复合不分散浆材模拟灌浆试验研究

王 晓 飞

(中国水电基础局有限公司三公司，四川 成都 610213)

0 前 言

传统水泥膏浆是通过在水泥浆中掺加一定量的辅助材料搅拌而成的稳定浆液，中国先后在贵州省乌江上游红枫水库、小湾水电站、托口水电站等工程应用推广和创新。但近年来还有许多受到大渗漏、高压力、大流量涌水地层影响的病险水库的渗漏问题没有得到有效地治理，而该地质条件下需要的高性能灌浆材料仍是当前灌浆技术中一个急需解决而又未完全解决的难题。通过复合不分散浆材模拟灌浆试验研究，将进一步验证复合不分散浆材在上述复杂地层中的适用性，为今后类似地层处理提供借鉴。

1 试验背景

泸定水电站坝基补强灌浆工程是在超过60 m的高水头动水条件下进行灌浆施工，其中在孔深130～154 m范围内地层中细颗粒含量较低，以卵砾石层为主，涌水压力普遍在0.4～0.6 MPa之间，涌水流量普遍在50～100 L/min之间，常规的膏浆在动水条件下难以留存，需要一种性能更佳同时具备速凝、抗冲和一定扩散性的浆材，为泸定水电站补强帷幕灌浆工程的实施提供技术支撑。

2 试验目的

(1)进行铁桶模拟灌浆试验，研究复合不分散浆液灌注的可灌性、扩散性、灌浆充填效果等参数；

(2)进行水渠通水模拟抗冲试验，研究复合不分散浆液在高速水流下的抗冲性和留存性；

(3)进行高压水条件下模拟灌浆试验，研究复合不分散浆液在类似泸定项目实际动水压力的条件下，验证浆液的扩散性、抗冲性、速凝性和留存性。

3 试验内容

3.1 复合不分散浆材性能

通过多种浆材对比试验发现，采用硫铝酸盐水泥为基材，通过掺加多种外加剂配置而成的复合不分散浆材性能最优，加水拌制时间为3 min，拌制好的浆液初凝时间为40～60 min，浆液扩散度为10～13 cm(3SNS灌浆泵即可灌注)，在水中具备良好的不分散性能。复合不分散浆液性能见表1。

3.2 铁桶模拟灌浆试验

3.2.1 铁桶模拟试验

铁桶模拟试验如图1所示。

表1 复合不分散浆液性能

图1 灌浆试验模型装置示意

3.2.2 试验集配料

试验所用砾石集配料物理性质如见表2。参照DL/T 5151—2001《水工混凝土砂石骨料试验规程》进行参数测定。

表2 试验砂砾石集配料物理性质

3.2.3 试验步骤

按设计要求制作灌浆试验模型装置，用橡胶条密封桶体周围防止灌浆过程中漏浆，将特定级配砂土装入试验箱体中，箱体和砂土之间放置土工布，防止压水或灌浆过程中砂土冲出桶体。按照各种浆材配比配制浆材，将拌制好的浆液灌入储浆容器，准备灌浆；开始灌浆。开启灌浆泵和管道节阀，不断调节灌浆压力，使得压力表示数趋于稳定到设计灌浆压力，观察并记录浆液的流动情况，压力传感器记录孔隙水压的变化；停止灌浆。当储浆容器中浆液注完或者浆液不再进入或者浆液流动范围基本不变时停止灌浆；待浆液凝固后打开试验箱体，观察并记录容器内部浆液的分布和扩散情况，对试验数据整理分析并研究其扩散规律。

3.2.4 灌浆试验

考虑动水影响，采用饱和砾石料进行试验，灌浆压力1.0 MPa，动水流量25 L/min，复合不分散浆液灌浆模拟试验。

将装在桶中的砾石提前通过下部进水口通水饱和，以模拟真实地层。将灌浆管路、压力计、流量计、空气包，稳压器、射浆管接好，进行管路通水试验确保管路密封完好。接通水龙头放水，从桶体另一侧水龙头流出，测试涌水流量25 L/min，灌浆过程中持续打开水龙头，模拟流动水状态。制备好体积为250 L的复合不分散浆材准备灌浆，开灌流量为10 L/min，尽快达到设计压力，持续灌注，上部出水口先是自来水清水流出，流量变大，约100 L/min，随着灌浆持续进行，流水逐渐浑浊，直至上部出水口有复合不分散浆液排出，闭浆30 min，灌浆结束。灌浆过程中压力和流量均很稳定。灌浆过程中未出现上部盖重密封不严实稍微有漏浆的情况，灌浆达到设计量(约120 L)时，上部出浆口出现浆液渗出的情况。

24 h后将铁桶切开，观察浆液在砾石料中的状态。通过打卡铁桶，桶下部及周围砾石料呈紧密固结状态，切掉铁桶周边，复合不分散浆材砾石料固结体完好，桶上部和外部轮廓被复合不分散浆液包裹。全部切开桶体全面清理之后，用水枪清洗，观察固结体为桶体圆柱状浆液砾石料结石体。分析由于复合不分散浆材为颗粒溶液，黏稠度较大，抗冲性能良好，在动水条件下，很容易在砾石料层中扩散，表现为整个桶体射浆管周围充填灌浆方式。从固结体的状态来看，复合不分散浆材在砾石料层中灌注的扩散范围较大，抗水流冲击浆体残留率较高，充填效果较理想。

72 h后进行取芯试验，采用Φ75 mm钻具取芯，芯样结实率高，充填效果良好，通过钻孔取芯结石强度试验(见表3)可以看出芯样结石强度较高，与浆材室内强度接近，考虑到现场灌浆及养护条件，强度略有降低是正常的情况。从芯样结石体状态来看，复合不分散浆材在砾石料层中充填效果良好。为了更进一步了解浆液在砾石中的扩散状态，将取芯孔外侧切开，观察浆液固结体的状态，可以明显看出复合不分散浆液在砾石层中扩散良好，固结紧密。

表3 芯样结石强度测试结果

3.3 水渠通水模拟抗冲试验

考虑到地层中存在大孔隙架空地层，因此本试验采用块石堆积体模拟坝体，块石的粒径约为5～30 cm，在水渠上游侧持续通水，流量约为60 L/min，流速约为2 m/s，采用复合不分散浆液进行灌浆模拟试验。

通水后，将拌制好的复合不分散浆液从堆石体上方倒入，每桶浆液体积约15 L，在倒入的过程中显示下泄的水流逐渐减小，在倒入2桶浆液后，下泄水流完全中断，浆液已将局部堆石体内的孔隙完全填充，且在浆液倒入过程中，浆液基本未被下泄水流带出，下泄水流基本清澈。

试验完成后，保持水渠上游侧60 L/min的通水不间断，50 min后浆液已初凝，24 h后浆液感官强度已较高(现场进行了踩踏试验)，通过持续观察，从灌浆结束到初凝前，水渠处于持续通水状态，即使水流超过了浆液堆积体上部，但也未将浆液带走，下泄水流一直清澈，说明复合不分散浆液抗冲性能良好。

3.4 高压水条件下模拟灌浆试验

考虑地下水影响，采用饱和砾石料进行试验，灌浆压力1.0 MPa，动水流量为25 L/min，动水压力为0.55 MPa，复合不分散浆液灌浆模拟试验。

试验采用圆铁管中间开槽安装进浆口方式，圆铁管中装满砾石料，圆铁管一端通水，控制水压和流量，从另一端流水如图2所示。从进浆口注浆，复合不分散浆液，在一定时间内灌注浆液复合不分散浆液使得圆铁管中不在流水，关闭进水阀，结束灌浆。

在岩芯管中装满砾石料，两边采用钢丝网，防止石料被水流冲到较细的出浆口堵塞管路，从进水口进水，控制水压0.55 MPa和流量20 L/min，从另一端流水。从进浆口注浆，控制进浆压力0.6 MPa和流量30 L/min，注入复合不分散浆液，在一定时间内灌注浆液复合不分散浆液使得圆铁管中不在流水，关闭进水阀结束灌浆。

复合不分散浆液凝结时间为46 min，试验结束后约46 min后，从进水管通水，打开出浆口节阀，采用控制水压0.55 MPa和流量20 L/min，通过水流顶开浆液固结体未达到效果，继续加大压采用控制水压1.5 MPa和流量80 L/min才将浆液固结体顶开，出浆口出现坨状或段状膏浆。从试验结果来看，复合不分散浆材在动水流条件下砾石料层中抗冲效果良好，浆液达到较好的存留。

4 试验成果分析及结论

(1)通过铁桶模拟灌浆试验表明，采用复合不分散浆液处理砾石层，由于地层孔隙率较大，稍给压力就可以达到灌注均匀、充填密实的效果，有效孔隙填充率达80%以上，灌注过程中应限流灌注，流量控制在20～30 L/min为宜，不宜高压力劈裂灌浆。

(2)通过水渠通水模拟灌浆试验中表明，复合不分散浆液具备良好的抗冲性，同时具备速凝性能，在动水条件下留存性能较好。本工程后续实施过程中采用的浆液凝结时间为60 min，既能满足灌注所需的操作时间，又能满足浆液的扩散需要，凝结时间根据工程实际情况调整，如灌浆管路长度和地层动水情况、扩散半径等参数确定。

(3)通过高压水条件下模拟灌浆试验表明，复合不分散浆液在高压水条件下抗冲性能和留存性能良好，浆液达到较好的存留。

综上，通过上述三项模拟灌浆试验，验证了复合不分散浆材的性能优良，为后续泸定水电站补强帷幕灌浆的施工提供有利的技术支撑。后续通过泸定水电站补强帷幕灌浆的应用，在检查孔取芯时发现浆液与原地层结合情况良好，取芯率较高，检查孔透水率基本符合设计要求，充分验证了复合不分散浆材在大渗漏、高压力、大流量涌水地层的灌注是可行的，过程中经过多次会议评审，得到了有关权威部门的一致认可。

同时，这也开创了病坝处理无需放空就能够施工的先例，按照泸定电站设计正常蓄水位平水年的发电量为37.8亿(kW·h)/a计算，可减少电站发电损失约10亿/a，通过本期补强灌浆处理，保证了工程的长期安全稳定运行，极大推进了泸定电站的最终验收事宜。