初始剪切屈服强度可以克服其本身重力的影响。其主要性能是抗水流冲释性能和快速自堆积性能，有利于节理裂隙开度较大的岩体或堆石体架空地层的灌浆。

3.1 抗水流冲释性能

速凝水泥膏浆浆液中含有大量的黏土、膨润土、粉煤灰等掺合料，黏土的粘接作用和抗渗透作用使膏浆成为一个整体。流动的水流不能进入膏浆内部，从而使膏浆浆液中的水泥颗粒、黏土颗粒不会产生离析现象。此时的流水只能从膏浆的边缘进行淘刷，使膏浆中的掺物颗粒逐步从其外围产生离析，而不会像普通水泥浆液、砂浆等那样遇到水流就产生离析，因此水泥膏浆具有一定的抗水稀释能力。

由于膏浆的抗水稀释能力，使得膏浆体能形成一个整体来抵抗水流的冲刷。因此要使水泥膏浆产生流动，流水的流速或者冲刷强度应大于膏浆的剪切屈服强度。而水泥膏浆的剪切屈服强度也会随着时间的延长而逐渐的增大，使其自身具有相当大的抗冲释能力。

3.2 流动特性和扩散特性

水泥膏浆是典型的宾汉流体，其流变特性可以用下式表示:

式中 τB——宾汉流体的剪切屈服强度;

η——宾汉流体的塑性粘滞系数。

速凝水泥膏浆浆液灌浆与普通高含水量水泥浆液灌浆相比较，两者浆液在相同介质中的扩散形式完全不同。在用高含水量水泥浆液灌浆的情况下，岩体中裂隙的填充是由普通水泥浆液中的水泥颗粒在一定压力作用下流动，水泥颗粒在流动的路途中逐渐沉淀而形成的。发生这种情况的原因是因为，浆液的流动速度随着离灌浆孔的距离增加而逐渐减小，随着时间的延长，在离灌浆孔一定距离位置处便形成了由水泥细小颗粒构成的堵塞，通过这个堵塞，对水泥凝固不需要的多余水分就会被渐渐排除，从而达到灌浆结束要求。而当用水泥膏浆进行灌浆时，则形成明显的扩散前沿，在速凝剂的作用下，水泥快速达到初凝状态，随后水泥膏浆便形成较为坚硬而密实的水泥结石，使其后面的裂隙和小溶洞等就会被膏浆完全充填满。

3.3 触变性

速凝水泥膏浆具有触变性，主要体现在:当水泥膏浆承受的推力大于其自身的屈服强度时，膏浆体将会产生流动，随之出现典型的流体性质;若推力一旦小于其自身的屈服强度，膏浆体的粘度便会得到恢复，表现出其特有的固体性质。膏浆体这种固有的触变性在灌浆过程中的作用主要有:

(1)提高膏浆体的稳定性。在灌浆施工过程中，当浆体的运动速率减慢或者停止运动时，膏浆体结构的恢复使得水泥的细小颗粒不产生分层沉淀。

(2)灌浆施工过程便于控制。

(3)在大的破碎带或强冲蚀溶洞等特殊地层灌浆时，膏浆体特有的触变性可防止浆体流动过远，从而减少浆材的浪费;在地下水流速较大的地段灌浆时，膏浆体的触变性可提高自身的抗冲刷能力。

3.4 膏浆的速凝性

通过速凝水泥膏浆浆液中的速凝剂可以改变其自身的凝结时间这一作用，在普通水泥膏浆的基础上研制成了速凝水泥膏浆，从而加快了速凝高浆体的初凝速度，减少了急速水流对其自身的冲刷和稀释，并且也解决了普通水泥膏浆在水下凝结时间长不利于流水下的堵漏作业的难题。

4 在本电站溶洞堵漏施工中的运用

根据建设单位的要求以及节点目标的按期实现，施工单位对该地段进行了方案的选择和施工准备等工作。依合同要求，处理时间为75个工作日，进尺约10 000m，其中速凝膏浆灌注2 600m，稳定浆液灌注约7 400m。

由于上、下游排副帷幕灌浆主要是解决溶洞大渗流量问题及进行溶洞充填，因此主要采用速凝水泥膏浆灌浆进行施工。

(1)下游排副帷幕速凝水泥膏浆灌浆孔36个，距原设计防渗帷幕轴线1.5m，孔距1.5m，孔深均入完整岩石5m，灌浆孔分Ⅰ序和Ⅱ序，按自上而下灌浆工艺施工。灌浆段长和压力分别按照:第1段段长2m，压力0.8MPa;第2段段长3m，压力1.5MPa;第3段段长5m，压力2.0MPa;第4段及以下段长均为5m，压力2.5MPa。下游排36个孔灌前压水平均透水率为19.84Lu/m;经过速凝膏浆灌后，检查孔压水透水率最大值为1.82Lu，最小值为0.4Lu，平均值1.11Lu。

(2)上游排副帷幕速凝水泥膏浆灌浆孔35个，距原设计防渗帷幕轴线1.5m，孔距1.5m，孔深均入完整岩石5m，灌浆孔分Ⅰ序和Ⅱ序，按自上而下灌浆工艺进行施工。灌浆段长和压力分别按照:第1段段长2m，压力1.0MPa;第2段段长3.0m，压力2.0MPa;第3段段长5m，压力3.0MPa;第4段及以下段长均为5m，压力3.0MPa。上游排35个孔灌前压水平均透水率为12.60Lu;经过速凝膏浆灌后，检查孔压水透水率最大值为 0.9Lu，最小值为0.28Lu，平均值 0.59Lu。

对上、下游排副帷幕进行速凝水泥膏浆处理后，经灌后检查，均满足防渗要求，且下游出水点位置也没有山泉水流出。由于施工单位紧密、合理的安排，后期的主帷幕和补强帷幕灌浆工作均已按期施工完成，灌后检查透水率均满足设计防渗要求。溶洞段的成功处理，使其防渗效果和抗山体内涌水水头的冲力均得到保障，并为其他部位的施工和节点目标的顺利实现奠定了基础。

5 结束语

实际情况充分说明速凝水泥膏浆灌浆在本工程岩溶管道、溶洞防渗堵漏中起到了决定性的作用 ，且堵漏效果很好。经后期主帷幕以及补强帷幕稳定水泥灌浆的防渗补强，透水率均达到了设计防渗标准，从而使其他部位的防渗工作也得以开展，同时也为电站下闸蓄水发电目标的实现奠定了基础。因此，建议在今后的防渗工程施工中，在岩溶地区溶洞溶槽、地下暗河等特殊地层条件下的堵漏防渗工程中推广和应用。此项技术也可用在堆石坝、堆石围堰大块石架空等具有大孔隙率地层的防渗处理。