黃立維，趙衛(wèi)全 ，張金接 ，符 平，邢占清

（1.中國水利水電科學研究院，北京 100038；2.北京中水科工程總公司，北京 100048）

1 引言

滲漏是水電工程、地下礦山等工程中經常碰到的問題，滲漏對已建水庫（大壩）不僅會帶來經濟損失，而且還可能會威脅到大壩的安全；而對于土（堆）石圍堰滲漏水會導致基坑不能閉氣，影響后續(xù)工作的施工；對于隧道（洞）工程，由于突涌水而迫使施工中斷，拖延工期，甚至必須改線的工程也有很多。對于多數工程而言，漏水問題多是由大孔隙形成的集中滲漏通道造成的，成功找到并封堵住這些集中滲漏通道基本上就解決了漏水問題。灌漿是解決工程滲漏問題的重要技術手段，隨著地下工程建設發(fā)展規(guī)模的不斷擴大和水利工程的不斷建設，灌漿技術得到越來越廣泛的應用。

大孔隙的灌漿由于孔隙大以及地下水流動會帶走漿液，通常材料耗量大、灌漿量控制難、工效低、施工成本高，并且工程質量不易保證。大孔隙滲漏水處理已成為國內外公認的技術難題，多年來國內外工程技術和研究人員對漏水處理問題給予了足夠的重視，但此問題仍未得到徹底的解決。若采用常規(guī)灌漿方法，不僅會耗費大量的材料，而且有時根本沒有成效。對于大孔隙的灌漿堵漏要求漿液凝結速度快、凝結時間可調，并具有較好的可控性，以防止?jié){液過量流失和浪費。常用的灌漿防滲堵漏技術有雙液灌漿技術、水泥砂漿（水泥黏土砂漿）灌漿技術、普通膏漿灌漿技術、熱瀝青灌漿技術、級配料灌漿技術及模袋灌漿技術等。但是以上常規(guī)處理技術仍存在一定的不足，例如雙液速凝漿液一般造價昂貴，且常規(guī)水灰比條件下，摻入一定的速凝劑控制效果欠佳；而采用砂漿和低級配混凝土時由于漿液組分的分離，常常淤堵進漿通道而拒漿，或漿液擴散太遠形成浪費和出現充填不飽滿的問題。為此，中國水利水電科學研究院研究開發(fā)了廉價水泥膏漿灌漿技術［1-2］，但普通水泥膏漿在有動水的大孔隙防滲堵漏加固時，由于凝結時間長，在水流流速較大時，漿液也易被水流沖走，造成漿材一定程度的浪費。

因此研究開發(fā)具有優(yōu)良性能的灌漿堵漏材料及其施工工藝，開展大孔隙動水灌漿防滲加固處理相關技術研究，為已建和在建工程的滲漏水處理提供經濟可行的處理方案，具有重要的技術和應用價值，對推動灌漿堵漏技術的發(fā)展及提高社會經濟效益都有著非常重要的意義。本文結合已有研究成果，根據大孔隙地層堵漏特點，研發(fā)了新型速凝膏漿和低熱瀝青堵漏灌漿技術，并在工程中得到了成功應用，可為大孔隙地層防滲堵漏參考借鑒。

2 新型速凝膏漿灌漿技術

2.1 新型速凝膏漿灌漿材料本文在總結大孔隙地層灌漿材料的基礎上，重點研究了速凝膏漿堵漏材料。

2.1.1 速凝膏漿灌漿材料［3-6］

（1）多組份速凝膏漿。在普通膏漿基礎上加入鋁酸鹽水泥的外加劑形成了速凝水泥膏漿，可提高漿液抗水流沖釋性能，配制漿液時添加黏土、膨潤土等材料形成一種多組份的速凝膏漿灌漿材料。但在實際運用中，多組分速凝膏漿仍然存在以下幾點不足：（a）速凝膏漿較大的剪切屈服強度依靠摻入較多的黏土、膨潤土、粉煤灰等摻合料來實現，因此膏漿的膨潤土用量很大，膨潤土存在潤脹和高速攪拌的過程，在實際施工中膨潤土漿的制漿過程存在較大壓力，同時增加了施工工序和施工的復雜度。（b）鋁酸鹽水泥與普硅水泥混合，凝結時間對溫度、攪拌均勻度、摻入量等因素都比較敏感，反應時間難以精確控制，不利于大漏量動水地層的堵漏。

（2）新型速凝膏漿。由于多組份速凝膏漿的不足，通過研發(fā)一種專門的速凝膏漿外加劑，使?jié){液達到良好的速凝效果，并降低漿液配制的難度。

外加劑一方面需要考慮摻加到水泥漿液中后能促進漿液凝結，另一方面需要能夠增加漿液的黏度，提高其屈服剪切強度，從而提高漿液的抗水流沖釋性能。研發(fā)的新型速凝膏漿復合外加劑由水泥促凝劑、早強劑和增黏劑混合而成。考慮到運輸和儲存方便，促凝劑、早強劑和增黏劑全部采用粉狀，通過多組室內實驗，復合外加劑的組成及含量如表1。

表1 復合外加劑的組成

2.1.2 新型速凝膏漿性能試驗 通過室內試驗，對以下3種不同配比的新型速凝膏漿（編號分別為1、2、3）的物理、力學性能進行測定。不同配比新型速凝膏漿的物理及力學性能試驗結果見表2和表3。

表2 新型速凝膏漿物理性能試驗結果

表3 新型速凝膏漿力學性能試驗結果

由表2可以看出，摻入外加劑后新型速凝膏漿的黏度增加很大，其剪切屈服強度大于其本身重力，在自身重力作用下膏漿不能流動，在水流中沒有松散現象，漿液在水中的凝結時間和在空氣中的凝結時間變化不大，表明水流未能進入新型速凝膏漿內部，新型速凝膏漿具有良好的水下不分散性。研究表明外加劑的摻量控制在5%～10%時漿液的黏度和可施工性較為合適，漿液凝結時間可在15～50 min之間調節(jié)，且固結體的1 h抗壓強度可達1.5 MPa，能抵御一定流速的水流沖擊，適合動水條件下灌漿堵漏使用。

2.1.3 室內抗沖模擬試驗 為了檢驗摻入外加劑后的新型速凝膏漿的抗水流沖擊性能，在室內進行了不同流速下新型速凝膏漿的抗沖模擬試驗。灌漿注入率為5 L/min（采用較低的注入率主要是為了消除尺寸效應的影響），本實驗采用速凝時間最快的3#漿液，膏漿抗沖模擬試驗結果見表4。

表4 新型速凝膏漿抗沖模擬試驗結果

由以上試驗結果可知，隨著流速增加，漿液的留存率在減少，當水流速度達到1.5 m/s時，漿液的留存率達到了60%以上；對于架空結構地層，水流速度達到1.5 m/s時，漿液留存率達到了70%。表明摻入外加劑后的新型速凝膏漿適合用在流速小于1.5 m/s動水條件下堵漏。留存漿液的初凝時間、固結體的l h抗壓強度與原狀漿液相比變化不大，說明所用新型速凝膏漿具有良好的水下不分散性和抗水流稀釋性。

2.2 新型速凝膏漿灌漿設備和方法新型速凝膏漿的施工工藝參數一般可以參照常規(guī)水泥灌漿進行，可以采用孔口封閉、自上而下或自下而上分段純壓式灌注；可以選擇新型速凝膏漿與其它材料聯(lián)合灌注，如新型速凝膏漿與級配料、新型速凝膏漿與砂漿及新型速凝膏漿與混凝土的聯(lián)合灌注等；新型速凝膏漿的配比由稀向濃漿液變換；灌漿結束標準按孔口返漿或孔內有壓確定，也可采用定壓和定量相結合的方式。為提高防滲效果，可在兩排新型速凝膏漿灌漿孔中間設置一排水泥灌漿孔，或在同一排灌漿孔中采用Ⅰ序孔灌新型速凝膏漿，Ⅱ序孔灌水泥漿等方式。

（1）鉆孔。新型速凝膏漿可以利用常規(guī)水泥灌漿的孔位進行灌漿施工，鉆孔不需要特別的設備，新型速凝膏漿灌注時盡量采用較大直徑的鉆孔（Φ76 mm以上，跟管鉆進時常采用Φ108 mm以上）。鉆孔時可選用風動鉆機成孔，風動鉆機成孔速度快，工效高，由于大孔隙地層易塌孔，因此可采用跟管鉆進方案成孔。

新型速凝膏漿灌漿的孔排距根據現場地層情況確定，由于新型速凝膏漿的塑性屈服強度較大，因此其擴散范圍受到一定約束，孔排距布置應比水泥灌漿的孔排距小。

圖1 M1000大容量高效制漿攪拌機

（2）攪拌設備。由于新型速凝膏漿具有很大的塑性屈服強度和塑性黏度，制漿可采用大動力強制型攪拌制漿方式，為適應新型速凝膏漿的特點而研制的M1000大容量高效制漿攪拌機比較適合漿液攪拌，并在工程中推廣應用［14-15］，其結構示意圖如圖1所示。

M1000攪拌機采用內桶和外桶組合裝置，橫梁架起攪拌葉片，使傳動部件不接觸漿液，無密封件設置，提高了設備的使用壽命；利用內外桶上的擋板作為定子，攪拌葉片作為轉子，攪拌充分、均勻、工效高；增加了多檔可調轉速（60～1000 r/min），攪拌漿液黏度可達2.5 Pa·s。

（3）灌注設備。新型速凝膏漿漿液黏度大，水灰（料）比低，一般的灌漿泵（柱塞泵）不能滿足灌注要求。螺桿泵由于可泵送高黏度液體及包含有纖維和固體物質的液體，較適合于新型速凝膏漿灌注。螺桿泵的主要工作部件是偏心螺桿（轉子）和固定的襯套（定子），當螺桿裝入襯套后，螺桿表面與襯套內螺紋表面之間形成一個個封閉的腔室，同時任意截面也被分成上下兩個月牙形工作室。當電動機帶動泵軸轉動時，螺桿一方面繞本身的軸線旋轉，另一方面它又沿襯套內表面滾動，螺桿每轉一周，密封腔中的液體向前推進一個螺距。隨著螺桿的連續(xù)傳動，液體以螺旋方式從一個密封腔向另一個密封腔，最后擠出泵體。新型速凝膏漿灌漿時可選用B型或G型螺桿泵，壓力選用1.2～2.4 MPa，流量100～400 L/min。

3 低熱瀝青灌漿技術［7-13］

3.1 低熱瀝青灌漿材料利用先乳化后破乳原理開發(fā)出“油包水”狀態(tài)的低熱瀝青，在60～80℃時仍具有良好的流動性和可泵性，同時遇水凝固、不沖釋，適合于大空隙漏水地層的堵漏灌漿。

3.1.1 低熱瀝青配比試驗 進行了不同摻量外加劑（快硬水泥、速凝劑、水玻璃、偏鋁酸鈉、無水氯化鈣等）的配比試驗，瀝青∶外加劑∶水∶乳化劑∶破乳劑＝1∶（0.03～0.1）∶（0.75～1）∶0.03∶0.01（質量比）。配比試驗結果表明，添加外加劑后，破乳速度均有所提高，摻加偏鋁酸鈉和快硬水泥后的破乳效果較好，瀝青成團析出，較不添加外加劑的硬度略高。典型配比試驗結果見表5。

表5 摻加外加劑和破乳劑的配比試驗

實際應用可根據不同灌漿過程對破乳速度、析出溫度、固結體強度的不同需求等調整具體配比值。

（1）一維灌漿試驗。采用PVC管設計制作一維試驗模型，模型內裝上不同配比、不同孔隙率的砂礫石層。沙石粒徑分別為10～20 mm、20～50 mm，分別在模型內無水與飽和情況下進行不同壓力條件下的低熱瀝青灌注試驗，其布置如圖2所示。

圖2 一維試驗模型示意圖

低熱瀝青灌漿材料的配比采用瀝青∶水∶水泥∶外加劑＝1∶1∶0.7∶0.03（質量比）。將其通過連接好的專用螺桿泵和管路灌入預制好的一維模型內。

表6 一維試驗模型灌漿統(tǒng)計

在低熱瀝青漿液凝結7 d后，將PVC管破開，獲得瀝青的擴散距離（如表6所示）和結石體情況（如圖3所示）。低熱瀝青在不同條件下擴散距離不同，在重力影響下會出現分層現象。在擴散范圍內漿液的結石體比較飽滿、密實，具有明顯的邊界。

圖3 一維試驗模型低熱瀝青灌注后試樣

在已凝固的灌漿結石體中，通過切削打磨獲得4×4×16的試驗試塊進行了不同齡期的力學性能測試試驗。試驗結果如表7所示。

表7 一維試驗模型瀝青結石體力學性能

（2）二維灌漿試驗。采用1.5 m×1.5 m×1.0 m的鋼制模型，灌漿管預先置入后，在其內填設不同的實驗材料，然后在頂部設置鋼蓋板（見圖4）。灌注完成后，拆除鋼蓋板對實驗數據進行分析。

圖4 二維試驗模型示意

圖5 二維試驗中不同地層低熱瀝青最小擴散距離

通過在模型中裝填不同粒徑的砂礫石模擬實際地層，并使用千斤頂對模型鋼蓋板施加壓力模擬不同深度下的低熱瀝青灌漿。試驗結果如圖5所示。低熱瀝青漿液擴散距離與灌漿壓力和地層上覆附加應力有關。低熱瀝青的擴散距離隨著灌漿壓力的增大增加，在粒徑較小的地層中可采用較高的灌漿壓力以獲得漿液良好的擴散性能。不同深度地層條件下低熱瀝青的擴散距離將受到明顯的影響，在30 m深度下（地層壓力為72 t），漿液的擴散距離將至少減少20%以上，而且表現出粒徑越細受到的影響越大的趨勢。

3.1.2 抗沖試驗 為檢驗低熱瀝青漿液在塊石架空地層中不同邊界條件、不同流速條件下的防滲堵漏適應性，在滿足相似要求的前提下制作了試驗模型如圖6所示。塊石直徑主要選取200～500 mm的鵝卵石，隨機無序拋填在模型中，通過調整水泵流量得到不同的流速。

圖6 抗沖試驗漿液留存

表8 試驗材料抗沖試驗結果

通過抗沖試驗結果分析，對于架空結構地層，水流速度達到1.5 m/s時，漿液留存率達到了90%以上。在流速2.5 m/s情況下的低熱瀝青灌漿抗沖試驗中，低熱瀝青的留存率仍可達到50%以上，堵漏效果顯著。

3.2 低熱瀝青灌漿工藝低熱瀝青的施工同樣采用孔口封閉、自上而下或自下而上分段純壓式灌注，同時為保證灌漿效果，可與速凝膏漿或普通膏漿配合使用。但由于低熱瀝青自身材料特點，在工藝研究方面針對灌漿機械設備進行了開發(fā)。

低熱瀝青灌漿材料配制過程中要求將瀝青加熱到100℃以上，灌漿時漿液溫度達80℃左右，由此需要對管路、泵送設備等進行保溫。

（1）瀝青加熱。低熱瀝青材料的制備需要先將瀝青加熱到一定溫度，瀝青加熱方式采用導熱油加熱。導熱油具有高溫傳熱特點，加熱時進行閉路液相循環(huán)，熱能損失小、熱效率高、能耗低、加熱速度快、加熱周期短，導熱油加熱系統(tǒng)的介質工作壓力小于0.2 MPa，安全性能高，通過控制系統(tǒng)可精確控制溫度，防止瀝青老化。導熱油瀝青加熱系統(tǒng)主要由燃燒器、爐體、瀝青加熱罐、膨脹罐、導熱油循環(huán)管路、導熱油泵、溫度傳感器及操作控制系統(tǒng)等組成，其結構示意圖如圖7所示。

圖7 瀝青加熱系統(tǒng)

（2）低熱瀝青攪拌。在配制低熱瀝青灌漿材料時，需要對高溫瀝青、水、水泥、外加劑、乳化劑等材料按配比進行高溫攪拌，由此攪拌設備也需要加熱和保溫。通過對已有的膏漿攪拌機進行了改造，在膏漿攪拌機的外壁增加了保溫層，保溫層厚15 cm，在底盤和側壁分別采用電阻絲對瀝青混合漿液進行加熱和保溫。

（3）低熱瀝青泵送。低熱瀝青材料黏度大、并且溫度處于60～80℃之間，且該材料遇水流動性會存在一定的降低，由此采用普通螺桿泵難以實現連續(xù)有效的泵送。由此需要對螺桿泵進行適當改進，主要在以下幾方面進行改進。第一，要增加灌漿泵的泵送壓力，克服低熱瀝青材料黏度大的影響，同時只有足夠大的灌漿壓力才能保證灌漿過程中漿液遇水流動性降低時仍能保持連續(xù)的泵送；第二，要進行泵體材料耐高溫改進，灌漿材料自身溫度為60～80℃，轉子與定子摩擦過程中將會產生更高的溫度，這對泵體自身的壽命也有影響；第三，為保證低熱瀝青材料連續(xù)的泵送，需要在泵體上設置保溫結構，與灌漿管路連接，以此避免灌漿過程中的灌漿造成堵泵的事故。

根據材料特性，研制了低熱瀝青灌漿泵，如圖8所示。

圖8 低熱瀝青灌漿泵研制

該低熱瀝青灌漿泵主要特點為：將泵出口管路外設保溫系統(tǒng)，保溫系統(tǒng)采用熱水循環(huán)實現，灌漿前做好準備工作；將低熱瀝青灌漿材料注滿漿液儲存斗內，初次啟動時，通過軟啟動裝置，按低轉速按鈕正轉進行啟動測試，若工作正常，點擊高轉速正轉按鈕進行工作；漿液自漿液入口進入泵體，經定子與轉子間的旋轉推進，增加灌漿壓力，達到灌漿所需壓力；漿液變換或管路清洗過程中，需避免泵體內溫度驟降，需采用熱水或熱水泥漿液進行泵體清洗，使泵體溫度平緩下降；灌漿過程中如出現灌漿壓力無法長時間保持，則可通過緊固定子外螺栓，改變定子與轉子之間的接觸，實現泵送過程中的灌漿壓力保持穩(wěn)定；泵送裝置使用后若長期不用，可通過拆卸轉子進行詳細清洗，保證下一次使用。

4 防滲堵漏灌漿新技術應用

大孔隙地層防滲加固在水電工程圍堰、橋梁橋墩基礎圍堰、基坑工程及礦山巷道工程中常有遇到，速凝膏漿、低熱瀝青灌漿材料及其灌漿工藝的應用，有效的解決了大孔隙地層滲漏問題。

（1）水電工程圍堰中應用。橋鞏水電站二期位于紅水河干流，上游圍堰為土石圍堰，存在大塊石架空結構和一定的水頭差，上游圍堰采用普通水泥漿液靜壓灌漿完成后，基坑內的滲水量仍很大，需要對上游圍堰的漏水進行處理，以形成完整、封閉的防滲帷幕。圍堰防滲處理采用了摻外加劑的新型速凝膏漿技術進行上下游圍堰的防滲堵漏處理，對于耗漿量大的孔段采用新型速凝膏漿結合級配料的堵漏方案。

圖9 灌漿全部完成后基坑開挖情況

灌漿施工完成后，基坑內漏水量由12 000 m3/h，降低為100 m3/h左右，基本達到了干作業(yè)施工要求（圖9），保證了主體帷幕的施工和基坑內后續(xù)工作的開展，達到了預期目的。

（2）橋梁基礎圍堰中應用。湖南懷沅江特大橋是邵衡鐵路建設中一座大型橋梁，其中7#—12#橋墩位于江中，橋墩基礎施工采用筑島方案，通過在江中回填江中采砂拋棄的鵝卵石等材料。

樁承臺施工正值沅江汛期，施工周期短，由于江水流速快，筑島范圍小、滲徑短，筑島材料滲水條件良好，造成成臺施工的難度大、工期緊張。為確保在大橋的總施工進度，項目部8#、10#墩采用新型速凝型水泥膏漿結合低熱瀝青灌漿堵漏防滲方案，帷幕共設計兩排孔，孔距2 m、排距1 m，在25 d內成功實現了8#、10#橋墩承臺的基坑防滲處理。

在本項目中，低熱瀝青可以有效的完成大孔隙高流速孔隙的封堵，再通過速凝膏漿快速實現對較大滲流通道的封堵，達到堵漏的目的。

圖10 灌漿施工及效果

（3）隧洞工程中應用。云南某水電站引水洞在開挖過程中遇斷層破碎帶，突發(fā)涌水，導致附近村莊泉眼干涸，嚴重影響了當地百姓的生產生活［16］。前期采用了“先引排，后襯砌，再反灌”的處理方案，但因涌水壓力高、流量大，關閉引排閥門灌漿時，鋼筋混凝土襯砌發(fā)生變形破壞，襯砌與基巖面形成了新的滲漏通道，涌水量較處理前還有所增加。本項目針對襯砌隧洞涌水滲徑短、流速快、滲漏通道確定困難，研究提出了“分割滲漏通道、分區(qū)治理”的堵水思路及應用“低熱瀝青、新型速凝膏漿、模袋灌漿及化學灌漿相結合”的綜合灌漿處理技術進行處理。本堵漏工程共布置鉆孔約200個孔，共耗用低熱瀝青500 L，普通水泥300 t，快硬水泥40 t，外加劑1 t，聚氨酯2.5 t，灌漿模袋100 m2。

圖11 現場涌水情況和處理完成效果

經過1個多月的施工，取得了良好效果，整個涌水段滲漏量減少顯著，涌水段滲漏水封堵率超過了95%，經鉆孔檢查邊墻和頂拱沒有股狀水流出。經堵漏處理后，因漏水而干枯的泉水重新出露，及時解決了當地百姓的用水需求。

5 結論

本文緊緊圍繞實際工程需要，根據大孔隙地層滲漏特點，通過室內試驗、理論分析和現場應用等分析手段，對速凝膏漿、低熱瀝青兩種新型灌漿材料的配比選擇、灌漿性能、施工工藝等開展了較為系統(tǒng)的研究。

（1）研究成果表明新型速凝膏漿具有水下不分散、整體抗水流沖擊，良好的可灌性以及凝結時間的可調、可控性，適合用于流速1.5 m/s以下的大孔（裂）隙灌漿堵漏；低熱瀝青漿液具有不被水稀釋而流失的特點，動水流速度達1.5～2.5 m/s仍可適合堵漏灌漿，適合于大流量、高流速的大孔（裂）隙灌漿堵漏，是新型速凝膏漿灌漿材料的重要補充。

（2）本文所述的圍堰和隧洞工程堵漏處理表明，新型速凝膏漿和低熱瀝青灌漿材料的聯(lián)合應用效果更佳。二種材料及工藝的配合使用，可應用的工況更多、處理效果更好、具有廣泛的應用前景。