大孔隙地层防渗堵漏灌浆新技术及工程应用

黄立维，赵卫全 ，张金接 ，符 平，邢占清

（1.中国水利水电科学研究院，北京 100038；2.北京中水科工程总公司，北京 100048）

1 引言

渗漏是水电工程、地下矿山等工程中经常碰到的问题，渗漏对已建水库（大坝）不仅会带来经济损失，而且还可能会威胁到大坝的安全；而对于土（堆）石围堰渗漏水会导致基坑不能闭气，影响后续工作的施工；对于隧道（洞）工程，由于突涌水而迫使施工中断，拖延工期，甚至必须改线的工程也有很多。对于多数工程而言，漏水问题多是由大孔隙形成的集中渗漏通道造成的，成功找到并封堵住这些集中渗漏通道基本上就解决了漏水问题。灌浆是解决工程渗漏问题的重要技术手段，随着地下工程建设发展规模的不断扩大和水利工程的不断建设，灌浆技术得到越来越广泛的应用。

大孔隙的灌浆由于孔隙大以及地下水流动会带走浆液，通常材料耗量大、灌浆量控制难、工效低、施工成本高，并且工程质量不易保证。大孔隙渗漏水处理已成为国内外公认的技术难题，多年来国内外工程技术和研究人员对漏水处理问题给予了足够的重视，但此问题仍未得到彻底的解决。若采用常规灌浆方法，不仅会耗费大量的材料，而且有时根本没有成效。对于大孔隙的灌浆堵漏要求浆液凝结速度快、凝结时间可调，并具有较好的可控性，以防止浆液过量流失和浪费。常用的灌浆防渗堵漏技术有双液灌浆技术、水泥砂浆（水泥黏土砂浆）灌浆技术、普通膏浆灌浆技术、热沥青灌浆技术、级配料灌浆技术及模袋灌浆技术等。但是以上常规处理技术仍存在一定的不足，例如双液速凝浆液一般造价昂贵，且常规水灰比条件下，掺入一定的速凝剂控制效果欠佳；而采用砂浆和低级配混凝土时由于浆液组分的分离，常常淤堵进浆通道而拒浆，或浆液扩散太远形成浪费和出现充填不饱满的问题。为此，中国水利水电科学研究院研究开发了廉价水泥膏浆灌浆技术［1-2］，但普通水泥膏浆在有动水的大孔隙防渗堵漏加固时，由于凝结时间长，在水流流速较大时，浆液也易被水流冲走，造成浆材一定程度的浪费。

因此研究开发具有优良性能的灌浆堵漏材料及其施工工艺，开展大孔隙动水灌浆防渗加固处理相关技术研究，为已建和在建工程的渗漏水处理提供经济可行的处理方案，具有重要的技术和应用价值，对推动灌浆堵漏技术的发展及提高社会经济效益都有着非常重要的意义。本文结合已有研究成果，根据大孔隙地层堵漏特点，研发了新型速凝膏浆和低热沥青堵漏灌浆技术，并在工程中得到了成功应用，可为大孔隙地层防渗堵漏参考借鉴。

2 新型速凝膏浆灌浆技术

2.1 新型速凝膏浆灌浆材料本文在总结大孔隙地层灌浆材料的基础上，重点研究了速凝膏浆堵漏材料。

2.1.1 速凝膏浆灌浆材料［3-6］

（1）多组份速凝膏浆。在普通膏浆基础上加入铝酸盐水泥的外加剂形成了速凝水泥膏浆，可提高浆液抗水流冲释性能，配制浆液时添加黏土、膨润土等材料形成一种多组份的速凝膏浆灌浆材料。但在实际运用中，多组分速凝膏浆仍然存在以下几点不足：（a）速凝膏浆较大的剪切屈服强度依靠掺入较多的黏土、膨润土、粉煤灰等掺合料来实现，因此膏浆的膨润土用量很大，膨润土存在润胀和高速搅拌的过程，在实际施工中膨润土浆的制浆过程存在较大压力，同时增加了施工工序和施工的复杂度。（b）铝酸盐水泥与普硅水泥混合，凝结时间对温度、搅拌均匀度、掺入量等因素都比较敏感，反应时间难以精确控制，不利于大漏量动水地层的堵漏。

（2）新型速凝膏浆。由于多组份速凝膏浆的不足，通过研发一种专门的速凝膏浆外加剂，使浆液达到良好的速凝效果，并降低浆液配制的难度。

外加剂一方面需要考虑掺加到水泥浆液中后能促进浆液凝结，另一方面需要能够增加浆液的黏度，提高其屈服剪切强度，从而提高浆液的抗水流冲释性能。研发的新型速凝膏浆复合外加剂由水泥促凝剂、早强剂和增黏剂混合而成。考虑到运输和储存方便，促凝剂、早强剂和增黏剂全部采用粉状，通过多组室内实验，复合外加剂的组成及含量如表1。

表1 复合外加剂的组成

2.1.2 新型速凝膏浆性能试验 通过室内试验，对以下3种不同配比的新型速凝膏浆（编号分别为1、2、3）的物理、力学性能进行测定。不同配比新型速凝膏浆的物理及力学性能试验结果见表2和表3。

表2 新型速凝膏浆物理性能试验结果

表3 新型速凝膏浆力学性能试验结果

由表2可以看出，掺入外加剂后新型速凝膏浆的黏度增加很大，其剪切屈服强度大于其本身重力，在自身重力作用下膏浆不能流动，在水流中没有松散现象，浆液在水中的凝结时间和在空气中的凝结时间变化不大，表明水流未能进入新型速凝膏浆内部，新型速凝膏浆具有良好的水下不分散性。研究表明外加剂的掺量控制在5%～10%时浆液的黏度和可施工性较为合适，浆液凝结时间可在15～50 min之间调节，且固结体的1 h抗压强度可达1.5 MPa，能抵御一定流速的水流冲击，适合动水条件下灌浆堵漏使用。

2.1.3 室内抗冲模拟试验 为了检验掺入外加剂后的新型速凝膏浆的抗水流冲击性能，在室内进行了不同流速下新型速凝膏浆的抗冲模拟试验。灌浆注入率为5 L/min（采用较低的注入率主要是为了消除尺寸效应的影响），本实验采用速凝时间最快的3#浆液，膏浆抗冲模拟试验结果见表4。

表4 新型速凝膏浆抗冲模拟试验结果

由以上试验结果可知，随着流速增加，浆液的留存率在减少，当水流速度达到1.5 m/s时，浆液的留存率达到了60%以上；对于架空结构地层，水流速度达到1.5 m/s时，浆液留存率达到了70%。表明掺入外加剂后的新型速凝膏浆适合用在流速小于1.5 m/s动水条件下堵漏。留存浆液的初凝时间、固结体的l h抗压强度与原状浆液相比变化不大，说明所用新型速凝膏浆具有良好的水下不分散性和抗水流稀释性。

2.2 新型速凝膏浆灌浆设备和方法新型速凝膏浆的施工工艺参数一般可以参照常规水泥灌浆进行，可以采用孔口封闭、自上而下或自下而上分段纯压式灌注；可以选择新型速凝膏浆与其它材料联合灌注，如新型速凝膏浆与级配料、新型速凝膏浆与砂浆及新型速凝膏浆与混凝土的联合灌注等；新型速凝膏浆的配比由稀向浓浆液变换；灌浆结束标准按孔口返浆或孔内有压确定，也可采用定压和定量相结合的方式。为提高防渗效果，可在两排新型速凝膏浆灌浆孔中间设置一排水泥灌浆孔，或在同一排灌浆孔中采用Ⅰ序孔灌新型速凝膏浆，Ⅱ序孔灌水泥浆等方式。

（1）钻孔。新型速凝膏浆可以利用常规水泥灌浆的孔位进行灌浆施工，钻孔不需要特别的设备，新型速凝膏浆灌注时尽量采用较大直径的钻孔（Φ76 mm以上，跟管钻进时常采用Φ108 mm以上）。钻孔时可选用风动钻机成孔，风动钻机成孔速度快，工效高，由于大孔隙地层易塌孔，因此可采用跟管钻进方案成孔。

新型速凝膏浆灌浆的孔排距根据现场地层情况确定，由于新型速凝膏浆的塑性屈服强度较大，因此其扩散范围受到一定约束，孔排距布置应比水泥灌浆的孔排距小。

图1 M1000大容量高效制浆搅拌机

（2）搅拌设备。由于新型速凝膏浆具有很大的塑性屈服强度和塑性黏度，制浆可采用大动力强制型搅拌制浆方式，为适应新型速凝膏浆的特点而研制的M1000大容量高效制浆搅拌机比较适合浆液搅拌，并在工程中推广应用［14-15］，其结构示意图如图1所示。

M1000搅拌机采用内桶和外桶组合装置，横梁架起搅拌叶片，使传动部件不接触浆液，无密封件设置，提高了设备的使用寿命；利用内外桶上的挡板作为定子，搅拌叶片作为转子，搅拌充分、均匀、工效高；增加了多档可调转速（60～1000 r/min），搅拌浆液黏度可达2.5 Pa·s。

（3）灌注设备。新型速凝膏浆浆液黏度大，水灰（料）比低，一般的灌浆泵（柱塞泵）不能满足灌注要求。螺杆泵由于可泵送高黏度液体及包含有纤维和固体物质的液体，较适合于新型速凝膏浆灌注。螺杆泵的主要工作部件是偏心螺杆（转子）和固定的衬套（定子），当螺杆装入衬套后，螺杆表面与衬套内螺纹表面之间形成一个个封闭的腔室，同时任意截面也被分成上下两个月牙形工作室。当电动机带动泵轴转动时，螺杆一方面绕本身的轴线旋转，另一方面它又沿衬套内表面滚动，螺杆每转一周，密封腔中的液体向前推进一个螺距。随着螺杆的连续传动，液体以螺旋方式从一个密封腔向另一个密封腔，最后挤出泵体。新型速凝膏浆灌浆时可选用B型或G型螺杆泵，压力选用1.2～2.4 MPa，流量100～400 L/min。

3 低热沥青灌浆技术［7-13］

3.1 低热沥青灌浆材料利用先乳化后破乳原理开发出“油包水”状态的低热沥青，在60～80℃时仍具有良好的流动性和可泵性，同时遇水凝固、不冲释，适合于大空隙漏水地层的堵漏灌浆。

3.1.1 低热沥青配比试验 进行了不同掺量外加剂（快硬水泥、速凝剂、水玻璃、偏铝酸钠、无水氯化钙等）的配比试验，沥青∶外加剂∶水∶乳化剂∶破乳剂＝1∶（0.03～0.1）∶（0.75～1）∶0.03∶0.01（质量比）。配比试验结果表明，添加外加剂后，破乳速度均有所提高，掺加偏铝酸钠和快硬水泥后的破乳效果较好，沥青成团析出，较不添加外加剂的硬度略高。典型配比试验结果见表5。

表5 掺加外加剂和破乳剂的配比试验

实际应用可根据不同灌浆过程对破乳速度、析出温度、固结体强度的不同需求等调整具体配比值。

（1）一维灌浆试验。采用PVC管设计制作一维试验模型，模型内装上不同配比、不同孔隙率的砂砾石层。沙石粒径分别为10～20 mm、20～50 mm，分别在模型内无水与饱和情况下进行不同压力条件下的低热沥青灌注试验，其布置如图2所示。

图2 一维试验模型示意图

低热沥青灌浆材料的配比采用沥青∶水∶水泥∶外加剂＝1∶1∶0.7∶0.03（质量比）。将其通过连接好的专用螺杆泵和管路灌入预制好的一维模型内。

表6 一维试验模型灌浆统计

在低热沥青浆液凝结7 d后，将PVC管破开，获得沥青的扩散距离（如表6所示）和结石体情况（如图3所示）。低热沥青在不同条件下扩散距离不同，在重力影响下会出现分层现象。在扩散范围内浆液的结石体比较饱满、密实，具有明显的边界。

图3 一维试验模型低热沥青灌注后试样

在已凝固的灌浆结石体中，通过切削打磨获得4×4×16的试验试块进行了不同龄期的力学性能测试试验。试验结果如表7所示。

表7 一维试验模型沥青结石体力学性能

（2）二维灌浆试验。采用1.5 m×1.5 m×1.0 m的钢制模型，灌浆管预先置入后，在其内填设不同的实验材料，然后在顶部设置钢盖板（见图4）。灌注完成后，拆除钢盖板对实验数据进行分析。

图4 二维试验模型示意

图5 二维试验中不同地层低热沥青最小扩散距离

通过在模型中装填不同粒径的砂砾石模拟实际地层，并使用千斤顶对模型钢盖板施加压力模拟不同深度下的低热沥青灌浆。试验结果如图5所示。低热沥青浆液扩散距离与灌浆压力和地层上覆附加应力有关。低热沥青的扩散距离随着灌浆压力的增大增加，在粒径较小的地层中可采用较高的灌浆压力以获得浆液良好的扩散性能。不同深度地层条件下低热沥青的扩散距离将受到明显的影响，在30 m深度下（地层压力为72 t），浆液的扩散距离将至少减少20%以上，而且表现出粒径越细受到的影响越大的趋势。

3.1.2 抗冲试验 为检验低热沥青浆液在块石架空地层中不同边界条件、不同流速条件下的防渗堵漏适应性，在满足相似要求的前提下制作了试验模型如图6所示。块石直径主要选取200～500 mm的鹅卵石，随机无序抛填在模型中，通过调整水泵流量得到不同的流速。

图6 抗冲试验浆液留存

表8 试验材料抗冲试验结果

通过抗冲试验结果分析，对于架空结构地层，水流速度达到1.5 m/s时，浆液留存率达到了90%以上。在流速2.5 m/s情况下的低热沥青灌浆抗冲试验中，低热沥青的留存率仍可达到50%以上，堵漏效果显著。

3.2 低热沥青灌浆工艺低热沥青的施工同样采用孔口封闭、自上而下或自下而上分段纯压式灌注，同时为保证灌浆效果，可与速凝膏浆或普通膏浆配合使用。但由于低热沥青自身材料特点，在工艺研究方面针对灌浆机械设备进行了开发。

低热沥青灌浆材料配制过程中要求将沥青加热到100℃以上，灌浆时浆液温度达80℃左右，由此需要对管路、泵送设备等进行保温。

（1）沥青加热。低热沥青材料的制备需要先将沥青加热到一定温度，沥青加热方式采用导热油加热。导热油具有高温传热特点，加热时进行闭路液相循环，热能损失小、热效率高、能耗低、加热速度快、加热周期短，导热油加热系统的介质工作压力小于0.2 MPa，安全性能高，通过控制系统可精确控制温度，防止沥青老化。导热油沥青加热系统主要由燃烧器、炉体、沥青加热罐、膨胀罐、导热油循环管路、导热油泵、温度传感器及操作控制系统等组成，其结构示意图如图7所示。

图7 沥青加热系统

（2）低热沥青搅拌。在配制低热沥青灌浆材料时，需要对高温沥青、水、水泥、外加剂、乳化剂等材料按配比进行高温搅拌，由此搅拌设备也需要加热和保温。通过对已有的膏浆搅拌机进行了改造，在膏浆搅拌机的外壁增加了保温层，保温层厚15 cm，在底盘和侧壁分别采用电阻丝对沥青混合浆液进行加热和保温。

（3）低热沥青泵送。低热沥青材料黏度大、并且温度处于60～80℃之间，且该材料遇水流动性会存在一定的降低，由此采用普通螺杆泵难以实现连续有效的泵送。由此需要对螺杆泵进行适当改进，主要在以下几方面进行改进。第一，要增加灌浆泵的泵送压力，克服低热沥青材料黏度大的影响，同时只有足够大的灌浆压力才能保证灌浆过程中浆液遇水流动性降低时仍能保持连续的泵送；第二，要进行泵体材料耐高温改进，灌浆材料自身温度为60～80℃，转子与定子摩擦过程中将会产生更高的温度，这对泵体自身的寿命也有影响；第三，为保证低热沥青材料连续的泵送，需要在泵体上设置保温结构，与灌浆管路连接，以此避免灌浆过程中的灌浆造成堵泵的事故。

根据材料特性，研制了低热沥青灌浆泵，如图8所示。

图8 低热沥青灌浆泵研制

该低热沥青灌浆泵主要特点为：将泵出口管路外设保温系统，保温系统采用热水循环实现，灌浆前做好准备工作；将低热沥青灌浆材料注满浆液储存斗内，初次启动时，通过软启动装置，按低转速按钮正转进行启动测试，若工作正常，点击高转速正转按钮进行工作；浆液自浆液入口进入泵体，经定子与转子间的旋转推进，增加灌浆压力，达到灌浆所需压力；浆液变换或管路清洗过程中，需避免泵体内温度骤降，需采用热水或热水泥浆液进行泵体清洗，使泵体温度平缓下降；灌浆过程中如出现灌浆压力无法长时间保持，则可通过紧固定子外螺栓，改变定子与转子之间的接触，实现泵送过程中的灌浆压力保持稳定；泵送装置使用后若长期不用，可通过拆卸转子进行详细清洗，保证下一次使用。

4 防渗堵漏灌浆新技术应用

大孔隙地层防渗加固在水电工程围堰、桥梁桥墩基础围堰、基坑工程及矿山巷道工程中常有遇到，速凝膏浆、低热沥青灌浆材料及其灌浆工艺的应用，有效的解决了大孔隙地层渗漏问题。

（1）水电工程围堰中应用。桥巩水电站二期位于红水河干流，上游围堰为土石围堰，存在大块石架空结构和一定的水头差，上游围堰采用普通水泥浆液静压灌浆完成后，基坑内的渗水量仍很大，需要对上游围堰的漏水进行处理，以形成完整、封闭的防渗帷幕。围堰防渗处理采用了掺外加剂的新型速凝膏浆技术进行上下游围堰的防渗堵漏处理，对于耗浆量大的孔段采用新型速凝膏浆结合级配料的堵漏方案。

图9 灌浆全部完成后基坑开挖情况

灌浆施工完成后，基坑内漏水量由12 000 m3/h，降低为100 m3/h左右，基本达到了干作业施工要求（图9），保证了主体帷幕的施工和基坑内后续工作的开展，达到了预期目的。

（2）桥梁基础围堰中应用。湖南怀沅江特大桥是邵衡铁路建设中一座大型桥梁，其中7#—12#桥墩位于江中，桥墩基础施工采用筑岛方案，通过在江中回填江中采砂抛弃的鹅卵石等材料。

桩承台施工正值沅江汛期，施工周期短，由于江水流速快，筑岛范围小、渗径短，筑岛材料渗水条件良好，造成成台施工的难度大、工期紧张。为确保在大桥的总施工进度，项目部8#、10#墩采用新型速凝型水泥膏浆结合低热沥青灌浆堵漏防渗方案，帷幕共设计两排孔，孔距2 m、排距1 m，在25 d内成功实现了8#、10#桥墩承台的基坑防渗处理。

在本项目中，低热沥青可以有效的完成大孔隙高流速孔隙的封堵，再通过速凝膏浆快速实现对较大渗流通道的封堵，达到堵漏的目的。

图10 灌浆施工及效果

（3）隧洞工程中应用。云南某水电站引水洞在开挖过程中遇断层破碎带，突发涌水，导致附近村庄泉眼干涸，严重影响了当地百姓的生产生活［16］。前期采用了“先引排，后衬砌，再反灌”的处理方案，但因涌水压力高、流量大，关闭引排阀门灌浆时，钢筋混凝土衬砌发生变形破坏，衬砌与基岩面形成了新的渗漏通道，涌水量较处理前还有所增加。本项目针对衬砌隧洞涌水渗径短、流速快、渗漏通道确定困难，研究提出了“分割渗漏通道、分区治理”的堵水思路及应用“低热沥青、新型速凝膏浆、模袋灌浆及化学灌浆相结合”的综合灌浆处理技术进行处理。本堵漏工程共布置钻孔约200个孔，共耗用低热沥青500 L，普通水泥300 t，快硬水泥40 t，外加剂1 t，聚氨酯2.5 t，灌浆模袋100 m2。

图11 现场涌水情况和处理完成效果

经过1个多月的施工，取得了良好效果，整个涌水段渗漏量减少显著，涌水段渗漏水封堵率超过了95%，经钻孔检查边墙和顶拱没有股状水流出。经堵漏处理后，因漏水而干枯的泉水重新出露，及时解决了当地百姓的用水需求。

5 结论

本文紧紧围绕实际工程需要，根据大孔隙地层渗漏特点，通过室内试验、理论分析和现场应用等分析手段，对速凝膏浆、低热沥青两种新型灌浆材料的配比选择、灌浆性能、施工工艺等开展了较为系统的研究。

（1）研究成果表明新型速凝膏浆具有水下不分散、整体抗水流冲击，良好的可灌性以及凝结时间的可调、可控性，适合用于流速1.5 m/s以下的大孔（裂）隙灌浆堵漏；低热沥青浆液具有不被水稀释而流失的特点，动水流速度达1.5～2.5 m/s仍可适合堵漏灌浆，适合于大流量、高流速的大孔（裂）隙灌浆堵漏，是新型速凝膏浆灌浆材料的重要补充。

（2）本文所述的围堰和隧洞工程堵漏处理表明，新型速凝膏浆和低热沥青灌浆材料的联合应用效果更佳。二种材料及工艺的配合使用，可应用的工况更多、处理效果更好、具有广泛的应用前景。