帷幕灌浆的耐久性分析及提高措施

随着我国水利水电事业的发展，为了减少渗漏，防止地层产生机械潜蚀，降低坝底扬压力，保证坝基、坝肩的稳定，越来越多的水利水电工程采用帷幕灌浆的方法解决大坝渗漏问题，其中最常采用的是水泥帷幕灌浆。随着工程实践的增加，部分大坝坝基的帷幕灌浆防渗能力随时间开始逐渐出现衰减的现象，不少帷幕防渗能力由于衰减而失去作用，有的甚至影响到了大坝安全，造成重大的经济损失，因此，如何提高帷幕灌浆的耐久性，对保证大坝的安全具有重要的意义。本文通过总结影响水泥灌浆帷幕耐久性的因素，分析水泥灌浆帷幕防渗能力衰减的原因，并结合国内帷幕灌浆的现状，提出了提高水泥灌浆帷幕防渗能力的措施。

1.影响水泥灌浆帷幕耐久性的主要因素

水泥帷幕灌浆的耐久性是由综合因素决定的，但究其主要因素，主要是与幕体的密实性、帷幕的连续性以及地下水的侵蚀有关。

幕体的密实度是指灌注浆液在被灌岩体裂隙空间中充填的紧密程度。水泥灌浆的耐久性，在很大程度上依赖幕体的密实度，只有保证浆液能够完全、牢固地填充基础缝隙和空洞，使遗留的渗漏通道减少到最少，这样，水泥灌浆帷幕才有可能是耐久的。而帷幕的密实度又与灌浆方法、灌浆压力、灌浆工序和浆液的合理使用等因素有关。

帷幕的连续性是指幕体在防渗范围内的横向和纵向的连续。只有保证幕体能够完全形成一个闭合体，使遗留的渗漏通道少之又少，水泥灌浆帷幕才有可能是耐久的。而帷幕的连续性又与灌浆孔间距、方向、深度等因素有关。

地下水的侵蚀是指渗透水流对灌浆帷幕中水泥结石的侵蚀，主要包括溶出型侵蚀、碳酸型侵蚀、一般酸性侵蚀、硫酸盐侵蚀、镁盐侵蚀5种。其中最主要的是溶出型侵蚀，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。

2.水泥灌浆帷幕防渗能力衰减的原因

国内外有学者认为，水泥帷幕灌浆防渗能力衰减的主要原因是浆液水灰比的问题,是灌注了稀浆导致帷幕耐久性降低。其实，导致帷幕防渗能力衰减的成因十分复杂，浆液水灰比只是其中的一部分，还与灌浆参数、施工方法、施工工艺、特殊地段处理等因素也有重大关系。

根据国内外大坝水泥灌浆帷幕防渗能力衰减的现状和分析以及笔者的思考，造成水泥灌浆帷幕防渗能力衰减的原因，大致可概括为以下几个方面：

（1）设计参数不合理

帷幕灌浆孔的布置、质量标准、灌浆材料和浆液、主要施工方法和施工参数等，是保证帷幕质量和耐久性的前提。目前，国内大坝帷幕灌浆设计参数基本上都是以前期的物探孔为依据进行设计，虽然在灌浆施工前进行灌浆试验进行验证，但一般都是选择个别部位进行。此外，工程水文地质条件的复杂性，造成了有些设计参数在别的部位不适用、施工质量差，从而影响了帷幕防渗能力。

（2）缺少耐久性分析

目前，在灌浆帷幕设计和施工中，基本上都是以检查孔压水透水率符合设计要求为质量目标，并没有充分考虑防渗帷幕耐久性问题，造成有的大坝即使严格按照设计精心灌浆，并在当时取得良好的灌浆效果，但经过几年的运行，其防渗能力仍逐渐衰减。

（3）钻孔深度过深

目前，在钻孔深度的设计上由于成本控制等综合因素，灌浆平洞开挖较少，钻孔深度越来越深，动辄上百米甚至100多米至200多米。这就造成了两个后果：一是钻孔越深，灌浆的质量越难以保证，综合目前国内灌浆的现状，当灌浆孔深超过100米时，灌浆时容易出现孔内事故，留下质量隐患；二是钻孔越深，钻孔方向越难以控制，孔斜偏差大，灌后往往形不成连续的防渗帷幕，起不到有效的防渗作用。

（4）水灰比选用不当

浆液水灰比是影响幕体密实度的重要因素之一。目前，国内外大多数学者普遍认为，采用稠浆起灌效果好，因为稠浆较之稀浆有以下优势：浆液中水泥含量较高，密度和力学强度较高，具有较强的抗物理侵蚀和管涌能力；孔隙率和透水性更低，结合强度更高，因此具有更强的抗化学淋溶侵蚀能力，大坝的灌浆帷幕具有更好的耐久性。

但笔者不认同这种观点，由于工程的水文地质条件比较复杂，同等条件下稠浆结石强度固然比稀浆结石强度高，但稠浆不能有效充填微小裂隙，而采用稀浆起灌，逐渐变浓可将岩石的大小裂缝裂隙几乎灌注至极致。当然，并不是起灌浆液越稀越好，经研究发现，水灰比增大，浆液的结石强度呈下降趋势。随着浆体水灰比的增大，粘度将会变小、流动性增加。当水灰比大于3时，浆液中水泥颗粒沉降速度明显加快，浆液不稳定，水泥浆体在滤水条件不好的情况下，随着水灰比的增大，凝结时间变长，结石强度也会下降，所以水灰比对增加浆体流动性已无意义。因此，从浆材性能看，最大水灰比宜控制在3以下。

（5）灌浆压力不足

灌浆压力也是影响幕体密实度的重要因素之一。根据试验对比分析，在压迫滤水的条件下，浆液形成的水泥结石的密度和强度，远大于静置条件下自由脱水的浆液形成的水泥结石的密度和强度。只要灌浆的压力足够大、持续时间足够长，稀浆压迫滤水形成的水泥结石的密度和强度会不亚于较稠的稳定性浆液。反之，如果灌浆的压力不够大、持续时间不够长，浆液中过量的水产生的泌水通道将会导致水泥结石的孔隙率大、抗渗性差、强度低等缺陷，由此可见，灌浆压力的大小和持续时间对幕体的密实度有重大的影响。

（6）施工质量差

施工质量问题与灌浆灌浆帷幕防渗能力衰减密切相关。工程水文地质复杂性是客观原因，施工质量是主观原因，而后者尤为重要。施工方是工程的主要实施者，即使设计再合理，施工中不按设计要求进行，灌浆过程中的灌浆材料、浆液性能、浆液水灰比变换方式、灌浆压力、钻孔方向等不符合设计和规范要求，形成的幕体肯定不能达到防渗标准和耐久性的要求。通过国内防渗帷幕的调查发现，因施工质量而影响灌浆帷幕正常运行的工程实例较多，甚至在工程运行初期帷幕防渗能力就达不到设计要求，有的工程虽作了多次处理，但缺陷仍未完全消除，这不仅会危及大坝安全运行，而且还会给工程留下了长期难以解决的隐患，造成较大的经济损失。

（7）浆液材料选用不当

通常情况下，各个工程水文地质条件都不一样。即使是同一个工程，或者一个大的工作面，地质条件也不完全一样，均一的地质条件更是少之又少。针对各种水文条件和地质条件，应选用不同的浆液或材料。如果浆液材料选用不当，幕体的防渗效果和强度将会受到严重影响，给工程留下隐患。例如，幕区有水质侵蚀，可选用抗侵蚀性能好的水泥作灌浆材料；对于以细微裂隙为主的可灌性差的岩体，即使采用较稀的普通水泥浆液，也容易造成受灌裂隙被水泥颗粒阻塞，产生“吃水不吃浆、回浆变浓”的现象。对于此类地层，只有使用超细水泥灌浆或者化学灌浆，才能形成防渗效果好、耐久性强的防渗帷幕。

（8）特殊地段处理不当

大量工程实践表明，防渗帷幕效果不佳或耐久性较差，绝大多数发生在穿过幕区的断层，挤压破碎带或软弱夹层地段，主要原因在于施工中孔斜难以保证，同时冲孔时对风化的泥质充填物难以完全冲出，且常伴有地下水活动，影响浆液渗入裂隙，水泥结石难以形成连续阻水幕。对于穿过幕区的软弱、泥化夹层破碎带等特殊地层，遇水易泥化、软化，若未能处理好，在高压渗流水作用下，极易形成渗水通道，加速帷幕防渗性能的衰减，甚至破坏帷幕渗透的稳定。

3.提高灌浆帷幕防渗能力的措施

针对上述水泥灌浆帷幕防渗能力衰减的原因，并结合国内帷幕灌浆的现状，笔者特提出以下提高水泥灌浆帷幕防渗能力的措施。

一是在灌浆帷幕设计中，尽量在各个有代表性的地段先进行灌浆试验，以确定各个地质条件下的孔排距布置和施工参数，制定一个高质量的、有针对性的、可获得密实帷幕且便于实施的施工技术要求，同时要充分考虑防渗帷幕耐久性问题，提出有关耐久性方面的内容和要求，在施工过程中还应根据施工反应出来的情况随时优化设计方案。

二是灌浆孔的孔深尽量控制在70米以内，根据目前国内帷幕灌浆的施工现状，灌浆孔深在70米以内是最适宜的，此时灌浆质量和孔斜控制均能得到很好的保证。

三是灌浆的起灌水灰比，主要应取决于压水试验的透水率大小和地质情况，对于细微裂隙发育、透水率小、可灌性差的地段，应采用稀浆起灌，但起灌水灰比不应超过3:1；对于宽裂隙发育、透水率大、可灌性好的地段，应采用稠浆起灌。

四是灌浆的压力要足够大，持续时间足够长，确保各种浆液能充满受灌裂隙，并在灌浆压力的作用下，完全泌水凝固，使裂隙能被水泥结石完全充填。

五是在施工过程中，施工单位应严格实施设计制定的技术要求，在施工中不断总结经验，严格质量管理，全面达到质量标准。推广新技术、新工艺，精心施工，同时施工如遇到地质异常或其他特殊情况，应及时和设计沟通妥善解决，而不是机械地执行设计规定。

六是可根据具体工程水文地质条件，合理地选用灌浆材料，同时采用高速搅拌机制浆技术，以增强帷幕灌注效果。

七是对于防渗灌浆帷幕的特殊地层，要制定专项措施，妥善处理，如冲孔时对风化的泥质充填物难以完全冲出时，应采用风水联动脉动冲孔，必要时采用多孔联动冲洗，以达到泥质充填物完全冲出；地质条件差的地段应采取加密灌浆孔的方式，以达到浆液能够完全、牢固地充填缝隙和空洞，渗漏通道被封堵，形成连续幕体的效果。

八是加强灌浆帷幕运行状况的监测工作。水质分析应系统化、经常化，应经常对排水孔涌出物进行调查、观察，注意其发展，并分析原因，以便能及早发现帷幕防渗性能衰减情况。

4.结语

水泥灌浆的耐久性，在很大程度上依赖灌浆质量，只有保证浆液能够完全、牢固地充填基础缝隙和空洞，使遗留的渗漏通道少之又少，各种缺陷也减少到最少，水泥灌浆帷幕才有可能是耐久的。

影响帷幕防渗能力衰减，往往是由多种因素所产生的。为了保证帷幕防渗能力的耐久、有效，可根据水文地质条件，确定合理的帷幕设计，采取有效工艺和灌浆材料，精心施工，严格控制灌浆质量，把影响帷幕防渗能力衰减的因素降到最低，以提高其防渗能力，延长帷幕使用年限。