摘 要：基础产生渗漏不仅影响到施工的正常进行，还可能威胁到建筑物的稳定，因此通常需要灌浆形成防渗帷幕来控制渗流. 常规水泥浆、水泥粘土浆、砂浆甚至低级配的混凝土对于高流速、大流量的渗漏地层，其堵漏效果一般都不显著. 结合广西某水电站坝基堵漏工程，对水泥膏浆和速凝膏浆技术进行了系统的研究，为中等开度、一定流速的动水裂隙堵漏灌浆提供了一种新材料、新工艺.
关键词：速凝膏浆； 堵漏灌浆； 灌浆材料； 施工工艺； 应用
Practice and study of technique for quick coagulating paste2slurry
FU Ping ， ZHAN GJ in2jie ， ZHAO Wei2quan ， YAN G Xiao2dong
(China Institute of Water Resources and Hydropower Research ， Beijing 100044 ， China)
Abstract : The seepage in the foundation of dam has influence on not only the construction ， but also the stability of building. So grouting usually was used to control the seeping. The antiseeping effects of cement slurry ， cement clay slurry ， cement sand slurry and also lowgrade concrete to be used in the seeping stratum with high rate ， large discharge ， are generally not good. In this paper ， the cement paste slurry and quick coagulating cement paste slurry technology were be studied ， and used in the antiseepage project of one foundation of dam in Guangxi province. This technology is a new material and technology to antiseepinggrouting in the seeping stratum with medium opening and medium rate moving water.
Key words : quick coagulating paste slurry ； antiseeping grouting ； grouting material ； construction technique ； application
1 概 述
基础发生渗漏是工程中经常遇到的问题，不仅带来渗透损失，更重要的是可能威胁到上部建筑物的稳定，因此一般都需要对基础进行防渗处理. 覆盖层不深的土层、砂砾石层通常都采用截水槽、防渗墙等，而对于深厚覆盖层的砂砾石层和岩基渗漏，一般采用灌浆的方式进行防渗处理。灌浆不仅需要有合适的施工工艺，而且需要有合适的灌浆材料，对灌浆材料有如下的基本要求：具有一定的可灌性、流动性和在水下能充分凝结形成结石。在小流速、小流量的渗漏地层中，采用水泥浆、水泥粘土浆或添加速凝剂进行灌浆堵漏一般效果都比较明显；对有大开度渗漏通道的高流速、大流量的渗漏地层(比如溶洞) ，可采用模袋灌浆技术进行堵漏施工；但对于有中等开度(如10～20 cm) 渗漏通道的一定流速、大流量的渗漏地层，目前尚没有合适、有效的堵漏技术。这种地层对材料的要求是保证灌入的浆液能不被水全部冲走且在一定时间内具有相当的抗冲强度，并具有一定的扩散范围，这也是堵漏灌浆成功的关键. 速凝水泥膏浆不仅具有较好的抗冲特性，而且可在数分钟～数小时内控制其凝结时间，早期强度高，同时在压力下膏浆具有良好的流动性，因此速凝水泥膏浆可适用于中等开度渗透通道、一定流速、大流量的渗漏地层的堵漏。
2 膏浆特性
水泥膏浆通常指的是在水泥浆中掺入大量的粘土、膨润土、粉煤灰等掺合料及少量外加剂而构成的低水灰比的膏状浆液，其基本特征是浆液的初始剪切屈服强度值可以克服其本身重力的影响，其主要性能是抗水流冲释性能和自堆积性能，可以用于节理裂隙开度较大的岩体或堆石体的灌浆。
2．1 抗水流冲释性能
水泥膏浆中含有大量的粘土、膨润土等掺合料，粘土的粘接作用和抗渗透作用使膏浆能自成一个整体，水流中的水不能进入水泥膏浆的内部，因此膏浆里的水泥颗粒、粘土颗粒不会产生离析。水流只能从膏浆的边缘淘刷膏浆，使之逐步从外围产生离析，而不会象普通水泥浆液、砂浆或混凝土那样遇水就产生离析，因此膏浆具有一定的抗水稀释的能力。膏浆的抗水稀释能力使膏浆作为一个整体来抗击水流的冲击，因此要使水泥膏浆产生流动，水流必须克服膏浆的剪切屈服强度。而水泥膏浆的剪切屈服强度值通常可以达到100 Pa 以上[1 ] ，且随着时间的增加，剪切屈服强度是逐步增大的，故水泥膏浆具有相当的抗冲能力。
2．2 流动特性和扩散特性
水泥膏浆是典型的宾汉流体，其流变特性可以用下式表示[2 ]
τ=τB +η·d v/d r (1)
式中，τB 、η分别为宾汉流体的剪切屈服强度、塑性粘滞系数.
水泥膏浆灌浆与普通高含水量水泥悬胶体浆液灌浆相比，浆液扩散形式完全不同。在用高含水量水泥悬胶体的情况下，裂隙的填充是由水泥颗粒在流动的路途中，逐渐沉淀形成的. 这种情况的发生，是因为浆液的流动速度随着离钻孔的距离的增加而逐渐减小。经过一段时间，在离开钻孔一定距离处形成了由水泥细颗粒构成的堵塞，通过这个堵塞，对水泥凝固不需要的多余水分就逐渐被排除。而当用水泥膏浆灌浆时，则形成明显的扩散前沿，在其后面的裂隙就会被膏浆完全填满，在水泥凝固以后，膏浆就形成坚硬而密实的水泥结石。
2．3 触变性
水泥膏浆具有触变性质，膏浆若承受的推力大于其自身的屈服强度，膏浆将产生流动，膏浆将呈现典型的流体性质，一旦小于其自身的屈服强度，膏浆的粘度得到恢复，表现出一定的固体性质. 膏浆固有的触变性在灌浆过程中的作用主要有：
(1) 提高了浆体的稳定性. 在灌浆过程中，当浆体的运动速率减慢或停止运动时，浆体结构的恢复使得水泥颗粒不至分层沉淀。
(2)利于灌浆过程的控制。
(3) 特殊地层中的灌浆。在大裂隙或孔洞中灌浆，触变性可防止浆体流失过远，减少浆材的浪费，在地下水流速较大的地段灌浆，触变性可提高抗冲蚀能力。
2．4 速凝水泥膏浆
通过速凝剂调节水泥膏浆的凝结时间，在普通水泥膏浆的基础上研究出速凝水泥膏浆，解决了普通水泥膏浆在水下凝结时间长，不利于动水下堵漏施工的难题。表1 是广西某水电站堵漏工程中所使用的速凝水泥膏浆的物理力学性能指标。
表1 水泥膏浆物理力学性能指标
注：3 、7 、28 d 强度均指相应龄期的无侧限抗压强度。
3 速凝水泥膏浆施工工艺
速凝水泥膏浆与普通水泥浆在性质上有较大的差别，因此需要采用特制的搅拌系统和泵入系统进行速凝水泥膏浆施工。
3．1 膏浆的不连续灌注
由于灌入的水泥膏浆需要抵御地下水流的不断冲刷，因此膏浆若想截断渗流通道，通常采取的方法是提高浆液的灌注速度，使灌入的膏浆量远大于被水流冲走的膏浆量。这种方法要求灌浆过程必须连续，不能停止，通常的水泥浆、砂浆、混凝土灌注一般都要求连续灌注。 浆液的连续灌注对灌浆设备、人员配备等都提出了较高的要求，而且浆液的浪费比较严重。 利用速凝膏浆的自堆积、塑性粘度较高以及凝结时间可控的特点，在浆液扩散范围要求小于2 m 的地层中，可以考虑对速凝膏浆进行不连续灌注。
由于速凝膏浆的自堆积性能以及其塑性粘度值较高，膏浆在孔径不大的灌浆孔中可以克服自身的重力，在孔内形成浆柱(此现象已在实践中得到证实) ，这样可以将膏浆凝结过程放在灌浆孔内完成。 根据地下水流的大小、裂隙开度的大小等情况，可以等待不同的时间使膏浆具有不同的抗冲强度时，再灌入新拌制的膏浆，将已有一定强度的孔内膏浆挤入裂隙里，此时可以连续灌入膏浆以使已凝结的膏浆扩散到尽可能远的地方。此法的关键是速凝膏浆的凝结时间精确可控，否则容易堵孔或膏浆达不到抗冲效果。在实验室里，膏浆的凝结时间是可以做到精确可控的，在现场的凝结时间难以控制的主要原因是膏浆一般会受到地下水的影响。因此，在施工中应尽量避免膏浆与孔内水混合，利用简易浆水隔离器可以有效使膏浆将孔内的水顶走，而不相互混合，这样可以做到精确控制膏浆的凝结时间。
3．2 膏浆的扩散范围
对于高流速、大流量的地层堵漏，灌入的速凝水泥膏浆需要在地层中抵抗水流的冲击。为提高膏浆的抗水冲释能力，需要灌注初始剪切屈服强度很高的浓水泥膏浆，这就对泵和管路提出了更高的要求:泵具有较高的泵入压力，且要求管路损失压力不能太大，孔口应具有一定的灌浆压力以利于膏浆在孔内的扩散。为提高浆液的扩散范围，可采取“接力灌注法”即灌浆泵在孔口就近灌注，可有效地减少压力损失，提高浆液的扩散范围。
4 速凝膏浆在广西某电站堵漏工程中的运用
4．1 工程概况
广西某水电站旧坝左河槽斜坡地段岩体溶沟、溶槽及溶洞、溶蚀裂隙较发育，旧坝基础存在严重渗漏问题. 由前期孔内电视、压水试验、连通试验和施工渗漏资料分析， # 10 坝段基础岩体渗漏主要有以下特征：
(1) 基础岩体渗漏条件较为复杂，地下水主要沿着陡倾角顺层发育的溶洞、溶槽及裂隙渗漏，不同深度的渗漏途径之间连通性不强。
(2) 旧坝与一期围堰接头处存在溶槽、溶洞，高程约67.00～72.00 m、77.00～81.00m ，充填物基本已被掏空，是往# 10 坝基渗漏的主要通道。
(3) 局部深度内的岩石透水率值较小，说明裂隙不发育地段岩体的渗漏量较小。当基坑开挖，裂隙被揭露后，地下水将会沿裂隙面渗流出。前期堵漏施工主要采取灌注砂浆、混凝土浆，灌注效果不显著。
4.2 速凝膏浆施工
根据施工单位的要求和安排，从2004 年1 月17日到2 月8 日分别对上游帷幕# 37 、# 36 、# 2 、# 4 、# 5孔、溢流坝面上3 个锚索孔进行了膏浆灌注，对加# 13孔进行了砂浆、膏浆混合灌注。在灌前、灌后的注(压)水试验中，除# 37 孔灌后需进行普通水泥粘土浆补灌外，其余各孔灌后注水试验中的液面均下降缓慢。
4.3 堵漏效果评价
下游漏水点的渗漏量与堵漏前相比有明显地减少，从采用膏浆前的500 m3/ h ，减少到基坑开挖时的150 m3/ h ，减少率达到70 %. 主要原因有以下几点：
(1) 灌入的水泥膏浆虽然扩散范围有限，没有形成完整的防水幕体，但其在所灌孔周围形成的凝固体有效地截断了此处的渗水通道，减少了整体渗水面积，可有效地减少渗水流量。
(2) # 10 坝段灌入了大量的砂浆、混凝土，虽然不能有效凝结，但粗颗粒基本上都留在地层中，对地层中的脱空、节理裂隙起到了一定的充填作用，虽然不能截断渗水通道，但增加了渗流水头损失，在上下游水位差一定的情况下，可以有效地减少渗水流量。
下游基坑开挖面的渗漏量仍有150 m3/ h ，其主要原因是：
(1) # 10 坝段灌入了大量的砂浆、混凝土浆，但没有采取有效的措施增加浆液的稳定性和使浆与水隔离，可能产生以下不利的结果，第一，砂浆或混凝土在灌入的过程中遇水，其中的水泥浆液和骨料产生离析和分离，水泥浆液被渗流带走，仅留下颗粒在地层内，起不到堵漏作用且在灌浆过程中频繁导致堵孔、堵管现象. 第二，普通硅酸盐水泥在水下，尤其是动水下凝结时间需要10 h 以上，甚至发生假凝或不凝现象. 在目前条件下灌入的砂浆或混凝土浆并没有减少水对浆液的影响，因此即使砂浆或混凝土截断了渗流通道而灌注正常结束。由于在短时间内不能凝结，在水流的冲击、淘刷下，浆液中的水泥逐渐被水带走，仍可能形成渗流通道。
(2) 灌入的速凝水泥膏浆虽能在短时间内凝固，但扩散范围也受到一定的限制，从膏浆有效灌入量一般为1.5 m3以上和# 2 孔、# 4 孔的膏浆施工情况分析，其扩散半径超过1.5 m。但由于种种原因，膏浆施工的孔有限，因此其截断渗水通道的范围有限，不能有效地控制渗水流量。
(3) 目前进行的堵漏施工高程主要在67.00～70.00 m 以上，从地质报告及其他资料显示，在此高程以下还存在可能的较大渗水通道。
5 结 语
灌浆堵漏技术几乎是解决深厚覆盖层基础、岩石基础渗漏的惟一措施，目前灌浆技术的发展已经可以针对不同开度的渗漏通道、不同流速、不同流量的基础渗漏都能采用不同的灌浆技术进行堵漏.
根据灌前注(压) 水试验的吸水量的大小可以依次选择多种材料、多种施工工艺联合灌注。一般来说，水泥浆、水泥粘土浆适用于小开度、静水或小流速的裂隙堵漏灌浆；普通水泥膏浆、砂浆、低级配混凝土适用于大开度、静水或小流速流量的裂隙堵漏灌浆；速凝水泥膏浆适用于中等开度、一定流速下的动水裂隙堵漏灌浆；模袋灌浆技术适用于高流速、大流量下的动水裂隙堵漏灌浆.
普通水泥膏浆和速凝水泥膏浆用于堵漏灌浆时，应根据不同的漏水量和漏水通道选择不同浓度、不同凝结时间的膏浆进行灌注.
对地下水流速较快的地层进行膏浆灌注时，应提高灌入膏浆的抗水流冲释性能，可以考虑进行不连续灌注. 膏浆技术除应用在裂隙或溶洞堵漏工程中，也可用在堆石坝、堆石围堰等大孔隙率地层的防渗处理。
参考文献：
[ 1 ] 红枫水库坝体帷幕浆材配方试验研究报告[ R] . 北京:中国水利水电科学研究院，1986.
[ 2 ] 梁炯. 锚固与注浆技术手册[M] . 北京：中国电力出版社，1999.
