软弱低渗透破碎带f2断层化学灌浆技术
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摘要：软弱低渗透地层化学灌浆是一项复杂的施工技术，在前人的研究基础上，通过锦屏一级水电站f2断层及层间挤压错动带的化学灌浆施工探索及其化学灌浆后的检测成果，为类似地层的加固、防渗处理提供施工工艺方法参考依据。
关键字：化学灌浆；f2断层及层间挤压错动带
中图分类号：TU74 文献标识码：A 文章编号：
0 序言
随着中国经济建设的持续快速发展，特别是中国西部大开发战略的不断推进，一批重大水电工程项目已全面进入实施阶段。由于拱坝优良的力学性能和造价的经济性，中国目前在建、拟建的重大水电工程中有很大一批是高拱坝，势必遇到一系列高拱坝坝肩抗力体或地质缺陷部位的补强防渗处理技术难题。
雅砻江锦屏一级水电站大坝工程坝高305m，是世界第一高拱坝，拟建坝型决定了对两岸受力和防渗的极高要求。F2断层及层间挤压错动带总体产状N20～30°E/NW∠40～50°，宽度变化较大，一般20～50cm，局部变宽可达100cm、变窄仅5～10cm，分布于抗力体以内，穿过帷幕线与库区相连。主要由片状岩、强风化绿片岩及少量糜棱岩组成，天然状态下挤压紧密，局部碳化呈黑色，渗透性能很低为10-5cm/s左右，且性状软弱遇水易软化泥化，其处理效果将直接影响到水电站运行中大坝稳定安全及经济效益。
常规水泥灌浆受水泥颗粒粒径及胶凝时间等因素的影响，对岩体内细微裂隙是难以充填的，同时据相关资料显示，在断层处理中，用其处理是难以实现预期效果。高渗透环氧浆材为真溶液，通过低压漫灌，可有效填充岩体中的细微裂隙，甚至能渗透至软弱岩体中，从而有效提高岩体力学性能及防渗性能。
1 灌浆机理
F2断层软弱且致密，渗透性极低，渗透系数约在K=N×10-5cm/s左右。国际上认为，岩体渗透系数为K=N×10-4cm/s以下的地层，处理难度极大，历来被国际灌浆界视为。常规的水泥灌浆机理是对裂隙填充或将较小裂隙劈裂张开后充填，浆液仅能对地层较宽大的裂隙（水泥灌浆一般对0.2mm以上的裂隙有效）进行充填。当遇到软弱低渗透地层，水泥灌浆无法进行处理。
软弱低渗透性地层化学灌浆处理，要进行灌浆机理方面的研究。根据其地层及浆材特征使用的灌浆工艺，要考虑灌浆历时、孔隙率、被灌载体的渗透系数、灌浆压力、浆液的表面张力、接触角、浆液粘度等灌浆参数。
1938年，马格（Maag）首先建立了在砂土层的球形渗透理论，给出了相应的计算公式，见下式：
式中：t---灌浆时间，s；
r1---浆液渗透扩散半径，cm；
β---浆液粘度对水的粘度比；
n---被灌载体的孔隙率；
k---被灌载体的渗透系数，cm/s；
h1---灌浆压力（厘米水头），cm；
r0---灌浆管半径，cm。
分析上式，可看出，浸润渗透灌浆，要解决好被灌载体为均质且各向介质同性的地层或岩体的补强加固问题，就是要通过灌浆压力，利用浆液的高渗透性能，在压力作用下，经历一个时间适宜的灌浆历时，取得一个适宜的渗透扩散半径，使浆液渗入到岩体的孔隙或裂隙中去，浆液固化达到补强或防渗的作用。
对于使用的环氧树脂灌浆材料的渗透性，利用润湿理论，进行分析。f2软弱低渗透地层的灌浆，有很大一部分工作是要进行地层的驱水工作，即环氧树脂灌浆材料要渗入岩体内，在岩体这个固相介质—孔隙面—以化学浆液取代岩体水，胶凝固化后起到补强防渗的作用。根据这一分析，环氧树脂灌浆材料要有在岩体这个固相介质—孔隙面—有较强的展铺润湿能力，液体的接触角要小，表面张力要适宜，要能够在岩体中充分的展铺排水、穿透进占孔隙，固化后起到补强防渗的作用。
根据杨氏（Young)方程：
γSG-γSL=γLG ·cosθ
式中： γSL：液-固界面的表面张力；
γSG：气-固界面的表面张力；
γLG：气-液界面的表面张力；
θ：接触角。
从杨方程我们可以得到下列结论：
（1）如果（γSG-γSL）=γLG，则cosθ=1，θ=0°，这是完全润湿的情况。如果（γSG-γSL）>γLG，则直到θ=0还没有达到平衡，因此杨方程不适用，但是液体仍能在固体表面铺展开来。
（2）如果00，θ
（3）如果（γSG-γSL）< 0，则cosθ90o ，固体不为液体所润湿。
某一种液体，当其表面张力小、接触角小时，其对固体的润湿展铺能力强。
根据以上分析，当使用一种方法、使用某种液体对岩体进行灌注时，这种方法要充分考虑、利用溶液的润湿展铺能力，只有最大程度地利用溶液的润湿展铺能力，对岩体的灌注才是有效的。
使用较高的高灌浆压力、高渗透的、可操作时间长的环氧树脂灌浆材料，连续长历时的、较小的灌注速率灌注。此时，灌浆压力不主要发挥劈裂的作用，而是为浆液提供引导力，引导其对灌注岩体的孔隙、细微裂隙进行浸润、渗透。为达到浸润渗灌的效果，浆液的初始粘度要低，粘度随时间增长的幅度要小，即粘度增长的历时要长，在一定压力条件下长时间灌注，使其充分浸渗入岩体细微裂隙及孔隙中，即“长历时、低速率、浸润渗透”浸润渗灌的灌浆机理。
在灌浆方式上，针对该特殊地质情况及处理要求采用水泥-化学复合灌浆形式。因为考虑到化学灌浆工艺要求、节约成本等因素，先于化学灌浆前，进行（湿磨细）水泥灌浆，一是起到封闭较大通道的作用，同时在宽大裂隙中搭设水泥浆液结石形成“骨架”，以提高地层的物理力学性能；二是化学灌浆使用较大灌浆压力提供条件，防止浆液过多流失，以影响施工质量及成本。即把灌浆历时、灌浆压力、灌入的浆液等要素，力求完全作用于受灌的岩体（软弱低渗透f2断层）。
2施工设备
化学浆液性能检测仪器：粘度计、密度检测的相应设备（含电子称、容量瓶（透明的、25.00ml））、制样模具、万能试验机、恒温箱、抗渗仪等；
化学灌浆泵选取：须选取排量适中、速率可调精度高、在高压力下持续稳定工作、易清洗等特点的化学灌浆泵。
3施工工艺
3.1钻孔
钻孔孔径宜采用小孔径钻进，减少浆液的孔占及管占，一般采用φ75mm或φ56mm。
为节约成本、提高工效对断层进行针对性处理，在钻孔过程中应判定出断层位置，前期可利用先导孔（灌前测试孔）的钻孔情况结合物探成果判定断层的大致产状，在施工中设备宜采用液压回转式地质钻机、配金刚石或硬质合金钻头，以便于水钻孔过程中，通过对返水颜色及钻速变换等判断地层岩性部位，在灌浆过程中针对性灌浆。
3.2灌前准备
3.2.1钻孔冲洗及压水
为防止岩屑、岩粉堵塞浆液扩散通道，钻孔结束后应进行钻孔冲洗（裂隙冲洗）。采用导管通入大流量水流，从孔底向孔外冲洗，直至回水澄清；裂隙冲洗采用压力水脉动冲洗，冲洗压力为80%的灌浆压力但不大于1.0MPa，冲洗时间不少于20min。
化学灌浆段每一段钻孔冲洗干净后进行压水试验，以判定地层的渗透性。当渗透性较大(锦屏f2断层采用＞1lu)时,先进行（湿磨）水泥灌浆充填>0.2mm裂隙，以防止浆液扩散范围过广而造成浆液浪费且不易结束，在进行化学灌浆；当渗透性小时（≤1lu），可直接进行化学灌浆。
3.2.2非灌段隔离
锦屏一级f2断层发育大理岩中，在f2断层部位附近10~20m范围内发育较为集中，发育3~4条，间距3~5m，稀疏部位8~15m，断续延伸，单条层间挤压带宽10~30cm，局部宽50~100cm。为节约成本，提高工效，化学灌浆针对f2断层，大理岩则不需进行化学，即为化学灌浆非灌段。改性环氧浆材（主灌型）具有起始粘度低，渗透性能好的的特点，水泥浆液灌注无法完全封闭化学浆液渗透通道，如直接卡塞至化学灌浆段顶部容易发生化学浆液绕渗现象，导致孔故，因此非灌段隔离技术方案意义重大。锦屏一级水电f2断层化学灌浆主要采用以下两种方法：
方法一：采用0.5:1的水泥浆液镶铸无缝钢管；化学灌浆可采用孔口封闭或将阻塞器下卡至钢管底部进行化学灌浆。
方法二：采用具有起始粘度较高、粘度上升较快的速凝化学浆材进行限时或限量灌注，以达到封闭效果。
以上两种方法，可别采用也可综合使用，一般方法一用于第一段化学灌浆以上的非灌段，方法二用于第一段化学灌浆以下的非灌段。
3.2.3排水
压水试验结束后，孔内积存的水应尽量排除，这是化灌前的重要步骤，包括以压缩空气（风）、浆联合排水和开灌一段时间内不定时开启回浆阀门排水的阶段，它对保证灌注质量具有重要的作用。
其原理：压缩空气通过射浆管将较大量的水驱除后，再以排水。由于（目前所用）环氧浆材密度略大于水，而水在浆中的溶解度很小，但能乳化，故可用将注入孔内排除积水，或静置一段时间后，使浆-水混合物（乳浊液）自行分离二（自回浆阀门口）排出。
若不排除孔内积水，这些积水的一部分会与随后灌入的化学浆液形成乳浊液，另一部分甚或会直接以水的形式别压入裂隙并停留在其中，这被水稀释的浆液胶凝后不仅使附近岩体的物理力学性能较差（如波速低、变模不高等），无法达到原设计要求的指标，而且对孔隙率本来就不高的被灌体（孔隙率
3.3 化学灌浆
3.3.1施工方法
化学灌浆采用孔口封闭或孔内阻塞，纯压式，自上而下分段灌浆法，并采用分环（排）分序逐渐加密原则施工。
3.3.2灌浆材料
根据地层特性展开了化学浆材的研究，使用了新的固化体系，使起始粘度降低至约为14mPa.s，可操作时间（达到粘度100mPa.s时）约为30h、28抗压强度约90Mpa(原40Mpa），28抗拉强度约30Mpa（原15Mpa）等，达到了新水平。
化学浆液的表面张力35mN/m，小于水的表面张力75mN/m具有比水好的展铺润湿能力，另浆液的接触角在150~200范围，故当地层的透水率很小时仍具有良好的渗透浸润作用。
3.3.3浆液配制
化学浆液配置是化学灌浆第一步，也是一个重要环节对灌浆效果有直接影响。化学浆液配置主要有配置比例正确、搅拌均匀、浆液温度控制及“少配、勤”的几个要点。
配置比例正确，应正确严格按照所需浆液比级，精确按质量（体积）比例进行配置。若发生错误，会引发化学浆液性能发生改变，甚至发生浆液不胶凝或爆聚现象，导致质量事故或安全事故。
搅拌均匀，在主剂和固化剂按配比分好后，应将固化剂加入主剂中，期间搅拌均匀。若搅拌不均匀或甚至不进行搅拌，也会引发浆液性能发生改变，另加入固化剂过程中应缓缓加入，比较浆液温度和粘度上升过快。
浆液温度控制，温度是影响浆液性能的因素，尤其是浆液粘度，温度与浆液的加成开环、历经链增长、交联并形成立体网络结构、固结、力学性能上升等阶段与所处温度密切相关，一般是正想关系。为保证浆液的低其实粘度，防止浆液发生“爆聚”现象，应保持浆液在常温或低温下进行配置。
“少配、勤配”，浆液配置过程中在进行活性化学发现是发热过程，大量配置容易导致温度上升快，另吸浆量小，浆液防止时间长，浆液粘度上升，对化学灌浆质量不利，故配浆应遵循“少配、勤配原则。
3.3.4灌浆过程控制
（1）粘度控制
依据以上化学灌浆机理，化学灌浆过程应遵循“长历时、低速率、浸润渗灌”原则。为防止长历时灌注浆液粘度增大影响浸润渗灌效果，首次使用了”粘度-时间“双曲线，并在施工现场配置粘度计对浆液粘度进行观测，当发现粘度过大，则更换新鲜浆液。
速率控制
以低速率，长时间持续浸润灌入，一般情况下注入速率应控制在0.05 L/min.m～0.1 L/min.m之间。当注入率≤0.05 L/min.m时，应适当升高灌浆压力，当注入率≥0.1 L/min.m时，需适当降低灌浆压力或控制注入量。当灌注先导浆时，充填孔管占及赶水阶段采用大流量灌注：另因为吸浆量大而采用速凝浆封堵待凝时，采用最大流量灌注。
3.3.5灌浆结束条件
f2断层及层间挤压错动带化学灌浆是进行的“浸润渗透”灌注，特点是“长历时、慢速率、充分浸润”。低渗渗透性地层，浆液充分渗入岩体，需要较长的灌浆历时，根据工程进度与质量要求结合根据浆液性能（可操作时间），锦屏一级f2断层化学结束条件采用：灌浆持续35h后测读注入率，再设计压力下，每10min测读一次，1h内连续4次读数注入率均不大于0.001L/min.m后，持续灌注4h可结束灌浆。为保证化学浆液有一定渗透范围，达到质量要求，又要控制渗透范围过大，避免工程成本过高，如注入率不满足上述条件，应延长灌浆时间至满足结束标准，但每段灌浆时间不宜超过72h。
3.4闭浆、水泥置换及待凝
改性环氧浆材起始粘度低、可操作时间长，为防止灌入岩体内的化学浆材返渗，当灌浆段化学灌浆结束以后，立即关闭进（回）浆阀门进行闭浆，待压力表指针自然回零。
改性环氧浆材固化时间较长，如PSI-501(6:1)浆液固化时间在半个月以上，且固化中是粘稠状，固化后强度达60mpa以上，均不利于下一工序的扫孔作业。待闭浆结束后，采用0.5：1水泥浆置换孔内化学浆液。待水泥初凝后，即可进行扫孔及其下一段钻孔及灌浆工作。闭浆、水泥置换及待凝对质量及进度有显著效果。
3.5封孔
封孔采用0.5：1级水泥浓浆置换孔内化学浆液，置换结束后，进行纯压式灌浆，封孔压力为该孔最大灌浆压力，灌浆持续时间60min。灌浆封孔待孔内水泥浆液凝固后，灌浆孔上部空余部分，大于3.0m时，应采用机械压浆法继续封孔，小于3.0m时，使用水砂泥浆人工封填密实。
4灌后效果
锦屏一级f2断层及挤压错动带化灌后，透水率均趋近于零吕荣；单孔声波波速主要分布在4600~4900m/s；孔内变模值基本分布在6~7 GPa之间；岩体室内室内变形模量干燥条件为6.0~10.0GPa之间，饱和条件下为5.0~7.5GPa之间，抗剪强度3.6~5.97GPa之间。F2断层及层间挤压错动带经化灌后，从岩体物理性能看从灌前Ⅴ1类岩体提高至灌后Ⅲ2类岩体。
从扫描电镜对F2断层化学灌浆岩石的检测结果可以看出：风化绿片岩及风化片状岩的孔隙度较大、节理裂隙发育，化学浆液能够有效的进入岩石内部，浆液颗粒有效的充填了结构面，并且和岩石表面产生了较好的连接，对岩石的完整性、强度及抗渗性能有较大程度的提高；对于黑色炭化片岩来说，由于没有明显的节理裂隙、孔隙的尺度较小，且细观结构多呈颗粒形状，岩石颗粒和浆液颗粒之间形成了良好的连接，有效的提高了岩石的完整性和强度，对岩石的抗剪强度指标有较大的提高。
从灌后岩石偏光检测见图4-1、4-2，主要孔隙为矿物粒间孔及岩石中构造裂隙等，多被褐黄色注入材料充填，充填度较好，仅有极少数地方未被充填。注入材料（约20%）：单偏光镜下呈亮黄色，呈星点状分布、局部呈不规则团块状、脉状分布，正交偏光下具微弱光性，局部材料中见有气泡。切片部分中岩石成分主要为碳泥质、含石英、方解石。
图 4-1图4-2
5结语
在我国已成果应用化学灌浆化学灌浆解决了三峡、龙羊峡、龙滩等复杂地层工程难题，但是化学灌浆是一项复杂的技术，对化学灌浆研究具有重要的意义。锦屏一级水电站f2断层及层间挤压错动带，补强固结、防渗工程量达2万余米，是目前国内外规模最大的低渗透地层化学灌浆。该工程增新了非化学灌段处理方法，形成了系统的施工工艺及方法，试验优化了相关施工参数，并有一些创新点，以供类似工程参考。
参考文献
［1］刘安荣，陈秋华等.复杂地基处理中化学灌浆及质量控制的研究[J].水利与建筑工程学报，2010,8（1）:60-61,83.