高水头下不良地质体防渗补强技术研究与应用

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

1 研究背景

我国西部地区水能资源丰富，目前水利水电工程仍处于建设高峰期，且多为高坝大库。工程多位于高山峡谷，地质条件复杂，常遭遇层间层内错动带、挤压破碎带、蚀变岩等不良地质体。如：层间层内错动带在溪洛渡、白鹤滩和官地等水电站均存在，这类不良地质体多为含屑角砾型，具有缓倾角、延伸长、微裂隙密集无规律，嵌合紧密以及透水性较强、抗渗能力较差等特性，高水头下易形成渗水通道[1-2]；挤压破碎带同样存在于我国向家坝、景洪等大型水电工程中，也是坝基岩体常见的一种不良地质体，包括岩屑夹泥型、泥夹岩屑型，细粒物质含量高，具有强度低、渗透系数小(一般<10-5cm/s)、遇水呈可塑状至流塑状等特性[3-4]；以花岗岩岩性为主的围岩中一般存在蚀变带，如广州抽水蓄能电站、深圳抽水蓄能电站和清远抽水蓄能电站的高压水工隧洞围岩中含蒙脱石、高岭土、伊利石等亲水矿物，遇水膨胀失水崩解，岩体强度低，围岩变形大，岩体渗透系数极低[5]。大坝蓄水后，这些复杂不良地质体将面临200 m以上高水头的长期作用，存在较大的渗透破坏风险，对水工建筑物的稳定和长期安全提出严峻挑战。

针对这些不良地质体的处理，采用常规的普通水泥、湿磨细水泥灌浆往往难以达到设计要求，化学灌浆是更为适用的技术手段。对于高水头条件下的基础防渗补强处理，受地下渗流及动水压力影响，浆液被不断稀释、渗流冲刷及涌水反向挤出等，水头越高灌浆施工难度越大，国内仅有丹江口大坝在水头达100余米时处理辉绿岩软弱岩体的成功案例[6]，国外未见相关报道。在如此高的水头下(200 m以上)，传统化学灌浆技术难以完全满足不良地质体防渗补强需求，原因可归结为以下2个方面：一是对于补强加固中使用最为普遍的环氧树脂灌浆材料来说，目前还存在高压动水条件下难以胶结、对低渗性不良地质体浸润渗透能力不足等技术瓶颈；二是在高水头作用下，化学浆液扩散规律复杂，灌浆扩散范围和效果难以有效控制，缺乏有针对性的高水头条件下水泥-化学复合控制灌浆技术。因此，亟待开发更为高效的高水头下不良地质体防渗补强材料及配套技术。

针对上述难题，长江水利委员会长江科学院紧密围绕国家重大水利水电工程建设需求，自2005年起，依托水利部“948”计划、国家自然科学基金、溪洛渡等国家重点水利水电工程委托项目，以自主研发的CW系新型高性能环氧灌浆材料、成套灌浆设备系统和灌浆控制新工艺为核心技术基础，形成了高水头下不良地质体防渗补强成套技术和系统解决方案，并在多个工程中得到成功应用。本文全面阐述了高性能灌浆材料的研发、配套灌浆工艺研究以及该技术在水利水电工程领域的典型应用情况。

2 高性能化学灌浆材料研发

2.1 材料设计

环氧树脂灌浆材料作为目前使用最多的防渗补强灌浆材料，具有粘结强度高、耐热性好、机械强度大、稳定性优异及在常温下固化后收缩小等特点，主要包括环氧树脂主剂、固化剂、稀释剂以及各种助剂等组分。针对处理水头高、破坏梯度大、处理对象细粒含量高、渗透系数小、微细裂缝密集、性状差异大等技术难点，环氧灌浆材料性能的关键在于以下方面：①固结体应具有较高的力学强度，可抵抗水压等荷载作用；②浆液需具有良好的可灌性和浸润渗透性；③固结体应具有较高的粘结强度，不会在高水头下发生挤出破坏等失效现象；④材料需环保健康。以此为出发点进行浆材研究和配方设计。

2.2 CW系高性能环氧灌浆材料制备研究

2.2.1 环氧树脂主剂的改性

以往用作灌浆材料的环氧树脂类型为E-44型，它的主要优点是粘结力强、收缩性小、稳定性高。主要缺点是低温条件下黏度很大，需加热才能从容器中倒出，操作不方便。因此，将传统的环氧树脂进行改性，改性后的双酚A型环氧树脂结构如图1所示，它除了能保持E-44 环氧树脂的优点外，还具有低温条件下黏度相对较低、操作简便的特点。

2.2.2 固化剂的改性

环氧树脂的固化剂种类很多，包括脂肪族胺类、芳香族胺类、有机酸及树脂类固化剂等，固化剂的结构与性质直接影响环氧树脂在不同环境下的固化效果。高水头下的化学灌浆要求材料在潮湿环境和水下也能良好固化。然而，作为环氧灌浆材料最常用的固化剂，传统胺类固化剂主要为乙二胺、多乙烯多胺、半酮亚胺等小分子固化剂，其主要缺点是在有水条件下固化反应难于进行，力学强度较低，有较浓的刺激性气味。与之相比，高分子固化剂能在一定程度上改善环氧树脂的脆性，且气味小，毒性低。基于此，制备了具有憎水性长脂肪链的改性高分子胺以替代小分子多元胺，使其能在水中固化并具有较高强度，并利用取代基R’改变高分子胺中氨基的活性和数量，调控环氧浆液的可操作时间，使其能在2 ～106 h精确可调，同时兼顾浆液的可灌性以及固化产物与混凝土的粘结强度，解决了以往材料在有水、动水条件下难以有效固化的难题。

2.2.3 新型活性稀释剂的研制

由于环氧树脂本身黏度较大，直接用于灌浆可灌性不佳，需要加稀释剂来降低环氧树脂的黏度。目前，国内常用的环氧灌浆材料大多以糠醛、丙酮为稀释剂，解决了许多工程难题。但糠醛-丙酮稀释剂体系也存在挥发性大和会对皮肤产生刺激作用等不足，还有待进一步改进。为此，研发了无毒的醛R活性稀释剂作为糠醛代用品[7]，有效提高了材料的环保性能，糠醛与糠醛代用品R的性能比较见表1。

表1 糠醛与糠醛代用品R的性能比较Table 1 Comparison of performance between furfuraland furfural substitute R

注:LD50为半数致死量(Lethal Dose, 50%)

2.2.4 表面活性剂等助剂的优选

要使化学灌浆材料能够在高水头下灌入到低渗性不良地质体中，在浆液配方设计中要考虑根据不同的处理对象，最大限度地提高浆液对岩体的浸润渗透性和粘结性。为此，通过材料配方优化，加入改性的表面活性剂、偶联剂等，在反应初期起到降低浆液黏度和表面张力的作用，使浆液具有优异的浸润性和渗透性，有利于无机物表面与浆材形成较强的以范德华力为主的相互作用，在反应后期又参与更多的环氧交联反应，使得浆材自身的聚合度升高，粘结性更强，有效提高界面的胶接强度，从而改善传统材料在有水、动水条件下可灌性差、抗挤出破坏能力低的不足[8]。

图2 浆材与玄武岩接触角随时间变化情况

2.3 CW系高性能环氧灌浆材料的性能

图2为浆材与玄武岩接触角随时间变化图，可以看出浆液在约1 min时与错动带玄武岩接触角降低至0°，表明环氧灌浆材料完全渗入玄武岩体中，具有优异的渗透能力，特别适用于复杂不良地质体微裂隙灌浆。表2为浆材主要性能指标，其初始黏度、接触角和界面张力都较低，说明浆材的可灌性和浸润渗透能力强，且可操作时间大范围可调，力学强度高。尤其是经中国建材检验认证集团股份有限公司和中国医学科学院检测，材料有害物质含量符合国家建材行业标准JC1066 规定的各项有害物质限量指标，LD50> 5 000 mg/kg，实际无毒。

表2CW系高性能环氧灌浆材料的主要性能指标

Table2PropertiesofCWhighperformanceepoxyresingroutingmaterials

浆液密度/(g·cm-3)初始黏度/(MPa·s)与玄武岩接触角/(°)20℃界面张力/(mN·m-1)可操作时间/h30d抗压强度/MPa30d抗拉强度/MPa30d粘结强度(干)/MPa30d粘结强度(湿)/MPaLD50/(mg·kg-1)1.02～1.066～2003510～9060～808～20>3.0>3.0>5000,实际无毒

3 高水头下灌浆工艺研究

对于细微裂隙发育、可灌性较差的坝基不良地质体，水泥-化学复合灌浆法更为适用。即先用水泥灌浆材料灌注，填充封堵大的裂隙及孔洞，为化学灌浆提供一个相对封闭、完整的受灌区域，同时提高错动带岩体的变形模量；再用化学灌浆材料施灌，利用化学浆液良好的渗透性和浸润性，填充水泥浆液难以达到的部位，并对微细裂隙和软弱断层岩体进行渗透固结，使地层形成一个密实、完整的受力体，达到加固和防渗的效果。

高水头下进行水泥-化学复合灌浆时，被处理的岩体处在一定水压力作用下，灌浆工艺受到一定影响，涉及到灌浆压力、灌浆开灌条件、结束标准等参数设置，以及浆液的扩散范围和浆液在动水条件下的凝固性能，这些条件都影响到对不良地质体的防渗补强加固效果。故需要针对被灌体岩性特征、水头压力、动水情况及浆液特性进行研究，寻找适用于高水头下不同不良地质体和灌浆工况的灌浆工艺参数和技术方案。

针对高水头下帷幕错动带透水性强、裂隙挤压镶嵌紧密的特性，提出了同孔复合灌浆工艺，建立了“逐级快速升压”的浆液黏度、可操作时间、灌浆压力等多参数精细控制方法。以溪洛渡水电站240 m水头下坝基玄武岩层间层内错动带处理为例[9]，通过室内可灌性研究和在347 m基础廊道16#坝段开展的复合灌浆生产性试验，明确了复合灌浆工艺主要控制参数如下。

(1)化学灌浆开灌标准：地下水渗流对浆液的扩散规律影响大，化学灌浆前应对大透水率孔和涌水孔先进行水泥灌浆，控制地下水的流动速度和对浆液的稀释与冲蚀，尽量减少地下水渗流对化学浆液扩散的影响。化学灌浆开灌标准定为2.0 Lu，即当透水率q>2.0 Lu时先采用细水泥灌浆，再进行化学灌浆;若透水率q<2.0 Lu则不进行细水泥灌浆，直接采用化学灌浆。

(2)变压原则：在化学灌浆升压过程中，在不导致错动带变形破坏情况下，可逐级快速升压，采用高压灌浆以提高工效。

(3)变浆原则：实际灌浆升压过程中当注浆超过4 h或累计注浆超过30 kg/m，而孔压升压缓慢时，应更换凝固更快一级的浆液，以控制扩散半径。

(4)结束标准：当化学灌浆达到结束压力且流量<0.01 kg/min时，连续灌注60 min后可结束灌浆；单耗已超过60 kg/m时，可将灌浆结束标准适当放宽至0.05 kg/min。

针对帷幕低渗性砂岩破碎带岩体特性，提出同孔复合、孔内阻塞、自上而下分段灌注工艺，建立了“低压慢灌，缓慢逐级升压”的压力、注入率、灌浆时间三参数动态控制方法。以向家坝水电站220 m水头下坝基挠曲核部破碎带处理为例，通过室内可灌性研究和在泄9#坝段开展的复合灌浆生产性试验[10]，明确了复合灌浆工艺主要控制参数如下。

(1)化学灌浆开灌标准：定为1.0 Lu，即当透水率q>1.0 Lu时先采用细水泥灌浆，再进行化学灌浆;若透水率q<1.0 Lu则不进行细水泥灌浆，直接采用化学灌浆。

(2)变压原则：在化学灌浆升压过程中，应分4级缓慢升压，防止破碎带砂层劈裂，根据注入率变化控制压力增加，尽量达到最大灌浆压力，不得随意增大最大灌浆压力，以防发生裂隙劈裂，灌注过程注意控制压力平稳。

(3)灌浆压力控制：起始化学灌浆压力应该大于钻孔涌水压力，视注入率变化缓慢升压，低压慢灌，最大灌浆压力按设计3.5 MPa控制。

(4)变浆原则：实际灌浆升压过程中当注浆超过4 h或累计注浆超过30 kg/m，而孔压升压缓慢时，应更换凝固更快一级的浆液，以控制扩散半径。

(5)结束标准：当化学灌浆达到结束压力且流量<0.01 kg/min时，连续灌注60 min后可结束灌浆；单耗已超过60 kg/m时，或灌注时间超过72 h，可将灌浆结束标准适当放宽至0.05 kg/min。

类似地，针对高压水工隧洞花岗岩蚀变带围岩特性、应力环境和水道系统要求，提出了异孔水泥-化学复合灌浆工艺，建立了全孔一次性高压化学灌浆方法，按照灌浆分序原则和顺序进行施工，一般为从低处往高处灌注，环内从底孔至孔顶灌注，采用环间分序、环内加密的原则。

同时，为了更有效地发挥浆材作用、提高灌浆效率，发明了以步进电机为驱动的具有压力、时间、流量3个参数控制功能的新型高压化学灌浆泵[11]，可实现化学浆材快速、均匀混合的静态真空混合器，以及可满足7 MPa高压灌浆要求的高压灌浆气压(水压)阻塞器等系列新型复合灌浆设备。它们与已有配套设备构成了一套可实现过程精确控制的复合灌浆设备系统。通过这些设备和工艺的配合使用，实现了高水头下环氧灌浆处理过程的实时动态控制。

图3 层间层内错动带灌后检查孔芯样Fig.3 Grouted core samples from examination holes for interlayer and internal staggered zone

4 高水头下不良地质体防渗补强技术的工程应用

4.1 溪洛渡水电站层间层内错动带防渗处理

溪洛渡水电站坝基存在玄武岩层间层内错动带，裂隙密集，嵌合紧密，硬性结构面延伸长，部分长度>100 m，整体透水性较强，渗透破坏比降低(约为15)。在2013年5月4日下闸蓄水之前对帷幕进行了压水试验，当压力≤1 MPa时，检查合格，但随着水库水位上升，渗水量逐渐增大，右岸3条不同高程廊道普遍出现了线状流水。为了防止渗流量随水位上升继续加大，影响坝基长期渗透稳定性和大坝安全，建设单位委托长江科学院对帷幕进行化学灌浆防渗补强。此时库水位已经达到560 m(静水头约240 m)。采用CW系高性能环氧灌浆材料和配套工艺进行了处理，灌浆过程从2012年12月开始，2013年8月结束，共处理近4 000 m。灌后平均透水率<0.5 Lu，较灌前减小明显；检查芯样获取率大于规范规定的85%要求；灌后单孔声波平均速度均>5 400 m/s，较灌前整体有所提高；灌后芯样中浆液充填饱满，胶结良好(如图3所示)，芯样抗压强度为50～103 MPa，劈裂强度为4.8～13.6 MPa。检查结果满足设计要求，工程质量等级评定为优良，提高了坝基渗透稳定性和帷幕耐久性，确保了电站按期蓄水发电。

4.2 向家坝水电站坝基砂岩破碎带防渗补强处理

向家坝水电站坝址区地质条件复杂，坝基自左岸非溢流坝段至泄洪坝段不同程度分布有以挤压破碎带和挠曲核部破碎带为代表的不良地质体，主要是含泥碎块结构和碎屑结构(如图4(a)所示)。原位条件下,含水率低(4%左右)、密度高(2.3 g/cm3)；强度低、渗透系数小(10-5cm/s)；埋深大(超过70 m)、遇水易塌孔、可灌性差。虽经深大齿槽开挖置换，但坝基以下仍有残余，其渗透稳定问题尤为突出，单纯采用水泥灌浆或湿磨细水泥灌浆进行多次处理都难以达到设计要求。长江科学院自2010年采用CW系高性能环氧灌浆材料开展了右岸257 m平台挠曲核部破碎带和左岸非溢流9#坝段挤压破碎带化学灌浆试验，验证了材料及配套工艺的可行性，经建设单位组织评审验收被推荐为向家坝不良地质体基本处理方案。2012年4—10月进行了左岸挤压带和孔口接触段化学灌浆施工，保证了向家坝水电站按期蓄水发电。2012年12月，建设单位在成都工程建设管理中心组织召开了向家坝水电站初期运行期监测资料分析及工程补强处理方案专题报告审查会。会议纪要指出，泄洪坝段8#—13#坝段帷幕灌浆灌后检查发现，在核部破碎带上、下分支及其影响带附近不合格孔段分布较为集中，且检查孔涌水量和涌水压力均较大。应建设单位委托，采用CW系高性能环氧灌浆材料及高水头下配套灌浆工艺进行了处理，处理过程中蓄水位从353 m逐渐抬高至370,379.7 m高程，化学灌浆工作区水头高达220 m以上。灌前由于无法成孔，声波无法测试，灌后声波波速提高16.8%，特别是低波速段的改善明显，水力破坏比降达到260，比灌前提高了11.5倍，钻孔取芯率RQD达到76%(如图4(b)所示)，固结效果良好(如图5所示)，优于设计指标。

图4 破碎带灌前及灌后取芯情况Fig.4 Core extraction for fracture zone before and after grouting

图5 灌后芯样固结效果Fig.5 Cross section morphology and polarizingmicromorphology of grouted core samples

4.3 广东清远抽水蓄能电站花岗岩蚀变带V类围岩防渗补强处理

广东清远抽水蓄能电站最大静水头>500 m，其中中平洞最大静水头>300 m，中平洞花岗岩断层蚀变带开挖过程中岩体崩解塌方严重，围岩的完整性、均匀性和防渗性差，强度低，衬砌与围岩难以协同作用共同承载。有关单位进行系统水泥灌浆和局部加强加深水泥灌浆后，仍难满足衬砌与围岩协同作用的基本要求，设计要求进行化学灌浆处理。针对这些问题，采用CW系高性能环氧树脂灌浆材料和配套工艺进行了处理，克服了涌水、涌砂、涌泥、塌孔等技术难题。灌后检查发现，环氧浆液对花岗岩断层蚀变带V类围岩充填密实，胶结良好(如图6所示)，围岩变形模量得到有效提高，满足设计要求，确保了清远抽水蓄能电站充水一次性成功，这种情况在大中型抽水蓄能电站中为国内首例，得到建设单位、设计单位和监理单位的一致好评。

图6 蚀变带灌后芯样Fig.6 Grouted core samples for alteration zone

5 结 语

长江科学院作为国内首批开展化学灌浆研究的单位之一，自20世纪50年代起，一直没有间断与水工建筑物坝基不良地质体和混凝土微细裂隙处理有关的灌浆材料和灌浆工艺研究。近10 a来，长江科学院在继承前人的基础上，针对水利水电工程中层间层内错动带、挤压破碎带、蚀变带等不良地质体在高水头作用下的防渗补强技术难题，研发出高强度、高浸润渗透性、高粘结性、可操作时间精确可调、环保性能优良的高性能环氧树脂灌浆材料，建立了基于材料黏度、可操作时间和灌浆压力等多参数联合控制的水泥-化学复合灌浆施工方法，形成了高水头下不良地质体防渗补强成套技术和系统解决方案，已分别在溪洛渡、向家坝、广东清远抽水蓄能等国家重点水利水电工程中得到广泛应用，成功解决了200 m以上水头作用下复杂不良地质体的防渗补强处理问题。该技术不仅适用于水工不良地质体处理，同时也可推广应用到交通、矿山等行业，具有广阔的应用前景。

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