| 阀门堵漏-速凝膏浆技术研究与应用-华夏堵漏工程部 | | 修建大坝，拦水造库这是人们征服自然、改造自然，使其为人类造福的一个重要举措。随着国家社会和经济的发展，我国掀起了开发水能资源、兴库建坝的建设高潮。从施工布置分析，在主体坝体的建设过程中必须为坝体筑造提供无水的施工条件，因此一般要兴建挡水围堰。土石围堰由于其材料易得、施工简便等特点得到了大量的运用。一般地，在大江截流、土石围堰填筑完成后，马上就要进行土石围堰的防渗漏施工，在围堰闭气后基坑进行抽水，并尽早下基坑进行必要的施工，为基坑渡汛做准备。
由于施工工期比较紧，河流两岸边坡的土石开挖材料可以被利用为土石围堰的堰体材料，如小湾下游围堰、彭水土石围堰，这就有可能形成块石大架空地层的围堰[1]，从防渗角度分析，对块石大架空地层围堰进行防渗施工有如下特点：
⑴ 工程量大、工期短
土石围堰的轴线长度一般都在100m以上，其防渗深度可达到40m，因此土石围堰的防渗帷幕长度可达到数千米，如彭水围堰的帷幕长度为4500m[1]，小湾电站下游围堰帷幕长度为3673m[2]。而且，由于地层存在大量架空结构，地层的空隙率较高，为形成完整的防渗体系，所灌入的材料必须在防渗体附近完全充填这些空隙，因此材料的耗量比较大，如彭水的围堰防渗共耗费水泥10000吨以上[1]，施工的工程量巨大，同时由于需要渡汛，施工工期也很短，如彭水电站从大江截流到闭气只有3个月时间[1]。
⑵ 动水条件
由于施工工期短和围堰是临时建筑，很多土石围堰所做的粘土心墙质量较差，尤其是水下部分的心墙，或干脆就没有粘土心墙，加上围堰的架空结构比较严重，因此即使是在上下游水位差不大和渗径较长的情况下，在围堰中仍可能存在着流动水，且可能具有相当的流速。
⑶ 钻孔难度大
由于地层存在严重的架空结构和流动水，钻孔难度较大，采用泥浆护壁，泥浆的流失量会很大，因此需要采用跟管护壁的方式进行钻孔。
2 常用堵漏技术
高压灌浆堵漏、静压灌浆、混凝土防渗墙是比较成熟的土石围堰防渗施工方法，但运用在架空结构严重的土石围堰上，尤其是在施工工期很短时，都存在着一些难以克服的困难。
⑴ 混凝土防渗墙：在架空结构严重的地层中进行防渗墙施工，存在着护壁泥浆大量漏失的问题，不仅直接增加了泥浆的工程量，而且伴随着泥浆的漏失，容易出现塌孔、塌壁等孔内事故，将直接影响整个防渗的工期，并且架空结构地层中通常含有的大块石强度较高，对造孔施工造成很大的困难，施工工期也难以满足整体要求。
⑵ 高喷灌浆：高压喷射灌浆是利用土体在10～30Mpa压力下能被切割、破坏的原理，采用高压喷射流的冲击力，对土体产生穿射、切割、搅拌、挤压作用，破坏地基土而后被浆液置换、充填、混合，形成浆液与土粒混凝的防渗板墙结构。一般不适用于粒径在50mm 以上的砾石、卵石地基以及堆积松散，含有块石，存在大裂隙的基础[3]。在架空结构严重的围堰地层中进行高喷灌浆，对堰体很难产生破坏作用，因此实际上就是进行静压注浆。
⑶ 静压注浆： 在架空结构严重且有动水的地层中进行常规灌浆，灌浆过程可控性较差，尤其不能按照返浆或有压的标准结束，而采用定量的标准结束时，其效果的评价、可靠性等难以确定控制。已有的研究表明，普通硅酸盐水泥在水下，尤其是动水下凝结时间需要10个小时以上，甚至发生假凝或不凝现象。
因此在架空结构地层可以采用静压注浆结合充填级配料进行灌浆，或者直接灌注砂浆、低级配混凝土等，但仍没解决水下凝固时间长的问题，在动水下其灌浆效果不显著。
⑷ 双液灌浆： 采用双液灌浆（如水泥－水玻璃、AC-MS、控制性灌浆等）在架空结构严重且有动水的地层进行防渗施工，由于需要充填架空部位，在施工过程中容易发生堵孔事故，且其扩散范围和浆液的凝固等性能不好评价和控制，因此在施工过程中其效果评价和可靠性等难以确定。若结合充填级配料进行灌注，可能会取得比较显著的效果。
3 速凝膏浆技术
3.1 速凝膏浆的材料特性
水泥膏浆是指水泥浆中掺入粘土、膨润土、粉煤灰等掺合料及少量外加剂而构成的低水灰比的膏状浆液，其基本特征是膏浆的剪切屈服强度值大于其本身重力的影响[4]。水泥膏浆主要性能是其抗水流冲释性能和自堆积性能，可以用于节理裂隙开度较大的岩体或堆石体的灌浆，其流动性能符合宾汉流体特性。速凝水泥膏浆是在普通水泥膏浆的基础上加入一定量的速凝剂配制而成，采用速凝水泥膏浆堵漏可以缩短和控制膏浆的凝结时间，有利于动水条件下的堵漏和防渗，能节省灌浆材料和时间。
表1 重庆彭水电站所采用的膏浆物理力学性能指标[1]
编号 普硅水泥
/g 铝酸盐水泥
/g 膨润土
/g 水
/ml W/C W/S 初凝时间
/min 流变参数 3d强度/MPa 7d强度/MPa 28d强度/MPa
屈服强度/Pa 塑性粘度/Pa.s
1 200 50 200 500 2 1.11 >180 158 0.121 5.4 7.9 9.7
2 200 100 200 500 1.67 1.0 95 247 0.258 7.9 9.1 11.3
3 250 100 200 500 1.43 0.91 40 329 0.325 8.5 10.5 13.2
4 250 150 200 500 1.25 0.83 25 517 0.472 10.4 12.2 13.8
5 250 200 200 500 1.11 0.77 15 652 0.614 12.1 14.6 16.2
注：1. W/C指的是水和水泥的重量比；W/S指的是水和固体（膨润土和水泥）的重量比；温度为室温。
2.3d、7d、28d强度均指相应龄期的无侧限抗压强度。
速凝膏浆有四个主要的特征[5]：
①抗水流冲释性可以提高膏体作为整体抵抗水流的稀释和冲刷作用；
②宾汉体的流动特性和扩散特性可以使膏体能最大限度地充满架空地层；
③触变性可以提高膏浆的扩散范围和抗冲蚀能力；
④凝结时间可控性有利于膏浆适应于不同开度、不同流速的地层防渗施工，并可控制浆液的扩散范围。
3.2速凝膏浆的施工工艺
(1) 施工设备
膏浆可以利用常规水泥灌浆的孔位进行灌浆施工，因此钻孔不需要特别的设备，但速凝水泥膏浆与普通水泥浆在性质上有较大的差别，因此需要采用特制的搅拌系统和泵入系统进行速凝水泥膏浆施工。如中国水科院研制的M-1000大容量高效制浆机可以搅拌浓度>2.5Pa.s的膏浆[6]，且具有工效高、扭距大、寿命长、易于维护等优点。泵入系统可以采用混凝土泵、螺杆泵等进行膏浆施工。
⑵ 工艺参数
膏浆的施工工艺参数一般可以参照常规水泥灌浆进行，可以采用自上而下、分段填压式灌注；膏浆的配比参照水泥灌浆通常分为4～6级，通过浆液变换标准逐级变浓；结束标准一般可以分为孔口返浆或孔内有压（注意区分由于膏浆本身的粘滞阻力而产生的虚压力）两种结束标准。
膏浆的孔排距根据现场地层情况确定，由于膏浆的屈服强度较大，因此其扩散范围受到一定约束，故孔排距应比水泥灌浆的孔排距小。为进一步提高灌浆效果，可在两排膏浆灌浆孔中间设置一排水泥灌浆孔。
⑶ 特殊工艺
① 接力灌注法：由于膏浆自身的阻力较大，在运动过程中容易发热，会缩短浆液的凝结时间，且采用速凝材料，容易造成堵管和堵孔事故。同时在高流速、大开度的架空结构地层，对灌入的浆液要求不仅具有截断水流、自身凝固的特性，而且需要具有相当的流动性，能扩散到足够远的范围。采用接力灌注的方法，不仅可以大大减少堵管、堵孔事故发生的概率，而且由于灌浆泵直接位于所灌孔的附近，管路距离短，可以将相当稠度的膏浆泵入孔段内且在压力下扩散到一定的距离，实践表明在块石架空地层膏浆扩散范围可达到4～5m[7]。
② 膏浆的不连续灌注：在高流速、大开度地层进行堵漏灌浆通常采取的方法是提高浆液的灌注速度，使灌入的膏浆量远大于被水流冲走的膏浆量。利用速凝膏浆的自堆积、塑性粘度较高以及凝结时间可控的特点，在浆液扩散范围要求小于2m的地层中，可以考虑对速凝膏浆进行不连续灌注。即膏浆在孔径不大的灌浆孔（<160mm）中可以克服自身的重力，在孔内形成浆柱，将膏浆凝结过程放在灌浆孔内完成，再灌入新拌制的膏浆，将具有一定强度的孔内膏浆挤入裂隙里，此时连续灌入膏浆以使已凝结的膏浆扩散到尽可能远的地方。
③ 信息化灌浆：对于特大漏量和较高流速地层，速凝膏浆灌注难以奏效时，可结合采用孔内电视进行探测，判断灌段的地层情况、指导封堵措施，必要时可配合使用充填级配料、或采用模袋灌浆技术。
3.3技术经济性分析
⑴ 技术性分析
速凝水泥膏浆由于具有水下不分散、较强的抗水流冲释性能、自堆积性能及易控的凝结时间等，用于动水条件下的堵漏和防渗，能节省灌浆材料和时间，可以用于节理裂隙开度较大的岩体或堆石体的灌浆。
与常规水泥灌浆相比，具有灌浆过程易于控制，灌浆效果比较可靠，可减少浆液的浪费，且能在动水条件下凝结等优点，但需要专门的搅拌和泵入设备，施工工艺较复杂。
与混凝土防渗墙相比，膏浆施工具有造价低、工效高、施工工期、过程容易控制等优点，但防渗效果没有混凝土防渗墙可靠。
⑵ 经济性分析
根据水利部发布的《水利建筑工程预算定额》2001年，以某地为例，计算出的各种防渗方案直接费用如下：
常规水泥灌浆按干料耗量为1t/m，参照定额70072，单价为1199.57元/m,按两排孔距2m考虑，帷幕的单价为1199.57/m2阻水面积。
防渗墙施工参照定额70090、70179，单价为1564.99元/m2。
膏浆没有预算定额，参照定额 70072，单价为1298.43元/m。
3.4 膏浆及速凝膏浆的应用
⑴ 红枫水电站堆石坝体帷幕灌浆
红枫水电站大坝为木斜墙堆石坝，坝体上游干砌石楔形体为不规则块状灰岩，孔隙率达30％；下游部位为堆石体，孔隙率高达38％。防渗方案为坝体帷幕灌浆，经过大量的室内浆材试验及现场的灌浆试验在我国首次采用了抗剪屈服强度大的膏状浆液，由水泥、粉煤灰、粘土、赤泥和减水剂等多种材料混合而成，取得了良好的灌浆效果。
⑵ 海南龙塘水轮泵站坝基溶洞防水堵漏
海南龙塘水轮泵站基础上游发现漏洞30余处，某些洞口面积达25m2，由于库水渗漏，坝基第一层贝壳岩溶蚀形成空洞，坝底浆砌石底板已部分破坏，使坝基与坝身连通，坝体内填砂及坝基砂层被渗水携出。充分利用当地材料，坝基加固采用高掺粘土水泥膏浆材料，循环钻灌工艺，取得了较好效果。
⑶ 广西乐滩水电站10#坝基堵漏
广西乐滩水电站旧坝左河槽斜坡地段岩体溶沟、溶槽及溶洞、溶蚀裂隙较发育，旧坝基础存在严重渗漏问题。由前期孔内电视、压水试验、连通试验和施工渗漏资料分析，旧坝与一期围堰接头处存在溶槽、溶洞，充填物基本已被掏空。前期堵漏施工主要采取灌注砂浆、混凝土浆，灌注效果不显著。后经采用速凝膏浆灌注，下游漏水点的渗漏量与堵漏前相比有明显地减少，从采用膏浆前的500m3/h减少到基坑开挖时的150m3/h，减少率达到70%。
⑷ 重庆彭水电站围堰堵漏工程
重庆彭水电站围堰为土石围堰，大江截流、合龙后主要采用了高喷灌浆、静压注浆等措施进行围堰的防渗处理，对部分耗浆量大的孔采取了水泥－水玻璃双液灌注、控制性灌浆等处理措施，效果不明显。后采用速凝膏浆灌注，14天共完成防渗帷幕4500余米，灌入膏浆4000多方。闭气后经基坑抽水检查，围堰基坑内渗漏量与堵漏前相比有明显地减少，防渗效果显著，达到了预期目的。
4. 结语
⑴ 在架空结构严重的地层防渗处理中采用速凝水泥膏浆灌浆堵漏技术是可行且有效的，速凝水泥膏浆是适合该种地层堵漏的有效材料之一。
速凝膏浆具有遇水不分散和一定的抗水流冲释性能，具有良好的可灌性和可控性，与其他灌浆材料相比，具有灌浆效果明显、工效高、减少浆液浪费等优点。
⑵ 对于较大漏量地层的堵漏灌浆应对灌浆材料和灌浆工艺进行适当的调整和改进。目前我们已在室内试验出在普通速凝膏浆基础上加入增粘剂、增塑剂等外加剂的改性速凝膏浆，可以极大提高膏浆的粘性，增加膏浆的塑性和抗水流冲释能力。改性后的速凝膏浆泥浆用量较少，或不用泥浆，可以简化膏浆的施工工艺，节约灌浆成本。
⑶ 速凝膏浆有其特定的适用范围，对于特大漏量和较高流速地层的堵漏，速凝膏浆可能也无法满足要求，需要采取其他工艺和材料，如充填级配料、模袋灌浆等进行处理。
编辑：华夏堵漏工程部-堵漏
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