水泥环氧复合灌浆技术研究及应用

魏 涛，张 健

(长江科学院 材料与结构研究所，武汉 430010)

1 研究背景

水泥环氧复合灌浆技术处理不良地质体的设计理念是先用水泥浆液对不良地质体影响带以及不良地质体中较大裂隙进行灌浆，形成封闭体系，增加结构强度；再用环氧灌浆材料浸润渗透到微细裂隙以及泥化夹层中，从而提高整体强度。相关技术在国外文献中鲜有报道。我国应用水泥环氧复合灌浆处理水工建筑物不良地质体(尤其是低渗性的断层带及饱和软弱泥化夹层)始于20世纪80年代初，最著名的工程案例是在1982—1983年期间，采用高压水泥和中化-798环氧灌浆材料对龙羊峡大坝G4劈理带进行复合灌浆处理，取得了良好的处理效果[1]。20世纪90年代长江科学院针对三峡工程断层的特点(性状很差，构造岩为角砾岩、糜棱岩及断层泥等，变形模量为0.2～0.5 GPa)进行了大量室内和现场试验研究，并采用水泥/CW环氧复合灌浆技术成功处理了三峡工程f215、f1096、f1050等断层，从而开创了国内大规模采用复合灌浆技术处理水工建筑物不良地质体的先例[2-3]。随后长江科学院在2010—2014年期间采用水泥/CW环氧复合灌浆技术成功处理了向家坝水电站挤压破碎带、溪洛渡水电站层间层内错动带等不良地质体，解决了在有压、动水条件下，用水泥环氧复合灌浆处理不良地质体的难题[4-5]。国内其他单位如中国水利水电第七工程局有限公司、中国能建葛洲坝集团等单位也采用水泥环氧复合灌浆成功处理了龙滩水电站f60断层[6]、锦屏水电站煌斑岩和断层泥等不良地质体[7-10]。上述工程问题都堪称世界难题。

随着水泥环氧复合灌浆技术的应用，相关理论研究也取得了进展，20世纪90年代任克昌等[11-12]提出了化学灌浆的吸渗理论，最近4年来，Wei等[13-14]依据LW方程，建立了环氧树脂灌浆材料对砂土浸润渗透高度随时间的动力学数学模型，这些理论指导并促进了水泥环氧复合灌浆技术的进一步推广应用。本文对水泥环氧复合灌浆所采用的灌浆材料、灌浆工艺、灌浆设备以及灌浆理论研究和工程应用等方面进行总结。

2 水泥环氧复合灌浆材料

2.1 水泥类灌浆材料

水泥环氧复合灌浆中常用的水泥类灌浆材料有普通水泥浆液、超细水泥浆液和湿磨细水泥浆液。它们由水泥、水和外加剂组成，属于颗粒状悬浮浆液。常用可灌性比值NR来衡量水泥浆液是否可灌。一般认为NR>2时表示浆材可灌性良好。在我国的灌浆工程实践中，普遍认为开度<3倍灌浆材料颗粒的裂隙是不可灌的。NR的表达式为

(1)

式中：B为裂隙(缝)宽度；D95为浆材中质量累计分布率为95%时的最大粒径。

2.1.1 普通水泥浆液

普通水泥浆液的研究和应用非常成熟，对水泥的选择、制浆、灌浆设备、灌浆方法、浆液变换原则、结束标准和质量检查等都可按《水工建筑物水泥灌浆施工技术规范》(SL 62—2014)的规定执行。因普通水泥最大粒径在44～100 μm之间，颗粒比较大，为了改善水泥浆液的可灌性，科研工作者研发出了超细水泥和湿磨细水泥。

2.1.2 超细水泥浆液

超细水泥也称干磨水泥，日本在20世纪80年代初最先研制出干磨水泥(简称MC)，其比表面积在8 000 cm2/g以上，平均粒径为4 μm，最大颗粒直径约为10 μm。我国在20世纪60—90年代也开展了这方面的研究，目前超细水泥浆液在隧洞、电站以及坝基等的防渗和加固处理中得到广泛应用。但由于超细水泥成本较高，储存条件要求高，研究者又开发了湿磨细水泥。

2.1.3 湿磨细水泥浆液

20世纪80年代中期，日本研制出了湿磨制浆工艺(简称WMC)。1988年至今，陈昊等[15]、董建军[16]从设备研制、浆材性能研究、浆液粒径检测、工程应用等方面不断完善提高，开发出水泥湿磨机(GSM型、GSW型)和湿磨细水泥细度检测仪(NSKC-2)。通过磨细水泥浆中水泥颗粒，控制最大粒径在40 μm左右，D95控制在30 μm左右。2010年长江科学院研发的湿磨细灌浆技术被水利部科技推广中心确定为水利重点科技推广项目，在国内外水电、矿山、民用等领域得到大量推广使用。

2.2 环氧灌浆材料

水工建筑物不良地质体如断层破碎带、软弱泥化夹层等，一般渗透系数低，孔隙有水，因此，对灌浆材料的研究主要是提高材料的渗透性和在有水条件下的固化性能。20世纪50年代初，长江科学院、中国水利水电科学研究院以及中国科学院广州化学研究所等单位的科研工作者开始研究环氧灌浆材料。目前环氧树脂灌浆材料的种类有：以丙酮、糠醛为反应稀释剂的环氧树脂灌浆材料；用单、双或三官能团低分子量环氧稀释剂改性的环氧灌浆材料；以水为溶剂的环氧树脂类灌浆材料；端基含有双键的丙烯酸环氧树脂类灌浆材料[17-18]。工程实践证明以丙酮、糠醛为反应稀释剂的环氧树脂灌浆材料是水工建筑物不良地质体加固防渗处理的理想化学灌浆材料。长江科学院研发的CW系环氧灌浆材料，中国科学院广州化学研究所研制的中化-798、YDS系列环氧灌浆材料，天津基础工程局科研所研制的JX环氧灌浆材料都属于丙酮、糠醛为反应稀释剂的环氧树脂灌浆材料。

长江科学院从20世纪90年代开始，在老一辈研究人员研发的丙酮、糠醛环氧树脂灌浆材料的基础上，以三峡工程断层带为研究对象，采用分子结构调控和互穿网络技术，发明了高强度、高浸润渗透性、高粘结性、可操作时间精确可调和环保性能优良的高性能环氧树脂灌浆材料，获得国家发明专利2项：环氧/聚氨酯互穿聚合物网络水下修补材料及制备方法(专利号：ZL 200510018426.0)；水下环氧树脂灌浆材料 (专利号：ZL 03118712.9)。研发的高性能环氧树脂灌浆材料初始黏度低(6 mPa·s)，浸润渗透效果好(与岩体接触角低至0°)，可操作时间大范围精确可调(2～100 h)，可有效灌入渗透系数在10-6～10-8cm/s的低渗性不良地质体中，可在有压动水条件下有效固结，固结体抗压强度达到60～80 MPa，与混凝土的湿粘结强度>3.0 MPa，与被灌体牢固结合且固化强度高。环保性能优良(大鼠半数致死量LD50>5 000 mg/kg)，达到实际无毒[19-20]。

长江科学院在灌浆材料研究基础上，建立生产线，形成了CW品牌。CW系列高渗透环氧树脂灌浆材料的多项应用成果达到国际领先水平，分别获得长江水利委员会科技进步一等奖、湖北省科技进步二等奖、湖北省技术发明一等奖、大禹水利科学技术一等奖、中国岩石力学与工程学会科技进步一等奖和湖北省优秀专利项目奖。

3 水泥环氧复合灌浆工艺

水泥环氧复合灌浆技术的关键在于保证化学灌浆材料能够浸润渗透到断层破碎带和软弱泥化夹层中。长江科学院等单位通过三峡f215断层试验，研究了水泥环氧复合灌浆工艺，主要技术工艺为[21-22]：①用高喷冲洗方法尽量冲出不良地质体中所含的泥等软弱物质；②采用普通水泥或湿磨细水泥灌浆灌注较大裂隙，水泥或湿磨细水泥灌浆采用自上而下或自下而上的孔口封闭循环式注浆；③用高渗透环氧灌浆材料浸润渗透到微细裂隙和含泥软弱夹层，恢复不良地质体的整体性，化学灌浆采用自上而下或自下而上的孔内阻塞纯压式注浆。

复合灌浆孔孔位布置可采用同孔复合灌浆和异孔复合灌浆这2种形式。同孔复合灌浆指利用同一个钻孔先灌注水泥浆液，再通过扩孔灌注化学浆液的复合灌浆工艺。异孔复合灌浆是指水泥灌浆、化学灌浆采用不同灌浆孔灌注的灌浆工艺。

化学灌浆开灌标准是保证复合灌浆质量、降低工程费用的重要指标。在复合灌浆中，水泥浆液可以提高受灌体的变形模量，节约费用；化学浆液浸润性好，可灌入水泥浆液无法灌入的微细裂隙和孔隙，提高受灌体的整体强度。陈昊等[23]从三峡工程的断层处理开始，就研究了化学灌浆的开灌标准。在最初的研究和应用中，以水泥灌浆的吸浆量达到一定数值作为化学灌浆的开灌标准，如在水泥浆灌至Q吸<10 L/min或Q吸<5 L/min时开始化学灌浆。在应用过程中科研工作者发现，以水泥灌浆的吸浆量达到一定数值作为化学灌浆的开灌标准并不科学(受灌体有的部位水泥浆液基本灌不进去)，最终确定开灌标准采用受灌体透水率指标作为依据，即受灌体在一定压力下透水率小于一定量值后才宜开始化学灌浆。目前化学灌浆的开灌标准一般采用透水率q<1 Lu，具体工程要进行相应的试验确定。如三峡工程的断层处理[24]、向家坝水电站挤压破碎带的处理[25]、新疆八大石水库断层处理[26]，这些工程中，水泥环氧复合灌浆的化学灌浆开灌标准都采用透水率q<1 Lu；溪洛渡水电站层间层内错动带的处理[27]，前期生产性试验发现灌前压水试验透水率q<2 Lu时，湿磨细水泥浆液普遍存在不吃浆、可灌性较差的情况，因此将化学灌浆的开灌标准调整为q<2 Lu。

4 灌浆设备

4.1 灌浆自动记录仪

4.1.1 水泥灌浆自动记录仪

水泥灌浆已实现了灌浆压力、流量、时间和累计灌灰量等工艺参数的自动化记录和数字化灌浆监测，该系统可绘制出灌浆全过程的流量和压力曲线，还可实现灌浆数据实时监测、网络和手机同步报警、灌浆数据统计与智能分析等功能，使灌浆工程的质量管控工作实现自动化、智能化、高效化。长江科学院从20世纪90年代初就开始研制水泥灌浆自动记录仪，已开发出GJY系列灌浆自动记录仪，并将其在三峡、二滩、小浪底、龙滩等水利工程基础灌浆中广泛使用，还远销伊朗、老挝、埃塞俄比亚等地，深受用户信赖[28]。另外，国内许多单位如中南大学、中大华瑞和中国水利水电基础公司科学研究所研制的灌浆自记仪也在许多水利工程的灌浆中得到应用。

4.1.2 化学灌浆自动记录仪

目前化学灌浆仍普遍采用手工记录，化学灌浆自动记录仪处于研发及初级应用阶段。长江科学院在承担向家坝水电站挤压破碎带水泥环氧复合灌浆施工过程中，曾试用了长江科学院和中大华瑞开发的2种化学灌浆记录仪。在浆液计量方面，两家单位采用的方法不同，长江科学院的记录仪是通过定时读取电子秤的称重来计算浆液用量，中大华瑞的化灌记录仪是通过定时读取浆液桶内化学浆液的液位高度来计算浆液用量[18]。

4.2 化学灌浆泵

目前对水泥灌浆泵方面的研究及应用已经相当成熟，本文不作介绍。在化学灌浆泵研究方面，长江科学院在处理三峡工程f1096断层中，其中有一段的化学灌浆时间长达7 d[29]，这对化学灌浆泵的性能提出了非常高的要求，需要化学灌浆泵持续工作性能稳定、耐化学腐蚀和磨损、进浆速率稳定、灌浆压力可调，并能满足长时间灌浆的要求。

针对三峡工程断层化灌处理，长江科学院于20世纪90年代末研制出HGB型系列液压化学灌浆泵[30]，该泵最主要的特点是运行时间长且平稳无噪声，工作压力0～24 MPa可调，流量0～11.4 L/min，质量轻(<150 kg)，流量和压力可任意调节，已在三峡工程和其他工程断层破碎带的高压水泥化学复合灌浆推广应用，取得了较好效果。

2010年长江科学院在吸收国内外已有化学灌浆泵有关技术的基础上，又研发出具有压力、时间、流量三参数控制功能的步进电机驱动的新型手自一体高压化学灌浆泵。该泵具有自动精确计量、高压动态流量控制、手自一体灌浆控制、压力稳定可调等优点；其在向家坝、溪洛渡等水电站的断层处理中被成功应用，并获国家实用新型专利(专利号：ZL200920268591.5)。

5 灌浆理论研究、灌浆材料标准和复合灌浆规范

5.1 不良地质体化学灌浆理论研究

国外在复合灌浆处理低渗性不良地质体方面的研究和应用鲜有报道。国内采用水泥环氧复合灌浆成功解决了许多水利工程不良地质体灌浆方面的难题，但由于现场原状样难于获得、试验室实体模型难于建立等原因，使得理论研究比较滞后。科研工作者发现采用水泥化学复合灌浆处理低渗性不良地质体，利用经典的球形和柱形扩散理论计算出的化学灌浆时间比实际灌浆时间要长得多，无法说明环氧灌浆材料在低渗性不良地质体中的浸润渗透性。梅锦煜和任克昌[11-12]提出了化学浆液的吸渗理论，即浆液能够自动渗入低渗性被灌体的充分条件是化学浆液对被灌介质的亲和力必须大于孔隙水对被灌介质的亲和力，化学浆液在低渗性不良地质体的灌浆处理中除了压力渗透外，还存在有浆液自吸现象。在吸渗理论的基础上任克昌等[31]进一步提出了间歇灌浆的原理与计算方法。董建军等[32]研究了三峡工程低渗性f1096断层的复合灌浆机理，证明了浆液黏度越小，可灌性越好的说法是不妥的，得出化学浆液能够浸润渗透到低渗性f1096断层的主要原因是浆液与被灌体的界面张力、浆液表面张力、被灌体的界面张力这三者共同作用的结果。近年来Wei等[13-14]还研究了环氧树脂灌浆材料的黏度和亲和力的时变性，在此基础上依据LW方程，建立了环氧树脂灌浆材料对砂土浸润渗透高度随时间的动力学数学模型，提出了被灌介质具备吸渗性的充分必要条件是驱动相(化学浆液)的亲和力必须大于被驱动相(孔隙毛细水)接触驱动相(化学浆液)后的亲和力。

5.2 环氧灌浆材料标准和复合灌浆施工规范

目前国内涉及到环氧灌浆材料的标准有《基础处理用环氧树脂灌浆材料》(JC/T 2379—2016)和《混凝土裂缝用环氧树脂灌浆材料》(JC/T 1041—2007)。长江科学院是这2个标准主编单位之一。灌浆施工方面的规范有：《水工建筑物水泥灌浆施工技术规范》(SL 62—2014)、《水工建筑物化学灌浆施工规范》(DL/T 5406—2010)、《水工建筑物水泥/化学复合灌浆施工技术规范》(SL/T 802—2020)。其中水泥/化学复合灌浆施工技术规范是由长江科学院为主编单位编写的。

6 水泥环氧复合灌浆在处理不良地质体的应用

水泥环氧复合灌浆在水工建筑物不良地质体处理中得到大量成功应用。如长江科学院在2000—2003年，采用水泥/CW环氧复合灌浆技术，成功解决了三峡永久船闸f1096断层深达103 m的断层破碎带处理难题，经复合灌浆处理后，达到了“变形模量E≥8 GPa、压水透水率q≤1 Lu”的整体评定设计要求。2010—2012年，长江科学院采用水泥/CW环氧复合灌浆技术对向家坝水电站坝基挠曲核部破碎带和挤压破碎带等复杂不良地质体进行了防渗和补强加固处理，提高了坝基的渗透稳定性和耐久性，确保了按期蓄水发电。2012—2013年长江科学院针对溪洛渡水电站坝基玄武岩层间层内错动带延伸范围长、微裂隙发育、高水头下渗水严重且普通水泥灌浆时吸水不吸浆等难题，采用水泥/CW环氧复合技术，系统解决了溪洛渡水电站高水头作用下玄武岩层间层内错动带的防渗补强问题，有效提高坝基渗透稳定性和帷幕耐久性，确保按期蓄水发电。2014—2015年长江科学院在广东清远抽水蓄能水电站采用水泥/CW环氧复合灌浆技术处理花岗岩蚀变岩围岩，解决了中平洞塌方段，也是整个清蓄地质条件最差和灌浆难度最大洞段的围岩缺陷处理，克服了涌水、涌泥和塌孔等问题所带来的难题，确保了清蓄充水一次成功。2016—2018年针对新疆八大石水库坝基断层岩性复杂、岩体破碎、遇水软化，以及水泥灌浆吸水不吸浆、易产生盖板抬动等难题，采用水泥/CW环氧复合灌浆技术成功处理了新疆八大石水库f10、f11断层，有效缩短了建设工期，降低了成本，确保了工程质量，直接经济效益和社会效益显著。

7 结 语

将水泥环氧复合灌浆技术应用于水工建筑物不良地质体处理，解决了诸多工程难题，但在许多方面仍值得进一步研究。在灌浆材料方面，环氧灌浆材料应向高性能、环保性和低成本等发向发展；设备方面需进一步提升化学灌浆自动记录仪的稳定性和准确性；理论方面应加强室内可视化模拟试验，丰富完善水泥环氧复合灌浆理论。此外，灌浆质量控制及信息化技术的应用还有待进一步研究提高。

致谢：本项技术的应用凝聚了长江水利委员会、长江科学院一批老专家几十年的辛勤劳动成果，在此表示感谢！