(長江科學(xué)院 a.國家大壩安全工程技術(shù)研究中心； b.水利部水工程安全與病害防治工程技術(shù)研究中心, 武漢 430010)

1 研究背景

我國西部地區(qū)水能資源豐富，目前水利水電工程仍處于建設(shè)高峰期，且多為高壩大庫。工程多位于高山峽谷，地質(zhì)條件復(fù)雜，常遭遇層間層內(nèi)錯動帶、擠壓破碎帶、蝕變巖等不良地質(zhì)體。如：層間層內(nèi)錯動帶在溪洛渡、白鶴灘和官地等水電站均存在，這類不良地質(zhì)體多為含屑角礫型，具有緩傾角、延伸長、微裂隙密集無規(guī)律，嵌合緊密以及透水性較強、抗?jié)B能力較差等特性，高水頭下易形成滲水通道[1-2]；擠壓破碎帶同樣存在于我國向家壩、景洪等大型水電工程中，也是壩基巖體常見的一種不良地質(zhì)體，包括巖屑夾泥型、泥夾巖屑型，細粒物質(zhì)含量高，具有強度低、滲透系數(shù)小(一般<10-5cm/s)、遇水呈可塑狀至流塑狀等特性[3-4]；以花崗巖巖性為主的圍巖中一般存在蝕變帶，如廣州抽水蓄能電站、深圳抽水蓄能電站和清遠抽水蓄能電站的高壓水工隧洞圍巖中含蒙脫石、高嶺土、伊利石等親水礦物，遇水膨脹失水崩解，巖體強度低，圍巖變形大，巖體滲透系數(shù)極低[5]。大壩蓄水后，這些復(fù)雜不良地質(zhì)體將面臨200 m以上高水頭的長期作用，存在較大的滲透破壞風(fēng)險，對水工建筑物的穩(wěn)定和長期安全提出嚴峻挑戰(zhàn)。

針對這些不良地質(zhì)體的處理，采用常規(guī)的普通水泥、濕磨細水泥灌漿往往難以達到設(shè)計要求，化學(xué)灌漿是更為適用的技術(shù)手段。對于高水頭條件下的基礎(chǔ)防滲補強處理，受地下滲流及動水壓力影響，漿液被不斷稀釋、滲流沖刷及涌水反向擠出等，水頭越高灌漿施工難度越大，國內(nèi)僅有丹江口大壩在水頭達100余米時處理輝綠巖軟弱巖體的成功案例[6]，國外未見相關(guān)報道。在如此高的水頭下(200 m以上)，傳統(tǒng)化學(xué)灌漿技術(shù)難以完全滿足不良地質(zhì)體防滲補強需求，原因可歸結(jié)為以下2個方面：一是對于補強加固中使用最為普遍的環(huán)氧樹脂灌漿材料來說，目前還存在高壓動水條件下難以膠結(jié)、對低滲性不良地質(zhì)體浸潤滲透能力不足等技術(shù)瓶頸；二是在高水頭作用下，化學(xué)漿液擴散規(guī)律復(fù)雜，灌漿擴散范圍和效果難以有效控制，缺乏有針對性的高水頭條件下水泥-化學(xué)復(fù)合控制灌漿技術(shù)。因此，亟待開發(fā)更為高效的高水頭下不良地質(zhì)體防滲補強材料及配套技術(shù)。

針對上述難題，長江水利委員會長江科學(xué)院緊密圍繞國家重大水利水電工程建設(shè)需求，自2005年起，依托水利部“948”計劃、國家自然科學(xué)基金、溪洛渡等國家重點水利水電工程委托項目，以自主研發(fā)的CW系新型高性能環(huán)氧灌漿材料、成套灌漿設(shè)備系統(tǒng)和灌漿控制新工藝為核心技術(shù)基礎(chǔ)，形成了高水頭下不良地質(zhì)體防滲補強成套技術(shù)和系統(tǒng)解決方案，并在多個工程中得到成功應(yīng)用。本文全面闡述了高性能灌漿材料的研發(fā)、配套灌漿工藝研究以及該技術(shù)在水利水電工程領(lǐng)域的典型應(yīng)用情況。

2 高性能化學(xué)灌漿材料研發(fā)

2.1 材料設(shè)計

環(huán)氧樹脂灌漿材料作為目前使用最多的防滲補強灌漿材料，具有粘結(jié)強度高、耐熱性好、機械強度大、穩(wěn)定性優(yōu)異及在常溫下固化后收縮小等特點，主要包括環(huán)氧樹脂主劑、固化劑、稀釋劑以及各種助劑等組分。針對處理水頭高、破壞梯度大、處理對象細粒含量高、滲透系數(shù)小、微細裂縫密集、性狀差異大等技術(shù)難點，環(huán)氧灌漿材料性能的關(guān)鍵在于以下方面：①固結(jié)體應(yīng)具有較高的力學(xué)強度，可抵抗水壓等荷載作用；②漿液需具有良好的可灌性和浸潤滲透性；③固結(jié)體應(yīng)具有較高的粘結(jié)強度，不會在高水頭下發(fā)生擠出破壞等失效現(xiàn)象；④材料需環(huán)保健康。以此為出發(fā)點進行漿材研究和配方設(shè)計。

2.2 CW系高性能環(huán)氧灌漿材料制備研究

2.2.1 環(huán)氧樹脂主劑的改性

以往用作灌漿材料的環(huán)氧樹脂類型為E-44型，它的主要優(yōu)點是粘結(jié)力強、收縮性小、穩(wěn)定性高。主要缺點是低溫條件下黏度很大，需加熱才能從容器中倒出，操作不方便。因此，將傳統(tǒng)的環(huán)氧樹脂進行改性，改性后的雙酚A型環(huán)氧樹脂結(jié)構(gòu)如圖1所示，它除了能保持E-44 環(huán)氧樹脂的優(yōu)點外，還具有低溫條件下黏度相對較低、操作簡便的特點。

2.2.2 固化劑的改性

環(huán)氧樹脂的固化劑種類很多，包括脂肪族胺類、芳香族胺類、有機酸及樹脂類固化劑等，固化劑的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)直接影響環(huán)氧樹脂在不同環(huán)境下的固化效果。高水頭下的化學(xué)灌漿要求材料在潮濕環(huán)境和水下也能良好固化。然而，作為環(huán)氧灌漿材料最常用的固化劑，傳統(tǒng)胺類固化劑主要為乙二胺、多乙烯多胺、半酮亞胺等小分子固化劑，其主要缺點是在有水條件下固化反應(yīng)難于進行，力學(xué)強度較低，有較濃的刺激性氣味。與之相比，高分子固化劑能在一定程度上改善環(huán)氧樹脂的脆性，且氣味小，毒性低。基于此，制備了具有憎水性長脂肪鏈的改性高分子胺以替代小分子多元胺，使其能在水中固化并具有較高強度，并利用取代基R’改變高分子胺中氨基的活性和數(shù)量，調(diào)控環(huán)氧漿液的可操作時間，使其能在2 ～106 h精確可調(diào)，同時兼顧漿液的可灌性以及固化產(chǎn)物與混凝土的粘結(jié)強度，解決了以往材料在有水、動水條件下難以有效固化的難題。

2.2.3 新型活性稀釋劑的研制

由于環(huán)氧樹脂本身黏度較大，直接用于灌漿可灌性不佳，需要加稀釋劑來降低環(huán)氧樹脂的黏度。目前，國內(nèi)常用的環(huán)氧灌漿材料大多以糠醛、丙酮為稀釋劑，解決了許多工程難題。但糠醛-丙酮稀釋劑體系也存在揮發(fā)性大和會對皮膚產(chǎn)生刺激作用等不足，還有待進一步改進。為此，研發(fā)了無毒的醛R活性稀釋劑作為糠醛代用品[7]，有效提高了材料的環(huán)保性能，糠醛與糠醛代用品R的性能比較見表1。

表1 糠醛與糠醛代用品R的性能比較Table 1 Comparison of performance between furfuraland furfural substitute R

注:LD50為半數(shù)致死量(Lethal Dose, 50%)

2.2.4 表面活性劑等助劑的優(yōu)選

要使化學(xué)灌漿材料能夠在高水頭下灌入到低滲性不良地質(zhì)體中，在漿液配方設(shè)計中要考慮根據(jù)不同的處理對象，最大限度地提高漿液對巖體的浸潤滲透性和粘結(jié)性。為此，通過材料配方優(yōu)化，加入改性的表面活性劑、偶聯(lián)劑等，在反應(yīng)初期起到降低漿液黏度和表面張力的作用，使?jié){液具有優(yōu)異的浸潤性和滲透性，有利于無機物表面與漿材形成較強的以范德華力為主的相互作用，在反應(yīng)后期又參與更多的環(huán)氧交聯(lián)反應(yīng)，使得漿材自身的聚合度升高，粘結(jié)性更強，有效提高界面的膠接強度，從而改善傳統(tǒng)材料在有水、動水條件下可灌性差、抗擠出破壞能力低的不足[8]。

圖2 漿材與玄武巖接觸角隨時間變化情況

2.3 CW系高性能環(huán)氧灌漿材料的性能

圖2為漿材與玄武巖接觸角隨時間變化圖，可以看出漿液在約1 min時與錯動帶玄武巖接觸角降低至0°，表明環(huán)氧灌漿材料完全滲入玄武巖體中，具有優(yōu)異的滲透能力，特別適用于復(fù)雜不良地質(zhì)體微裂隙灌漿。表2為漿材主要性能指標(biāo)，其初始黏度、接觸角和界面張力都較低，說明漿材的可灌性和浸潤滲透能力強，且可操作時間大范圍可調(diào)，力學(xué)強度高。尤其是經(jīng)中國建材檢驗認證集團股份有限公司和中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院檢測，材料有害物質(zhì)含量符合國家建材行業(yè)標(biāo)準JC1066 規(guī)定的各項有害物質(zhì)限量指標(biāo)，LD50> 5 000 mg/kg，實際無毒。

表2CW系高性能環(huán)氧灌漿材料的主要性能指標(biāo)

Table2PropertiesofCWhighperformanceepoxyresingroutingmaterials

漿液密度/(g·cm-3)初始黏度/(MPa·s)與玄武巖接觸角/(°)20℃界面張力/(mN·m-1)可操作時間/h30d抗壓強度/MPa30d抗拉強度/MPa30d粘結(jié)強度(干)/MPa30d粘結(jié)強度(濕)/MPaLD50/(mg·kg-1)1.02～1.066～2003510～9060～808～20>3.0>3.0>5000,實際無毒

3 高水頭下灌漿工藝研究

對于細微裂隙發(fā)育、可灌性較差的壩基不良地質(zhì)體，水泥-化學(xué)復(fù)合灌漿法更為適用。即先用水泥灌漿材料灌注，填充封堵大的裂隙及孔洞，為化學(xué)灌漿提供一個相對封閉、完整的受灌區(qū)域，同時提高錯動帶巖體的變形模量；再用化學(xué)灌漿材料施灌，利用化學(xué)漿液良好的滲透性和浸潤性，填充水泥漿液難以達到的部位，并對微細裂隙和軟弱斷層巖體進行滲透固結(jié)，使地層形成一個密實、完整的受力體，達到加固和防滲的效果。

高水頭下進行水泥-化學(xué)復(fù)合灌漿時，被處理的巖體處在一定水壓力作用下，灌漿工藝受到一定影響，涉及到灌漿壓力、灌漿開灌條件、結(jié)束標(biāo)準等參數(shù)設(shè)置，以及漿液的擴散范圍和漿液在動水條件下的凝固性能，這些條件都影響到對不良地質(zhì)體的防滲補強加固效果。故需要針對被灌體巖性特征、水頭壓力、動水情況及漿液特性進行研究，尋找適用于高水頭下不同不良地質(zhì)體和灌漿工況的灌漿工藝參數(shù)和技術(shù)方案。

針對高水頭下帷幕錯動帶透水性強、裂隙擠壓鑲嵌緊密的特性，提出了同孔復(fù)合灌漿工藝，建立了“逐級快速升壓”的漿液黏度、可操作時間、灌漿壓力等多參數(shù)精細控制方法。以溪洛渡水電站240 m水頭下壩基玄武巖層間層內(nèi)錯動帶處理為例[9]，通過室內(nèi)可灌性研究和在347 m基礎(chǔ)廊道16#壩段開展的復(fù)合灌漿生產(chǎn)性試驗，明確了復(fù)合灌漿工藝主要控制參數(shù)如下。

(1)化學(xué)灌漿開灌標(biāo)準：地下水滲流對漿液的擴散規(guī)律影響大，化學(xué)灌漿前應(yīng)對大透水率孔和涌水孔先進行水泥灌漿，控制地下水的流動速度和對漿液的稀釋與沖蝕，盡量減少地下水滲流對化學(xué)漿液擴散的影響?；瘜W(xué)灌漿開灌標(biāo)準定為2.0 Lu，即當(dāng)透水率q>2.0 Lu時先采用細水泥灌漿，再進行化學(xué)灌漿;若透水率q<2.0 Lu則不進行細水泥灌漿，直接采用化學(xué)灌漿。

(2)變壓原則：在化學(xué)灌漿升壓過程中，在不導(dǎo)致錯動帶變形破壞情況下，可逐級快速升壓，采用高壓灌漿以提高工效。

(3)變漿原則：實際灌漿升壓過程中當(dāng)注漿超過4 h或累計注漿超過30 kg/m，而孔壓升壓緩慢時，應(yīng)更換凝固更快一級的漿液，以控制擴散半徑。

(4)結(jié)束標(biāo)準：當(dāng)化學(xué)灌漿達到結(jié)束壓力且流量<0.01 kg/min時，連續(xù)灌注60 min后可結(jié)束灌漿；單耗已超過60 kg/m時，可將灌漿結(jié)束標(biāo)準適當(dāng)放寬至0.05 kg/min。

針對帷幕低滲性砂巖破碎帶巖體特性，提出同孔復(fù)合、孔內(nèi)阻塞、自上而下分段灌注工藝，建立了“低壓慢灌，緩慢逐級升壓”的壓力、注入率、灌漿時間三參數(shù)動態(tài)控制方法。以向家壩水電站220 m水頭下壩基撓曲核部破碎帶處理為例，通過室內(nèi)可灌性研究和在泄9#壩段開展的復(fù)合灌漿生產(chǎn)性試驗[10]，明確了復(fù)合灌漿工藝主要控制參數(shù)如下。

(1)化學(xué)灌漿開灌標(biāo)準：定為1.0 Lu，即當(dāng)透水率q>1.0 Lu時先采用細水泥灌漿，再進行化學(xué)灌漿;若透水率q<1.0 Lu則不進行細水泥灌漿，直接采用化學(xué)灌漿。

(2)變壓原則：在化學(xué)灌漿升壓過程中，應(yīng)分4級緩慢升壓，防止破碎帶砂層劈裂，根據(jù)注入率變化控制壓力增加，盡量達到最大灌漿壓力，不得隨意增大最大灌漿壓力，以防發(fā)生裂隙劈裂，灌注過程注意控制壓力平穩(wěn)。

(3)灌漿壓力控制：起始化學(xué)灌漿壓力應(yīng)該大于鉆孔涌水壓力，視注入率變化緩慢升壓，低壓慢灌，最大灌漿壓力按設(shè)計3.5 MPa控制。

(4)變漿原則：實際灌漿升壓過程中當(dāng)注漿超過4 h或累計注漿超過30 kg/m，而孔壓升壓緩慢時，應(yīng)更換凝固更快一級的漿液，以控制擴散半徑。

(5)結(jié)束標(biāo)準：當(dāng)化學(xué)灌漿達到結(jié)束壓力且流量<0.01 kg/min時，連續(xù)灌注60 min后可結(jié)束灌漿；單耗已超過60 kg/m時，或灌注時間超過72 h，可將灌漿結(jié)束標(biāo)準適當(dāng)放寬至0.05 kg/min。

類似地，針對高壓水工隧洞花崗巖蝕變帶圍巖特性、應(yīng)力環(huán)境和水道系統(tǒng)要求，提出了異孔水泥-化學(xué)復(fù)合灌漿工藝，建立了全孔一次性高壓化學(xué)灌漿方法，按照灌漿分序原則和順序進行施工，一般為從低處往高處灌注，環(huán)內(nèi)從底孔至孔頂灌注，采用環(huán)間分序、環(huán)內(nèi)加密的原則。

同時，為了更有效地發(fā)揮漿材作用、提高灌漿效率，發(fā)明了以步進電機為驅(qū)動的具有壓力、時間、流量3個參數(shù)控制功能的新型高壓化學(xué)灌漿泵[11]，可實現(xiàn)化學(xué)漿材快速、均勻混合的靜態(tài)真空混合器，以及可滿足7 MPa高壓灌漿要求的高壓灌漿氣壓(水壓)阻塞器等系列新型復(fù)合灌漿設(shè)備。它們與已有配套設(shè)備構(gòu)成了一套可實現(xiàn)過程精確控制的復(fù)合灌漿設(shè)備系統(tǒng)。通過這些設(shè)備和工藝的配合使用，實現(xiàn)了高水頭下環(huán)氧灌漿處理過程的實時動態(tài)控制。

圖3 層間層內(nèi)錯動帶灌后檢查孔芯樣Fig.3 Grouted core samples from examination holes for interlayer and internal staggered zone

4 高水頭下不良地質(zhì)體防滲補強技術(shù)的工程應(yīng)用

4.1 溪洛渡水電站層間層內(nèi)錯動帶防滲處理

溪洛渡水電站壩基存在玄武巖層間層內(nèi)錯動帶，裂隙密集，嵌合緊密，硬性結(jié)構(gòu)面延伸長，部分長度>100 m，整體透水性較強，滲透破壞比降低(約為15)。在2013年5月4日下閘蓄水之前對帷幕進行了壓水試驗，當(dāng)壓力≤1 MPa時，檢查合格，但隨著水庫水位上升，滲水量逐漸增大，右岸3條不同高程廊道普遍出現(xiàn)了線狀流水。為了防止?jié)B流量隨水位上升繼續(xù)加大，影響壩基長期滲透穩(wěn)定性和大壩安全，建設(shè)單位委托長江科學(xué)院對帷幕進行化學(xué)灌漿防滲補強。此時庫水位已經(jīng)達到560 m(靜水頭約240 m)。采用CW系高性能環(huán)氧灌漿材料和配套工藝進行了處理，灌漿過程從2012年12月開始，2013年8月結(jié)束，共處理近4 000 m。灌后平均透水率<0.5 Lu，較灌前減小明顯；檢查芯樣獲取率大于規(guī)范規(guī)定的85%要求；灌后單孔聲波平均速度均>5 400 m/s，較灌前整體有所提高；灌后芯樣中漿液充填飽滿，膠結(jié)良好(如圖3所示)，芯樣抗壓強度為50～103 MPa，劈裂強度為4.8～13.6 MPa。檢查結(jié)果滿足設(shè)計要求，工程質(zhì)量等級評定為優(yōu)良，提高了壩基滲透穩(wěn)定性和帷幕耐久性，確保了電站按期蓄水發(fā)電。

4.2 向家壩水電站壩基砂巖破碎帶防滲補強處理

向家壩水電站壩址區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，壩基自左岸非溢流壩段至泄洪壩段不同程度分布有以擠壓破碎帶和撓曲核部破碎帶為代表的不良地質(zhì)體，主要是含泥碎塊結(jié)構(gòu)和碎屑結(jié)構(gòu)(如圖4(a)所示)。原位條件下,含水率低(4%左右)、密度高(2.3 g/cm3)；強度低、滲透系數(shù)小(10-5cm/s)；埋深大(超過70 m)、遇水易塌孔、可灌性差。雖經(jīng)深大齒槽開挖置換，但壩基以下仍有殘余，其滲透穩(wěn)定問題尤為突出，單純采用水泥灌漿或濕磨細水泥灌漿進行多次處理都難以達到設(shè)計要求。長江科學(xué)院自2010年采用CW系高性能環(huán)氧灌漿材料開展了右岸257 m平臺撓曲核部破碎帶和左岸非溢流9#壩段擠壓破碎帶化學(xué)灌漿試驗，驗證了材料及配套工藝的可行性，經(jīng)建設(shè)單位組織評審驗收被推薦為向家壩不良地質(zhì)體基本處理方案。2012年4—10月進行了左岸擠壓帶和孔口接觸段化學(xué)灌漿施工，保證了向家壩水電站按期蓄水發(fā)電。2012年12月，建設(shè)單位在成都工程建設(shè)管理中心組織召開了向家壩水電站初期運行期監(jiān)測資料分析及工程補強處理方案專題報告審查會。會議紀要指出，泄洪壩段8#—13#壩段帷幕灌漿灌后檢查發(fā)現(xiàn)，在核部破碎帶上、下分支及其影響帶附近不合格孔段分布較為集中，且檢查孔涌水量和涌水壓力均較大。應(yīng)建設(shè)單位委托，采用CW系高性能環(huán)氧灌漿材料及高水頭下配套灌漿工藝進行了處理，處理過程中蓄水位從353 m逐漸抬高至370,379.7 m高程，化學(xué)灌漿工作區(qū)水頭高達220 m以上。灌前由于無法成孔，聲波無法測試，灌后聲波波速提高16.8%，特別是低波速段的改善明顯，水力破壞比降達到260，比灌前提高了11.5倍，鉆孔取芯率RQD達到76%(如圖4(b)所示)，固結(jié)效果良好(如圖5所示)，優(yōu)于設(shè)計指標(biāo)。

圖4 破碎帶灌前及灌后取芯情況Fig.4 Core extraction for fracture zone before and after grouting

圖5 灌后芯樣固結(jié)效果Fig.5 Cross section morphology and polarizingmicromorphology of grouted core samples

4.3 廣東清遠抽水蓄能電站花崗巖蝕變帶V類圍巖防滲補強處理

廣東清遠抽水蓄能電站最大靜水頭>500 m，其中中平洞最大靜水頭>300 m，中平洞花崗巖斷層蝕變帶開挖過程中巖體崩解塌方嚴重，圍巖的完整性、均勻性和防滲性差，強度低，襯砌與圍巖難以協(xié)同作用共同承載。有關(guān)單位進行系統(tǒng)水泥灌漿和局部加強加深水泥灌漿后，仍難滿足襯砌與圍巖協(xié)同作用的基本要求，設(shè)計要求進行化學(xué)灌漿處理。針對這些問題，采用CW系高性能環(huán)氧樹脂灌漿材料和配套工藝進行了處理，克服了涌水、涌砂、涌泥、塌孔等技術(shù)難題。灌后檢查發(fā)現(xiàn)，環(huán)氧漿液對花崗巖斷層蝕變帶V類圍巖充填密實，膠結(jié)良好(如圖6所示)，圍巖變形模量得到有效提高，滿足設(shè)計要求，確保了清遠抽水蓄能電站充水一次性成功，這種情況在大中型抽水蓄能電站中為國內(nèi)首例，得到建設(shè)單位、設(shè)計單位和監(jiān)理單位的一致好評。

圖6 蝕變帶灌后芯樣Fig.6 Grouted core samples for alteration zone

5 結(jié) 語

長江科學(xué)院作為國內(nèi)首批開展化學(xué)灌漿研究的單位之一，自20世紀50年代起，一直沒有間斷與水工建筑物壩基不良地質(zhì)體和混凝土微細裂隙處理有關(guān)的灌漿材料和灌漿工藝研究。近10 a來，長江科學(xué)院在繼承前人的基礎(chǔ)上，針對水利水電工程中層間層內(nèi)錯動帶、擠壓破碎帶、蝕變帶等不良地質(zhì)體在高水頭作用下的防滲補強技術(shù)難題，研發(fā)出高強度、高浸潤滲透性、高粘結(jié)性、可操作時間精確可調(diào)、環(huán)保性能優(yōu)良的高性能環(huán)氧樹脂灌漿材料，建立了基于材料黏度、可操作時間和灌漿壓力等多參數(shù)聯(lián)合控制的水泥-化學(xué)復(fù)合灌漿施工方法，形成了高水頭下不良地質(zhì)體防滲補強成套技術(shù)和系統(tǒng)解決方案，已分別在溪洛渡、向家壩、廣東清遠抽水蓄能等國家重點水利水電工程中得到廣泛應(yīng)用，成功解決了200 m以上水頭作用下復(fù)雜不良地質(zhì)體的防滲補強處理問題。該技術(shù)不僅適用于水工不良地質(zhì)體處理，同時也可推廣應(yīng)用到交通、礦山等行業(yè)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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