超细水泥稳定浆液在麦洛维大坝灌浆工程中的应用

汤国辉

(中国水电基础局有限公司，天津 301700)

苏丹麦洛维大坝工程采用灌浆方式处理大坝基础的防渗问题。该地区岩石裂隙较发育，且大部分为细微裂隙，透水率大，可灌性不好。通常在灌浆施工中表现为吃水不吃浆，加上当地气候炎热，普通水泥浆的析水率较大，灌浆效果差。通过试验获得合理配比，使用超细水泥、掺加适量膨润土和高效减水剂，并通过两个阶段的搅拌配制稳定浆液作为灌浆材料。该稳定浆液具有良好的流动性和稳定性，在该地质条件下可灌性好，达到了灌浆效果。

1 工程概况

麦洛维大坝位于苏丹共和国的北方省，在Karima东北方27km处，位于苏丹首都喀土穆以北约450km的尼罗河上。大坝在原河道为黏土心墙堆石坝，两岸延伸的坝段为混凝土面板堆石坝。引水发电系统、溢流坝位于原河道处，与心墙坝和右岸面板堆石坝相接。

1.1 工程布置

麦洛维大坝趾板灌浆工程包括固结灌浆、帷幕灌浆。混凝土趾板沿着混凝土面板堆石坝布置在坝轴线上游，左右分别与溢流坝和右岸土堤相接，右岸趾板轴线总长约4409.83m，混凝土趾板宽度3.5m，厚度依据覆盖层开挖后的地形、地质结构而不同，一般为0.5～1.5m。混凝土趾板建基面开挖后的高程(250.00～298.75m)，决定了灌浆施工作业面的高程，并根据地质情况沿岸边逐渐抬高。固结灌浆分上下游两排分布于混凝土趾板上，一排帷幕灌浆孔位于中间排，各类灌浆孔孔距初步确定为3m，施工中根据实际情况对灌浆孔布置作适当调整。

1.2 地质条件

该工程区域地质通常被认为是岩石变质或火成岩，白垩系的努比亚砂岩构造。类似于Bayuda沙漠西部的构造。通常认为，尼罗河的两岸地区为多岩石构造和侵蚀基层。已经在该地区鉴别出片麻岩和混合岩、花岗岩、流纹岩(霏细岩)、努比亚砂岩、表层沉积物。

该地区岩石，花岗片麻岩和混合岩占主要部分，混合黑云母片麻岩形成底岩，片麻岩呈剪切状，底岩叶理的方向与尼罗河的流向大致平行。流纹岩(霏细岩)与伟晶岩(半花岗岩)两类岩堤沿各个方向嵌入基岩形成复合侵入性岩脉，流纹岩堤呈凝集状，尺寸可从半米到几米以至于沿着岩石叶理延长到几公里长，大部分霏细岩(流纹岩)是南北向或东西向。努比亚砂岩是白垩纪的地层沉积岩石，包括砾岩、有碎石花纹的砂岩、砂岩、泥岩。它们沿尼罗河西岸铺开。

2 水泥稳定浆液的特点

水泥灌浆浆液为水灰混合物，其中掺加外加剂、砂和膨润土等材料，通过压力将其灌入预制孔或管道中，以便填充缝隙或将石块固结为整体。水泥灌浆浆液分为稳定和不稳定两种。水泥稳定浆液的特点为，溶解在水中的胶质悬浮物粒径很小，在灌浆作业期间不会出现可观察到的沉淀现象；稳定浆液析水少,2h内析水率小于4%或5%,有利于灌浆充满孔隙，灌浆所形成的结石力学强度较高；稳定浆液在施工当中可避免不必要的大量吸浆，还可缩短灌注时间。稳定浆液可通过选择浆液原材料成分和水灰比等方法配制。

3 原材料选择

本工程稳定浆液的成分为超细水泥、膨润土、高效减水剂，这种浆液在该地区岩层细微裂隙中可灌性好，且结石强度较高。

3.1 超细水泥

本工程所在地区岩石裂隙较发育，并且大部分为细微裂隙，根据经验，对于小于0.2mm宽度的细微裂隙用一般水泥浆起不到好的防渗效果，因此本工程受地层条件限制而采用超细水泥(本工程特称之为灌浆水泥)灌浆。

灌浆水泥选用埃及水泥公司生产的普通硅酸盐42.5R水泥。比表面积大于9500cm2/g，由Blaine空气渗透率法确定(ASTMC204)。水泥细度要求满足通过No200(0.075mm)方孔筛的筛余量为0。水泥应保持新鲜，不得使用受潮、结块水泥，水泥性能符合相关标准，相关试验结果见表1。

表1 水泥物理力学性能试验结果

3.2 膨润土

膨润土用作水泥浆中的外加剂，可提高浆液稳定性、触变性，降低析水性。本工程用膨润土要求符合美国石油协会标准，选用的膨润土性能试验结果见表2。

表2 膨润土物理性能试验结果

3.3 高效减水剂

减水剂是一种具有亲水性表面活性的化学剂,可改善浆体的流动性和分散性,使浆液的强度、黏度、密度、离析、凝结时间和收缩达到最优。本工程通过试验验证选用ZB-1型超缓凝高效减水剂。检测按审批后的试验计划,以超缓凝高效减水剂0.5%掺量进行，检测试验结果见表3。

表3 减水剂性能试验结果

3.4 水

拌和用水采用经沉淀净化的自来水，检测结果见表4。

表4 拌和用水检测结果

4 稳定浆液配合比

4.1 配合比试验

为降低碎裂岩石的渗透性，配制的浆液要兼顾可灌性、耐久性、经济性和强度等要求，取得最佳效果。对浆液中所用的原材料及浆液进行了配比试验。根据试验计划选定试验的水灰比为2∶1、1∶1、0.9∶1、0.8∶1、0.7∶1、0.6∶1六种，按膨润土掺量为水泥重量的1.5%、2.0%、2.5%、3.0%，减水剂掺量为水泥重量的0.5%、0.25%，分别进行了22组试验。其中，各项指标符合要求的试验8组。

试验结论：浆液的析水率与膨润土的掺量有直接关系，膨润土的掺量越大，浆液析水率越小；同时，气温高时，可以减少膨润土的掺量(见图1)；膨润土的掺量不宜太大，否则浆液黏度高、流动性差，影响可灌性；气温高时浆液存放时间不宜太长,否则影响浆液流动性,可灌性差(见图2)；浆液存放时间不宜太长，否则影响浆液析水性(见图3)。

图1 膨润土的掺量与浆液(水灰比1∶1)析水率关系

图2 时间与浆液(水灰比1∶1，室外温度34℃)流动性关系

图3 时间与浆液(水灰比1∶1)析水率关系

从上到下四条曲线，膨润土掺量分别为0、1.5%、2.0%、0%，缓凝高效减水剂掺量0.5%、0.5%、0.5%、0。

4.2 配合比确定

根据现场生产性试验发现高温天气和浆液的存放时间对灌浆浆液的性能影响较大，对于此种水泥，减水剂的掺量为0.25%就可获得较好的效果。本工程最终确定了外加剂掺量较少的三种浆液配比作为施工配比，其性能见表5。

表5 施工用稳定碱液配比及其性能

5 稳定浆液的制备与灌注

5.1 浆液制备

本工程灌浆浆液的制备用自动化的FECZJ3000型集中制浆设备完成，该设备电子称量，其精度控制在2%；并且施工方便、快捷。

稳定浆液的搅拌分两个阶段进行。第一阶段，膨润土和水由高速搅拌机拌和(水∶膨润土=10∶1，重量比)后，转至储料仓中继续拌和等待膨化(膨化时间应不少于24h)。第二阶段，将经过膨化的膨润土浆液加入到高速搅拌机中拌和后，再行加入定量的水和水泥，搅拌时间不能少于2min。以上两个阶段的搅拌不能用同一台搅拌机。在第二阶段搅拌加水时，注意要减去膨润土浆液中的含水量。制浆用水水温不应超过25℃，用于制备膨润土的水不应含有任何悬浮水泥颗粒。制浆用水悬浮固体含量不超过2000×10-6,固体颗粒的粒径不超过水泥粒径，且要求无侵蚀性，氯化物含量不超过50mg/L,硫化物含量不超过100mg/L。

搅拌后的浆液应经5mm网孔筛流入搅拌槽中，搅拌槽装有搅拌叶片以防凝结并去掉拌和浆液中的气泡。浆液制备完成后，超过1h未用的应废弃。

5.2 灌浆施工

固结灌浆采用卡塞纯压方式进行，灌浆压力0.3MPa,采用水灰比为1∶1的水泥稳定浆液。在规定压力下每孔段在10min内持续注浆量为30L或更小时灌浆完成。灌浆结束后，栓塞留在孔中，续压10h待凝。

帷幕灌浆采用自下而上分段卡塞灌浆，灌浆段长一般为5m，灌浆压力自上而下各段为0.3～1.2MPa。灌浆时1∶1、0.8∶1、0.6∶1三个比级的水泥稳定浆液由稀至浓变换。在规定的压力下，当孔段10min的注入量不大于10L时，该段灌浆结束。

6 灌浆效果分析

苏丹麦罗维大坝趾板灌浆完成固结灌浆35804m,一序、二序、三序灌浆孔平均注入灰量为72.5kg/m、60.2kg/m、47.6kg/m；完成帷幕灌浆65239m，一序、二序、三序灌浆孔平均注入灰量为80.8kg/m、69.7kg/m、57.1kg/m。大坝右岸趾板灌浆工程完工后进行了30个检查孔的施工，压水透水率均满足不大于5Lu的防渗标准，末段透水率为1～2Lu，灌浆达到了设计质量标准。上述灌浆成果说明超细水泥稳定浆液在本工程地质条件下具有良好的可灌性，并取得了预期灌浆效果。

7 结 语

通过现场试验配制的超细水泥稳定浆液在麦罗维大坝灌浆工程中得到了良好的应用,适应该地区的地质和气候条件；特别对透水性较大而裂隙细微的地层显出了很好的可灌性。这是由于超细水泥稳定浆液具有细颗粒、稳定和耐久的特点，适宜细微裂隙地层的灌注,并能形成高强度、填充饱满的结石。但水泥稳定浆液制备时间较长，对膨润土浆的质量要求较高，且成品的水泥稳定浆液在储存时间过长的情况下容易变浓，这都需要进一步研究。