稳定浆液及其在锦屏一级水电站左岸基础处理中的应用研究

稳定浆液及其在锦屏一级水电站左岸基础处理中的应用研究摘要：稳定浆液是近20年提出的新概念，国内科研所、水利水电工程局及水利水电科学研究院岩土所等单位进行了大量的试验及研究，对稳定浆液的定义、性能和适用条件都进行了阐述，但仍然存在较多分歧，值得商榷的问题较多；稳定浆液在国内水利水电工程基础处理工程得到广泛应用，取得较好的效果。本文在室内试验的基础上，开展对稳定浆液机理的研究，并在锦屏一级水电站左岸基础处理工程施工现场开展稳定浆液与普通水泥浆液灌浆对比试验，通过灌后检查孔对压水试验、岩体声波及变模值进行对比，其稳定浆液针对Ⅲ1～Ⅳ2级岩体灌浆效果明显优于普通水泥浆液。关键字：稳定浆液单一稳定性浓浆性能应用锦屏一级中图分类号：[TM622]文献标识码：A文章编号：1引言第11页共11页 随着国家西部大开发的战略推进，我国的水利水电工程在近10年内取得举世注目的辉煌成绩，一大批大型水利水电工程屹立于我国的大江南北，为国家的经济建设提供绿色环保能源。作为大型水利水电工程基础处理技术也得到了空前的发展，灌浆为基础处理的主要处理方法，普遍采用多种水灰比的水泥浆液进行灌浆，以改善岩体的整体性、抗变形能力及提高岩体防渗性起到很好的作用，但针对地质条件复杂，渗透性的地层采用传统的灌浆方法仍然存在较多问题，针对不同地层条件的稳定浆液性能研究及试验非常重要，既能保证灌浆效果达到设计要求，又能降低工程投资成本。我国在黄河小浪底枢纽工程、新疆维吾尔克孜尔水库右坝肩倾倒体的固结灌浆及贵州红枫水电站木斜墙堆石坝的防渗处理工程中较早的运用了稳定浆液，并且取得较好的效果。如今越来越多专家及学者对稳定浆液进行研究，但在实际施工过程中，仍然有较多的技术人员并不完全了解和认识稳定浆液，有的工程使用稳定浆液明显不适当，甚至给工程造成了浪费和其它负面影响。因此，开展对稳定浆机理研究和实践问题的讨论，对于我国正在建设的大量的水利水电工程的质量提供保证，为灌浆工程的设计及施工提供参考，减少工程投资是十分必要和有益的。2稳定浆液及其原理探讨2.1稳定浆液概念及发展20世纪80年代日本首次研制超细水泥浆材的湿式工法（WMC工法），此后许多国家相继以超细水泥作为灌浆材料的研究；1985年，瑞士学者G・隆巴迪在第十五届国际大坝会议上作了《内聚力在岩石水泥灌浆中所起的作用》的报告，首次提出了稳定浆液的概念，指2小时内析水率小于4%或5%的浆液（宾汉流体），可以从颗粒的沉淀分层性和析水性两方面进行衡量，沉淀分层是不稳定的本质，析水是不稳定的特征表现，析水率越大浆液稳定性就越差，所以用析水率能直观的描述浆液的稳定性。第11页共11页 稳定浆液的主要优点是：①稳定浆液析水少，不会因灌浆后由于浆液中多余水分的析出逸走而留下来较多的未能填满的空隙，有利于将受灌岩体中的空隙充满充实；②稳定浆液由于实际上几乎没有多余的水分排出而凝固，稳定浆液结石的结构密实，力学强度较高，抗溶蚀能力较强，与缝隙两壁的粘附力也较高；③相对来说，由于没有多余的水份自稳定浆液中泌滤出来，从而不会出现未被填满的空隙，所以使用稳定浆液可以减少灌浆的工程量，提高灌浆质量；④稳定浆液一般水灰比较小，水泥含量高，水泥结石的结构密实，力学强度高，抵抗物理侵蚀和化学侵蚀的能力强；⑤稳定浆液能达到的距离是有限度的，一般讲，能够避免不必要的大量的吸浆，减少浆液浪费；⑥灌注时间相对较短。2.2膨润土的作用机理及对稳定浆液性质的影响第11页共11页 目前水利水电工程配制稳定浆液基本都是加膨润土及减水剂等材料。膨润土又称斑脱岩、膨土岩等，以蒙脱石为主要成分的粘土岩――蒙脱石粘土岩，还常含有少量伊利石、高岭石及沸石、长石、方解石等，蒙脱石为少量碱及碱土金属的含水铝硅酸盐矿物。其化学式为Nax(H2O)4{(Al2～xMg0.33)[Si4O10](OH)2}。由于膨润土的主要成分为蒙脱石的粘土，所以蒙脱石的品种及含量对膨润土的性能影响最显著，从蒙脱石空间结构来看，主要表现为Si-O四面体和Al-（O，OH）八面体的互层形成的层状硅酸盐矿物质（构造单元：2层Si―O四面体中间夹一层Al―(O，OH)八面体为），按物理结构分析，层间的范德华力连接较弱，不能表现为主要的物理性质，而四面体部的Si4+离子活性没有Al3+离子强，容易被Al3+取代发生化学反应，同理八面体中的Al3+没有Fe2+、Mg2+、Zn2+活跃，容易被Fe2+、Mg2+、Zn2+等离子取代，使浆液晶层平面表现为负电，被取代后带Al3+的离子亲水，使水分子易于进入晶胞层间而发生膨胀，八面体被取代后的Fe2+、Mg2+、Zn2+能够使粘土颗粒表面吸附反阳离子形成络合物或其它有机、无机复合物。当膨润土分散于水中时，由于表面吸附的阳离子在溶液主体中的浓度较低，它们有自晶层表面向外扩散的趋势；另一方面，它们又受带电晶层的静电吸引。这2个相反趋向的结果，使粘土颗粒晶层外表面形成扩散双电层，并呈大气状分布。堆叠晶层间的阳离子则限制在面对面的晶层表面中间的狭窄间隔内。膨润土分散在水中，蒙脱石的颗粒可能呈单一晶胞，也可以是许多晶胞的附聚体。由于蒙脱石晶体表面电荷的多样性和颗粒的不规则性，它们在水中会产生许多不同的附聚型式。膨润土在水中高度分散搭接成网络结构，并使大量的自由水转变为网络结构中的束缚水，而形成非牛顿液体类型的触变性凝胶。它的粘度对于悬浮液体系的稳定性具有重要影响，并与剪切速度变化有关。搅动时，网络结构破坏，凝胶转化为低粘滞性的悬浮液；静止时，恢复到初始凝胶网络结构的均相塑性体状态，粘度逐渐增大。在外力作用下悬浮液与胶体可以无限转化。这就是掺加膨润土后浆液触变性变好的原因。由于上述原因，导致加入膨润土的浆液粘度上升，保水性能提高，触变性能变好。2.2.1膨润土对浆液稳定性的影响第11页共11页 稳定水泥浆液是指析水率小于5%的水泥浆液，主要技术指标包括粘度、凝聚力（屈服点）、析水率、密度、凝结时间和结石强度等五个方面，粘度和凝聚力控制着浆液流动速率与最大扩散半径，优质的稳定浆液不但要有足够的稳定性，而且要有良好的流动性。2.2.2膨润土对浆液分散性影响当膨润土加入水泥浆浆液后，由于水泥颗粒相对较大，且表面带有正电荷，蒙脱石颗粒在静电吸引力以及其本身粘结力作用下，细小的蒙脱石颗粒会被附着在相对较大的水泥颗粒表面，而且由于膨润土浆液具有良好的保水润滑性和流动性，它可将水泥颗粒悬浮并携带到更远、更细小的岩土裂隙中去，从而防止了纯水泥浆浆液在岩土裂隙流动过程中由于过早失水而凝固，减缓了水泥的凝结时间，进而达到更为理想的加固效果。2.2.3膨润土对水泥浆液的保水性影响在试验中，随着膨润土掺量的增加，浆液的保水率也在逐渐增加，当膨润土含量超过3%后，保水率增长缓慢，趋于定值，且膨润土的掺入对于浆液保水率有一定影响但影响不大。但是由于膨润土掺入提高了水泥浆的用水量，同样质量的水泥浆中保持的水分更多了，这有利于浆液保持工作性。2.2.4膨润土对水泥浆溶液的分层度影响随膨润土掺量增加，浆液的分层度逐渐减小；当膨润土的掺量达到2%时，浆液的分层度不在变化，稳定在9mm，这对于提高砂浆的工作性能有很大的好处。第11页共11页 2.3稳定浆液扩散半径研究水泥浆液的扩散半径受很多因素影响，如地层的岩性、结构、裂隙大小及贯穿性，同时受灌浆参数的影响，如灌浆压力、灌浆时间、浆液水灰比（流动性、稠粘性等）。距离灌浆孔段中心的不同距离灌浆效果不同，可见稳定浆液扩散半径比普通水泥浆液扩散半径小，稳定浆液在流动时属宾汉流体，与普通水泥浆液一样，影响流动的不仅是粘度，还有凝聚力，粘度影响浆液的流动速率，决定浆液在裂隙中的扩散时间，凝聚力制约浆液的最大扩散距离。水及其它真溶液符合欧拉连续介质模型，它是由连续排列且其间没有空隙的最小流体单元质点组成，所以水在压力作用下能够形成任意薄的流层，并能渗入任意小的裂隙。水泥浆液不是纯液体，而是液体和固体的混合体，它不符合欧拉连续介质模型，由于悬浮于液体中的水泥固体颗粒在宏观上是有一定的体积的，这就意味着水泥浆液即使能够形成厚度比其中固结颗粒还要小的流层，也不能进入较小的裂隙。浆液在裂隙中做层流运动时，紧贴裂隙面的流层相对于裂隙面是静止不动的，若裂隙的宽度用t表示，流层的厚度用δ表示，裂隙的有效过流宽度用t’表示，则t’=t-2δ（1）当t＜δ时，浆液也无法正常通过，只有在裂隙的宽度不小于三倍的浆液流层厚度即t≥δ时，浆液才能正常扩散。将t’代替t，由宾汉流体在水平单缝中扩散公式，可以得到Rmax=（2）第11页共11页 式中，P主动压力，Pa；C浆液的凝聚力，Pa；A主动力作用面积，m2；D钻孔直径，m；Rmax浆液最大扩散半径，m。稳定浆液是悬浮液，水泥颗粒各自独立地悬浮于液体中，相互之间既不产生摩擦，也不传递受力，虽然不同液体的连续介质模型，但稳定浆液仍具有液体的物理性质和特征，浆液是否能进入受灌裂隙，完全取决于水泥的灌浆控制粒径，因此，可以将稳定浆液看由粒径等于水泥的灌浆控制粒径的等粒体组成的连续介质，该等粒体连续介质具有液体的特征和性质。等粒体连续介质沿固体界面做二元流运动时，流层厚度就等于连续介质的最小组成单元等粒体的粒径。若等粒体的粒径为Dn（水泥的灌浆控制粒径），则该等粒体连续介质稳定浆液的流层厚度δ=Dn。公式3就可以改写成如下形式：Rmax=，(t≥3Dn)（3）Dn:水泥的灌浆控制粒径，m。2.4膨润土钠化试验及稳定浆液配制流程第11页共11页 为提高膨润土的活性度，对膨润土进行钠化处理，在锦屏一级水电站左岸基础处理工程室内试验进行了膨润土钠化试验。室内稳定性浓浆研制及单一水灰比灌浆试验研究通过在常规制浆的基础上，加入膨润土和减水剂，由于所选用膨润土要求其胶质价大于100cm3/15g，膨胀容20cm3/g，所以为了提高膨润土的胶质价，根据理论研究及以往使用情况，在试验过程中采用钠化处理的方式，钠化过程按先在容器内加入水，再加入无水碳酸钠，搅拌均匀后再加入膨润土（加入比例：360L水，0.8kg纯碱无水碳酸钠，22.8kg膨润土），再搅拌3~5min后将溶液放入固定钠化池内进行钠化，钠化时间为24小时。加入无水碳酸钠的量控制在膨润加量的2-5%。钠化后的溶液加入水泥浆液中搅拌便可以送入灌浆系统进行灌浆。制浆流程如图1所示。图1膨润土钠化及稳定浆液配制流程图3.稳定浆液与普通水泥浆液在锦屏一级水电站的对比试验对比试验选择在锦屏一级水电站左岸基础处理工程中的1785m高层洞室，稳定浆液试验区布置于1785-1#抗剪传力洞，普通水泥浆液试验区布置于1785-2#抗剪传力洞，两试验区地质条件基本相似，都为Ⅳ2级大理岩，岩体灌前声波值及变模值也基本相当，其它灌浆参数（孔排距、灌浆压力，段长划分，浆液水灰比，屏浆时间、结束条件等）及施工工艺相同（循环式孔口封闭法灌浆），灌浆过程中对相关的参数进行了检测。3.1稳定浆液析水率对比试验现场配备500ml量筒，取500ml浆液放入量筒内，用玻璃棒搅匀，将量筒静放于试验台上，随着时间增加，水泥颗粒下沉，清水厚度增加，清水体积与总体积之比即为析水率，每隔20min记录一次清水厚度，直至测定出2h时的析水率。在现场施工过程中不定期对稳定浆液析水率进行取样抽检，统计成果如表3。表3稳定浆液析水率抽检成果表3.2稳定浆液漏斗黏度对比试验第11页共11页 现场配备标准漏斗测量稳定浆液的漏斗黏度。清洗漏斗和量杯，在漏斗上放置滤网，用专用塞堵住漏斗管口，先倒入浆液200ml，再倒入浆液500ml，用500ml容积接纳漏斗中的浆液，使用高精度秒表记录放出500ml浆液所用时间（秒）即为漏斗黏度值。表4稳定浆液与普通浆液漏斗黏度（部分）抽检对比表通过表4可以看出：浆液黏度随屏浆时间的延长以及压力的逐步加大而增大，说明屏浆时间越长、压力越高，浆液的黏度损失越大。新鲜普通0.5：1浆液漏斗黏度在28.32～32.74s之间，平均30.74s，在5.0MPa压力下屏浆20分钟以上进浆漏斗黏度达到38.75～40.16s，平均40.24s；在5.0MPa压力下屏浆20分钟以上回浆漏斗粘度达到42.32～42.69s，平均42.30s，黏度损失较大。而新鲜0.7：1稳定浆液漏斗黏度在21.19～23.26s之间，平均22.31s，在5.0MPa压力下屏浆20分钟以上进浆漏斗黏度达到28.35～28.47s，平均28.40s；在5.0MPa压力下屏浆20分钟以上回浆漏斗粘度达到28.89～29.41s，平均29.17s。3.3稳定浆液流动度对比试验将流动度标准铁环平放于毛玻璃上，将其中注满浆液，将浆液刮平，向上迅速提出标准铁环，测量浆液的扩散直径。表5稳定浆液流动度检测表3.4稳定浆液抗压强度对比试验在稳定浓浆试验区施工过程中，分别在浆液的进浆管路及回浆管路上取稳定浆液进行成模，并送往实验室进行抗压强度对比试验，试块抗压强度值如表6，从试验结果表明回浆管路浆液凝固后的强度要比进浆强度略高。第11页共11页 表6稳定浆液抗压强度抽检表3.5对比试验检查情况分析从稳定浆液与普通水泥浆液所反映的各项性能指标及成果统计来看，稳定浆液的灌浆效果明显优越于普通水泥浆液。无论从灌前及灌后透水率、单位注入率、物探检测，还是浆液的各项性能指标都反映出稳定浆液较强的适用性，特别针对锦屏一级水电站左岸基础处理工程复杂地质条件下，更值得研究、应用以及推广。试验证明，稳定浆液是一种性能较优越的浆液，进、回浆流动度好，防铸钻杆，防回浆返浓，部分受灌区域还可以进行纯压式灌浆，能为缩短工期创造有利条件。稳定浆液具有析水少、结石强度高、裂隙充填密实、耐久性好、节省浆材等优点的同时，还具有良好的稳定性、可灌性、较低塑性黏度和屈服强度，以及能满足受灌岩体的强度与弹模的稳定性浆液，特别为f5断层、煌斑岩脉等遇水岩性易恶化的岩层进行稳定浓浆固结灌浆的可能性提供了可靠、重要的依据。4.结论本文在室内试验的基础上，开展对稳定浆液机理的研究，并在锦屏一级水电站左岸基础处理工程施工现场开展稳定浆液与普通水泥浆液灌浆对比试验，通过研究可以得出如下结论：第11页共11页 （1）从试验数据所反映的稳定浆液各项性能指标以及灌后质量检查成果来看，稳定浆液是一种性能较优越的浆液，具有较强的适用性，无论从灌前及灌后透水率、单位注入率、物探检测结果，还是浆液的各项性能指标都反映出稳定浆液较强的适用性，特别针对锦屏一级水电站左岸基础处理工程复杂地质条件下，尤其针对类似Ⅲ1、Ⅳ2级大理岩岩体，更值得研究、应用以及推广。（2）稳定性单一浓浆试验区灌前压水透水率及单位注灰量所反映灌浆规律性较强，灌浆效果明显。灌后透水率全部满足设计要求，试验区Ⅲ1级、Ⅳ2级大理岩灌后岩体声波波速、灌后岩体钻孔平均变模值均满足设计要求。（3）试验证明，稳定浆液是一种性能较优越的浆液，进、回浆流动度好，防铸钻杆，防回浆返浓。具有析水少、裂隙充填密实、耐久性好等优点，同时是一种具有良好的稳定性、可灌性、较低塑性黏度和屈服强度，以及能满足受灌岩体的强度与弹模的稳定性浆液。（4）与普通水泥浆液相比，稳定浓浆虽然有较多优点，但也有一定的局限性，由于稳定浓浆试验区规模相对较小，就目前的制浆工艺来看，制浆效率偏低，制浆工艺、程序也相对比较复杂，若有条件，还可以在后续试验中探索和完善。参考文献：（1）《大坝基岩灌浆》孙钊中国水利水电出版社（2）《关于稳定浆液及其应用条件的商榷》夏可风《2004水利水电地基与基础工程》（3）《稳定水泥浆的研究与应用》饶香兰中南大学硕士论文（4）《膨润土对水泥浆溶液的影响》朱艳河海大学岩土工程研究所《华东公路》第11页共11页