透水性红砂岩防渗帷幕丙烯酸盐化学灌浆试验研究

曾国华1肖承京23

(1.湖北省碾盘山水利水电枢纽工程建设管理局，武汉 430062; 2.长江科学院 材料与结构研究所，武汉 430010；3.水利部水工程安全与病害防治工程技术研究中心，武汉 430010 )

1 研究背景

湖北省碾盘山水利水电枢纽工程是国务院批复的《长江流域综合规划》的汉江梯级开发方案中的重要组成部分，也是“十三五”时期172项节水供水重大水利工程项目之一。该工程位于湖北省荆门钟祥市境内，为大(2)型Ⅱ等工程，主要由左岸连接土坝、泄水闸、电站厂房、船闸、鱼道、混凝土连接坝段、右岸副坝等组成，采用一线式布置，最大坝高25.8 m。枢纽泄水闸基础持力层为砂砾石层，为满足泄水闸结构稳定及闸基地层土体渗透稳定的要求，在泄水闸坝轴线处设置混凝土防渗墙；防渗墙下部岩体为泥质粉砂岩、粉砂岩、中粗砂岩、含砾中粗砂岩等(K2P3-1)，呈红褐色，弱风化状，本文统称为红砂岩。根据钻探资料，泄水闸闸址河床承压水赋存于胶结较差的中粗砂岩、含砾中粗砂岩中，主要有3个承压含水层，其中第1承压含水层距离基岩顶部厚度约为0.5～4 m，为相对隔水层，在水库蓄水后，承压水头会相应抬升，根据计算，该顶部隔水层有可能发生渗透破坏。因此，设计要求对泄水闸底部基岩的第1承压含水层进行帷幕灌浆封闭处理。

普通水泥帷幕灌浆试验发现红砂岩岩层水泥灌浆吸浆量小，灌后检查孔透水率仍普遍>10 Lu，说明普通水泥的处理效果有限。根据以往工程经验，此类胶结较好、孔隙率较大的透水砂岩可采用化学灌浆进行处理，尤其是采用丙烯酸盐化学灌浆，既可满足防渗目的，又具有相对更好的经济性和可控性[1-2]。丙烯酸盐灌浆材料在化学灌浆材料体系中具有黏度低、可灌性好、渗透能力强、凝胶体抗渗强度高、水中膨胀性适中及耐老化性能良好等优点[3-4]，常用于处理大坝帷幕微细裂隙和混凝土结构微裂隙渗漏[5-6]。但单纯采用化学灌浆造价仍太高，为兼顾工程造价可控和技术可行，在满足帷幕灌浆岩体透水率<5 Lu的设计要求下，借鉴水泥-化学复合灌浆技术[7-8]和控制性灌浆方法[9-11]开展红砂岩丙烯酸盐室内灌浆和现场灌浆试验研究，获得了良好效果，并在泄水闸帷幕灌浆中全面应用，该工艺原理和应用经验值得类似工程借鉴，也为水利水电工程开展智能灌浆控制提供了技术支撑[12]。

2 试验方案设计

2.1 室内试验

为验证泄水闸帷幕透水性红砂岩(中粗砂岩和细砂岩)的可灌性，开展室内岩样特性、浆材特性及浆材对岩样渗透特性研究。岩样特性分析重点测定岩体的吸水率，通过岩体的吸水率反映其孔隙率，评价岩体的可灌性；浆材特性分析用于评价其对岩体孔隙的渗入充填情况，重点关注浆材的黏度及胶凝特性；针对红砂岩孔隙率大、孔隙尺寸小、水泥浆中水泥颗粒难以渗入的特征，通过室内浆材无压渗透和有压渗透试验，评价浆材对岩体的可灌性。

2.2 现场试验

2.2.1 试验场地选择

选择泄水闸上游靠左岸区域开展现场试验，试验区作为泄水闸帷幕的一部分，直接在帷幕线上进行灌浆施工，以充分验证试验成果。所选试验区域具有良好的代表性，含有泄水闸帷幕红砂岩中典型的中粗砂岩及细砂岩互层结构，部分试验孔孔口渗水的渗压对应的水柱高达到0.5～2 m(渗压可以折算为水头高度)。

2.2.2 试验思路

泄水闸红砂岩岩体具有透水率较大、渗透特性相对均匀、适用于采取控制性灌浆来快速提高岩体的抗渗性能[13]的特征，结合控制性灌浆相关技术经验，灌浆试验的总体思路为：先用水泥浆液充填防渗墙底部及红砂岩地层中可能存在的较大孔隙或裂隙，再用可灌性好的丙烯酸盐化学材料浸润、渗透红砂岩中的细小孔隙及风化岩体；在单排灌浆孔布置不变的条件下，通过控制性灌浆技术，摸索材料胶凝时间、单位灌入量、灌浆压力以及灌浆结束条件等关键参数，达到幕体厚度、防渗标准满足设计要求，且材料节省、工程造价受控等目的。

2.2.3 现场试验方案

丙烯酸盐灌浆试验采用自上而下分段灌浆方式。考虑到工程设计防渗标准要求(<5 Lu)和作用水头(<50 m)，为节约工程投资，控制浆液扩散范围，灌浆压力控制≤0.5 MPa，设计布置2个灌浆试验区，试验Ⅰ区采用定量灌注方式，固定每米丙烯酸盐浆材进浆量，灌注完成即可结束灌浆，定量灌注量分别为50 kg/m和80 kg/m。试验Ⅱ区采用常规化学灌浆工艺，按注入率<0.02 kg/(min·m)后继续灌注30 min后或浆液达到凝胶时间后结束。按1.5 m孔距布孔，灌浆完成后先对检查孔进行压水检测，达到设计防渗标准即可完成试验，否则仍按相关方法对检查孔进行丙烯酸盐灌浆，此时的灌浆孔距即为0.75 m，灌注完成后再布置检查孔。化学灌浆试验参数及方案见表1。

表1 丙烯酸盐化学灌浆试验方案参数Table 1 Parameters of acrylate chemical grouting test

灌浆试验孔布置参照原帷幕灌浆孔设计要求，单排布置(见图1)，防渗墙底第1段2 m采用普硅水泥灌浆，第2段、第3段段长均为5 m，进行丙烯酸盐灌浆。试验Ⅰ区分2个子区，探索不同灌注量下浆液的扩散范围及防渗效果。

图1 泄水闸帷幕丙烯酸盐灌浆试验孔布置Fig.1 Layout of test holes for acrylate grouting ofsluice curtain

试验Ⅱ区按《水工建筑物化学灌浆施工规范》(DL/T5406—2010)相关要求进行灌浆试验，布置3个灌浆孔，分两序施工，验证分序加密作用和防渗效果。

现场选定的试验区位于泄水闸二区上游帷幕线上，试验Ⅰ区50 kg/m定量灌注孔为B017、B018，80 kg/m定量灌注孔为B019、B020，试验Ⅱ区3个孔为B021、B022、B023。

3 室内可灌性试验

3.1 试验方法

室内试验的岩样为泄水闸坝段孔编号为SY1-3-Ⅱ的钻孔芯样，取样深度3～9.8 m。根据现场取芯及压水资料，芯样中的中粗砂岩和细砂岩透水率在10～20 Lu之间，代表性芯样见图2(图中上面为中粗砂岩，下面为细砂岩)。

图2 中粗砂岩和细砂岩芯样外观Fig.2 Appearance of core samples of medium coarsesandstone (upper) and fine sandstone (lower)

3.1.1 芯样吸水率

将不同芯样置于蒸馏水中，浸泡48 h后取出，抹干表面明水，称量芯样吸水饱和后的质量，并通过排水法测量芯样的体积。将芯样置于60 ℃烘箱中烘烤48 h，然后每小时测定一次质量，当质量不再减少时，记录芯样完全干燥的质量，测定芯样的吸水率。

3.1.2 丙烯酸盐浆材性能

选用长江水利委员会长江科学院研发的CW520丙烯酸盐灌浆材料进行透水性红砂岩室内灌浆试验和现场试验研究，该材料具有黏度低、固化时间可控、抗渗性优异、绿色环保等特点[14]，参照《丙烯酸盐灌浆材料》(JC/T 2037—2010)进行浆材性能检测。

3.1.3 芯样无压渗透试验

利用丙烯酸盐浆材进行中粗砂岩和细砂岩芯样无压渗透试验。将烘干至恒重的中粗砂岩和细砂岩芯样周边用环氧材料进行密封，上下端面不做处理，然后将芯样固定于PVC圆管的下部，周边与管壁粘贴密封，装置外观见图3。PVC圆管的上部注入丙烯酸盐浆液，持续注入确保液面高度维持在10 cm，观察并记录浆液渗过芯样从下端面流出的时间。

图3 干燥芯样浆液无压渗透试验Fig.3 Pressureless permeability test of dry core samplesthrough slurry

3.1.4 芯样有压渗透试验

采用相同的方法对芯样四周进行密封，灌浆前芯样在水中浸泡48 h以达到饱水状态，PVC圆管的上部封闭后连接浆液液柱管，通过控制液柱高度控制灌浆压力，有压灌浆试验的压力设定为0.02 MPa(2 m高液柱压)和0.05 MPa(5 m高液柱压)，记录浆液透过芯样的时间。

3.2 试验结果及分析

中粗砂岩与细砂岩芯样的吸水率试验结果见表2，可见芯样岩体密实度偏低，吸水率分别达到17.3%和16.67%。对比而言，中粗砂岩比细砂岩吸水率更大，孔隙率更大。

表2 中粗砂岩及细砂岩的吸水率测定结果Table 2 Measurement results of water absorption ofmedium coarse sandstone and fine sandstone

文献[15]中的有效灌浆半径公式为

R=0.71L。

(1)

式中:R为化学浆液有效扩散半径(m)；L为灌浆孔间距(m)。

单位长度岩体耗浆量为

Q=πR2ρb。

(2)

式中:Q为单位长度岩体耗浆量(kg/m)；ρ为浆材密度；b为红砂岩平均孔隙率，取值17%。

根据式(1)计算丙烯酸盐灌浆的目标扩散半径为1.06 m，设定红砂岩岩孔隙率为17%，根据式(2)得到孔隙全充填耗浆量约为605 kg/m。

因实际工况下孔隙全填充无法实现也无必要，且帷幕防渗标准相对较低，结合以往工程经验[9]，暂定定量灌注量为全填充方式下耗浆量的1/10左右，分别为50 kg/m和80 kg/m，对应浆液胶凝时间控制在35～45 min，灌前压水透水率大的孔段，胶凝时间可相对调短，且要求灌浆时快速升压至目标压力。

试验用CW520丙烯酸盐灌浆材料的性能指标见表3，试验用浆材具有极低的初始黏度(6.0 mPa·s)和较高的力学性能。

表3 CW520丙烯酸盐灌浆材料性能参数Table 3 Performance parameters of CW520 acrylategrouting material

干燥芯样的浆液无压渗透试验结果见表4，饱水芯样的有压渗透试验结果见表5，渗透试验后芯样的外观见图4。对比2种芯样中浆液的渗透速率，发现干燥芯样中浆液在中粗砂岩中的渗透速率比在细砂岩中要快很多，速率比为4.6∶1。有压驱动下浆液在2种饱水芯样中渗透速率呈现相同趋势，0.02 MPa压力驱动下渗透速率比为5∶1，0.05 MPa压力驱动下渗透速率比为2.6∶1。

表4 干燥芯样的浆液无压渗透试验结果Table 4 Results of pressureless permeability test ofdry core samples through slurry

表5 饱水芯样的浆液有压渗透试验结果Table 5 Results of pressurized permeability test ofwater saturated core samples through slurry

图4 压力驱动下化学浆液渗透通过芯样Fig.4 Core samples penetrated by chemical slurryunder pressure

根据红砂岩芯样试验分析结果，中粗砂岩和细砂岩都具有较大的吸水率和孔隙率。由无压渗透和有压灌浆模拟试验结果可知，丙烯酸盐浆材对中粗砂岩和细砂岩的可灌性良好，在较低的压力驱动下可排除芯样内部水分渗透通过整个芯样。

4 现场试验结果分析

4.1 灌前透水率

在化学灌浆前进行分段压水检测，各试验区平均透水率见表6，可以发现，经历超细水泥灌浆后的红砂岩透水率仍远大于5 Lu设计指标。试验区第1段灌前透水率大于第2段，试验Ⅰ区灌前透水率略大于试验Ⅱ区。

表6 不同试区化学灌浆孔灌前透水率Table 6 Water permeability of chemical grouting holesin different test areas before grouting

4.2 化学灌浆成果

化学灌浆试验共布置2个试验区7个灌浆孔，每个孔2段，共计14段。其中试验Ⅰ区4个灌浆孔，试验Ⅱ区3个灌浆孔。

Ⅰ-1区B017孔和B018孔基本按照单位注入量50 kg/m控制，实际平均单位注入量为66.3 kg/m，因两孔的部分孔段(B017孔两段和B018号孔第1段)达到结束量时回压较小，甚至无回压，故结束时平均注入率>50 kg/m。

Ⅰ-2区B019孔和B020孔按照单位注入量80 kg/m控制，实际单位注入量为79.0 kg/m。B018和B019孔第2段结束时回压均较小，达到规定注入量后即结束灌浆。

Ⅱ-1区B021孔、B022孔和B023孔按照正常灌浆标准结束，实际单位注入量为74.2 kg/m，其中B021和B022孔的分段灌浆量单位注入量分别为136、81 kg/m和58、94 kg/m，两孔的平均单位注入量为92.5 kg/m；而B023孔因灌前透水率较小(6.2 Lu)，相应单位注入量只有30 kg/m。

4.3 灌后压水检查

灌浆结束3 d后，按设定方案对检查孔进行钻孔压水检查，压水结果见表7，J1孔两段透水率分别为6.4 Lu和8.2 Lu，均>5 Lu，未达到设计要求；J2、J3两个检查孔的全孔透水率均<5 Lu，其中J2孔两段分别为3.5 Lu和3.8 Lu，J3孔两段分别为4.4 Lu和4.2 Lu，达到设计防渗目标。

4.4 检查孔取芯

化学灌浆完成后按照试验方案进行检查孔取芯，图5为J2、J3孔钻孔取芯芯样，由于红砂岩自身强度偏低，丙烯酸盐凝胶体无色透明且只有防渗效果而无补强作用，单管钻具取芯芯样断裂和破损较严重，钻孔过程中孔口大量返砂，导致岩芯获取率偏小。

检查孔作业时还发现钻孔返水手摸可感觉浆材凝胶存在，所获芯样可闻到丙烯酸盐凝胶气味。对比灌后检查孔芯样和灌前芯样，水对芯样的浸润特性发生了很大变化，灌后芯样干燥后呈现一定的疏水特征，水不易浸入砂岩中，孔隙中充填的丙烯酸盐凝胶起到了充填防水作用，见图6。

表7 丙烯酸盐灌浆检查孔压水透水率统计Table 7 Statistics of permeability of acrylate groutinginspection holes under water pressure

图5 J2与J3检查孔岩芯Fig.5 Rock core specimens of inspection holes ofJ2 and J3

图6 灌浆前后岩样水浸润特征对比Fig.6 Water infiltration characteristics of rock specimensbefore and after grouting

4.5 现场试验结果分析

(1)采用不同定量灌注量和结束标准进行丙烯酸盐化学灌浆试验结果表明，50 kg/m定量灌注区灌后检查压水透水率不满足设计要求；80 kg/m定量灌注区灌后检查孔两试段透水率分别为3.5 Lu和3.8 Lu，满足设计要求。

(2)不定量灌注试验区单位注入量为74.2 kg/m，去除异常孔B023后平均单位注入量为92.5 kg/m，检查孔两试段透水率分别为4.2 Lu和4.4 Lu，满足设计要求，但相对80 kg/m定量灌注区稍大。

对比试验结果，推荐在大规模施工中采用80 kg/m定量灌浆方案，同时针对灌前透水率的差异，对定量灌注量可进行适当调整。

5 结 论

(1)室内岩样分析和模拟灌浆试验表明，丙烯酸盐灌浆材料在泄水闸红砂岩地层中具有良好的可灌性，浆液可以快速渗入红砂岩内部。

(2)现场化学灌浆工艺试验证明，针对碾盘山枢纽工程泄水闸红砂岩地层防渗帷幕灌浆，本研究提出的定量控制性灌浆思路是合适的，选定的灌浆定量值可实现对坝基红砂岩帷幕快速灌注处理，达到设计防渗要求。

(3)试验成果及制定的施工工艺已成功应用于碾盘山工程泄水闸防渗帷幕施工中，可为类似工程坝基红砂岩防渗处理提供借鉴。