水玻璃系列化學灌漿在水利水電基礎防滲工程中的應用

張子儀，向光鵬

(四川省內江水利電力勘察設計院有限公司，四川 內江 641000)

1 概述

和平水庫位于四川省涼山州德昌縣茨達鄉和平村境內，是一座以農業灌溉為主，兼顧鄉鎮、農村供水的中型(Ⅲ等)水利工程。和平水庫樞紐工程由大壩、右岸開敞式溢洪道、右岸放水放空洞等組成。

和平水庫大壩為鋼筋混凝土面板堆石壩，建在強風化輝長巖基礎上，基礎采用帷幕灌漿防滲。由于水平趾板基礎1～10m為強風化輝長巖，巖體細小裂縫和微張裂隙很發育，巖石破碎，采取率低，灌漿過程中回漿變濃、“吃水不吃漿”現象普遍。所以水平趾板基礎灌漿工作全面完成后，對該部位進行自檢自查，發現部分單元檢查結果不能滿足設計要求，需重新研究灌漿材料。為了保證大壩壩基承載力及防滲性能，經參建各方研究決定，分別在水平趾板段進行化學灌漿、超細水泥灌漿和普通水泥補強灌漿試驗。試驗結果表明水泥灌漿效果不理想，達不到大壩壩基的防滲設計要求，但水玻璃系列化學灌漿試驗結果卻能完全滿足大壩壩基的防滲功能要求，因此和平水庫樞紐工程最終采用了水玻璃系列化學灌漿作為補強灌漿方案。現場施工完成后，按照相關建設程序，通過質量檢查驗收，水玻璃系列化學灌漿產品質量全部合格，取得了理想的灌漿效果。

2 應用程序

水玻璃系列材料是化學灌漿材料中的一種，這種化學灌漿材料和普通水泥灌漿材料有很多不同之處，試驗研究是應用過程中的關鍵環節，建議采取以下應用程序：室內試驗→室外試驗→確定目標參數→編制施工方案→實施及檢測。

3 試驗原理

水玻璃俗稱泡花堿，廉價、無毒，由堿金屬氧化物與二氧化硅組成，屬可溶性的硅酸鹽類，最常見的為硅酸納水玻璃。水玻璃在水溶液中水解生成氫氧化鈉，然后與乙二醛反應，發生水解平衡向右移動生成硅酸物質，進而凝膠。故將乙二醛作為水玻璃溶液的膠凝劑。

4 室內試驗

4.1 主要材料

化學灌漿材料種類繁多，水玻璃系列材料為目前化學灌漿的最主要的種類，而水玻璃系列材料又有多種不同的配合比選擇，本文介紹一種以水玻璃為主材的新型灌漿材料組合。

主劑：水玻璃，模數3.2，波美度38Be。

膠凝劑：乙二醛，濃度30%～40%。

添加劑：十二烷基磺酸鈉，濃度97%(添加劑種類較多，本次只列出其中一種常見材料)。

介質劑：灌漿部位的河床清澈水。

初步擬定的以上主要物質試驗配合比見表1。

表1 漿材配合比 單位：g

經過有關科研院所和本次多組試驗表明，在主劑水玻璃達到50%(重量比)時，試件在膠凝時間、抗壓強度和耐久性等主要特性方面表現出最好的組合效果。

4.2 試驗測定項目

4.2.1膠凝時間測定

采用傾斜法，將配置好的漿液在室溫下至于杯中，用秒表測出液面不發生傾斜的時間。膠凝時間可調節，一般根據工程現場實際情況決定，要既能灌漿施工過程中漿液不會膠凝固結，又能按預期擴散到目標位置，滿足設計要求。漿液組成物質對漿液膠凝時間的影響見表2。

表2 漿液組成物質對漿液膠凝時間的影響

通過表2分析，隨著乙二醛的增加，膠凝時間減小；十二烷基磺酸鈉在濃度達到約0.4%時，膠凝時間最長。根據現場實踐經驗，膠凝時間范圍10～15min(擴散半徑2.0～2.5m)區域比較合適。因此表2中第二組的中值配合比為膠凝時間控制的較為理想組合。

4.2.2抗壓強度測定

試樣在模具中成型，24h后脫模，用并在空氣中自然存放1～2h時間。然后使用測壓機測固砂體的抗壓強度。漿液組成物質對固砂體抗壓強度的影響見表3。

表3 漿液組成物質對固砂體抗壓強度的影響

通過表3分析，隨著乙二醛的增加，試件抗壓強度的表現形式先增后減，當乙二醛在重量比重增加到約16%時，試件抗壓強度達到最大值。結合表2的試驗成果，本次試驗選擇乙二醛在重量比重為15%為宜。

根據工程經驗，凈漿體的抗壓強度在清水養護條件下1.0MPa左右，固砂體自然放存條件下為1.9MPa左右，因此試壓機的選型應與之匹配，以確保測定結果的準確性。

4.2.3耐久性試驗

依據以上試驗結論，按照推薦的水玻璃系列灌漿材料的基本配合比為水玻璃:乙二醛∶水∶活性劑=50∶15∶34.6∶0.4，進行固砂體試樣制作。試樣在模具中成型1d后脫模，立即放入盛滿水的盆中浸泡7d后，觀察水的渾濁情況和溶解情況。

試樣在盆中浸泡7d后，如果其抗壓強度基本不變，或者略有提高，同時盆水未變渾濁，表明試樣不會在水中發生溶解，即可得出該配合比漿材固砂體耐久性好的結論。

5 現場室外試驗

在室內試驗取得最佳配合比后，才能進行現場的室外試驗。

特別注意，由于漿液膠凝時間受施工工地日照的影響，室內試驗是在室內溫度條件下進行的，因此在工地現場要進行調整乙二醛的比例來進行調整膠凝時間，以滿足施工操作時間要求，和平水庫工程采取的措施為將白天施工時段調整為夜間進行，此種膠凝時間的調整方式可以在其他工程中加以借鑒。

5.1 灌漿孔參數選擇

選擇不滿足防滲要求的地段進行布孔，一般進行單排布置，孔數需要滿足三序施工的要求，孔距常常選擇1.5m，孔深應根據先導孔決定化學灌漿帷幕底線。

5.2 試驗方法及工藝參數

(1)采用自上而下卡塞純壓式式灌漿方法。

(2)按三序施工，先一序，再二序、最后三序。

(3)鉆孔：孔位偏差不大于10cm，孔地斜率偏差不大于25cm，采用會轉鉆進，先導孔需自上而下分段壓水，單動雙管鉆具取芯留存、描述及柱狀圖繪制。

(4)沖洗壓水：壓力為灌漿壓力的80%，除先導孔采用單點法壓水外，其余孔段均采用簡易壓水。

(5)灌漿：采用拴塞卡在灌漿段頂以上0.5m處，各段段長見表4。

表4 灌漿段長和壓力

接觸段需先行單獨灌漿并待凝屏蔽12h后孔內無涌水時再鉆灌以下各段。以下段次灌漿結束后需待凝閉漿2h。化灌漿液根據室外氣溫變化而進行調凝。

(6)結束標準:①在該段最大設計灌漿壓力下，注入率不大于0.02L/(min·m)延灌30min;②不吸漿直接結束；③總注漿量達到120L/m；④達到膠凝時間。

5.3 質量檢查

化學灌漿結束7d后可對其灌漿質量進行檢查，試驗檢查孔暫按2～3個具體位置現場結合資料確定。采取自上而下鉆孔取芯法壓水，每段壓水采用單點法進行，壓力為同段灌漿壓力的80%，全孔檢查完成后可采用自下而上灌漿和封孔。選取不同巖芯樣做室內抗壓強度試驗，以確定化學灌漿所膠結的膠結體強度。取芯需采用單動雙管鉆具。和平水庫樞紐工程現場采集的接觸段巖芯和巖芯抗壓強度檢測后情況如圖1—2所示。

圖1 接觸段巖芯

圖2 接觸段巖芯抗壓強度檢測后

5.4 記錄要求

使用DL/T5406—2010《水工建筑物化學灌漿施工規范》中的記錄表格，填寫記錄必須齊全、準確、清晰。

6 結語

本文提供的這種無毒新型水玻璃系列化學灌漿，相對于普通水泥或者超細水泥灌漿方式單價較高，但是，在大量分布有細小裂縫和微張裂的巖層中進行防滲堵漏時，普通水泥甚至超細水泥灌漿時常遭遇“吃水不吃漿”現象，水玻璃系列化學灌漿卻能有效地解決細微裂隙的滲漏，同時在耐久性方面，也取得了試驗成功，因此這種新型水玻璃化學灌漿材料在水利水電基礎防滲工程中具有廣泛的應用前景。