百丈水库大坝灌浆材料研究

彭朝军

(四川省玉溪河灌区运管中心，四川 邛崃，611530)

1 研究背景

1.1 工程概况

百丈水库位于名山区百丈镇上游1.7km的蒲江河支流临溪河上。地理位置为东经103°14′、北纬30°11′5″。水库坝址以上集雨面积为52.8km2，设计总库容2080万m3，有效库容1960万m3，正常水位695.60m，校核水位695.46m。

大坝为均质土坝，1958年11月建成，坝顶高程697.30m，长度507m，宽度5.5m，大坝最大坝高28m，坝基有砂砾覆盖层厚度约2.7m，坝下基岩为砂质粘土岩，百丈水库2002年被水利部定为病险水库，大坝为“三类坝”，2004年4月进行了病险水库除险加固整治，大坝右坝肩进行了帷幕灌浆。

“5.12”汶川大地震对百丈水库影响明显[1]，震后经认真检查、观测，坝脚三角堰渗水量由0.46L/s上升至0.91L/s增大近一倍，震后几日达到2.33L/s，右坝肩由0.177L/s增大到0.20L/s，震后坝体测压管普遍上涨10cm，最大值40cm。2008年5月26日水利部抗震救灾工作组有关领导和专家组现场察看了百丈水库震损情况，鉴定百丈水库为次高危水库，因此制定了百丈水库工程震后应急修复方案，经与四川省水利水电勘测设计院研讨，采用水泥、膨润土混合后作为灌浆材料[2]，决定对大坝右坝肩帷幕灌浆。

1.2 工程地质

百丈水库坝址位于邛崃山脉之名山向斜南东翼，构造简单，岩层产状接近水平，倾角3°～5°，为单斜地层。坝区地震基本烈度为VII度。

土坝坝基右岸河床宽均30.0m，全为卵砾石夹砂，覆盖于岩基上，厚度1.0m～3.0m。中部一级阶地宽100.0m，上部为褐色或灰白色粘土，厚度2.0m，下为砂卵砾石，厚1.0m左右，以下为岩基。第二级阶地宽120.0m，上部有1.3m的粘土夹卵石，下面全为残积物，最深5.8m，下为岩基。

放水洞和溢洪道均放在岩基上，岩层为新生界第三系名山群，红色砖红色含钙质粉砂质泥岩及泥质粉砂岩，矿物质有石英、长石、云母，岩层节理裂隙发育。

坝址水文地质结构较为简单，含水层是岩石节理裂隙层，坝基渗透系数K一般在3.5×10-4cm/s，最大1.1×10-3cm/s。

2 室内试验

2.1 试验材料和内容

试验采用的是名山区中峰乡的钠质膨润土，化学成分为(AIMg)2·(Si4O10)(OH)2·nH2O，含蒙脱石81%～96%，颗粒目数198～251，膨胀倍数12～15倍，试验所用水泥是邛崃治权集团生产的425R水泥。

膨润土属连续层状构造，每个晶体构造层间能吸附和放出水分子，层间水不随湿度变化而迁移，具有在加热时才渐渐失去的特点，用作灌浆材料不仅可以防渗，而且节约材料。对普通灌浆而言，用邛崃治权集团生产的水泥和中峰乡的膨润土这两种材料的颗粒细度，制成浆液的稳定性高，是能达到要求的。因此，试验重点是要搞清楚这两种材料混合后膨润土的膨胀变化和结石强度是多少，于是采用水泥膨润土体积比1∶1、1∶2、1∶3…1∶10共10级，灰水比1∶1、1∶2、1∶3、1∶4、1：5、1∶6、1∶8、1∶10共8级，分别制成浆液进行试验。

2.2 试验成果

2.2.1 膨胀速度和析水时间

(1)水泥浆液：制成浆液后静置3min左右水泥颗粒开始自由下沉，有明显的析水现象。

(2)膨润土浆液：膨润土加水时体积立即膨胀，浆液为乳白色，静置48h后仍是悬浮状，无明显析水现象。

(3)水泥膨润土浆液：制成不同浓度的浆液静置3min后颗粒开始自由下沉，析水明显，但较水泥浆液析水慢，1h后体积变化甚微，2h后已近稳定。

2.2.2 混合材料中灰水比与膨润土体积膨胀关系

试验结果表明，同一固料比而灰水比不同，其膨胀倍数亦不同，即灰水比1∶1～1∶8的范围内浆液浓度稀膨胀倍数越大，但均低于膨润土自身的增长倍数(见图1)。

图1 混合材料中灰水比与膨胀倍数关系

2.2.3 混合材料中固料与膨胀倍数的关系

试验成果表明，同一灰水比而固料比不同，不同固料比中膨润土膨胀倍数曲线几近正弦曲线。其中：固料比为1∶4和1∶9时增长倍数大；1∶6和1∶7时增长倍数低(见图2)。

图2 不同固料比中膨润土膨胀倍数

2.2.4 自由析水率

试验中仅对固料比从1∶1～1∶4时的不同浆液浓度进行了观测，表明浆液浓度越稀自由析水率越大(见图3)。

图3 固料比1∶1～1∶4时不同灰水比自由析水率

2.2.5 浆液再稀释后固体的膨胀变化

浆液制成后静置1h，虽已析水但未固结，再加水搅拌均匀后又静置24h，与原浆液的结石比较其结果是：浓度再降一级体积均增长20%～30%，但累计增长倍数未超过5倍。

2.2.6 抗压强度试验

水泥膨润土按一定比例，不同浓度制成浆液，注入试件盒内置于水下0.6m左右养护28d龄(图4)，再作试件抗压强度试验。结果显示：①水泥用量的增加对强度影响甚微；②浆液浓度越稀强度越低，且浆液浓度1∶1～1∶2时，强度由0.9MPa突变为0.15MPa，浓度为1.3以下强度值趋向稳定值。

图4 水下养护28d龄强度

3 帷幕灌浆

百丈水库在遭受“5.12”强烈地震后，右坝肩受损较为严重，据前述，各种指标均较异常。大坝为均质土坝，大坝高28m，坝长507m，按照设计要求及水利部“5.12”抗震救灾工作组要求，宜迅速开展应急修复。同意将水泥及膨润土混合作为灌浆材料[2]。

3.1 膨润土水泥浆配制

3.1.1 膨润土浆的制作

从名山区中峰乡取土场进行购取土。土运到制浆站后，一是人工采取将土内石块、有机物、草根、杂物除去；二是将选后的膨润土放进浸泡池进行浸泡，使膨润土充分浸透(浸泡3d～7d)；三是将浸泡好的膨润土放入低速搅拌机内进行搅拌，加适量的水搅5min～10min(每缸)，然后用200mm的网过滤后放入储浆池待用；四是将过滤后的泥浆用泥浆泵抽入低速泥浆搅拌机内再次进行搅拌，测得比重一般为1.2、1.25、1.35，搅拌均匀后发放入灌浆机上搅拌筒内再加入适量的水泥进行搅拌，放入水桶方可进行灌浆。

3.1.2 水泥浆的制作

(1)水泥采用425R的硅酸盐水泥，根据规范SL 62-94规定的水灰比设计。

(2)采用多缸粒塞式灌浆泵和高速浆液搅拌机进行搅拌，每缸在上桶搅4min～5min才放入缸搅拌再入灌浆泵。

(3)浆液的变换及灌浆结束标准

均按照SL 62-94规范和设计要求，浆液变换和基本原则是由稀到稠逐级变换，当灌浆压力保持不变，注入量持续减少时，或注入率不变而压力升高时才更换水灰比，根据实际情况，当第一级浆量达300L以上或注入率大于30L/min时，可变浓一级。本工程采用自下而上的灌浆方法，根据基础深度每孔一般分为1～3段，每段长度不大于6m。

结束标准严格按照SL 62-94规范和设计的要求，同时按帷幕灌浆规律在设计压力值下，当注入率不大于0.4L/min时，继续灌注30min；或不大于1L/min时继续灌注60min时，灌浆才可结束。下段结束后再进行上一段的灌浆。

3.2 灌浆分析与质量检查

帷幕灌浆工序孔灌浆工作结束后，按规范要求14d后，在吃浆量较大或特殊地段布置检查孔，进行灌浆质量检查与分析，因此，工程采用两台机从中间往两头进行分序作业，所以在灌浆工序完成后，首先灌工序孔已超出14d的要求，为了工程进度开始进行检查孔的钻孔、取芯、压水、灌浆工作。从钻孔取出的岩芯分析，J2号孔6m处发现有浆液充填裂隙胶结石，浆脉在充填裂隙饱满，密度胶结良好，而各孔采取的岩芯比较完整呈10cm～30cm长的柱状及3cm～10cm不均的短柱状和不规则的碗状，岩石中含有钙、铁等矿物质。

3.3 压水试验结果资料分析

通过检查孔压水试验成果分析，渗透率均在3.45Lu以下，同震前基本一致，在震前的基础上略有减少，此次灌浆达到了扩散半径，起到了灌浆防渗的目的。

3.4 灌浆工艺及效果分析

3.4.1 钻孔

本工程先钻工序孔。由于2004年大坝整治已灌桩号0-015～0+045有灌浆参数，本次增加至0+090，为了工期和在水库低水位时灌浆，考虑灌浆质量的因素，两台机组分二班分头进行作业，一台从0+090往坝肩打孔灌浆，一台机组从16号作为先导孔开始往0-015钻孔灌浆。

3.4.2 工艺流程

定孔—钻孔—下套管—洗孔—压水、钻孔—灌浆—封孔。

3.4.3 钻孔及机具

采用XY-100型液压钻机，127mm孔在造孔前，首先校正钻机的立轴，采用金刚钻头开孔，钻穿混凝土路面和沙砾石垫层。然后采用91mm的厚壁套管[3]、100kg吊锤进行冲击取芯，每次取芯长度不得超过1.5m，岩芯管长度为1.6m，因为这样取出的芯才能体现坝体亚粘土的原状。

在打先导孔钻坝体时，由于对亚粘土的取芯经验不足，打一段取一段，取芯难，取一管岩芯(1m～1.5m)约花费40min～80min才能取出。

再进行下一段进尺时，由于粘土孔壁收缩，钻具不能下到底，一般要从上段60%处重新冲击才能到底，特别是进尺到高程695.00m以下时更难，在此过程中特别是进尺到位需起钻时，难度更大。与技术人员商议后，制定一套新的技术方案。

(1)坝体亚粘土时，先采用小管径的厚壁管进行冲击取芯，钻具长度为1.6m，要求每次进尺不得大于1.5m，到达进尺底部时将钻具旋转2～3卷，使下部岩芯断裂。

(2)将钻具上碰打起，在上碰打起的过程中，用水从钻具外壁周围倒水入孔内，使钻具与孔壁达到润滑。钻具容易从孔内拔出。

(3)将取出的岩芯管平放在地上，用高压或高压水将岩芯压出。

(4)上次粘土岩芯取出后，再将大于取芯钻具的岩芯套管下入到底，再用小钻具将孔内残留取出。

①穿过坝体后遇岩石，采用75mm小口径钻具，在钻进中随时校正立轴，控制压力和水量，孔底残留物未大于20cm。每次进尺控制在2.2m以内，岩芯采取率85%以上。

②钻孔测斜偏差值：采用中国地质探矿工艺研究所生产的LQ型磁球定向风单点测斜仪器，每孔在终孔时进行测斜。各孔偏差值符合DL/T 5148和SL 62-94规范要求。

③冲洗钻孔：均采用压力循环式冲洗，至止返清水10min，冲洗压力为段灌压力的80%，钻孔到一段冲洗一段。

④压水试验、注水试验：0-15～0+45在2003年大坝整治帷幕灌浆时作了压水试验，0+45～0+90在先导孔作压水试验或注水试验，由于0+45～0+90处的孔都在坝体上，而坝体为均质粘土不能加压，根据设计要求只作注水试验，在做注水试验之前按规范测了稳定水位，再做注水，每5min～10min测读1次流量，稳定标准为最大值与最小值差不得超过10%。

检查孔压水试验按规范要求完成。

在右坝肩小范围内水文地质条件差异小，灌浆过程又是逐渐改变水文地质条件的过程。从相关试验来看，灌孔段对渗漏是起到了关键性作用的。以前后相关数据对比看，已经恢复到地震前水平。帷幕灌浆的效果是明显的。

4 对水泥膨润土混合材料的评估

4.1 浆液结石(凝固)具有一定强度

膨润土属连续层状构造。它吸水和失水时矿物格架就会发生膨胀或收缩，从而使体积发生变化，但格架不会发生破坏，水却作为膨润土本身的成分而存在于矿物体中构成固体物质。

简易试验的固结体只经过由析水未经压力析水阶段，结构必然疏松，强度也必然较灌浆形成的结石低。检查孔中取出的浆液结石强度达0.58MPa～1.51MPa，因此，宜作为低水头的帷幕灌浆材料。

4.2 不会因膨润土膨胀而恶化基础

从试验得知膨润土具有突变性，在制浆和灌浆过程中已能完成。当灌浆段在地下水位以上时，浆液进入所灌部位已变化甚微，当浆液在地下水位以下时，有限的体积膨胀只会使裂隙或孔隙充填得更加密实。

4.3 施工操作方便

没有特殊的工艺要求，操作简单易行。

5 结语

百丈水库大坝灌浆材料的研究结果表明，水泥膨润土作低水头的帷幕灌浆材料技术上是可行的。由于室内试验设备简陋，时间短，选择的样本不多，有些现象值得进一步研究，如混合材料中固料比与膨润土膨胀倍数近于正弦曲线，经济价值等需进一步研究。