丹江口大坝水泥灌浆帷幕耐久性研究

李晓鄂，李 珍

（长江科学院a.材料与结构所；b.水利部水工程安全与病害防治工程技术研究中心；c.国家大坝安全工程技术研究中心，武汉 430010）

丹江口大坝水泥灌浆帷幕耐久性研究

李晓鄂a，b，c，李 珍a，b，c

（长江科学院a.材料与结构所；b.水利部水工程安全与病害防治工程技术研究中心；c.国家大坝安全工程技术研究中心，武汉 430010）

为了解丹江口大坝初期工程河床坝段防渗帷幕的耐久性，对后期补强灌浆提出建议，采用理化分析及渗透试验等方法对帷幕中的水泥结石进行了相关试验研究。结果表明：多数检查孔芯样中的水泥结石水化产物结构较致密，矿物成分和化学成分未见明显异常；胶结较好的水泥结石芯样抗渗性能较好，渗漏溶蚀出的CaO少，且随着渗透时间延长，CaO的溶蚀速率减缓；对于水泥结石致密的帷幕，估算的防渗有效年限为100年以上，说明水泥灌浆帷幕抗溶蚀耐久性较好；个别坝段的水泥结石存在较明显的CaO溶出现象，需进行补强灌浆处理。

丹江口大坝；水泥灌浆帷幕；耐久性

1 概 述

丹江口水利枢纽初期工程正常蓄水位157.0 m，坝顶高程162.0 m，大坝加高后的正常蓄水位170.0 m，校核洪水位174.4 m，坝顶高程176.6 m，加高后正常蓄水位较初期将抬高13 m。大坝加高工程挡水建筑物由河床及两侧岸坡混凝土坝和两岸土石坝组成，总长3 446 m。混凝土坝段均设有基础灌浆廊道，初期工程中对右5＃、右6＃及3＃至32＃坝段全部进行了防渗帷幕灌浆处理。其中右5＃、右6＃、3＃、8＃、12＃及13＃等坝段设一排主孔，其余坝段设主、副两排帷幕灌浆孔。对细微裂隙发育的9＃至10＃、14＃至16＃、21＃至28＃坝段，还在两排灌浆孔之间增设了加强排，一般采用普通水泥浆灌注，加强排采用磨细水泥及丙凝浆液灌注。河床坝段坝基防渗帷幕建成后已运行近40年，大坝加高后其运行条件发生变化，上游水头更高，原防渗帷幕能否满足加高后的防渗要求，帷幕的耐久性如何，成为丹江口大坝加高工程备受关注的问题，为此开展了帷幕防渗效果和耐久性现场检测及室内试验研究。室内试验样品为现场钻孔取芯所得，芯样直径为91 mm，芯样上可见基岩裂缝中充填有水泥结石。

本文根据水泥结石的化学成分、矿物成分和微观结构、芯样抗渗性能、结石抗溶蚀耐久性等试验结

2 试验方法

2.1 化学成分和矿物组成分析

将芯样中的水泥结石研磨制备成通过0.08 mm筛的粉状样品，分别取样分析其化学成分和水化产物的矿物组成，化学成分分析采用X射线荧光光谱仪测试，矿物组成分析采用X射线衍射仪测试。

2.2 微观结构

从芯样中取出灌浆水泥结石，将结石切割成满足电镜试样台要求的大小，对试样表面进行喷涂导电层处理后，采用扫描电子显微镜对其微观结构进行观测分析，通过其显微结构形貌了解水泥水化产物的状态。

2.3 抗渗性能和溶蚀耐久性试验

为了解灌浆水泥结石的防渗效果，用作抗渗试验的芯样裂缝应贯穿两端并被水泥结石胶结。选取满足要求的芯样将两端锯平，放入上口直径175 mm，下口直径185mm，高150mm的试模中，在芯样周围浇筑混凝土，浇筑高度与芯样长度平齐，制成抗渗试验试件，待制好的试件在标准养护室养护14 d后，按SL352－2006《水工混凝土试验规程》进行抗渗试验。在抗渗试验基础上，选取部分芯样进行渗透溶蚀试验，测试在模拟水头（60 m）作用下含水泥结石芯样的渗水量和CaO溶出量随时间的变化。

3 结果与讨论

3.1 化学成分分析

从含有水泥结石的芯样中选取6组芯样取其裂缝中的水泥结石进行化学成分分析，结果见表1。

从表1可以看出，除J32样品外，其余样品主要化学成分含量差异不大，均为氧化钙（CaO）、二氧化硅（SiO2）、三氧化二铝（Al2O3）及三氧化二铁（Fe2O3），CaO／SiO2在1.6～2.6之间，而从烧失量结果来看，水泥水化产物比较稳定。

J32样品中CaO含量减少很多，SiO2含量较高，CaO／SiO2仅为0.3，且烧失量也较小。主要原因为31＃坝段坝基存在F609断层，初期工程未进行丙凝灌浆，可能存在渗漏，水泥结石被渗水逐渐侵蚀，CaCO3和Ca（OH）2变成可溶的重碳酸钙Ca（HCO3）2和CaSO4，使CaO不断溶出，而水泥水化产物水化硅酸钙凝胶需要在一定的Ca（OH）2浓度下才能保持稳定，随着溶蚀的不断进行，最终会引起水化硅酸钙凝胶分解。因此，可见J32所在处的灌浆水泥结石存在渗漏溶蚀现象，会影响灌浆防渗帷幕的防渗效果。此结果与坝基渗流量监测成果分析资料给出的31＃坝段渗流量占防渗板基础灌浆廊道总渗流量的比例增大相一致。

3.2 矿物组成分析

上述6组芯样中的水泥结石X－射线衍射分析结果见表2。的相应分解，使水泥结石的结构向疏松多孔结构发展，将降低灌浆帷幕的防渗效果。

表1 水泥结石化学成分分析结果Table 1 Chem ical constituents of cement stones

表2 水泥结石矿物组成Table 2 M ineral constituents of cement stones

3.4 抗渗性能

J28和J29两个检查孔芯样的抗渗试验结果见表3。J28为基岩裂隙灌浆的样品，J29为封孔水泥与基岩胶结的样品。

从表2可以看出，各芯样水泥结石都含有主要水化产物水化硅酸钙和氢氧化钙，但J32结石中这2种水化产物含量较其它样品低，特别是氢氧化钙含量很少，结合以上化学分析结果，可见由于氧化钙的不断溶出，使水泥水化初期形成的水化产物发生变化，形成硅酸钙石、粒硅钙石、硬硅钙石等矿物。

3.3 微观测试分析

采用扫描电子显微镜观测了6组水泥结石的微观结构（图略）。镜下观测水泥水化产物的状态表现为水化铝酸钙呈针棒状，氢氧化钙晶体呈棱柱状，水化硫铝酸钙呈六边形片状或不规则薄片状，钙矾石呈针状，水化硅酸钙呈无定形状相互穿插生长成晶网填胶结构。除J32样品外，这种晶网填胶结构一般较致密，但J32样品水化产物间相互搭接较差，结构较疏松，说明由于CaO的溶出及其它水化产物

表3 抗渗性能试验结果Table 3 Results of seepage tests

从表3结果来看，各试件抗渗水力坡降离散性较大，对水泥结石胶结较好的芯样抗渗性能较好，抗渗压力可达0.5 MPa以上，渗水坡降可达300以上。

3.5 溶蚀耐久性试验

通过测试模拟水头作用下含水泥结石芯样的渗水量和CaO溶出量随时间的变化对防渗帷幕的抗溶蚀耐久性进行定性分析，为推测水泥帷幕耐久寿命提供依据。试验结果见表4和表5。

表4 累计渗水量试验结果Table 4 Accumulated volume of seepage discharge of different samp les

表5 累计CaO溶出量试验结果Table 5 Accumulated volume of corroded CaO of different samp les

从表4结果可以看出，在试验初期，试样渗水量较大，特别是3＃和9＃试样渗水量比其它3个样大很多，但随渗透试验时间延长，渗水量呈下降趋势。从表5结果来看，CaO溶出量与渗水量多少和水泥结石多少有关，如3＃和9＃试样渗水量较大，但从试样看，9＃试样中水泥结石明显多于3＃试样（3＃试样裂缝相对较细且含有丙凝胶体），因此溶出的CaO较多；3＃试样虽然渗水量较大，但因水泥结石少，CaO溶出量较少；12＃试样的渗水量较小，但试样几乎一半为水泥结石，因此过水面的水泥结石较多，CaO的溶出量也较大。总体来看，除9＃试样外，各试样在试验初期溶出的CaO较多，随试验时间延长，CaO的溶出量呈下降趋势，试验至28 d以后，试样每天的CaO溶出量已很小。

溶蚀试验结果表明，对胶结良好的芯样渗漏量小，渗漏溶蚀的CaO少，且随着渗透时间延长，渗漏量呈下降趋势，CaO的溶蚀速率减缓，CaO仅微量溶出，说明水泥结石抗溶蚀耐久性较好。

4 初期工程水泥帷幕耐久寿命预测

研究水泥灌浆帷幕的耐久性，应对形成帷幕的胶凝材料进行分析，初期工程帷幕灌注材料主要为硅酸盐水泥。从前述试验结果可知，帷幕中的水泥结石主要由水化硅酸钙、氢氧化钙、水化铝酸钙、水化硫铝酸钙、钙矾石水化产物构成，这些水化产物决定了水泥结石的特性。一般情况下水化物是稳定的，但在坝基的渗流场中，这些水化物与渗透水流中的各种离子相互作用、迁移转化，从而破坏水泥结石的结构，同时也改变了渗透水流的化学成分。渗透水流对灌浆帷幕中水泥结石的侵蚀主要有溶出型侵蚀、碳酸型侵蚀、一般酸性侵蚀、硫酸盐侵蚀、镁盐侵蚀5种。丹江口大坝加高帷幕目前主要是溶出型侵蚀，即渗水对水泥结石中的Ca（OH）2产生侵蚀破坏，使其变成可溶的Ca（HCO3）2和CaSO4的过程。CaO的溶出速率（溶出量和原有内部总量之比）与水泥灌浆的结石强度衰减程度密切相关，前苏联学者通过试验得出，当CaO的累计溶出率大于25%时结石强度将急剧下降。本文以芯样中水泥结石的CaO含量为计算依据，将CaO溶出量达25%作为极限指标，尝试由此来估算水泥灌浆帷幕的安全运行寿命。

根据溶蚀试验样品中水泥结石含量计算的CaO累计溶出率见表6，J28和J29检查孔溶蚀试验结果得出的CaO平均累计溶出率作曲线如图1。

从图1可以看出，P-t曲线类似于幂函数P＝atb，对2组数据进行回归分析与曲线拟合，J28及J29芯样的P-t曲线分别如式（1）和式（2）所示：

式中：t为CaO溶蚀时间（d）；P为CaO累计溶出率（%）。

以P＝25代入式（1），求得J28检查孔水泥结石芯样溶蚀耐久性寿命约184年；以P＝25代入式（2），求得J29检查孔水泥结石芯样溶蚀耐久性寿命约278年。

试样编号芯样编号取样深度／m累计CaO溶出率／% 3 d 7 d 14 d 21 d 28 d 60 d 3＃J28 35.9～36.3 0.004 0.007 0.009 0.010 0.012 0.017 7＃J28 52.8～53.0 0.003 0.004 0.004 0.005 0.005 0.006 9＃J28 37.3～37.48 0.004 0.014 0.039 0.059 0.075 0.113 10＃J29 13.2～14.3 0.006 0.013 0.019 0.024 0.028 0.033 12＃J29 13.2～14.3 0.018 0.091 0.131 0.146 0.155 0.180

图1 累计CaO溶出率P与溶蚀时间关系曲线Fig.1 Curves of accumulated corrosion rate P of CaO versus corrosion time

由于J29检查孔水泥结石芯样溶蚀耐久性寿命相对较大，因此以J28检查孔溶蚀耐久性寿命推求其它检查孔水泥结石溶蚀耐久性寿命是偏安全的。根据前述的芯样水泥结石化学成分分析结果中的CaO含量，比照J28检查孔芯样的溶蚀耐久性寿命，可推求出防渗性能未见明显下降的其它检查孔芯样的水泥结石的溶蚀耐久性寿命（按直线比例近似推求），结果见表7。

根据表7水泥结石耐久寿命推算结果，对于芯样完整、水泥结石致密的芯样，其溶蚀耐久性寿命均在100年以上，仍能满足设计年限。

表7 水泥结石溶蚀耐久性寿命推算结果Table 7 Calculated durability of cement stone against corrosion

5 结 论

多数检查孔芯样中的水泥结石水化产物结构较致密，矿物成分和化学成分未见明显异常。个别检查孔中的水泥结石化学成分及矿物成分与其它明显不同，存在较明显的CaO溶出现象，其水化产物间相互搭接较差，结构较疏松，所在坝段存在渗漏溶蚀危害。水泥结石胶结较好的芯样抗渗性能较好，渗漏坡降可达300以上，在模拟水头作用下，芯样渗漏量小，渗漏溶蚀的CaO少，且随着渗透时间延长，渗漏量呈下降趋势，CaO的溶蚀速率减缓，说明水泥结石抗溶蚀耐久性较好；对于水泥结石致密的帷幕，估算的防渗有效年限约为100年以上，仍能满足设计年限。对于存在渗漏溶蚀危害的坝段，水泥结石不够致密，随着时间延长其帷幕防渗效果将不能满足设计要求，需进行补强灌浆处理。

［1］ 刘斌云.水泥灌浆帷幕的耐久性分析［J］.水利水电技术，1998，29（6）：34－37.（LIU Bin-yun.Analysis of Durability of Cement Grouting Curtain［J］.Water Resources and Hydropower Engineering，1998，29（6）：34－37.（in Chinese））

［2］ 高钟璞.大坝基础防渗墙［M］.北京：中国电力出版社，2000：180－194.（GAO Zhong-pu.Impermeable Wall of Dam Foundation［M］.Beijing：China Electric Power Press，2000：180－194.（in Chinese） ）

（编辑：周晓雁）

Durability of Cement Grouting Curtain at Danjiangkou Dam

LIXiao-e，LIZhen
（Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

To study the durability of impermeable curtain and to propose suggestions for the strengthening grouting of the curtain in the later stage，physical-chemical analysis and permeability test are performed on the cement stone of the impermeable curtain which is constructed at the riverbed section of Danjiangkou dam in the early stage.The structures of hydration products of cement stone from core samples in most investigated holes aremanifested to be compactwith no abnormal mineral or chemical compositions.These core samples with compact structure exhibit good impermeability with little CaO corroded by percolating water.The corrosion speed of CaO reduced with the permeation time extended.The effective age of the curtains with dense cement stones is estimated to exceed 100 years，which indicates that the grouted cement curtain has good durability and corrosion resistance.Strengthening grouting is required at dam sectionswhere CaO is visibly corroded.

Danjiangkou Dam；grouted cement curtain；durability

TV421.3

：A果对初期工程的帷幕防渗效果及耐久性进行评价。

1001－5485（2011）09－0040－04

2010-11-25

“十一五”国家科技支撑计划课题（2006BAB04A01）

李晓鄂（1963-），女，湖北松滋人，高级工程师，主要从事混凝土碱骨料反应和水工新材料开发方面的研究，（电话）027-82820429（电子信箱）lixe＠mail.crsri.cn。