魏 濤，張 健

(長江科學院 材料與結(jié)構(gòu)研究所，武漢 430010)

1 研究背景

水泥環(huán)氧復合灌漿技術處理不良地質(zhì)體的設計理念是先用水泥漿液對不良地質(zhì)體影響帶以及不良地質(zhì)體中較大裂隙進行灌漿，形成封閉體系，增加結(jié)構(gòu)強度；再用環(huán)氧灌漿材料浸潤滲透到微細裂隙以及泥化夾層中，從而提高整體強度。相關技術在國外文獻中鮮有報道。我國應用水泥環(huán)氧復合灌漿處理水工建筑物不良地質(zhì)體(尤其是低滲性的斷層帶及飽和軟弱泥化夾層)始于20世紀80年代初，最著名的工程案例是在1982—1983年期間，采用高壓水泥和中化-798環(huán)氧灌漿材料對龍羊峽大壩G4劈理帶進行復合灌漿處理，取得了良好的處理效果[1]。20世紀90年代長江科學院針對三峽工程斷層的特點(性狀很差，構(gòu)造巖為角礫巖、糜棱巖及斷層泥等，變形模量為0.2～0.5 GPa)進行了大量室內(nèi)和現(xiàn)場試驗研究，并采用水泥/CW環(huán)氧復合灌漿技術成功處理了三峽工程f215、f1096、f1050等斷層，從而開創(chuàng)了國內(nèi)大規(guī)模采用復合灌漿技術處理水工建筑物不良地質(zhì)體的先例[2-3]。隨后長江科學院在2010—2014年期間采用水泥/CW環(huán)氧復合灌漿技術成功處理了向家壩水電站擠壓破碎帶、溪洛渡水電站層間層內(nèi)錯動帶等不良地質(zhì)體，解決了在有壓、動水條件下，用水泥環(huán)氧復合灌漿處理不良地質(zhì)體的難題[4-5]。國內(nèi)其他單位如中國水利水電第七工程局有限公司、中國能建葛洲壩集團等單位也采用水泥環(huán)氧復合灌漿成功處理了龍灘水電站f60斷層[6]、錦屏水電站煌斑巖和斷層泥等不良地質(zhì)體[7-10]。上述工程問題都堪稱世界難題。

隨著水泥環(huán)氧復合灌漿技術的應用，相關理論研究也取得了進展，20世紀90年代任克昌等[11-12]提出了化學灌漿的吸滲理論，最近4年來，Wei等[13-14]依據(jù)LW方程，建立了環(huán)氧樹脂灌漿材料對砂土浸潤滲透高度隨時間的動力學數(shù)學模型，這些理論指導并促進了水泥環(huán)氧復合灌漿技術的進一步推廣應用。本文對水泥環(huán)氧復合灌漿所采用的灌漿材料、灌漿工藝、灌漿設備以及灌漿理論研究和工程應用等方面進行總結(jié)。

2 水泥環(huán)氧復合灌漿材料

2.1 水泥類灌漿材料

水泥環(huán)氧復合灌漿中常用的水泥類灌漿材料有普通水泥漿液、超細水泥漿液和濕磨細水泥漿液。它們由水泥、水和外加劑組成，屬于顆粒狀懸浮漿液。常用可灌性比值NR來衡量水泥漿液是否可灌。一般認為NR>2時表示漿材可灌性良好。在我國的灌漿工程實踐中，普遍認為開度<3倍灌漿材料顆粒的裂隙是不可灌的。NR的表達式為

(1)

式中：B為裂隙(縫)寬度；D95為漿材中質(zhì)量累計分布率為95%時的最大粒徑。

2.1.1 普通水泥漿液

普通水泥漿液的研究和應用非常成熟，對水泥的選擇、制漿、灌漿設備、灌漿方法、漿液變換原則、結(jié)束標準和質(zhì)量檢查等都可按《水工建筑物水泥灌漿施工技術規(guī)范》(SL 62—2014)的規(guī)定執(zhí)行。因普通水泥最大粒徑在44～100 μm之間，顆粒比較大，為了改善水泥漿液的可灌性，科研工作者研發(fā)出了超細水泥和濕磨細水泥。

2.1.2 超細水泥漿液

超細水泥也稱干磨水泥，日本在20世紀80年代初最先研制出干磨水泥(簡稱MC)，其比表面積在8 000 cm2/g以上，平均粒徑為4 μm，最大顆粒直徑約為10 μm。我國在20世紀60—90年代也開展了這方面的研究，目前超細水泥漿液在隧洞、電站以及壩基等的防滲和加固處理中得到廣泛應用。但由于超細水泥成本較高，儲存條件要求高，研究者又開發(fā)了濕磨細水泥。

2.1.3 濕磨細水泥漿液

20世紀80年代中期，日本研制出了濕磨制漿工藝(簡稱WMC)。1988年至今，陳昊等[15]、董建軍[16]從設備研制、漿材性能研究、漿液粒徑檢測、工程應用等方面不斷完善提高，開發(fā)出水泥濕磨機(GSM型、GSW型)和濕磨細水泥細度檢測儀(NSKC-2)。通過磨細水泥漿中水泥顆粒，控制最大粒徑在40 μm左右，D95控制在30 μm左右。2010年長江科學院研發(fā)的濕磨細灌漿技術被水利部科技推廣中心確定為水利重點科技推廣項目，在國內(nèi)外水電、礦山、民用等領域得到大量推廣使用。

2.2 環(huán)氧灌漿材料

水工建筑物不良地質(zhì)體如斷層破碎帶、軟弱泥化夾層等，一般滲透系數(shù)低，孔隙有水，因此，對灌漿材料的研究主要是提高材料的滲透性和在有水條件下的固化性能。20世紀50年代初，長江科學院、中國水利水電科學研究院以及中國科學院廣州化學研究所等單位的科研工作者開始研究環(huán)氧灌漿材料。目前環(huán)氧樹脂灌漿材料的種類有：以丙酮、糠醛為反應稀釋劑的環(huán)氧樹脂灌漿材料；用單、雙或三官能團低分子量環(huán)氧稀釋劑改性的環(huán)氧灌漿材料；以水為溶劑的環(huán)氧樹脂類灌漿材料；端基含有雙鍵的丙烯酸環(huán)氧樹脂類灌漿材料[17-18]。工程實踐證明以丙酮、糠醛為反應稀釋劑的環(huán)氧樹脂灌漿材料是水工建筑物不良地質(zhì)體加固防滲處理的理想化學灌漿材料。長江科學院研發(fā)的CW系環(huán)氧灌漿材料，中國科學院廣州化學研究所研制的中化-798、YDS系列環(huán)氧灌漿材料，天津基礎工程局科研所研制的JX環(huán)氧灌漿材料都屬于丙酮、糠醛為反應稀釋劑的環(huán)氧樹脂灌漿材料。

長江科學院從20世紀90年代開始，在老一輩研究人員研發(fā)的丙酮、糠醛環(huán)氧樹脂灌漿材料的基礎上，以三峽工程斷層帶為研究對象，采用分子結(jié)構(gòu)調(diào)控和互穿網(wǎng)絡技術，發(fā)明了高強度、高浸潤滲透性、高粘結(jié)性、可操作時間精確可調(diào)和環(huán)保性能優(yōu)良的高性能環(huán)氧樹脂灌漿材料，獲得國家發(fā)明專利2項：環(huán)氧/聚氨酯互穿聚合物網(wǎng)絡水下修補材料及制備方法(專利號：ZL 200510018426.0)；水下環(huán)氧樹脂灌漿材料 (專利號：ZL 03118712.9)。研發(fā)的高性能環(huán)氧樹脂灌漿材料初始黏度低(6 mPa·s)，浸潤滲透效果好(與巖體接觸角低至0°)，可操作時間大范圍精確可調(diào)(2～100 h)，可有效灌入滲透系數(shù)在10-6～10-8cm/s的低滲性不良地質(zhì)體中，可在有壓動水條件下有效固結(jié)，固結(jié)體抗壓強度達到60～80 MPa，與混凝土的濕粘結(jié)強度>3.0 MPa，與被灌體牢固結(jié)合且固化強度高。環(huán)保性能優(yōu)良(大鼠半數(shù)致死量LD50>5 000 mg/kg)，達到實際無毒[19-20]。

長江科學院在灌漿材料研究基礎上，建立生產(chǎn)線，形成了CW品牌。CW系列高滲透環(huán)氧樹脂灌漿材料的多項應用成果達到國際領先水平，分別獲得長江水利委員會科技進步一等獎、湖北省科技進步二等獎、湖北省技術發(fā)明一等獎、大禹水利科學技術一等獎、中國巖石力學與工程學會科技進步一等獎和湖北省優(yōu)秀專利項目獎。

3 水泥環(huán)氧復合灌漿工藝

水泥環(huán)氧復合灌漿技術的關鍵在于保證化學灌漿材料能夠浸潤滲透到斷層破碎帶和軟弱泥化夾層中。長江科學院等單位通過三峽f215斷層試驗，研究了水泥環(huán)氧復合灌漿工藝，主要技術工藝為[21-22]：①用高噴沖洗方法盡量沖出不良地質(zhì)體中所含的泥等軟弱物質(zhì)；②采用普通水泥或濕磨細水泥灌漿灌注較大裂隙，水泥或濕磨細水泥灌漿采用自上而下或自下而上的孔口封閉循環(huán)式注漿；③用高滲透環(huán)氧灌漿材料浸潤滲透到微細裂隙和含泥軟弱夾層，恢復不良地質(zhì)體的整體性，化學灌漿采用自上而下或自下而上的孔內(nèi)阻塞純壓式注漿。

復合灌漿孔孔位布置可采用同孔復合灌漿和異孔復合灌漿這2種形式。同孔復合灌漿指利用同一個鉆孔先灌注水泥漿液，再通過擴孔灌注化學漿液的復合灌漿工藝。異孔復合灌漿是指水泥灌漿、化學灌漿采用不同灌漿孔灌注的灌漿工藝。

化學灌漿開灌標準是保證復合灌漿質(zhì)量、降低工程費用的重要指標。在復合灌漿中，水泥漿液可以提高受灌體的變形模量，節(jié)約費用；化學漿液浸潤性好，可灌入水泥漿液無法灌入的微細裂隙和孔隙，提高受灌體的整體強度。陳昊等[23]從三峽工程的斷層處理開始，就研究了化學灌漿的開灌標準。在最初的研究和應用中，以水泥灌漿的吸漿量達到一定數(shù)值作為化學灌漿的開灌標準，如在水泥漿灌至Q吸<10 L/min或Q吸<5 L/min時開始化學灌漿。在應用過程中科研工作者發(fā)現(xiàn)，以水泥灌漿的吸漿量達到一定數(shù)值作為化學灌漿的開灌標準并不科學(受灌體有的部位水泥漿液基本灌不進去)，最終確定開灌標準采用受灌體透水率指標作為依據(jù)，即受灌體在一定壓力下透水率小于一定量值后才宜開始化學灌漿。目前化學灌漿的開灌標準一般采用透水率q<1 Lu，具體工程要進行相應的試驗確定。如三峽工程的斷層處理[24]、向家壩水電站擠壓破碎帶的處理[25]、新疆八大石水庫斷層處理[26]，這些工程中，水泥環(huán)氧復合灌漿的化學灌漿開灌標準都采用透水率q<1 Lu；溪洛渡水電站層間層內(nèi)錯動帶的處理[27]，前期生產(chǎn)性試驗發(fā)現(xiàn)灌前壓水試驗透水率q<2 Lu時，濕磨細水泥漿液普遍存在不吃漿、可灌性較差的情況，因此將化學灌漿的開灌標準調(diào)整為q<2 Lu。

4 灌漿設備

4.1 灌漿自動記錄儀

4.1.1 水泥灌漿自動記錄儀

水泥灌漿已實現(xiàn)了灌漿壓力、流量、時間和累計灌灰量等工藝參數(shù)的自動化記錄和數(shù)字化灌漿監(jiān)測，該系統(tǒng)可繪制出灌漿全過程的流量和壓力曲線，還可實現(xiàn)灌漿數(shù)據(jù)實時監(jiān)測、網(wǎng)絡和手機同步報警、灌漿數(shù)據(jù)統(tǒng)計與智能分析等功能，使灌漿工程的質(zhì)量管控工作實現(xiàn)自動化、智能化、高效化。長江科學院從20世紀90年代初就開始研制水泥灌漿自動記錄儀，已開發(fā)出GJY系列灌漿自動記錄儀，并將其在三峽、二灘、小浪底、龍灘等水利工程基礎灌漿中廣泛使用，還遠銷伊朗、老撾、埃塞俄比亞等地，深受用戶信賴[28]。另外，國內(nèi)許多單位如中南大學、中大華瑞和中國水利水電基礎公司科學研究所研制的灌漿自記儀也在許多水利工程的灌漿中得到應用。

4.1.2 化學灌漿自動記錄儀

目前化學灌漿仍普遍采用手工記錄，化學灌漿自動記錄儀處于研發(fā)及初級應用階段。長江科學院在承擔向家壩水電站擠壓破碎帶水泥環(huán)氧復合灌漿施工過程中，曾試用了長江科學院和中大華瑞開發(fā)的2種化學灌漿記錄儀。在漿液計量方面，兩家單位采用的方法不同，長江科學院的記錄儀是通過定時讀取電子秤的稱重來計算漿液用量，中大華瑞的化灌記錄儀是通過定時讀取漿液桶內(nèi)化學漿液的液位高度來計算漿液用量[18]。

4.2 化學灌漿泵

目前對水泥灌漿泵方面的研究及應用已經(jīng)相當成熟，本文不作介紹。在化學灌漿泵研究方面，長江科學院在處理三峽工程f1096斷層中，其中有一段的化學灌漿時間長達7 d[29]，這對化學灌漿泵的性能提出了非常高的要求，需要化學灌漿泵持續(xù)工作性能穩(wěn)定、耐化學腐蝕和磨損、進漿速率穩(wěn)定、灌漿壓力可調(diào)，并能滿足長時間灌漿的要求。

針對三峽工程斷層化灌處理，長江科學院于20世紀90年代末研制出HGB型系列液壓化學灌漿泵[30]，該泵最主要的特點是運行時間長且平穩(wěn)無噪聲，工作壓力0～24 MPa可調(diào)，流量0～11.4 L/min，質(zhì)量輕(<150 kg)，流量和壓力可任意調(diào)節(jié)，已在三峽工程和其他工程斷層破碎帶的高壓水泥化學復合灌漿推廣應用，取得了較好效果。

2010年長江科學院在吸收國內(nèi)外已有化學灌漿泵有關技術的基礎上，又研發(fā)出具有壓力、時間、流量三參數(shù)控制功能的步進電機驅(qū)動的新型手自一體高壓化學灌漿泵。該泵具有自動精確計量、高壓動態(tài)流量控制、手自一體灌漿控制、壓力穩(wěn)定可調(diào)等優(yōu)點；其在向家壩、溪洛渡等水電站的斷層處理中被成功應用，并獲國家實用新型專利(專利號：ZL200920268591.5)。

5 灌漿理論研究、灌漿材料標準和復合灌漿規(guī)范

5.1 不良地質(zhì)體化學灌漿理論研究

國外在復合灌漿處理低滲性不良地質(zhì)體方面的研究和應用鮮有報道。國內(nèi)采用水泥環(huán)氧復合灌漿成功解決了許多水利工程不良地質(zhì)體灌漿方面的難題，但由于現(xiàn)場原狀樣難于獲得、試驗室實體模型難于建立等原因，使得理論研究比較滯后?？蒲泄ぷ髡甙l(fā)現(xiàn)采用水泥化學復合灌漿處理低滲性不良地質(zhì)體，利用經(jīng)典的球形和柱形擴散理論計算出的化學灌漿時間比實際灌漿時間要長得多，無法說明環(huán)氧灌漿材料在低滲性不良地質(zhì)體中的浸潤滲透性。梅錦煜和任克昌[11-12]提出了化學漿液的吸滲理論，即漿液能夠自動滲入低滲性被灌體的充分條件是化學漿液對被灌介質(zhì)的親和力必須大于孔隙水對被灌介質(zhì)的親和力，化學漿液在低滲性不良地質(zhì)體的灌漿處理中除了壓力滲透外，還存在有漿液自吸現(xiàn)象。在吸滲理論的基礎上任克昌等[31]進一步提出了間歇灌漿的原理與計算方法。董建軍等[32]研究了三峽工程低滲性f1096斷層的復合灌漿機理，證明了漿液黏度越小，可灌性越好的說法是不妥的，得出化學漿液能夠浸潤滲透到低滲性f1096斷層的主要原因是漿液與被灌體的界面張力、漿液表面張力、被灌體的界面張力這三者共同作用的結(jié)果。近年來Wei等[13-14]還研究了環(huán)氧樹脂灌漿材料的黏度和親和力的時變性，在此基礎上依據(jù)LW方程，建立了環(huán)氧樹脂灌漿材料對砂土浸潤滲透高度隨時間的動力學數(shù)學模型，提出了被灌介質(zhì)具備吸滲性的充分必要條件是驅(qū)動相(化學漿液)的親和力必須大于被驅(qū)動相(孔隙毛細水)接觸驅(qū)動相(化學漿液)后的親和力。

5.2 環(huán)氧灌漿材料標準和復合灌漿施工規(guī)范

目前國內(nèi)涉及到環(huán)氧灌漿材料的標準有《基礎處理用環(huán)氧樹脂灌漿材料》(JC/T 2379—2016)和《混凝土裂縫用環(huán)氧樹脂灌漿材料》(JC/T 1041—2007)。長江科學院是這2個標準主編單位之一。灌漿施工方面的規(guī)范有：《水工建筑物水泥灌漿施工技術規(guī)范》(SL 62—2014)、《水工建筑物化學灌漿施工規(guī)范》(DL/T 5406—2010)、《水工建筑物水泥/化學復合灌漿施工技術規(guī)范》(SL/T 802—2020)。其中水泥/化學復合灌漿施工技術規(guī)范是由長江科學院為主編單位編寫的。

6 水泥環(huán)氧復合灌漿在處理不良地質(zhì)體的應用

水泥環(huán)氧復合灌漿在水工建筑物不良地質(zhì)體處理中得到大量成功應用。如長江科學院在2000—2003年，采用水泥/CW環(huán)氧復合灌漿技術，成功解決了三峽永久船閘f1096斷層深達103 m的斷層破碎帶處理難題，經(jīng)復合灌漿處理后，達到了“變形模量E≥8 GPa、壓水透水率q≤1 Lu”的整體評定設計要求。2010—2012年，長江科學院采用水泥/CW環(huán)氧復合灌漿技術對向家壩水電站壩基撓曲核部破碎帶和擠壓破碎帶等復雜不良地質(zhì)體進行了防滲和補強加固處理，提高了壩基的滲透穩(wěn)定性和耐久性，確保了按期蓄水發(fā)電。2012—2013年長江科學院針對溪洛渡水電站壩基玄武巖層間層內(nèi)錯動帶延伸范圍長、微裂隙發(fā)育、高水頭下滲水嚴重且普通水泥灌漿時吸水不吸漿等難題，采用水泥/CW環(huán)氧復合技術，系統(tǒng)解決了溪洛渡水電站高水頭作用下玄武巖層間層內(nèi)錯動帶的防滲補強問題，有效提高壩基滲透穩(wěn)定性和帷幕耐久性，確保按期蓄水發(fā)電。2014—2015年長江科學院在廣東清遠抽水蓄能水電站采用水泥/CW環(huán)氧復合灌漿技術處理花崗巖蝕變巖圍巖，解決了中平洞塌方段，也是整個清蓄地質(zhì)條件最差和灌漿難度最大洞段的圍巖缺陷處理，克服了涌水、涌泥和塌孔等問題所帶來的難題，確保了清蓄充水一次成功。2016—2018年針對新疆八大石水庫壩基斷層巖性復雜、巖體破碎、遇水軟化，以及水泥灌漿吸水不吸漿、易產(chǎn)生蓋板抬動等難題，采用水泥/CW環(huán)氧復合灌漿技術成功處理了新疆八大石水庫f10、f11斷層，有效縮短了建設工期，降低了成本，確保了工程質(zhì)量，直接經(jīng)濟效益和社會效益顯著。

7 結(jié) 語

將水泥環(huán)氧復合灌漿技術應用于水工建筑物不良地質(zhì)體處理，解決了諸多工程難題，但在許多方面仍值得進一步研究。在灌漿材料方面，環(huán)氧灌漿材料應向高性能、環(huán)保性和低成本等發(fā)向發(fā)展；設備方面需進一步提升化學灌漿自動記錄儀的穩(wěn)定性和準確性；理論方面應加強室內(nèi)可視化模擬試驗，豐富完善水泥環(huán)氧復合灌漿理論。此外，灌漿質(zhì)量控制及信息化技術的應用還有待進一步研究提高。

致謝：本項技術的應用凝聚了長江水利委員會、長江科學院一批老專家?guī)资甑男燎趧趧映晒?，在此表示感謝！