超高渗透压力和超大流量条件下灌浆材料性能研究与应用

超高渗透压力和超大流量条件下灌浆材料性能研究与应用

何向红1管仕军2

(1.长江工程职业技术学院，湖北 武汉430212；

2.长江水利委员会工程建设局监理中心，湖北 武汉430000)

【摘要】超高渗透压力及超大流量条件下，隧洞工程的防渗技术研究具有重要意义。本文以锦屏二级水电站高压涌水处理方案为例，通过对膏状可控浆液、ch聚丙烯酰胺浆液、金沙浆环保型防渗加固浆液等特殊灌浆材料的试验测定和数据分析，总结研究了该类灌浆材料的特性和使用条件，对山区复杂环境条件下的类似工程提供了较好的借鉴意义。

【关键词】渗透压力；流量；防渗加固；灌浆材料

中图分类号：TV543

Research and application of grouting material performance under the

condition of super-high osmotic pressure and super-large flow rate condition

HE Xianghong1, GUAN Shijun2

(1.YangtzeRiverEngineeringProfessionalTechnologyInstitute,Wuhan430212,China;

2.YangtzeRiverWaterResourcesCommissionProjectConstructionBureauSupervisionCenter,Wuhan430000,China)

Abstract:Study of anti-seepage technology for tunnel project under the condition of super-high osmotic pressure and super-large flow rate has great significance. High pressure water treatment scheme in Jinping Stage II Hydropower Station is adopted as an example. Properties and use conditions of the grouting materials are summarized and studied through test measurement and data analysis on special grouting materials such as paste controllable grout, ch-polyacrylamide grout, Jinsha mortar environmental protection anti-seepage reinforcement grout, etc. Better reference meaning is provided for similar projects under the condition of complex environment in mountainous area.

Key words: osmotic pressure; flow rate; anti-seepage reinforcement; grouting material

1工程概述

锦屏二级水电站主要由4条长约16.7km的引水隧洞构成，最大埋深约2525m。混凝土衬砌后洞径为11.2m。埋深大、洞线长、洞径大为工程的主要特点。属于超深埋长隧洞暨特大型地下水电工程。

1.1地形地质情况

水电站地处青藏高原向四川盆地过渡的地貌斜坡地带，雅砻江为本区干流水系，锦屏山相对最大高差3150m。在高程4000m、 3000m和2200m左右存在三级夷平面；一级支沟切割较深，常形成跌水或瀑布，二级支沟多为干谷。

引水隧洞岩溶沿NWW～NEE向张性构造带、裂隙带发育，引水系统区1800～2000m高程以上岩溶发育相对较强，局部溶蚀，为良好地下水储存构造。

1.2涌水处理方案

锦屏二级东端1号、2号引水隧洞出水洞段出水量大于500L/s的有5个，其中最大出水压力0.65MPa，出水量680L/s。

按照“先探后掘，以堵为主，堵排结合”的处理原则，在高压富水段采用分流减压措施后进行灌浆止水，对突发性涌水采用快速封堵、分流减压、灌浆止水等应急处理方案。

2灌浆材料选择

复杂地质条件下的超高压堵水技术的应用中，灌浆材料直接影响堵水防渗和固结的效果，并牵涉到灌浆工艺和工程造价[1]。

3特殊灌浆材料研制

3.1新型膏状浆液

新型膏状可控浆液作为灌浆材料，通过调整可泵期和胶凝时间可控制宽大裂隙的封堵范围。

可泵时间长和抗冲性，一般意味着浆液缓凝；而凝结时间短，强度增长快，又要求材料具有速凝性[2]。具体试验数据如下：

3.1.1室内试验对比分析

3.1.1.1可泵时间的对比分析

如表 1所示，膏状可控浆液的可泵时间最短，比λ=0.45的纯水泥浆、砂浆可泵时间缩短近一倍，较λ=0.6的纯水泥浆可泵时间更短，且其初始流动性较好，具有更好的可灌性。

表1　水泥配比及可泵时间

3.1.1.2初凝、终凝时间的对比分析

如表2所示，膏状可控浆液的初凝、终凝时间均最短，能在灌浆后迅速粘结岩石裂隙，减少灌浆的漏失量。

表2　水泥砂浆配比及初凝、终凝时间

3.1.1.3稠化、初凝、终凝过程变化的对比分析

如图1所示，其他水泥浆、砂浆在凝结变化过程中的曲线相比，水灰比为λ=0.6的膏状可控浆液所需时间短，稠化速度更快。

3.1.1.4强度对比分析

水灰比均为λ=0.6 的膏状可控浆液和纯水泥浆强度对比曲线如图2所示，前者的强度比后者增幅近50%。

3.1.2外加剂1 号(减水剂)掺量对膏状可控水泥浆液性质的影响

针对 1号外加剂掺量多少对水泥浆的影响，进行了室内试验分析。

图1　可泵-初凝-终凝对比曲线 注　2号为速凝剂；3号为引气剂

图2　强度对比曲线

如表 3 所示： 1 号外加剂加量由少至多，呈现下凹性，且有一个加量的最大值为1.33%～2%，使得可泵时间、初凝时间、终凝时间都缩短，如图3所示。

表3　不同的1号加量对水泥浆参数的影响

图3　1号加量对水泥浆昂参数的影响曲线

3.1.3外加剂3 号对膏状可控水泥浆液性质的影响

针对3号外加剂(引气剂)掺量多少对水泥浆的影响也进行了试验分析。

如表4所示： 3 号外加剂加量由少至多，可泵时间呈现上扬的趋势，且在5%～5.6%的掺量范围，凝结时间较短，如图 4所示。

表4　不同3号加量对水泥浆参数的影响

图4　3号加量对水泥参数的影响曲线

3.1.4膏状可控水泥浆液的特点

从室内实验数据对比可知：随着外加剂 1、3号的添加量不同，浆液的可泵时间、初凝时间、终凝时间均处于可控状态，在可泵时间能够满足的同时，稠化速度也比普通水泥浆液或砂浆变化快，能快速地对岩体缝隙进行处理。

与普通水泥浆液相比，膏状可控水泥浆液不仅从可泵时间、初凝时间、终凝时间处于更适宜的状态，而且强度更高，提高20%～30%。 如表5所示。

表5　可控膏状水泥浆参数测试对比分析

该浆液与水泥水玻璃双液相比，早期强度较高，能抵抗一定流速水流冲击；后期强度增长明显，耐久性较好；可采用单液灌浆，施工操作简便，利于节约。但造价过高，大约相当于普通水泥浆的10倍，如果采用现场配制，则灌浆成本将显著下降。

3.2金沙浆环保型防渗加固灌浆材料

金沙浆环保型防渗加固灌浆材料，在处理高压渗透水方面成果较为显著。

金沙浆系列灌浆材料是基于自然界岩石的主要构成成分如Ca、Si、Mg、Al、Na等，其黏度低，与水接近，与混凝土、岩层、砂层、泥土层均有良好的渗透性和极佳的亲和力，可形成强度较好的岩体。浆液的操作时间和固化时间可以通过硬化剂掺量任意调整，是一种可灌性很好的环保型止水灌浆材料。

该材料作为快速止水防渗灌浆材料，可根据工程需要调整硬化剂配比，实现浆液快速固结止水，在有压流动水存在的条件下，可在几秒钟内固结止水，纯浆液固结体强度在 24h可达0.3～0.5MPa。

3.2.1技术指标

具体物理性能指标见表6。

表6　金沙浆技术参数

3.2.2材料性能特点

3.2.2.1浆液操作性能

金沙浆黏度低，与水的黏度相近并与岩石、砂层、混凝土等物质亲和性好，设置硬化剂配比，浆液操作时间可由几分钟到十几小时任意调节，具有良好的渗透性和可灌性。

金沙浆各配比操作性能见表7。

表7　金沙浆各配合比操作性能统计

3.2.2.2耐久性

浆液固化过程中体积不发生变化，固化度 100%。固化物不溶于水，无可逆反应。固化物具有超长耐久性能，与岩石的寿命一致。砂层或风化岩石经金沙浆固结后，力学强度逐步增强。

3.2.2.3环保安全性能

金沙浆全部由无机材料组成，不含任何有机或有毒成分，使用过程中安全隐患少，是真正意义上的环境友好型产品。

3.2.3浆液配合比

可根据工程需要，调整硬化剂配比(见表7)，实现浆液快速固结止水。用作止水的纯浆液，其固结强度在24h可达0.3～0.5MPa。

3.3水泥-ch聚丙烯酰胺双液材料

水泥-ch聚丙烯酰胺双液材料由水泥浆液和ch聚丙烯酰胺按一定比例混合配制而成。该浆液既具有水泥浆的优点，又兼有化学浆液的一些特点。其凝胶时间能在几秒钟到几十分钟内任意调节，灌后结石率可达 100%，可灌性比纯水泥浆显著提高。

a.当一定水灰比的水泥浆液与ch聚丙烯酰胺混合时，随着ch聚丙烯酰胺量的增加，浆液的凝结时间逐渐缩短，但ch聚丙烯酰胺超过一定的比例后，浆液的凝结时间转变为逐渐加长。将对应于凝结时间最短的ch聚丙烯酰胺占水泥浆液体积的百分数称之为“凝结转点比值”。 具体见表8。

表8　双液配合比、浆液性能参数

b.由试验室统计数据得出： 0.5∶1 浆液比级中，若掺加 3%～5%ch聚丙烯酰胺，其胶凝时间为1.6～2s，能实现快速封堵表面裂隙，减少浆液流失，形成一定的止浆岩盘；若掺加 8%～10%ch 聚丙烯酰胺，其胶凝时间为 5～8s，初凝时间为 10～34s，能将浆液推入一定深度后并使其尽快凝固，适合于主出水孔、分流孔的堵水灌浆。

4工程应用

a.新型膏状浆液。膏状浆液能快速地对岩体缝隙进行处理，在大孔隙地层的扩散范围具有良好的可控性，早期强度较高．后期强度增长明显，耐久性较好。对锦屏二级水电站东端1号、2号引水隧洞的出水裂缝进行灌浆处理，取得了很好的效果：节约材料，效率提高。

b.金沙浆环保型防渗加固灌浆材料。在处理高压渗透水方面成果较为显著。本工程采用A∶B=1∶0.12 主灌浆、A∶B=1∶0.2速凝浆，用于隧洞渗水量大的部位以及灌浆结束后的封孔，效果良好。

c.水泥-ch 聚丙烯酰胺双液材料。通过调整配比掺量既可快速胶凝、封堵表面裂隙，又可使浆液灌注到一定深度后胶凝，实现深层堵水目的。本工程在区域地下水处理中，对线状流水、裂隙水或外水压力不大的灌浆孔，通过调节水泥-ch聚丙烯酰胺双液材料凝结时间，控制浆液的扩散半径，达到快速封堵裂隙通道，截断水流源头的效果。

5结语

总之，锦屏二级电站在超高压大流量涌水情况下，采用合理的封堵措施和新型的灌浆材料，为工程顺利完工起到了关键作用，为相关工程提供了良好借鉴。

参考文献

[1]DL/T 5148—2001水工建筑物水泥灌浆施工技术规范[S].北京：中国电力出版社，2001.

[2]孙钊.大坝基岩灌浆[M].北京：中国水利出版社，2004.

[3]王春燕.特种技术在锦屏辅助洞高压突涌水治理工程中的应用[J].科技资讯，2013,(34):52-56.