水玻璃系列化学灌浆在水利水电基础防渗工程中的应用

张子仪，向光鹏

(四川省内江水利电力勘察设计院有限公司，四川 内江 641000)

1 概述

和平水库位于四川省凉山州德昌县茨达乡和平村境内，是一座以农业灌溉为主，兼顾乡镇、农村供水的中型(Ⅲ等)水利工程。和平水库枢纽工程由大坝、右岸开敞式溢洪道、右岸放水放空洞等组成。

和平水库大坝为钢筋混凝土面板堆石坝，建在强风化辉长岩基础上，基础采用帷幕灌浆防渗。由于水平趾板基础1～10m为强风化辉长岩，岩体细小裂缝和微张裂隙很发育，岩石破碎，采取率低，灌浆过程中回浆变浓、“吃水不吃浆”现象普遍。所以水平趾板基础灌浆工作全面完成后，对该部位进行自检自查，发现部分单元检查结果不能满足设计要求，需重新研究灌浆材料。为了保证大坝坝基承载力及防渗性能，经参建各方研究决定，分别在水平趾板段进行化学灌浆、超细水泥灌浆和普通水泥补强灌浆试验。试验结果表明水泥灌浆效果不理想，达不到大坝坝基的防渗设计要求，但水玻璃系列化学灌浆试验结果却能完全满足大坝坝基的防渗功能要求，因此和平水库枢纽工程最终采用了水玻璃系列化学灌浆作为补强灌浆方案。现场施工完成后，按照相关建设程序，通过质量检查验收，水玻璃系列化学灌浆产品质量全部合格，取得了理想的灌浆效果。

2 应用程序

水玻璃系列材料是化学灌浆材料中的一种，这种化学灌浆材料和普通水泥灌浆材料有很多不同之处，试验研究是应用过程中的关键环节，建议采取以下应用程序：室内试验→室外试验→确定目标参数→编制施工方案→实施及检测。

3 试验原理

水玻璃俗称泡花碱，廉价、无毒，由碱金属氧化物与二氧化硅组成，属可溶性的硅酸盐类，最常见的为硅酸纳水玻璃。水玻璃在水溶液中水解生成氢氧化钠，然后与乙二醛反应，发生水解平衡向右移动生成硅酸物质，进而凝胶。故将乙二醛作为水玻璃溶液的胶凝剂。

4 室内试验

4.1 主要材料

化学灌浆材料种类繁多，水玻璃系列材料为目前化学灌浆的最主要的种类，而水玻璃系列材料又有多种不同的配合比选择，本文介绍一种以水玻璃为主材的新型灌浆材料组合。

主剂：水玻璃，模数3.2，波美度38Be。

胶凝剂：乙二醛，浓度30%～40%。

添加剂：十二烷基磺酸钠，浓度97%(添加剂种类较多，本次只列出其中一种常见材料)。

介质剂：灌浆部位的河床清澈水。

初步拟定的以上主要物质试验配合比见表1。

表1 浆材配合比 单位：g

经过有关科研院所和本次多组试验表明，在主剂水玻璃达到50%(重量比)时，试件在胶凝时间、抗压强度和耐久性等主要特性方面表现出最好的组合效果。

4.2 试验测定项目

4.2.1胶凝时间测定

采用倾斜法，将配置好的浆液在室温下至于杯中，用秒表测出液面不发生倾斜的时间。胶凝时间可调节，一般根据工程现场实际情况决定，要既能灌浆施工过程中浆液不会胶凝固结，又能按预期扩散到目标位置，满足设计要求。浆液组成物质对浆液胶凝时间的影响见表2。

表2 浆液组成物质对浆液胶凝时间的影响

通过表2分析，随着乙二醛的增加，胶凝时间减小；十二烷基磺酸钠在浓度达到约0.4%时，胶凝时间最长。根据现场实践经验，胶凝时间范围10～15min(扩散半径2.0～2.5m)区域比较合适。因此表2中第二组的中值配合比为胶凝时间控制的较为理想组合。

4.2.2抗压强度测定

试样在模具中成型，24h后脱模，用并在空气中自然存放1～2h时间。然后使用测压机测固砂体的抗压强度。浆液组成物质对固砂体抗压强度的影响见表3。

表3 浆液组成物质对固砂体抗压强度的影响

通过表3分析，随着乙二醛的增加，试件抗压强度的表现形式先增后减，当乙二醛在重量比重增加到约16%时，试件抗压强度达到最大值。结合表2的试验成果，本次试验选择乙二醛在重量比重为15%为宜。

根据工程经验，净浆体的抗压强度在清水养护条件下1.0MPa左右，固砂体自然放存条件下为1.9MPa左右，因此试压机的选型应与之匹配，以确保测定结果的准确性。

4.2.3耐久性试验

依据以上试验结论，按照推荐的水玻璃系列灌浆材料的基本配合比为水玻璃:乙二醛∶水∶活性剂=50∶15∶34.6∶0.4，进行固砂体试样制作。试样在模具中成型1d后脱模，立即放入盛满水的盆中浸泡7d后，观察水的浑浊情况和溶解情况。

试样在盆中浸泡7d后，如果其抗压强度基本不变，或者略有提高，同时盆水未变浑浊，表明试样不会在水中发生溶解，即可得出该配合比浆材固砂体耐久性好的结论。

5 现场室外试验

在室内试验取得最佳配合比后，才能进行现场的室外试验。

特别注意，由于浆液胶凝时间受施工工地日照的影响，室内试验是在室内温度条件下进行的，因此在工地现场要进行调整乙二醛的比例来进行调整胶凝时间，以满足施工操作时间要求，和平水库工程采取的措施为将白天施工时段调整为夜间进行，此种胶凝时间的调整方式可以在其他工程中加以借鉴。

5.1 灌浆孔参数选择

选择不满足防渗要求的地段进行布孔，一般进行单排布置，孔数需要满足三序施工的要求，孔距常常选择1.5m，孔深应根据先导孔决定化学灌浆帷幕底线。

5.2 试验方法及工艺参数

(1)采用自上而下卡塞纯压式式灌浆方法。

(2)按三序施工，先一序，再二序、最后三序。

(3)钻孔：孔位偏差不大于10cm，孔地斜率偏差不大于25cm，采用会转钻进，先导孔需自上而下分段压水，单动双管钻具取芯留存、描述及柱状图绘制。

(4)冲洗压水：压力为灌浆压力的80%，除先导孔采用单点法压水外，其余孔段均采用简易压水。

(5)灌浆：采用拴塞卡在灌浆段顶以上0.5m处，各段段长见表4。

表4 灌浆段长和压力

接触段需先行单独灌浆并待凝屏蔽12h后孔内无涌水时再钻灌以下各段。以下段次灌浆结束后需待凝闭浆2h。化灌浆液根据室外气温变化而进行调凝。

(6)结束标准:①在该段最大设计灌浆压力下，注入率不大于0.02L/(min·m)延灌30min;②不吸浆直接结束；③总注浆量达到120L/m；④达到胶凝时间。

5.3 质量检查

化学灌浆结束7d后可对其灌浆质量进行检查，试验检查孔暂按2～3个具体位置现场结合资料确定。采取自上而下钻孔取芯法压水，每段压水采用单点法进行，压力为同段灌浆压力的80%，全孔检查完成后可采用自下而上灌浆和封孔。选取不同岩芯样做室内抗压强度试验，以确定化学灌浆所胶结的胶结体强度。取芯需采用单动双管钻具。和平水库枢纽工程现场采集的接触段岩芯和岩芯抗压强度检测后情况如图1—2所示。

图1 接触段岩芯

图2 接触段岩芯抗压强度检测后

5.4 记录要求

使用DL/T5406—2010《水工建筑物化学灌浆施工规范》中的记录表格，填写记录必须齐全、准确、清晰。

6 结语

本文提供的这种无毒新型水玻璃系列化学灌浆，相对于普通水泥或者超细水泥灌浆方式单价较高，但是，在大量分布有细小裂缝和微张裂的岩层中进行防渗堵漏时，普通水泥甚至超细水泥灌浆时常遭遇“吃水不吃浆”现象，水玻璃系列化学灌浆却能有效地解决细微裂隙的渗漏，同时在耐久性方面，也取得了试验成功，因此这种新型水玻璃化学灌浆材料在水利水电基础防渗工程中具有广泛的应用前景。