超高滲透壓力和超大流量條件下灌漿材料性能研究與應用

何向紅1管仕軍2

(1.長江工程職業(yè)技術學院，湖北 武漢430212；

2.長江水利委員會工程建設局監(jiān)理中心，湖北 武漢430000)

【摘要】超高滲透壓力及超大流量條件下，隧洞工程的防滲技術研究具有重要意義。本文以錦屏二級水電站高壓涌水處理方案為例，通過對膏狀可控漿液、ch聚丙烯酰胺漿液、金沙漿環(huán)保型防滲加固漿液等特殊灌漿材料的試驗測定和數(shù)據(jù)分析，總結(jié)研究了該類灌漿材料的特性和使用條件，對山區(qū)復雜環(huán)境條件下的類似工程提供了較好的借鑒意義。

【關鍵詞】滲透壓力；流量；防滲加固；灌漿材料

中圖分類號：TV543

Research and application of grouting material performance under the

condition of super-high osmotic pressure and super-large flow rate condition

HE Xianghong1, GUAN Shijun2

(1.YangtzeRiverEngineeringProfessionalTechnologyInstitute,Wuhan430212,China;

2.YangtzeRiverWaterResourcesCommissionProjectConstructionBureauSupervisionCenter,Wuhan430000,China)

Abstract:Study of anti-seepage technology for tunnel project under the condition of super-high osmotic pressure and super-large flow rate has great significance. High pressure water treatment scheme in Jinping Stage II Hydropower Station is adopted as an example. Properties and use conditions of the grouting materials are summarized and studied through test measurement and data analysis on special grouting materials such as paste controllable grout, ch-polyacrylamide grout, Jinsha mortar environmental protection anti-seepage reinforcement grout, etc. Better reference meaning is provided for similar projects under the condition of complex environment in mountainous area.

Key words: osmotic pressure; flow rate; anti-seepage reinforcement; grouting material

1工程概述

錦屏二級水電站主要由4條長約16.7km的引水隧洞構(gòu)成，最大埋深約2525m。混凝土襯砌后洞徑為11.2m。埋深大、洞線長、洞徑大為工程的主要特點。屬于超深埋長隧洞暨特大型地下水電工程。

1.1地形地質(zhì)情況

水電站地處青藏高原向四川盆地過渡的地貌斜坡地帶，雅礱江為本區(qū)干流水系，錦屏山相對最大高差3150m。在高程4000m、 3000m和2200m左右存在三級夷平面；一級支溝切割較深，常形成跌水或瀑布，二級支溝多為干谷。

引水隧洞巖溶沿NWW～NEE向張性構(gòu)造帶、裂隙帶發(fā)育，引水系統(tǒng)區(qū)1800～2000m高程以上巖溶發(fā)育相對較強，局部溶蝕，為良好地下水儲存構(gòu)造。

1.2涌水處理方案

錦屏二級東端1號、2號引水隧洞出水洞段出水量大于500L/s的有5個，其中最大出水壓力0.65MPa，出水量680L/s。

按照“先探后掘，以堵為主，堵排結(jié)合”的處理原則，在高壓富水段采用分流減壓措施后進行灌漿止水，對突發(fā)性涌水采用快速封堵、分流減壓、灌漿止水等應急處理方案。

2灌漿材料選擇

復雜地質(zhì)條件下的超高壓堵水技術的應用中，灌漿材料直接影響堵水防滲和固結(jié)的效果，并牽涉到灌漿工藝和工程造價[1]。

3特殊灌漿材料研制

3.1新型膏狀漿液

新型膏狀可控漿液作為灌漿材料，通過調(diào)整可泵期和膠凝時間可控制寬大裂隙的封堵范圍。

可泵時間長和抗沖性，一般意味著漿液緩凝；而凝結(jié)時間短，強度增長快，又要求材料具有速凝性[2]。具體試驗數(shù)據(jù)如下：

3.1.1室內(nèi)試驗對比分析

3.1.1.1可泵時間的對比分析

如表 1所示，膏狀可控漿液的可泵時間最短，比λ=0.45的純水泥漿、砂漿可泵時間縮短近一倍，較λ=0.6的純水泥漿可泵時間更短，且其初始流動性較好，具有更好的可灌性。

表1　水泥配比及可泵時間

3.1.1.2初凝、終凝時間的對比分析

如表2所示，膏狀可控漿液的初凝、終凝時間均最短，能在灌漿后迅速粘結(jié)巖石裂隙，減少灌漿的漏失量。

表2　水泥砂漿配比及初凝、終凝時間

3.1.1.3稠化、初凝、終凝過程變化的對比分析

如圖1所示，其他水泥漿、砂漿在凝結(jié)變化過程中的曲線相比，水灰比為λ=0.6的膏狀可控漿液所需時間短，稠化速度更快。

3.1.1.4強度對比分析

水灰比均為λ=0.6 的膏狀可控漿液和純水泥漿強度對比曲線如圖2所示，前者的強度比后者增幅近50%。

3.1.2外加劑1 號(減水劑)摻量對膏狀可控水泥漿液性質(zhì)的影響

針對 1號外加劑摻量多少對水泥漿的影響，進行了室內(nèi)試驗分析。

圖1　可泵-初凝-終凝對比曲線 注　2號為速凝劑；3號為引氣劑

圖2　強度對比曲線

如表 3 所示： 1 號外加劑加量由少至多，呈現(xiàn)下凹性，且有一個加量的最大值為1.33%～2%，使得可泵時間、初凝時間、終凝時間都縮短，如圖3所示。

表3　不同的1號加量對水泥漿參數(shù)的影響

圖3　1號加量對水泥漿昂參數(shù)的影響曲線

3.1.3外加劑3 號對膏狀可控水泥漿液性質(zhì)的影響

針對3號外加劑(引氣劑)摻量多少對水泥漿的影響也進行了試驗分析。

如表4所示： 3 號外加劑加量由少至多，可泵時間呈現(xiàn)上揚的趨勢，且在5%～5.6%的摻量范圍，凝結(jié)時間較短，如圖 4所示。

表4　不同3號加量對水泥漿參數(shù)的影響

圖4　3號加量對水泥參數(shù)的影響曲線

3.1.4膏狀可控水泥漿液的特點

從室內(nèi)實驗數(shù)據(jù)對比可知：隨著外加劑 1、3號的添加量不同，漿液的可泵時間、初凝時間、終凝時間均處于可控狀態(tài)，在可泵時間能夠滿足的同時，稠化速度也比普通水泥漿液或砂漿變化快，能快速地對巖體縫隙進行處理。

與普通水泥漿液相比，膏狀可控水泥漿液不僅從可泵時間、初凝時間、終凝時間處于更適宜的狀態(tài)，而且強度更高，提高20%～30%。 如表5所示。

表5　可控膏狀水泥漿參數(shù)測試對比分析

該漿液與水泥水玻璃雙液相比，早期強度較高，能抵抗一定流速水流沖擊；后期強度增長明顯，耐久性較好；可采用單液灌漿，施工操作簡便，利于節(jié)約。但造價過高，大約相當于普通水泥漿的10倍，如果采用現(xiàn)場配制，則灌漿成本將顯著下降。

3.2金沙漿環(huán)保型防滲加固灌漿材料

金沙漿環(huán)保型防滲加固灌漿材料，在處理高壓滲透水方面成果較為顯著。

金沙漿系列灌漿材料是基于自然界巖石的主要構(gòu)成成分如Ca、Si、Mg、Al、Na等，其黏度低，與水接近，與混凝土、巖層、砂層、泥土層均有良好的滲透性和極佳的親和力，可形成強度較好的巖體。漿液的操作時間和固化時間可以通過硬化劑摻量任意調(diào)整，是一種可灌性很好的環(huán)保型止水灌漿材料。

該材料作為快速止水防滲灌漿材料，可根據(jù)工程需要調(diào)整硬化劑配比，實現(xiàn)漿液快速固結(jié)止水，在有壓流動水存在的條件下，可在幾秒鐘內(nèi)固結(jié)止水，純漿液固結(jié)體強度在 24h可達0.3～0.5MPa。

3.2.1技術指標

具體物理性能指標見表6。

表6　金沙漿技術參數(shù)

3.2.2材料性能特點

3.2.2.1漿液操作性能

金沙漿黏度低，與水的黏度相近并與巖石、砂層、混凝土等物質(zhì)親和性好，設置硬化劑配比，漿液操作時間可由幾分鐘到十幾小時任意調(diào)節(jié)，具有良好的滲透性和可灌性。

金沙漿各配比操作性能見表7。

表7　金沙漿各配合比操作性能統(tǒng)計

3.2.2.2耐久性

漿液固化過程中體積不發(fā)生變化，固化度 100%。固化物不溶于水，無可逆反應。固化物具有超長耐久性能，與巖石的壽命一致。砂層或風化巖石經(jīng)金沙漿固結(jié)后，力學強度逐步增強。

3.2.2.3環(huán)保安全性能

金沙漿全部由無機材料組成，不含任何有機或有毒成分，使用過程中安全隱患少，是真正意義上的環(huán)境友好型產(chǎn)品。

3.2.3漿液配合比

可根據(jù)工程需要，調(diào)整硬化劑配比(見表7)，實現(xiàn)漿液快速固結(jié)止水。用作止水的純漿液，其固結(jié)強度在24h可達0.3～0.5MPa。

3.3水泥-ch聚丙烯酰胺雙液材料

水泥-ch聚丙烯酰胺雙液材料由水泥漿液和ch聚丙烯酰胺按一定比例混合配制而成。該漿液既具有水泥漿的優(yōu)點，又兼有化學漿液的一些特點。其凝膠時間能在幾秒鐘到幾十分鐘內(nèi)任意調(diào)節(jié)，灌后結(jié)石率可達 100%，可灌性比純水泥漿顯著提高。

a.當一定水灰比的水泥漿液與ch聚丙烯酰胺混合時，隨著ch聚丙烯酰胺量的增加，漿液的凝結(jié)時間逐漸縮短，但ch聚丙烯酰胺超過一定的比例后，漿液的凝結(jié)時間轉(zhuǎn)變?yōu)橹饾u加長。將對應于凝結(jié)時間最短的ch聚丙烯酰胺占水泥漿液體積的百分數(shù)稱之為“凝結(jié)轉(zhuǎn)點比值”。 具體見表8。

表8　雙液配合比、漿液性能參數(shù)

b.由試驗室統(tǒng)計數(shù)據(jù)得出： 0.5∶1 漿液比級中，若摻加 3%～5%ch聚丙烯酰胺，其膠凝時間為1.6～2s，能實現(xiàn)快速封堵表面裂隙，減少漿液流失，形成一定的止?jié){巖盤；若摻加 8%～10%ch 聚丙烯酰胺，其膠凝時間為 5～8s，初凝時間為 10～34s，能將漿液推入一定深度后并使其盡快凝固，適合于主出水孔、分流孔的堵水灌漿。

4工程應用

a.新型膏狀漿液。膏狀漿液能快速地對巖體縫隙進行處理，在大孔隙地層的擴散范圍具有良好的可控性，早期強度較高．后期強度增長明顯，耐久性較好。對錦屏二級水電站東端1號、2號引水隧洞的出水裂縫進行灌漿處理，取得了很好的效果：節(jié)約材料，效率提高。

b.金沙漿環(huán)保型防滲加固灌漿材料。在處理高壓滲透水方面成果較為顯著。本工程采用A∶B=1∶0.12 主灌漿、A∶B=1∶0.2速凝漿，用于隧洞滲水量大的部位以及灌漿結(jié)束后的封孔，效果良好。

c.水泥-ch 聚丙烯酰胺雙液材料。通過調(diào)整配比摻量既可快速膠凝、封堵表面裂隙，又可使?jié){液灌注到一定深度后膠凝，實現(xiàn)深層堵水目的。本工程在區(qū)域地下水處理中，對線狀流水、裂隙水或外水壓力不大的灌漿孔，通過調(diào)節(jié)水泥-ch聚丙烯酰胺雙液材料凝結(jié)時間，控制漿液的擴散半徑，達到快速封堵裂隙通道，截斷水流源頭的效果。

5結(jié)語

總之，錦屏二級電站在超高壓大流量涌水情況下，采用合理的封堵措施和新型的灌漿材料，為工程順利完工起到了關鍵作用，為相關工程提供了良好借鑒。

參考文獻

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[2]孫釗.大壩基巖灌漿[M].北京：中國水利出版社，2004.

[3]王春燕.特種技術在錦屏輔助洞高壓突涌水治理工程中的應用[J].科技資訊，2013,(34):52-56.