丹江口大坝高水头水泥-化学复合灌浆试验研究
2014-08-17，
，
(长江勘测规划设计研究有限责任公司 枢纽处，武汉 430010)
1 工程概况
丹江口水利枢纽是南水北调中线水源工程，初期工程正常蓄水位157.0 m，坝顶高程162.0 m，大坝加高后正常蓄水位170.0 m，坝顶高程176.6 m，最大坝高117 m。大坝加高前帷幕检测查明，19—32坝段防渗帷幕局部区域存在透水率超标(q>1 Lu)现象，超标孔段透水率一般为1～3 Lu，最大10 Lu，主要位于地质构造发育区和幕体下部的水泥灌浆区。超标区域检查孔普遍存在涌水现象，全孔最大涌水量7.2 L/min，最大涌水压力0.30 MPa。
帷幕补强灌浆在水库蓄水最大水头达65～80 m的高水头条件下进行，且坝基岩体细微裂隙发育，初期工程灌浆材料以水泥浆材为主，对水泥灌浆达不到设计防渗标准的部位又进行了丙凝化学浆材补灌。因此本工程补强灌浆难点与特点为：①动水条件下浆液被不断稀释、渗流冲刷及涌水反向挤出，成幕十分困难；②细微裂隙、多次复灌岩体的可灌性差，补强灌浆对灌浆材料的选取及其细度的要求极高；③涌水地层的灌浆施工通常要采用待凝与复灌等措施，有时同一段还会反复复灌、待凝，常规待凝时间为24～48 h，严重影响工程施工进度，因此，探索快速的施工工艺成为一项重要课题；④水源工程要求灌浆材料必须环保无毒。
为确保帷幕补强灌浆顺利实施，针对上述补强灌浆的难点与特点，及高水头帷幕灌浆工程实例调研，先行进行了现场灌浆试验研究。
2 高水头帷幕灌浆
江垭[1]、北岙坑[2]、三峡[3]、陈村[4]等大、中型水电站(水利枢纽)的高水头帷幕灌浆实践表明，高水头作用下灌浆难度大、工期长、投资高，灌浆效果的关键在于浆材的选择。水泥浆材的选择，一是从加快浆液初凝，提高早期强度，抵抗高水头涌水反向挤出的方向考虑，如：北岙坑水电站采用地勘水泥作为高水头帷幕补强材料；二是从浆材细度考虑，选择细颗粒的水泥浆材，以加大补强灌浆中微裂隙和多次复灌岩体的可灌性，如江垭水利枢纽的改性水泥高水头帷幕补强灌浆、三峡工程采用的湿磨细水泥高水头灌浆、陈村水电站采用的细水泥灌浆等。但高水头下在细微裂隙地层中，单独采用水泥灌浆，其效果往往不如人意，难以达到防渗标准，化学浆材的灌浆效果是毋庸置疑的，且化学浆材的胶凝时间可控，但由于化学浆材价格昂贵，因此在工程实践中往往采用水泥-化学复合灌浆，如江垭、三峡、陈村等采用水泥灌浆效果不佳后，又采用水泥-化学复合灌浆，取得了良好的灌浆效果。
水泥-化学复合灌浆中的水泥浆可以有效填充较大岩体裂隙，形成有利于化学灌浆的相对封闭区域，控制化学浆液的扩散范围，减少化学灌浆单耗，节省工程投资，同时由于宽大裂隙已被先灌注的水泥浆填充，也不存在单纯化学灌浆后机械性反向挤出的隐忧。
水泥-化学复合灌浆可分为排间复合、排内复合、孔内复合，各有其优缺点(见表1)，也都有成功的工程实例。
表1 不同水泥-化学复合灌浆的优缺点
3 试验方案设计
丹江口水利枢纽初期工程分别采用过普通水泥、磨细水泥及丙凝化学浆材灌浆，结果表明：普通水泥灌浆效果较差，磨细水泥灌后仍存在较多不合格现象，其可灌性与普通水泥效果差别不大；丙凝灌浆效果较好，说明材料的细度直接决定灌浆效果。基于以上分析，为节省工程投资，现场灌浆试验采用湿磨细水泥-化学浆材复合灌浆型式。
湿磨细水泥采用长江科学院生产的新型GSW高效水泥湿磨机将普通水泥浆液现场磨制而成，经现场2次取样，平均粒径D50分别为9.73 μm和9.36 μm。化学浆材采用新型AC-Ⅱ丙烯酸盐，该产品在毒性、湿抗压强度等方面均属国内领先水平，毒性检测为实际无毒。
复合灌浆试验分A1区和A2区2个子区(见图1)。
图1 水泥-化学复合灌浆孔位布置
A1区为排内复合灌浆，Ⅰ，Ⅱ序孔为湿磨细水泥灌浆，Ⅲ序孔为化学浆材灌浆。A2区为孔内复合灌浆，根据灌前压水透水率(q)进行选择，当q>2 Lu时，采用湿磨细水泥灌浆，灌后进行压水检查，如q<1 Lu则进行下一段钻灌，q≥1 Lu则采用丙烯酸盐化学浆材复灌；当q≤2 Lu时，采用丙烯酸盐化学浆材灌浆。
4 补强灌浆关键施工工艺
4.1 水泥灌浆
(1) 灌浆方法及分段长度：第1段(孔口段)采用常规孔内循环灌浆法并镶嵌孔口管，第2段及其以下各段采用“小口径孔、孔口封闭、孔内循环、自上而下分段”灌浆法，基岩段长划分：压水、灌浆分段均为第1段(孔口段)2 m，第2段3 m，第3段及以下各段一般为5 m，最大段长不得大于6 m。
(2) 灌浆压力：第1段灌浆压力为2.0 MPa，第2段灌浆压力为2.5 MPa，第3段灌浆压力为3.0～3.5 MPa，第4段及以下各段灌浆压力为4.0～4.5 MPa。若遇涌水现象，灌浆压力按设计灌浆压力+涌水压力控制。
(3) 待凝时间：针对湿磨细水泥灌浆，屏浆、待凝是解决涌水条件下灌浆成幕的一项有效手段，现场施工待凝时间采用6 h。
4.2 化学灌浆
(1) 灌浆方法及分段长度：采用“自上而下分段，孔内阻塞纯压式灌浆法”施工。基岩段段长划分同湿磨细水泥灌浆孔。
(2) 灌浆压力：第1段灌浆压力为1.5 MPa，第2段及以下各段灌浆压力为2.0 MPa。若遇涌水现象，灌浆压力按设计灌浆压力+涌水压力控制。
(3) 浆液的胶凝时间：根据灌前压水透水率(q)选择，q≤1 Lu时，胶凝时间采用50 min；1 Lu
由于缓凝剂掺量和施工现场环境温度、水质、涌水量对化学浆材的胶凝时间均有影响，因此灌浆施工前进行了现场浆材配比及胶凝时间试验。试验结果表明：对于有涌水的孔段，胶凝时间明显延长，甚至可达50%～100%。灌浆试验过程中对有涌水的孔段，胶凝时间根据透水率选择后视涌水情况适当缩短5～10 min，但为确保灌浆效果，胶凝时间不得短于30 min。
(4) 浆液的配制与变浆：为了防止浆液浪费，配浆应遵循少量多次的原则，第一次配浆量=(孔容+管容+泵容+压水每分钟流量)×10 min。灌浆过程中，若需加浆则根据孔内吸浆率来确定下次配浆量，原则上不需改变浆液胶凝时间，但当灌浆时间超过胶凝时间0.5～1.0倍还未达到结束标准时，可逐步缩短胶凝时间。
(5) 管路安装：根据灌浆段长下入塑料射浆管，射浆管距孔底≤50 cm。射浆管接在气囊式阻塞器底端，阻塞器阻塞在本灌段上部50 cm处。阻塞器上部接O|15 mm的钢管作为进浆管，回浆管采用O|15 mm的铝塑管。为防止灌浆时浆液通过裂隙绕阻塞器渗漏造成阻塞器被埋，在安装进回浆管的同时下入一根水管，以防灌浆绕塞时浆液胶凝造成阻塞器被埋。
(6) 回浆排水量控制：灌浆开始前，应置换管路和灌浆段内的水体，回浆量按孔容+管容+泵容控制，并根据涌水情况考虑1.15～1.20的系数。
(7) 灌浆压力控制：排水结束后，关闭回浆管方可开始升压灌浆计算实际灌入量，每5 min记录一次注入量。灌浆压力应与注入率相适应。
(8) 灌浆结束标准：在设计灌浆压力下，应灌至连续3个灌浆注入率的读数小于0.1 L/min方可结束。对于有涌水的孔段，应灌至孔内浆液胶凝。
(9) 特殊情况处理：灌浆过程中，有可能会出现灌浆孔孔壁不规则、阻塞器难以阻塞严实或浆液通过裂隙串至阻塞器上部的现象。若发生此现象，则灌浆过程中压力能升到设计压力则快速升压至设计压力，灌注10 min，待大部分浆液渗透到细小的岩石裂隙后，根据灌浆情况适当降低灌浆压力至1.5 MPa或1 MPa进行低压慢灌至结束标准。
5 试验成果分析
5.1 压水资料分析
复合灌浆完成14 d后，在A1区布置了2个压水检查孔，共计进行常规压水试验17段；A2区共布置了1个压水检查孔，共计进行常规压水试验7段。
A1区所有孔段的压水透水率均小于1 Lu，仅1段大于0.5 Lu，平均值0.097 Lu，而且检查孔灌后平均涌水量仅0.28 L/min、灌后平均涌水压力为0.05 MPa；A2区所有孔段的压水透水率均远小于1 Lu，最大值0.187 Lu，平均值0.093 Lu，而且检查孔灌后平均涌水量仅0.39 L/min，灌后平均涌水压力为0.06 MPa。由此可见排内复合和孔内复合的灌浆效果均较好。
5.2 声波测试成果分析
声波测试成果见表2，综合分析认为：灌后单孔和跨孔声波波速平均值有所提高，幅度一般在5%～6%，特别是分布于相对低波速区测点数所占的百分比降低幅度明显，说明复合灌浆效果良好。
表2 声波测试成果
5.3 疲劳压水成果分析
为验证复合灌浆后帷幕幕体渗透稳定性和耐久性，采用纯压方式进行疲劳压水试验。压水压力为1.0 MPa+涌水压力，纯压持续时间不少于48 h。疲劳压水试验成果见图2，透水率-时间曲线大致分2个阶段。
(1) 第1阶段：随着裂隙通道被压水充填，透水率由初始0.50 Lu逐渐降至0.11 Lu，历时大约4 h(发生时段0～4 h)。
(2) 第2阶段：自4 h直至压水结束，压力水未产生明显裂隙，透水率维持在0.11 Lu附近小幅波动，试验终止透水率为0.09 Lu(小于初始透水率)，历时长达44 h(发生时段4～48 h)。
图2 透水率-时间曲线
湿磨细水泥+丙烯酸盐化学浆材复合灌浆区耐久性压水试验成果表明，整个压水历时过程中，均未产生明显劈裂，且最终注入率较初始注入率降低，透水率稳定在低值区域，耐久性较好。
6 结 语
水泥-化学复合灌浆技术在处理丹江口高水头条件下帷幕补强灌浆中克服了高水头大涌水条件下帷幕成幕困难、岩体细微裂隙发育且经过反复灌浆，可灌性差等不利条件，主要结论如下：
(1) 水泥-化学复合灌浆具有处理效果好、节约投资及节省工期等优点，考虑施工方便，建议优先采用排内复合灌浆。研究成果直接应用于后期的工程设计和施工，实践证明效果良好。
(2) 针对高水头帷幕补强灌浆特点的化灌工艺安全可靠、操作方便、经济适用。
(3) 水泥-化学复合灌浆有效地解决了丹江口坝基帷幕补强灌浆问题，对其它工程高水头帷幕灌浆的实施具有很好的借鉴和参考作用。
参考文献：
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