帷幕灌漿的耐久性分析及提高措施

隨著我國(guó)水利水電事業(yè)的發(fā)展，為了減少滲漏，防止地層產(chǎn)生機(jī)械潛蝕，降低壩底揚(yáng)壓力，保證壩基、壩肩的穩(wěn)定，越來(lái)越多的水利水電工程采用帷幕灌漿的方法解決大壩滲漏問(wèn)題，其中最常采用的是水泥帷幕灌漿。隨著工程實(shí)踐的增加，部分大壩壩基的帷幕灌漿防滲能力隨時(shí)間開(kāi)始逐漸出現(xiàn)衰減的現(xiàn)象，不少帷幕防滲能力由于衰減而失去作用，有的甚至影響到了大壩安全，造成重大的經(jīng)濟(jì)損失，因此，如何提高帷幕灌漿的耐久性，對(duì)保證大壩的安全具有重要的意義。本文通過(guò)總結(jié)影響水泥灌漿帷幕耐久性的因素，分析水泥灌漿帷幕防滲能力衰減的原因，并結(jié)合國(guó)內(nèi)帷幕灌漿的現(xiàn)狀，提出了提高水泥灌漿帷幕防滲能力的措施。

1.影響水泥灌漿帷幕耐久性的主要因素

水泥帷幕灌漿的耐久性是由綜合因素決定的，但究其主要因素，主要是與幕體的密實(shí)性、帷幕的連續(xù)性以及地下水的侵蝕有關(guān)。

幕體的密實(shí)度是指灌注漿液在被灌巖體裂隙空間中充填的緊密程度。水泥灌漿的耐久性，在很大程度上依賴(lài)幕體的密實(shí)度，只有保證漿液能夠完全、牢固地填充基礎(chǔ)縫隙和空洞，使遺留的滲漏通道減少到最少，這樣，水泥灌漿帷幕才有可能是耐久的。而帷幕的密實(shí)度又與灌漿方法、灌漿壓力、灌漿工序和漿液的合理使用等因素有關(guān)。

帷幕的連續(xù)性是指幕體在防滲范圍內(nèi)的橫向和縱向的連續(xù)。只有保證幕體能夠完全形成一個(gè)閉合體，使遺留的滲漏通道少之又少，水泥灌漿帷幕才有可能是耐久的。而帷幕的連續(xù)性又與灌漿孔間距、方向、深度等因素有關(guān)。

地下水的侵蝕是指滲透水流對(duì)灌漿帷幕中水泥結(jié)石的侵蝕，主要包括溶出型侵蝕、碳酸型侵蝕、一般酸性侵蝕、硫酸鹽侵蝕、鎂鹽侵蝕5種。其中最主要的是溶出型侵蝕，即滲水對(duì)水泥結(jié)石中的Ca(OH)2產(chǎn)生侵蝕破壞，使其變成可溶的Ca(HCO3)2和CaSO4的過(guò)程。CaO 的溶出速率(溶出量和原有內(nèi)部總量之比) 與水泥灌漿的結(jié)石強(qiáng)度衰減程度密切相關(guān)。前蘇聯(lián)學(xué)者通過(guò)試驗(yàn)得出，當(dāng)CaO 的累計(jì)溶出率大于25%時(shí)結(jié)石強(qiáng)度將急劇下降。

2.水泥灌漿帷幕防滲能力衰減的原因

國(guó)內(nèi)外有學(xué)者認(rèn)為，水泥帷幕灌漿防滲能力衰減的主要原因是漿液水灰比的問(wèn)題,是灌注了稀漿導(dǎo)致帷幕耐久性降低。其實(shí)，導(dǎo)致帷幕防滲能力衰減的成因十分復(fù)雜，漿液水灰比只是其中的一部分，還與灌漿參數(shù)、施工方法、施工工藝、特殊地段處理等因素也有重大關(guān)系。

根據(jù)國(guó)內(nèi)外大壩水泥灌漿帷幕防滲能力衰減的現(xiàn)狀和分析以及筆者的思考，造成水泥灌漿帷幕防滲能力衰減的原因，大致可概括為以下幾個(gè)方面：

（1）設(shè)計(jì)參數(shù)不合理

帷幕灌漿孔的布置、質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、灌漿材料和漿液、主要施工方法和施工參數(shù)等，是保證帷幕質(zhì)量和耐久性的前提。目前，國(guó)內(nèi)大壩帷幕灌漿設(shè)計(jì)參數(shù)基本上都是以前期的物探孔為依據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，雖然在灌漿施工前進(jìn)行灌漿試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，但一般都是選擇個(gè)別部位進(jìn)行。此外，工程水文地質(zhì)條件的復(fù)雜性，造成了有些設(shè)計(jì)參數(shù)在別的部位不適用、施工質(zhì)量差，從而影響了帷幕防滲能力。

（2）缺少耐久性分析

目前，在灌漿帷幕設(shè)計(jì)和施工中，基本上都是以檢查孔壓水透水率符合設(shè)計(jì)要求為質(zhì)量目標(biāo)，并沒(méi)有充分考慮防滲帷幕耐久性問(wèn)題，造成有的大壩即使嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)精心灌漿，并在當(dāng)時(shí)取得良好的灌漿效果，但經(jīng)過(guò)幾年的運(yùn)行，其防滲能力仍逐漸衰減。

（3）鉆孔深度過(guò)深

目前，在鉆孔深度的設(shè)計(jì)上由于成本控制等綜合因素，灌漿平洞開(kāi)挖較少，鉆孔深度越來(lái)越深，動(dòng)輒上百米甚至100多米至200多米。這就造成了兩個(gè)后果：一是鉆孔越深，灌漿的質(zhì)量越難以保證，綜合目前國(guó)內(nèi)灌漿的現(xiàn)狀，當(dāng)灌漿孔深超過(guò)100米時(shí)，灌漿時(shí)容易出現(xiàn)孔內(nèi)事故，留下質(zhì)量隱患；二是鉆孔越深，鉆孔方向越難以控制，孔斜偏差大，灌后往往形不成連續(xù)的防滲帷幕，起不到有效的防滲作用。

（4）水灰比選用不當(dāng)

漿液水灰比是影響幕體密實(shí)度的重要因素之一。目前，國(guó)內(nèi)外大多數(shù)學(xué)者普遍認(rèn)為，采用稠漿起灌效果好，因?yàn)槌頋{較之稀漿有以下優(yōu)勢(shì)：漿液中水泥含量較高，密度和力學(xué)強(qiáng)度較高，具有較強(qiáng)的抗物理侵蝕和管涌能力；孔隙率和透水性更低，結(jié)合強(qiáng)度更高，因此具有更強(qiáng)的抗化學(xué)淋溶侵蝕能力，大壩的灌漿帷幕具有更好的耐久性。

但筆者不認(rèn)同這種觀點(diǎn)，由于工程的水文地質(zhì)條件比較復(fù)雜，同等條件下稠漿結(jié)石強(qiáng)度固然比稀漿結(jié)石強(qiáng)度高，但稠漿不能有效充填微小裂隙，而采用稀漿起灌，逐漸變濃可將巖石的大小裂縫裂隙幾乎灌注至極致。當(dāng)然，并不是起灌漿液越稀越好，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，水灰比增大，漿液的結(jié)石強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)。隨著漿體水灰比的增大，粘度將會(huì)變小、流動(dòng)性增加。當(dāng)水灰比大于3時(shí)，漿液中水泥顆粒沉降速度明顯加快，漿液不穩(wěn)定，水泥漿體在濾水條件不好的情況下，隨著水灰比的增大，凝結(jié)時(shí)間變長(zhǎng)，結(jié)石強(qiáng)度也會(huì)下降，所以水灰比對(duì)增加漿體流動(dòng)性已無(wú)意義。因此，從漿材性能看，最大水灰比宜控制在3以下。

（5）灌漿壓力不足

灌漿壓力也是影響幕體密實(shí)度的重要因素之一。根據(jù)試驗(yàn)對(duì)比分析，在壓迫濾水的條件下，漿液形成的水泥結(jié)石的密度和強(qiáng)度，遠(yuǎn)大于靜置條件下自由脫水的漿液形成的水泥結(jié)石的密度和強(qiáng)度。只要灌漿的壓力足夠大、持續(xù)時(shí)間足夠長(zhǎng)，稀漿壓迫濾水形成的水泥結(jié)石的密度和強(qiáng)度會(huì)不亞于較稠的穩(wěn)定性漿液。反之，如果灌漿的壓力不夠大、持續(xù)時(shí)間不夠長(zhǎng)，漿液中過(guò)量的水產(chǎn)生的泌水通道將會(huì)導(dǎo)致水泥結(jié)石的孔隙率大、抗?jié)B性差、強(qiáng)度低等缺陷，由此可見(jiàn)，灌漿壓力的大小和持續(xù)時(shí)間對(duì)幕體的密實(shí)度有重大的影響。

（6）施工質(zhì)量差

施工質(zhì)量問(wèn)題與灌漿灌漿帷幕防滲能力衰減密切相關(guān)。工程水文地質(zhì)復(fù)雜性是客觀原因，施工質(zhì)量是主觀原因，而后者尤為重要。施工方是工程的主要實(shí)施者，即使設(shè)計(jì)再合理，施工中不按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行，灌漿過(guò)程中的灌漿材料、漿液性能、漿液水灰比變換方式、灌漿壓力、鉆孔方向等不符合設(shè)計(jì)和規(guī)范要求，形成的幕體肯定不能達(dá)到防滲標(biāo)準(zhǔn)和耐久性的要求。通過(guò)國(guó)內(nèi)防滲帷幕的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，因施工質(zhì)量而影響灌漿帷幕正常運(yùn)行的工程實(shí)例較多，甚至在工程運(yùn)行初期帷幕防滲能力就達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，有的工程雖作了多次處理，但缺陷仍未完全消除，這不僅會(huì)危及大壩安全運(yùn)行，而且還會(huì)給工程留下了長(zhǎng)期難以解決的隱患，造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。

（7）漿液材料選用不當(dāng)

通常情況下，各個(gè)工程水文地質(zhì)條件都不一樣。即使是同一個(gè)工程，或者一個(gè)大的工作面，地質(zhì)條件也不完全一樣，均一的地質(zhì)條件更是少之又少。針對(duì)各種水文條件和地質(zhì)條件，應(yīng)選用不同的漿液或材料。如果漿液材料選用不當(dāng)，幕體的防滲效果和強(qiáng)度將會(huì)受到嚴(yán)重影響，給工程留下隱患。例如，幕區(qū)有水質(zhì)侵蝕，可選用抗侵蝕性能好的水泥作灌漿材料；對(duì)于以細(xì)微裂隙為主的可灌性差的巖體，即使采用較稀的普通水泥漿液，也容易造成受灌裂隙被水泥顆粒阻塞，產(chǎn)生“吃水不吃漿、回漿變濃”的現(xiàn)象。對(duì)于此類(lèi)地層，只有使用超細(xì)水泥灌漿或者化學(xué)灌漿，才能形成防滲效果好、耐久性強(qiáng)的防滲帷幕。

（8）特殊地段處理不當(dāng)

大量工程實(shí)踐表明，防滲帷幕效果不佳或耐久性較差，絕大多數(shù)發(fā)生在穿過(guò)幕區(qū)的斷層，擠壓破碎帶或軟弱夾層地段，主要原因在于施工中孔斜難以保證，同時(shí)沖孔時(shí)對(duì)風(fēng)化的泥質(zhì)充填物難以完全沖出，且常伴有地下水活動(dòng)，影響漿液滲入裂隙，水泥結(jié)石難以形成連續(xù)阻水幕。對(duì)于穿過(guò)幕區(qū)的軟弱、泥化夾層破碎帶等特殊地層，遇水易泥化、軟化，若未能處理好，在高壓滲流水作用下，極易形成滲水通道，加速帷幕防滲性能的衰減，甚至破壞帷幕滲透的穩(wěn)定。

3.提高灌漿帷幕防滲能力的措施

針對(duì)上述水泥灌漿帷幕防滲能力衰減的原因，并結(jié)合國(guó)內(nèi)帷幕灌漿的現(xiàn)狀，筆者特提出以下提高水泥灌漿帷幕防滲能力的措施。

一是在灌漿帷幕設(shè)計(jì)中，盡量在各個(gè)有代表性的地段先進(jìn)行灌漿試驗(yàn)，以確定各個(gè)地質(zhì)條件下的孔排距布置和施工參數(shù)，制定一個(gè)高質(zhì)量的、有針對(duì)性的、可獲得密實(shí)帷幕且便于實(shí)施的施工技術(shù)要求，同時(shí)要充分考慮防滲帷幕耐久性問(wèn)題，提出有關(guān)耐久性方面的內(nèi)容和要求，在施工過(guò)程中還應(yīng)根據(jù)施工反應(yīng)出來(lái)的情況隨時(shí)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

二是灌漿孔的孔深盡量控制在70米以?xún)?nèi)，根據(jù)目前國(guó)內(nèi)帷幕灌漿的施工現(xiàn)狀，灌漿孔深在70米以?xún)?nèi)是最適宜的，此時(shí)灌漿質(zhì)量和孔斜控制均能得到很好的保證。

三是灌漿的起灌水灰比，主要應(yīng)取決于壓水試驗(yàn)的透水率大小和地質(zhì)情況，對(duì)于細(xì)微裂隙發(fā)育、透水率小、可灌性差的地段，應(yīng)采用稀漿起灌，但起灌水灰比不應(yīng)超過(guò)3:1；對(duì)于寬裂隙發(fā)育、透水率大、可灌性好的地段，應(yīng)采用稠漿起灌。

四是灌漿的壓力要足夠大，持續(xù)時(shí)間足夠長(zhǎng)，確保各種漿液能充滿(mǎn)受灌裂隙，并在灌漿壓力的作用下，完全泌水凝固，使裂隙能被水泥結(jié)石完全充填。

五是在施工過(guò)程中，施工單位應(yīng)嚴(yán)格實(shí)施設(shè)計(jì)制定的技術(shù)要求，在施工中不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，嚴(yán)格質(zhì)量管理，全面達(dá)到質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。推廣新技術(shù)、新工藝，精心施工，同時(shí)施工如遇到地質(zhì)異?；蚱渌厥馇闆r，應(yīng)及時(shí)和設(shè)計(jì)溝通妥善解決，而不是機(jī)械地執(zhí)行設(shè)計(jì)規(guī)定。

六是可根據(jù)具體工程水文地質(zhì)條件，合理地選用灌漿材料，同時(shí)采用高速攪拌機(jī)制漿技術(shù)，以增強(qiáng)帷幕灌注效果。

七是對(duì)于防滲灌漿帷幕的特殊地層，要制定專(zhuān)項(xiàng)措施，妥善處理，如沖孔時(shí)對(duì)風(fēng)化的泥質(zhì)充填物難以完全沖出時(shí)，應(yīng)采用風(fēng)水聯(lián)動(dòng)脈動(dòng)沖孔，必要時(shí)采用多孔聯(lián)動(dòng)沖洗，以達(dá)到泥質(zhì)充填物完全沖出；地質(zhì)條件差的地段應(yīng)采取加密灌漿孔的方式，以達(dá)到漿液能夠完全、牢固地充填縫隙和空洞，滲漏通道被封堵，形成連續(xù)幕體的效果。

八是加強(qiáng)灌漿帷幕運(yùn)行狀況的監(jiān)測(cè)工作。水質(zhì)分析應(yīng)系統(tǒng)化、經(jīng)常化，應(yīng)經(jīng)常對(duì)排水孔涌出物進(jìn)行調(diào)查、觀察，注意其發(fā)展，并分析原因，以便能及早發(fā)現(xiàn)帷幕防滲性能衰減情況。

4.結(jié)語(yǔ)

水泥灌漿的耐久性，在很大程度上依賴(lài)灌漿質(zhì)量，只有保證漿液能夠完全、牢固地充填基礎(chǔ)縫隙和空洞，使遺留的滲漏通道少之又少，各種缺陷也減少到最少，水泥灌漿帷幕才有可能是耐久的。

影響帷幕防滲能力衰減，往往是由多種因素所產(chǎn)生的。為了保證帷幕防滲能力的耐久、有效，可根據(jù)水文地質(zhì)條件，確定合理的帷幕設(shè)計(jì)，采取有效工藝和灌漿材料，精心施工，嚴(yán)格控制灌漿質(zhì)量，把影響帷幕防滲能力衰減的因素降到最低，以提高其防滲能力，延長(zhǎng)帷幕使用年限。