大壩基礎(chǔ)灌漿水灰比的探討

譚日升

（長江水利委員會長江科學(xué)院，湖北 武漢 430010）

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，生產(chǎn)、生活對能源需求的不斷增長，我國正處在水電建設(shè)的高潮期。大家都在為水電建設(shè)獻(xiàn)計獻(xiàn)策，許多專家對大壩基巖灌漿開灌水灰比發(fā)表了不同的意見。有的專家強(qiáng)調(diào)濃漿開灌，有的專家不贊成濃漿開灌。本文介紹國內(nèi)外一些有關(guān)的文獻(xiàn)資料，同時陳述筆者的觀點(diǎn)。

1 國內(nèi)外的有關(guān)規(guī)定

1.1 國外的相關(guān)資料

1.1.1 第15屆國際大壩會議以前

（1）美國。美國土木工程學(xué)會 《土壤力學(xué)及基礎(chǔ)學(xué)部學(xué)報》1957年發(fā)表的 “巖石水泥灌漿趨向”中，關(guān)于水灰比談到： “工程界對此問題意見分歧。有一部分有這方面經(jīng)驗(yàn)的工程師認(rèn)為，如在高壓下灌漿，則水泥漿用水量無關(guān)緊要，即使應(yīng)用1個單位體積水泥和20個單位體積水的比例，多余的水分仍會被擠出。另有一部分同樣有這方面經(jīng)驗(yàn)的工程師則認(rèn)為，在灰漿溢出處形成不透水的餅狀體之前，只能擠出一定數(shù)量的水分；而在形成不透水的餅狀體之后，則不論壓力多大也不能擠出任何水分了。所有的人均同意水灰比對灰漿能到達(dá)的距離有重大影響。事實(shí)已一再證明，在一定的壓力情況下，如灰漿濃度超過巖層裂隙所能吸收的程度，則灌漿時巖基不會吸收多少灰漿，即使灌漿孔已灌至 ‘不再吸漿’的地步，而事實(shí)上巖基并未因灌漿而改善多少”?！霸趯?shí)際工作中采用最優(yōu)水灰比。這是灌漿孔能均勻吸漿的最低水灰比，需逐孔試驗(yàn)求得。開始時的水灰比是根據(jù)該孔在前述水壓試驗(yàn)及壓力沖洗時的情況選定，一般的水灰比應(yīng)選擇較大的，以免堵塞灌漿孔。在灌漿過程中逐步加濃”[1]。

（2）法國學(xué)者的觀點(diǎn)[2]。法國國立格勒諾布爾高等水利學(xué)校布瓦爾（M.Buwear）教授，上世紀(jì)80年代初在我國武漢水利電力學(xué)院講學(xué)時提出：根據(jù)如下規(guī)則（見表1），人們換用稀釋漿液來適應(yīng)不同滲透系數(shù)的地層，即適應(yīng)不同介質(zhì)的裂隙度。

表1 滲透系數(shù)與水灰比的關(guān)系

1.1.2 第15屆國際大壩會議期間

國際大壩委員會第15屆大會于1985年6月在瑞士洛桑召開，大會主要討論了4個技術(shù)專題，其中的第58題是 “基礎(chǔ)防滲處理”。引起我們高度注意的是：①對帷幕體的透水標(biāo)準(zhǔn)，過去以1 Lu與3 Lu為高、低壩的標(biāo)準(zhǔn)似也要求過高，可以放松要求；②帷幕設(shè)計和施工，一般趨勢是采用單排垂直孔；③灌漿材料，很多工程趨向于控制最大水灰比在5∶1（體積比）以內(nèi)，以提高漿液的穩(wěn)定性。有的規(guī)定水灰比更小，即水泥漿液更濃[3]。同時也報道了有幾座大壩用稀漿建成的大壩防滲帷幕失效的例子。

1.1.3 第15屆國際大壩會議之后

（1）印度的規(guī)定。1994年，印度標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會第二次修訂的河谷工程中巖基壓力灌漿標(biāo)準(zhǔn)，推薦的漿液水灰比（質(zhì)量比） 是5∶1～0.8∶1。僅僅在異常的情況下漿液的水灰比傾向10∶1。漿液的水灰比可以根據(jù)灌漿前滲透試驗(yàn)的結(jié)果來選擇。標(biāo)準(zhǔn)指出，如果漿液太濃，漿液前進(jìn)的通道在短距離就可能被阻塞，細(xì)縫不可能被填充；如果漿液太稀，灌漿連續(xù)時間太長，可能導(dǎo)致不適當(dāng)花費(fèi)的增加。當(dāng)采用多排帷幕時，在外排允許用濃漿，以阻塞較大可滲透的通道，防止?jié){液擴(kuò)散到要求的范圍以外。在內(nèi)排或中間排可以用比較稀的漿液開灌[4]。

（2）歐洲標(biāo)準(zhǔn)。2000年歐洲標(biāo)準(zhǔn)化委員會關(guān)于特種巖土工程施工——灌漿的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，漿液開灌混合物（水灰比）的設(shè)計決定于：①漿液的消耗不要超過預(yù)期的太多；②能達(dá)到不吸漿；③基礎(chǔ)不發(fā)生令人不快的位移[5]。

（3）挪威的做法。挪威里斯尼（Dagfinn K L）等三位教授介紹了挪威巖石灌漿水灰比的采用：“灌漿過程中水和水泥的比例從4∶1逐漸減少到2∶1。如果采用稀的漿液達(dá)不到要求的灌漿壓力就應(yīng)該改用濃的漿液。達(dá)到要求的壓力后，應(yīng)該維持15～30 min，迫使?jié){液中多余水從漿液中析出”[6]。

（4）美國的規(guī)范。2008年 《美國軍事條例和規(guī)范》關(guān)于 “基礎(chǔ)鉆孔和灌漿”的規(guī)定為：在通常情況下，如果壓水試驗(yàn)表明是一個低滲透性的孔，用稀漿開灌；如果鉆孔失水或沖洗時不起壓，用比較濃的漿液開灌[7]。

1.2 我國有關(guān)規(guī)范的規(guī)定

自1963年以來，對 《水工建筑物水泥灌漿施工技術(shù)規(guī)范》進(jìn)行了4次修改。其起始水灰比和每級水灰比一般灌注量見表2。

表2 我國規(guī)范對水灰比（質(zhì)量比）的規(guī)定

2 漿液中多余水分的去向

水泥水化需要的水是很少的，根據(jù)有關(guān)資料介紹，約為24%（質(zhì)量比）。水灰比0.24∶1的水泥漿不具有流動性，不能用于地基基礎(chǔ)灌漿。水泥漿液的流動性與水泥漿液的水灰比的關(guān)系見表3。

表3 水泥漿的流動性與水灰比的關(guān)系[8]

為了使水泥漿具有流動性，必須加入多余的水。同時可以加些減水劑，以降低漿液的黏度，提高漿液的可灌性。

關(guān)于多余的水對水泥結(jié)石性質(zhì)的影響問題，筆者和同事在1977年做過模擬試驗(yàn)研究[9]。試驗(yàn)用湖北華新水泥廠生產(chǎn)的600號硅酸鹽大壩水泥。試驗(yàn)方法為水泥加水后攪拌30 min，攪拌機(jī)的轉(zhuǎn)速度為530 r/min。黏度用漏斗黏度計測得。分兩種情形測量凝結(jié)時間和抗壓強(qiáng)度：一是讓水泥漿在自然狀態(tài)下（無壓）析水后成型；二是讓水泥漿在有壓力下脫水后成型。試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 600號硅酸鹽大壩水泥漿的性能

上述試驗(yàn)結(jié)果表明：

（1）水泥漿在自然狀態(tài)下（無壓）析水時，其析水量和析水后成型的試件強(qiáng)度與漿液的水灰比關(guān)系很大，即使是質(zhì)量比1∶1（相當(dāng)于體積比1.25∶1）的水泥漿，也有32%的析水量。與國外文獻(xiàn)上的數(shù)據(jù)體積比為2∶1（相當(dāng)于質(zhì)量比1.6∶1）的基礎(chǔ)灌漿漿液可產(chǎn)生35%的析水量[10]相比，基本一致。

（2）水泥漿在有壓力的狀態(tài)下（有壓）脫水時，脫水后成型的試件強(qiáng)度與漿液的水灰比關(guān)系不大。本次試驗(yàn)是用氣壓脫水。后來又設(shè)計了一套設(shè)備，完全模擬現(xiàn)場，用水泥漿灌漿的方式制備試件，得到的試件強(qiáng)度與本次試驗(yàn)的結(jié)果基本一致。

如果多余的水不能在灌漿壓力作用下被擠出灌漿范圍，即便是用水灰比（質(zhì)量比）1∶1的水泥漿液灌漿，也有1/3左右的析水量，會留下1/3的空洞，而且水泥結(jié)石疏松，強(qiáng)度低，耐久性差。然而，已建大壩灌漿帷幕的觀測資料并非完全如此。年代比較久的灌漿帷幕，絕大多數(shù)是用稀漿開灌，但灌漿帷幕失效的只是極少數(shù)。正如霍爾斯拜（Houlsby A C）在 “水泥灌漿耐久性的研究”一文中介紹的那樣，美國墾務(wù)局以前都是用稀漿開灌，如采用水灰比12∶1或者更稀的漿液。其中有一個用稀漿建成的大壩帷幕，由于帷幕損壞嚴(yán)重，滲漏使壩體部分破損，而必須進(jìn)行再灌漿，另一座拱壩采用水灰比7∶1灌漿建成的帷幕也有沖蝕跡象；但另一方面，有一些大壩用這類稀漿灌漿建成的帷幕運(yùn)行狀況良好[10]。因此，不能認(rèn)為用稀漿灌漿建成的帷幕就一定不耐久。

3 最佳開灌水灰比選擇

筆者認(rèn)為，最佳開灌水灰比應(yīng)同時滿足如下兩個條件：①在設(shè)計壓力下，對被灌部位的大小裂隙都有能滿足設(shè)計要求的擴(kuò)散半徑；②漿液擴(kuò)散到灌漿范圍以外的較少，灌漿時間和灌漿材料有效利用率高。

不同的大壩，地質(zhì)情況千差萬別。有時，同一座大壩不同部位地質(zhì)情況也不完全一樣。參考國內(nèi)外學(xué)者的觀點(diǎn)和工程實(shí)踐積累的資料，筆者認(rèn)為，開灌水灰比應(yīng)根據(jù)基巖的透水率和灌漿試驗(yàn)的結(jié)果來選擇。①灌漿前壓水透水率特別大的灌漿段，灌漿試驗(yàn)證明用較低水灰比的濃漿開灌能達(dá)到預(yù)期目的的，可以用較低水灰比的濃漿開灌，避免漿液過度擴(kuò)散，造成灌漿時間和灌漿材料的浪費(fèi)。②除此以外，應(yīng)該用稀漿開灌，確保漿液在相對細(xì)的裂隙中有必要的擴(kuò)散半徑，在灌漿過程中根據(jù)情況逐步加濃漿液。不然，漿液前進(jìn)的通道在短距離就可能被阻塞，細(xì)裂隙不可能被填充。③對灌前壓水透水率大于防滲標(biāo)準(zhǔn)，稀漿開灌，一開始就吸水不吸漿的部位，說明基巖細(xì)微裂隙密集，水泥漿液對該部位不具有可灌性，可采用化學(xué)灌漿。

筆者閱讀了一些強(qiáng)調(diào)濃漿開灌的論文，在實(shí)際應(yīng)用時，往往還有兩個條件，即降低帷幕體的透水標(biāo)準(zhǔn)和縮短帷幕灌漿孔的孔距。穩(wěn)定性漿液能達(dá)到的距離總是有限度的[11]。例如，國外認(rèn)為的成功實(shí)例之一的柯培通（COPETON）壩，壩高99.06 m，壩基為花崗巖，主要節(jié)理相對較寬且延伸很遠(yuǎn)，是一個極需要灌漿且容易灌漿的特例。它采用單排帷幕，分5序加密，最終孔距1.524 m；大多數(shù)孔用 2∶1（體積比，相當(dāng)于質(zhì)量比1.54∶1）的漿液開灌，第5序孔灌后滲透系數(shù)降到5 Lu[12]。

在我國，以發(fā)電為主建設(shè)的高壩，降低帷幕體的防滲標(biāo)準(zhǔn)、縮短帷幕灌漿孔的孔距不僅不經(jīng)濟(jì)，而且如果壩基中有軟弱夾層時，若把帷幕體的防滲標(biāo)準(zhǔn)降低到5 Lu就算合格，將更多地依靠排水降低揚(yáng)壓力，還會影響大壩安全。

4 丹江口大壩帷幕灌漿分析

我國的丹江口大壩，初期壩高102.4 m，根據(jù)當(dāng)時的施工規(guī)范，帷幕的開灌水灰比為10∶1（質(zhì)量比），灌漿壓力1.5～3 MPa。1967年11月開始蓄水運(yùn)行以來，河床壩段監(jiān)測斷面的壩基揚(yáng)壓力值均小于設(shè)計值，壩基總滲流量整體呈逐年下降的趨勢。2008年長江水利委員會為了大壩加高，對在高水頭下運(yùn)行40年的丹江口大壩基礎(chǔ)防滲帷幕進(jìn)行了全面檢測?，F(xiàn)場使用的檢測手段有鉆孔、取芯、涌水觀測、壓水試驗(yàn)、物探、孔內(nèi)電視攝像等。室內(nèi)試驗(yàn)重點(diǎn)是對結(jié)石芯樣進(jìn)行理化性能檢測、帷幕體抗?jié)B性能試驗(yàn)、溶蝕耐久性試驗(yàn)、丙凝凝膠體老化性能試驗(yàn)及水化學(xué)分析。在河床3～32號壩段684 m的帷幕線上布設(shè)了35個檢查孔，每個壩段或40 m范圍內(nèi)至少有1個檢查孔；對存在斷層構(gòu)造等地質(zhì)缺陷部位和原防滲帷幕檢查孔壓水透水率及滲流、滲壓異常的壩段布置1、2個檢查孔。檢測結(jié)果表明：①以變質(zhì)輝長輝綠巖為主的3～18號壩段，原防滲帷幕防滲效果現(xiàn)狀良好，全部滿足大壩加高工程防滲標(biāo)準(zhǔn)（滲透系數(shù)≤1 Lu）。②以變質(zhì)閃長玢巖為主的19～32號壩段，有6個壩段8個檢查孔的21段壓水透水率超標(biāo)。超標(biāo)孔段均位于變質(zhì)閃長玢巖區(qū)內(nèi)，其中多為構(gòu)造發(fā)育地段。③丙凝灌漿帷幕耐久性較好[13]。

詳細(xì)分析超標(biāo)孔段的部位發(fā)現(xiàn)，超標(biāo)孔段除與地質(zhì)條件有關(guān)外，還與當(dāng)年的施工情況有關(guān)。3～18號壩段的水泥灌漿帷幕基本上是在蓄水前完成的，19～32號壩段的水泥灌漿帷幕有相當(dāng)大一部分是在蓄水后完成的。蓄水后完成的帷幕灌漿施工時，上游水頭最高達(dá)60 m，灌漿孔涌水、灌后返漿等現(xiàn)象突出，對防滲帷幕的質(zhì)量和耐久性造成了不良影響。當(dāng)年19～32號壩段防滲帷幕檢查孔壓水透水率有相當(dāng)數(shù)量的超標(biāo)孔段，不如3～18號壩段的帷幕好。檢測還表明，蓄水前完成水泥帷幕灌漿施工的，水泥灌漿防滲帷幕的耐久性與稀漿開灌并沒有因果關(guān)系。

在分析丹江口大壩基礎(chǔ)防滲帷幕在高水頭下運(yùn)行40年的全面檢測資料后還發(fā)現(xiàn)，在研究蓄水條件下進(jìn)行基礎(chǔ)防滲帷幕灌漿或帷幕補(bǔ)強(qiáng)時，應(yīng)采用能準(zhǔn)確控制凝膠時間的化學(xué)灌漿。丹江口大壩基礎(chǔ)防滲帷幕的化學(xué)灌漿，除9～11號壩段是蓄水前于1967年5月開工、蓄水后于1968年5月完成的以外，其他都是在蓄水發(fā)電以后施工的，在高水頭下運(yùn)行40年來，一直保持了較好的灌漿效果。

我國已建成幾萬座不同類型的大壩，其中1983年以前建成、壩高50 m以上的有幾十座。這些大壩的基礎(chǔ)灌漿都是采用 10∶1或8∶1（質(zhì)量比）水灰比的稀漿開灌的，已經(jīng)運(yùn)行快30年了。通過對這些大壩帷幕有沒有失效進(jìn)行總結(jié)，對失效的要分析其失效的原因是開灌水灰比太大還是施工工藝不當(dāng)，或是水有侵蝕性造成的。同時要全面搜集國外的相關(guān)資料，不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，為下次修訂規(guī)范提供依據(jù)。

5 結(jié)語

（1）大壩基礎(chǔ)水泥灌漿開灌水灰比應(yīng)根據(jù)基巖的透水率與灌漿試驗(yàn)結(jié)果來選擇。灌漿前壓水透水率特別大的灌漿段，用較低水灰比的濃漿開灌能達(dá)到預(yù)期目的；其他應(yīng)采用稀漿開灌，確保漿液在相對細(xì)的裂隙中有必要的擴(kuò)散半徑；吸水不吸漿的部位可采用化學(xué)灌漿。

（2）國內(nèi)外觀測資料表明，水泥灌漿防滲帷幕的耐久性與稀漿開灌并沒有必然的因果關(guān)系。

（3）在蓄水條件下進(jìn)行帷幕灌漿或帷幕補(bǔ)強(qiáng)，采用能準(zhǔn)確控制凝膠時間的化學(xué)灌漿優(yōu)于水泥灌漿。

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