丙烯酸盐化学灌浆材料的研究及其在三峡二期工程中的应用

丙烯酸盐化学灌浆材料
的研究及其在三峡二期工程中的应用
 
谭日升    蒋硕忠
(长江科学院  湖北武汉  430010
 
摘要:本文介绍了应用引力场论和拮抗作用研制的丙烯酸盐混合物是无毒或微毒的化学灌浆材料,应用于三峡工程基础全强风化带、弱风化带、断层破碎带、微细裂隙防渗,都取得了满意的效果。
关键词:大坝      三峡工程       帷幕      化学灌浆
 
0 前言
      长江三峡工程最大坝高181m,坝轴线总长2309.47m,总库容393亿m3。大坝上、下游水深随部位不同分别达130~171m和20~70m。基础为前震旦纪闪云斜长花岗岩,建筑物座落在弱风化带下部或微风化带顶板上。为了降低坝底的扬压力,减少渗流量,增加基岩构造结构面内软弱充填物的稳定性,必须做好防渗帷幕灌浆。早在上世纪50年代末期到60年代初期,先后在坝址的中堡岛、狮子包、方坪,针对弱微风化带、断层破碎带,进行过三组灌浆试验,结果表明,破碎带中的糜棱岩、角烁岩和微风化带,因岩性致密,裂隙细微,普通水泥灌浆难以灌入,有的单耗仅0.16-2.9kg/m。
国际上一些学者的研究结论是:宽度超过0.0035mm(35μ)的裂缝就可能成为渗水通道;还有一份研究成果表明,水在0.007mm(7μ)宽的裂缝中,仍会产生10-4cm/s的流速。水泥灌浆的可灌性与裂缝的宽度存在如下关系:
GR>5时,可以持续灌浆
GR<2时,灌浆不可能
GR=裂缝宽度/浆液(D95
因此,国际上一些灌浆技术权威认为,对水泥浆而言,最小可灌裂缝宽度在0.1~0.5mm范围内,小于0.1mm的细微裂隙则无法保证灌浆效果。
基于上述原因,为了做好三峡工程基础的防渗帷幕,提出了研究化学灌浆材料的任务。
1、丙烯酸盐化学灌浆材料的研究[1.2]
       曾经在国际上广泛应用的丙烯酰胺类化学灌浆材料,一段时间曾被认为是一种接近理想的化学灌浆材料,我们曾做过许多研究工作,包括配方的改进、应用工艺的研究等。但丙烯酰胺是一种具有中等毒性的化合物,特别是1974年日本应用丙烯酰胺灌浆引起环境污染后,日本当年就限制丙烯酰胺灌浆的应用范围,美国也于1978年停止了丙烯酰胺浆材的销售。随着国内环保意识的提高,如今我国工程界也不主张再应用它。
为了解决三峡工程基础的防渗问题,在研究国内外前人工作的基础上,作者应用引力场论和拮抗作用原理设计制造了三种丙烯酸盐化学灌浆材料,它们具有粘度低、不含颗粒成分、
可以灌入细微裂隙、胶凝时间可以控制、凝胶渗透系数低、抗挤出能力强等优点,最突出的是使浆液变成微毒到实际无毒,凝胶则为实际无毒。有关数据列入表1、表2,同时将美国的丙烯酸盐灌浆材料AC-400列出,以资比较。
 
表1     丙烯酸盐溶液的性质
         品名
性质
1号丙烯酸盐
2号丙烯酸盐
3号丙烯酸盐
AC-400
形态
水溶液
水溶液
水溶液
水溶液
浓度(%)
36
36
40
38-42
比重
1.1850
1.1694
1.1866
1.18
PH值
6-7
6-7
6-7
6.5-7.5
小白鼠LD50(mg/kg)
10060
14100
 
 
大白鼠LD50(mg/kg)
 
 
33900
~5000
毒性分级
微毒
微毒
基本无害
接近微毒
储存稳定性
良好
良好
良好
良好
 
表2          丙烯酸盐浆液的组成和性质
原料及性质
配方编号及用量
1
2
3
4
5
6
浆液组成
1号丙烯酸盐
10
12
15
 
 
 
2号丙烯酸盐
 
 
 
12
 
 
3号丙烯酸盐
 
 
 
 
10
12
甲撑双丙烯酰胺
1
1
2
1
1
1
三乙醇胺
1
1
1
1
1
1
过硫酸胺
1
1
1
1
1
1
87
85
81
85
87
85
浆液性质
比重
1.06
 
1.085
 
 
1.06
粘度(mPa.s)
1.5
 
2.8
 
 
1.5
PH值
>7
>7
>7
>7
>7
>7
小白鼠LD50(mg/kg)
 
 
12090
23950
 
 
大白鼠LD50(mg/kg)
 
 
 
 
 
12160
毒性分级
 
 
微毒
微毒
 
实际无毒
凝胶时间
可以准确控制
凝胶性质
外观
乳白色半透明可以弯曲的凝胶
溶解性
不溶于水、煤油和汽油,在水中稍许膨胀
耐久性
良好
渗透系数(cm/s)
2.2×10-7
 
1.7×10-7
1.8×10-7
2.4×10-9
5.4×10-9
抗挤出破坏比降
 
 
1400
 
>1900
 
小白鼠LD50(mg/kg)
 
 
  >59160
 
 
 
毒性分级
 
 
实际无毒
 
 
 
固标准砂抗压强度(Mpa)
0.21
0.32*
0.30
0.34
0.35
0.46
注:*为在空气中养护1天的强度值,其他均为雾室养护3天的强度值
 
1号丙烯酸盐化学灌浆材料,在三峡工程应用前,即上世纪八十年代末,已在江西万安水电站进行了现场灌浆试验和应用,取得良好的效果。10多年来,其防渗效果稳定,从理论和实践上都证明该材料耐久性很好。
2、丙烯酸盐化学灌浆材料在三峡工程中的应用
2.1  弥补水泥灌浆之不足
      三峡工程主体建筑物基础防渗灌浆帷幕的防渗标准是钻孔压水试验透水率q≤1Lu。孔距:上游主帷幕2m,下游封闭帷幕3m。一般地段布置1排灌浆孔,断裂带及断裂交切带等基岩透水率较大的部位,布置2排灌浆孔。防渗灌浆帷幕原则上是深入基岩相对不透水岩体顶板以下5m,而相对不透水岩体顶板很深时,如能满足其水力坡降小于断裂构造充填物的允许水力坡降要求,则主帷幕深度不小于2/3坝高也可。
防渗灌浆材料以湿磨细水泥浆为主,要求普通水泥浆连续通过3台湿磨机后,95%的水泥粒径≤40μ。为改善水泥浆液的流动性,在湿磨细水泥浆液中加入了高效减水剂。尽管如此,施工和观测资料显示,还是存在不足,有的孔段还是吸水不吸浆,帷幕检查孔达不到设计要求的防渗标准。幕后扬压力偏高、排气孔渗出水量较大,须要化学灌浆来弥补。
2.2  应用范围
2.2.1  帷幕检查孔达不到防渗标准的部位
      左非联接段~左非7、临船3~左非11坝段基础主帷幕采用湿磨细水泥灌浆时,存在吸水不吸浆现象,有的透水率大于15Lu,开灌5min左右就出现浆液失水回浓。Ⅲ序孔完成后,孔距已达2m的基础上布了Ⅳ序孔,施工完后布孔压水检查不合格,又布Ⅴ序孔,将孔距缩小到0.5m,灌浆效果仍不明显。针对上述情况,根据国务院三峡枢纽工程质量检查专家组对大坝帷幕灌浆提出的处理意见,设计布了384个丙烯酸盐化学灌浆孔。
类似的还有永久船闸右侧中间山体段,上部是混凝土防渗墙,深入弱风化岩1m,墙下接湿磨细水泥灌浆帷幕,施工完成后,又经加密孔距,检查孔压水的渗透率仍大于设计允许值。设计布了69个孔,420m的丙烯酸盐化学灌浆。
永久船闸右挡4坝段建基面至高程170m间为全强风化带,岩体透水性强,可灌性差,湿磨细水泥灌浆时,有42.3%的孔段吸水不吸浆,虽经多次水泥固结灌浆处理,灌后检查效果仍不理想,设计布了10个孔的丙烯酸盐化学灌浆。
2.2.2  透水率较大吸浆量较小的孔口段
       施工资料显示,有的孔段透水率较大,水泥灌浆单耗较小,有涌水但不吸浆或吸浆量很小等异常情况。例如,有些孔段灌前压水透水率1~3Lu,湿磨细水泥灌浆时,单耗≤1kg/m;有些透水率3-5Lu,单耗≤5kg/m;有些透水率q≥5Lu,单耗≤10kg/m。透水率较大、单耗较小的孔段80%以上在孔口以下1~3段。针对上述情况,根据国务院三峡枢纽工程质量检查专家组对大坝帷幕灌浆提出的处理意见,设计在左非16~左厂10#坝段、左厂11#~右纵2#坝段,透水率较大吸浆量较小的孔口段,共布了230个孔,每孔的灌浆工程量为建基面以下5m,合计为1150m浅层丙烯酸盐化学灌浆帷幕。
2.2.3  幕后扬压力偏高的部位
      上游基坑进水后,幕后扬压力的观测资料显示,大坝泄洪17、18坝段基础主防渗帷幕后扬压力偏高,扬压力观测孔孔内录相显示,基础浅层岩体内尚有部分微细裂隙未封闭。针对上述情况,设计在泄洪16~19坝段布了62个丙烯酸盐化学灌浆孔,孔距1~2m不等,孔深深入基岩5m。
2.2.4  断层和岩脉交汇带
      三峡工程茅坪溪防护坝基础廊道桩号0+715~0+725m,基岩为f283(f469)、f147断层和Bμ3辉绿岩脉交汇带,设计根据在合同验收和三峡工程安全鉴定专家组的意见,增补了6个丙烯酸盐帷幕灌浆孔,孔距2m,孔深深入基岩15.8~60.2m不等,灌浆工程量200m。
2.2.5  排水孔排水量大的部位
       三期碾压混凝土围堰11堰块基础处于深槽部位,为多条断层及顺河向岩脉交汇带,在蓄水前的湿磨细水泥防渗帷幕灌浆施工时,孔口段存在透水率大、吸浆量小的情况。在蓄水过程中,随上游水位上升,排水孔排水量增大,该堰块6个排水孔在▽135m水位时,总排水量达346.4L/min。为了运行安全,设计在该堰块布了15个丙烯酸盐灌浆孔,单排孔距2m,孔深深入基岩透水率≤1Lu处。
2.3  主要施工参数的控制
2.3.1  浆液浓度
      丙烯酸盐浆液的浓度以重量百分数表示。丙烯酸盐在浆液中的浓度,一般用10%;当灌注细致裂隙时,丙烯酸盐的浓度用12%;当灌注有涌水的孔段时,丙烯酸盐的浓度用15%;当灌注的孔段有涌水、压水时压入流量Q>10 L/min时,丙烯酸盐的浓度用20%。
2.3.2  浆液胶凝时间的控制
      丙烯酸盐浆液通过改变外加剂及其加量可以准确地控制其胶凝时间,从而可以控制扩散半径。
根据过去的经验和三峡工程的实践情况,按灌浆孔段压水时的压入流量Q值来控制浆液的胶凝时间。
2.3.2.1  单液灌浆
      当Q≤5L/min时,胶凝时间采用50~60min;
当5L/min≤Q≤10L/min时,胶凝时间采用40~50min;
当Q>10L/min时,胶凝时间采用30~40min。
第一批混合的浆量以满足管路和孔段占浆量再加开始10min的吸浆量为限,以后每批混合浆量以满足10min的吸浆量为限。
2.3.2.2  双液灌浆
     当Q≤5L/min时,胶凝时间采用35~45min;
当5L/min≤Q≤10L/min时,胶凝时间采用25~35min;
当Q>10L/min时,胶凝时间采用15~25min。
2.3.3  结束标准
      在设计灌浆压力下,应灌至连续3个读数(计15ˊ)小于0.1L/min时结束。对于有涌水的孔段,应灌至孔内浆液胶凝。待最后一批混合的浆液胶凝1小时后,才可松开阻塞器、拔管、扫孔和进行下一段钻灌。
2.4丙烯酸盐化学灌浆完成的工程量
      丙烯酸盐化学灌浆在已建三峡工程中完成的工程量列入表3。
 
表3         丙烯酸盐化学灌浆完成的工程量
序号
部位
孔数(个)
工程量(m)
纯注入量(L)
平均单耗(L/m)
1
永久船闸右挡4坝段
10
138.6
15527.72
112.03
2
永久船闸右185墙下
69
440.3
6388.15
14.51
3
左坝肩~左非11坝段
84
632.4
34821.18
55.06
4
左非12~18坝段
29
146.75
1079.75
7.36
5
左厂1~10坝段
79
400.36
1408.25
3.52
6
左厂11~14坝段
46
233.6
546.76
2.34
7
左导坝段
13
65.9
165.72
2.51
8
泄洪坝段
175
903.6
2879.98
3.19
9
右纵坝段
16
82.7
690.04
8.34
10
三期碾压混凝土围堰11堰块
15
219
18657.6
85.19
11
茅坪溪防护坝
6
200.5
4043.3
20.17
合计
 
542
3263.21
86208.45
24.89
 
3、丙烯酸盐化学灌浆的效果检测
3.1  检查孔压水试验
       丙烯酸盐化学灌浆后,有针对性的布了一些检查孔,检查上述特殊部位,经丙烯酸盐化学灌浆后,基岩的透水率是否到达到设计的防渗标准。检查孔的压水结果列入表4。
 
表4                检查孔压水成果
序号
部位
孔数(个)
压水段数(段)
透水率(Lu)
1
永久船闸右185墙下
1
1
0.25
2
左坝肩~左非11坝段
10
39
0~0.38
3
左非12~18坝段
2
4
0~0.4
4
左厂1~10坝段
1
2
0.035~0.057
5
左厂11~14坝段
1
1
0.02
6
泄洪坝段
6
6
0.01~0.11
7
三期碾压混凝土围堰11堰段
2
7
0.12~0.71
8
茅坪溪防护坝
1
8
0.03~0.12
合计
 
24
68
0~0.71
    上述检查结果表明,所有的检查孔、段,都达到了设计的防渗标准。
3.2扬压力观测
      泄洪18坝段上游基础廊道底板高程49m,湿磨细水泥灌浆后,设有两个扬压力观测孔,一个在帷幕的上游侧(幕前),一个在帷幕的下游侧(幕后),均装有扬压力观测设备,压力表高出廊道底板0.4m左右。化学灌浆后,对上述两个扬压力观测孔进行了扫孔,并均加深1m。丙烯酸盐化学灌浆前、后两个扬压力观测孔显示的扬压力数据列入表5。
 
表5               泄洪18坝段主帷幕前、后的扬压力
时间
化学灌浆前
化学灌浆后
2003.4.6
2003.5.7
6.16
7.10
8.28
9.12
11.12
12.23
2004.2.20
上游水位(m)
69.10
75.24
135.18
135.09
135.22
135.09
138.81
138.88
138.31
下游水位(m)
66.00
66.09
67.11
69.49
67.78
69.11
65.70
65.64
65.24
幕前扬压力(Mpa)
0.125
0.20
0.64
0.66
0.65
0.66
0.82
0.82
0.86
幕后扬压力(Mpa)
0.044
孔口以下
0.01
0.017
0.017
0.017
0.022
0.023
0.021
幕后扬压力(Mpa)
 

幕前扬压力(Mpa)
0.352
 
0.016
0.026
0.026
0.026
0.027
0.028
0.024
表5表明,丙烯酸盐化学灌浆后,帷幕的防渗效果明显提高,幕后的扬压力大幅度下降。
4、结论
    应用引力场论和桔抗作用研制的丙烯酸盐化学灌浆材料是无毒或微毒的化学灌浆材料,不含颗粒成分的低分子溶液。它具有粘度低、可以灌入细微裂隙、胶凝时间可以准确控制、凝胶的渗透系数低、抗挤出能力强等优点。应用于三峡工程基础全强风化带、弱风化带、新鲜基岩中的断层破碎带和微细裂隙的防渗灌浆,均取了满意的效果。
参考文献
[1]  谭日升,丙烯酸盐化学灌浆材料的研究及其应用,岩土工程学报,1991.NO.6 P27-34
[2]  Tan Risheng , A Study of eliminating the toxicity of Chemical grouting with antagonism , In Yonekura,R.et al (eds):Grouting and Deep Mixing. Proc.Second International Conference on Ground Improvement Geosystems Tokyo/14-17 May 1996.A.A.Balkema/ Rotlerdam/Brookfield/1996 93-96.
 
作者简介: 谭日升,,1935年生,湖南安仁县人,教授级高级工程师,主要从事化学灌浆和混凝土修补的研究工作,系中国水利学会化学灌浆分会顾问,昌辉科技开发公司总经理.
 
刊登于:中国建筑防水,第二期,2005

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