高稳定性浆液灌浆法，坝基防渗与灌浆技术

澳大利亚灌浆工程师A·C豪斯比在总结了许多灌浆工程的成功经验与失败教训之后（1984）指出：如果浆液的用水量太多，灌浆后将会留下空穴和渗漏通道。地下水沿着这些空穴和通道流动，使疏松的水泥结石被逐步溶蚀掉，若地下水是侵蚀性的，严重的可在一年左右发生。

图11-10是他列举的两座大坝帷幕灌浆采用稀浆、导致未充填满洞隙的实例之一，是在钻孔中用仪器观测孔壁所得资料绘成的。其中布洛瓦林坝的灌浆帷幕于1967～1968年建成，所用浆液水灰比为33∶1，在1972年打检查孔时，在孔内观测到有2～3cm宽的未充填裂隙，如图11-10（a）。图11-10（b）是克帕罗德坝帷幕内观测到的结果，观测时水正从缝隙中喷出，灌浆亦是用33∶1的水泥浆液。

A·C豪斯比认为采用水灰比小的浆液（2∶1或更小），对于保证水泥灌浆取得成功是至关重要的。他建议以1.3∶1为最优起始水灰比，这种水灰比的浆液在澳大利亚数千个灌浆孔段中应用过；当裂隙宽度达0.75cm时可用0.66∶1；再宽时用更浓的浆液。他认为合理的变浆范围应是：2∶1、1.33∶1、0.66∶1或更稠。

近几年来，有许多国家的灌浆人员开始接受豪氏观点，并在不少工程上开始应用。如在伊泰普坝的帷幕灌浆中，用的水灰比为0.66∶1；洪都拉斯在高拱坝灌浆中用的是0.47∶1；泰国高兰坝为1.33∶1；阿根廷里约格兰德一级坝是2∶1～0.66∶1。国外发展用稠水泥浆灌的趋势是很明显的。德国W·维特克在分析采用稠水泥浆的优越性时指出：稠水泥浆在灌浆过程中能形成均匀稳定的特殊传播前沿。

这种稠浆也有良好的流动性，不析水沉淀，在压力作用下没有多余水排出。这些性能确保它能够在0.1～0.2mm的裂隙中均匀扩散，前沿后面的浆液能凝结形成坚固密实的结石，如图11-11。

图11-10　采用稀浆导致帷幕体不密实的实例

（c）布洛瓦林坝；（b）克帕罗德坝

图11-11　用稠水泥浆灌注时浆液传播情况

大家倾向于认为，性能合格的稠水泥浆的主要标准是：一方面要有足够的稳定性，在3～4h内析水量不超过加水量的1%；又要有良好的流动性，在管道和裂隙中流动时压力损失较小。

提高浆液的稳定性，可以通过在水泥浆中掺加少量的膨润土来达到，但这要带来降低流动性的问题。一般说来，稳定浆液各主要组分的适宜比例范围为：水灰比W/C=0.4～0.47；膨润土与水泥比B/C=0.01～0.03；减水剂（或称分散剂）与水泥比I/C=0～0.015。其中水泥可用粉煤灰取代一部分，但最多不超过1/3。在上述范围内，可用当地材料通过室内试验来确定。

为了制备好这种浆液，第一步是把膨润土与水按1∶3的重量比混合搅拌，然后将拌匀的膨润土浆静置24h，令其充分吸水膨胀；再将其与水泥（包括代用粉煤灰）和水一起放入高速搅拌机中，搅拌5min后再送入乳化机（胶体磨）中进行乳化，最后送到低速搅拌机中抽用。

用上述工艺制出的稠浆液，其剪应力τ0值的范围约为10～35Pa。τ0值低于10Pa的浆液不稳定，高于35Pa泵送和灌浆有困难。浆液密度一般在1.75～1.90g/cm3之间，结石的体积收缩率低于1%。

通常，将稠浆液在中心制浆站制好，通过管道输送到各灌浆地点。也可用搅拌车载运到普通搅拌筒中，其它设备与传统灌浆法相同。

瑞士G·隆巴迪（Glombard）在第十五届国际大坝会议上发表的《在岩石水泥灌浆中粘聚力所起的作用》文章，对采用稳定性浆液问题作了理论分析，并导出了有关计算公式。他指出，高稳定性的稠浆液是典型的粘塑性宾汉流体，它既有粘度η值，又有粘聚力C值。在必要的压力和缝宽条件下，粘度η值只控制浆液在岩缝中的前进速度，而粘聚力C则控制着最终到达的距离。当浆液停止流动时，起阻抗作用的η变为0，仅有C存在。

基于这种假定，用力的平衡，他导出在宽度为2t的岩缝中浆液最大扩散半径Rmax为

式中　Rmax——浆液最大扩散半径，m；

　　　pmax——灌浆使用的压力水头，m；

　　　C——浆液的粘聚力；

　　　t——岩缝宽度的一半，mm。

由式（11-1）可以看出，Rmax依下列三个因素而变：最后使用的压力水头、岩缝宽度、单位重量浆液的粘聚力。在岩缝宽度（2t）为已知，要求的扩散半径（Rmax）给定之后，由该式可算出所需要的灌浆压力。

需要的最大用浆量Vmax由下式给出：

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到灌浆即将结束时发生的最大上抬力Fmax可用下式求得：

由于水没有粘聚力，它能进入细小裂隙，在其中的扩散永不会停止，所以它的上抬力F是很大的。在用不稳定的稀浆液灌浆时，水被分离出来而进入细小裂隙，使水泥颗粒落在后面，这时也会发生F很大的情况。在用高稳定性的稠浆灌浆时，缝宽2tmin≥0.2mm时才是可灌的，浆液在达到一个有限制的距离后就会停止扩散。

由此可见对于岩体上抬危险性来说，采用高稳定性浆液要安全得多。就是说，采用高稳定性浆液可以使用高一些的压力而不致发生上抬危险。

图11-12　稠浆液灌浆计算实例

①—灌浆与时间的关系；②—灌浆泵的特性

图11-12给出一个实际的计算结果，它显示出灌注压力p（即静水头）、扩散半径R、上抬力F随时间增加，吸水率Q随时间减小的关系。

G·隆巴迪还同时指出：实际上灌浆的扩散距离要小于理论计算值。这是因为缝面不平直，岩缝往往是不等宽不连续的，浆液在扩散时会碰到一些障碍等，从而导致灌浆的实际终止时间经常发生在理论极限之前。

前述都是针对只有一条缝的情况。当在灌注段内有许多条岩缝（实际情况多是如此）时，浆液的渗进距离将会是：在宽缝中较远，在窄缝中较近，如图11-13所示。这时，在缝面上产生的总的上抬力F（也是启缝压力），能促使较宽的岩缝张开，将附近的窄缝压紧。这就解释了在实际灌浆中为了建造一道高质量的防渗帷幕为何要采取反复灌浆并逐次提高压力的道理。

同时灌注多条宽度不同的裂隙时，单独进入其中一个裂隙的浆量仅为总浆量Vmax的若干分之一。暂令其等于Vmax/m。m为同时灌注的裂隙数目。

而最大上抬力Fmax、可仿照式（11-4）由下式得出：

βx及βy分别表示两组垂直裂隙体系的吸浆量与m条水平裂隙吸浆量之比。图11-14指出了在两组裂隙体系中浆液可能到达的最远距离。

图11-13　在裂隙中浆液的扩散距离、压力分布和上抬力

图11-14　在两组裂隙体系中浆液的最大扩散范围

d+c+bp=R1

G·隆巴迪和持相同观点的人总结出高稳定性稠浆灌浆有以下优点：

（1）由于此种浆液基本上没有多余水析出，可使被灌岩缝充填密实，能形成密实性和强度都较高的结石。这种结石具有较高的抗侵蚀能力，因而可提高帷幕的耐久性。

（2）岩层中产生的上抬力较小，因而可采用较高一些的灌浆压力，而不致造成上抬危险。

（3）扩散范围易于控制，节约灌浆材料。

（4）吸浆率减小到零以后，即可停止，无需闭浆排水，可缩短灌浆时间。