浅谈各类浆材在水库坝体堵漏施工中的应用

(中国水电基础局有限公司，天津 武清，301700)

1　工程简述

1.1　工程概况

四川某电站于2011年8月20日通过蓄水验收，蓄水后上游库区水位抬高，大坝下游河道开始出现渗流、渗压计数值偏高等情况。结合大坝下游出现的异常情况，建设单位组织召开了两次下游渗水专家咨询会，根据会议讨论及专家意见，对渗流采取“排、堵结合”方式进行处理，首先对渗水出露点进行反滤及减压处理，防止出现管涌破坏，然后对重点怀疑部位进行补强帷幕灌浆，以期封闭渗水通道。

1.2　工程重难点

由于大坝已经蓄水运行，帷幕灌浆须在廊道内进行，因此施工工况在国内基础处理工程中较为罕见。所面临的特殊施工条件有：①施工场地小，很多现有的施工机械无法使用；②覆盖层处理深度大，最深处有80多m；③高水头、大流速地下水。因此，本次帷幕灌浆钻孔、灌浆施工难度很大，施工难点主要表现为：

(1)施工场地限制。由于本次施工在预留廊道内进行，场地狭窄，高度有限，造成很多大型、先进的灌浆施工机械无法使用，仅能使用常规的地质钻机施工；

(2)钻孔难度大。施工部位有较高的承压水头，钻孔时涌水涌砂情况严重，极易发生孔内涌水、塌孔等事故，钻孔难度大、工效低；

(3)灌浆难度大。由于地层中存在较高的承压水头、高速水流，常规的孔口封闭工艺、阻浆装置均无法使用，这些都给灌浆施工带来极大的困难；

(4)适用的浆液材料可选择范围小。由于存在高压涌水、高压水流，适用的灌浆堵漏材料可选择范围较小。

2　浆液材料

2.1　各类型浆材

本次灌浆采用水泥浆液、膏状浆液、增粘剂水泥浆液、双液及固体材料配合的浆材四种溶液配合灌注，四种溶液的原材料如下表1。

表1各种灌注溶液所需原料统计

2.2　浆液选择

依据设计单位对坝基廊道地质条件分析及我部的前期施工经验，对各地层灌注浆材进行分类，达到物尽其用的目的。

2.2.1强透水区

根据前期施工情况显示，该施工区域存在强透水区，压水吕荣值大于20Lu，一般在防渗墙下5m～20m范围内，该区域采用首先灌注0.5∶1的水泥浆液，灌注干料1.0t，后灌注增粘剂浆液、双液及固体材料溶液的方式进行实施。

2.2.2强卸荷强风化岩体

根据前期施工情况显示，强卸荷强风化岩体段压水吕荣值在10Lu～20Lu之间，一般在深入基岩15m～25m范围内，该区域采用水泥浆液、膏状浆液、增粘剂浆液、双液及固体材料溶液相配合的方式进行实施。

2.2.3弱风化岩体

根据前期施工情况显示，弱风化岩体段深入基岩30m后范围内，该区域主要采用灌注水泥浆液，膏状浆液相配合的方式进行实施。

2.2.4覆盖层灌浆

在覆盖层钻灌过程中，极易发生涌水、涌砂现象，针对该工况，各型浆液材料的选择按照“增粘剂浆液及双液固体浆液充填大通道、膏状浆液封堵小通道、水泥浓浆成幕”的原则进行。

(1)当涌水压力P≤0.2MPa或涌水流量Q≤20L/min时，采用纯水泥浆液灌注；

(2)当涌水压力0.2MPa

(3)当涌水压力P>0.4MPa或涌水流量Q>50L/min时，采用增粘剂浆液起灌；

(4)当发生大量涌砂现象时，采用增粘剂浆液或者双液浆液起灌。

3　浆液灌注

3.1　灌注工艺

本次加密灌浆采用“孔口封闭，孔内循环，自上而下，分段灌浆”的工艺进行施工。

在正常情况下，每钻完一个段长，提起钻具，采用钻杆作射浆管，下入孔段内，射浆管距孔底不大于50cm，孔口管顶部安设孔口封闭器，灌浆过程中经常活动灌浆管，以免埋管、铸管。

当遇地下大量涌水、涌砂等情况时，可关闭防涌水装置中所有控制阀门，在封闭带压情况下取出钻杆和钻头，然后再下灌浆管，采用孔口封闭法灌浆。若灌浆过程中出现回浆管路堵塞，出现铸管现象，则继续采用纯压式的方式灌注，灌浆结束后待凝，然后扫孔返钻杆，以保证灌浆的质量。

3.2　浆液灌注

3.2.1水泥浆液灌注

水泥浆液按先稀后浓的原则灌注，采用水灰比2∶1的浆液开灌，浆液变换比级分为2∶1、1∶1、0.8∶1、0.5∶1四个级别，按照变浆原则逐级加浓灌注。

帷幕灌浆浆液变换原则：

(1)当灌浆压力保持不变，注入率持续减少时，或注入率不变而压力持续升高时，不得改变水灰比；

(2)当某一比级浆液的注入量已达300L以上或灌注时间已达1h，而灌浆压力和注入率均无改变或改变不显著时，应改浓一级；

(3)当注入率大于30L/min时，可根据具体情况越级变浓；

(4)灌浆过程中，灌浆压力或注入率突然改变较大时，应立即查明原因，采取相应的措施处理。

灌浆段在最大设计压力下，注入率不大于1L/min，持续灌注30min即可结束。当采用最浓级浆液灌浆而注入率大于30L/min，或者单位注入量累计达到1.5t，而注入率和压力变化不明显时，则改用膏状浆液灌注。

3.2.2膏状浆液灌注

3.2.2.1膏状浆液性能

膏状浆液由水泥、膨润土(或粘土)、粉煤灰、一定的外加剂组成，按照设计技术标准，要求配制的膏状浆液析水率小于5%，抗剪屈服强度τ0宜小于15Pa～35Pa，塑性粘度η宜为0.1Pa·s～0.3Pa·s，浆液密度大于1.5g/cm3，R28≥7.5MPa，渗透系数K≤1×10-6cm/s。

所配浆液应根据灌注结构层的物质组成、紧密程度及颗粒级配等进行浆液配比试验，同时要求配制的膏状浆液应具有一定的可灌性和可控性。确定本项目膏状浆液灌注分为3个比级，其配比及性能指标见下表2。

3.2.2.2膏状浆液搅拌

由制浆站拌制水泥粉煤灰原浆送至施工现场的专业膏浆搅拌机内，根据水泥浆的数量以及所

表2膏状浆液配比及相关性能指标

需膏状浆液比级确定要加的膨润土重量，按照膏浆三种比级进行搅拌，根据前期的搅拌试验，搅拌时间为3min，完成后经灌浆泵送入孔内。

3.2.2.3膏状浆液灌注

膏状浆液灌注遵循由稀至浓的原则，逐级加浓。采用专业膏浆搅拌机搅拌完成后，经3SNS灌浆泵直接灌注孔内，相关数据采用电脑记录仪记录。

3.2.2.4变浆原则

(1)各级灌浆浆液灌入量达到300L/m～400L/m，而灌浆压力和注入率均无改变或改变不显著(改变不显著可理解为某一级浓度的浆液在灌注一定数量之后，注入率仍大于初始注入率的70%)，应改浓一级；

(2)膏状浆液灌浆时不得越级变浆；

(3)当灌浆压力保持不变，注入率持续减少，或注入率不变而压力持续升高时，应以在灌比级浆液继续灌注，而不应改变浆液比级；

(4)改变浆液比级后，如灌浆压力突增或吸浆量突然减小(注入率减小超过50%)，应立即回稀到原浆液比级进行灌注。

3.2.2.5结束标准

在规定的压力下，吸浆量小于10L/min时，继续灌注5min，可结束灌浆待凝，扫孔后复灌至结束。

当灌注量水泥干料超过2.0t/m时，灌注压力或流量无明显的提升及减少，则改用增粘剂水泥浆液灌注。

3.2.3增粘剂水泥浆液灌注

3.2.3.1增粘剂原理

通过在水泥浆液中填加增粘剂，使浆液在灌注初期即具有较高的初始粘度，既可避免因填加速凝剂使浆液凝结过快，增加灌浆操作的难度，又能提高抗水流冲击能力。

增粘剂是一种具有较长链状结构的高分子聚合物，它能在微细水泥颗粒之间起到连接和架桥作用，从而在本质上改变了颗粒的接触表面。从表面化学的角度看，浆材中的水溶性聚合物通过氢键与部分拌和用水结合，并以分子形式分散在拌和水中，因此，拌和水被束缚在水溶性聚合物的网状结构里，从而变得非常粘稠。这种非常粘稠的水又包裹了水泥颗粒和骨料，并由此赋予浆材抗水冲的特性。

3.2.3.2增粘剂材料

目前，已经投入实际应用的增粘剂主要有三类，即聚丙烯酰胺类、羧甲基纤维素类、速凝剂类。

(1)聚丙烯酰胺

聚丙烯酰胺有很多种，用途极为广泛。用做增粘剂的聚丙烯酰胺有磺化聚丙烯酰胺(SPAM)、水解性聚丙烯酰胺(HPAM)、阴离子型聚丙烯酰胺、阳离子型聚丙烯酰胺及复合型聚丙烯酰胺等。

阳离子型聚丙烯酰胺是一种无色或红棕色粘稠液体，有效物质含量为3%左右。分子量为300～600万。在石油行业上用做各种水基钻井液的增粘剂，兼有降滤失、耐温、抗盐、抗石膏和抑制黏土的水化能力等作用。使用时一般稀释成1%浓度，加量为1.5%～2%。

(2)羧甲基纤维素

该材料是一种白色或微黄色的纤维状粉末，有吸湿性，不结块，无嗅、无味、无毒，不溶于醇酸等有机溶剂，易分散于水中成胶体。有一定的抗盐能力和热稳定性，纯度95%左右。在石油行业，主要用做水基钻井压裂液的增粘剂，兼有一定的乳化和降滤失作用，可与多价金属离子交联成凝胶。

(3)速凝水泥

速凝水泥主要起到速凝的作用，其初凝时间为6min，终凝时间为8min，掺加到水泥浆液中，使其尽快凝固，起到抗水冲刷的作用。

3.2.3.3浆液配比及相关性能指标

该浆液由公司科研院研发配制，在实验室进行搅拌试验，其性能指标为：塑性粘度200～400、凝结时间20min～300min、有一定抗水冲性能、流动度10.0cm。

各材料进场后，结合本项目对浆液的特殊要求，依据公司科研院提供的配合比进行多组的搅拌试验，确定了适合本项目使用的增粘剂水泥浆液配合比，各种材料掺量见下表3。

表3增粘剂配合比统计

该配合比浆液在搅拌完成后30min浆液变粘，变粘后取出浆液涂抹到手上，在水管下冲洗，一部分浆液粘附手上无法冲刷下去，说明浆液有一定的抗水性；其初凝时间为60min，终凝时间为244min，流动度为9.5cm。

经过现场多组试验比对验证表明，上述配合比拌制的浆液性能可满足本工程所需的粘度大、凝固快、具有抗水性等需求，适合本项目使用。

3.2.3.4浆液搅拌及灌注

按照相应的配比，采用专业的膏状搅拌机拌制增粘剂水泥浆液，各种原材料称量必须准确。搅拌完成后经砂浆灌浆泵直接灌注孔内。

由于该浆液为速凝浆液，灌注过程中要保证灌浆孔内钻杆安全，防止出现孔内事故。

3.2.3.5结束标准

在规定的压力下，吸浆量小于10L/min时，继续灌注5min，可结束灌浆待凝，扫孔后复灌至结束。

当灌注量水泥干料超过1.0t/m时，灌注压力或流量无明显的提升及减少，则改用双液溶液灌注。

3.2.4双液及固体材料配合灌注

3.2.4.1浆液选型

本次双液浆液选用水玻璃-水泥浆液，该浆液有凝结时间短，可以从几秒钟到几十分钟，并且可以有效而比较准确地控制，结石率高，可达95%以上；有一定的强度等优点，适合本项目高水头动水条件下堵漏施工。

固体材料选用纤维、锯末粉及膜袋片等可灌性固体材料。

3.2.4.2溶液灌注

(1)灌浆设备可采用现场的1台套3SNS水泥灌浆泵，1台套砂浆泵；

(2)灌浆前将射浆管下设至距孔底0.5m，并在顶端安装单向阀钻杆；

(3)灌注时首先灌注0.5∶1的水泥浆液200L，再灌注加入固体材料的水泥浆400L，然后暂停灌注水泥浆液，改为灌注水玻璃浆液100L，依次类推灌注。按照水玻璃与0.5∶1的水泥浆液的体积比为1∶6；

(4)灌浆过程中采用间歇灌浆的方法灌注，并时刻注意两台灌浆泵的灌注压力，要保证水泥浆的注入压力大于水玻璃的注入压力；

(5)双液浆液的结束标准，在该灌浆段最大设计压力下，以灌到孔段不吸浆后结束；

(6)由于水玻璃的性能参数存在不确定性，在后续施工中相关参数由现场试验决定；

(7)由于双液浆液灌注的特殊性，该浆液灌注需根据现场实际情况决定。

3.2.5后续浆液灌注

各类型浆液灌注待凝时间暂按照18h控制，实际待凝时间根据现场施工进行动态控制。

各类型浆液灌注完毕后，均需扫孔至原孔位，再采用水泥浆液复灌，达到设计结束标准，方可进行下一段钻孔灌浆施工。

4　应用效果及前景

现堵漏施工正在紧张有序的进行中，依照现场应用，各孔段灌浆效果良好，整体应用效果待完工后检查确定。

当前国家正致力于大力加强基础设施建设。发改委接连批准了一系列水电站建设，而水电站建设的过程中存在冒进、激进的现象，造成工程使用寿命与设计不符，本工程的研究成果，对水电站坝体渗漏封堵具有较好的指导作用，有很好的实际意义，其应用前景广阔。