化学灌浆技术在三峡工程中的应用

化学灌浆技术在三峡工程中的应用

高大水  王  莉

长江勘测规划设计研究院湖北省大坝安全诊断及加固技术研究中心

摘要：三峡工程，采用CW环氧灌浆，使断层带变形模量由灌前0.2GPa提高到8.0GPa，有效提高了断层带的承载能力；采用增加丙烯酸盐化学灌浆，使得水泥灌浆不满足防渗要求的裂隙密集带、断层带帷幕达到了防渗要求；采用CW、LPL、EAA等环氧浆材进行灌浆处理，使得混凝土表面裂缝和结构层面缝达到了结构使用要求。这些新型化学灌浆技术在三峡工程中的成功应用经验，可供今后其它工程借鉴。

关键词：三峡工程；基础；裂缝；丙烯酸盐；环氧；灌浆；处理

1  前言

三峡工程由大坝、电站、船闸和升船机等建筑物组成。挡水大坝，为混凝土重力坝，坝长2309.47m，最大坝高181m。坝基为前震旦纪闪云斜长花岗岩，大坝基础座落在弱风化下部或微风化岩体上。为降低坝基扬压力和渗漏量，坝基全线进行帷幕灌浆。

早在20世纪50年代末到60年代初，先后在坝址的中堡岛、狮子包、方坪，针对弱风化带、断层破碎带，进行过三组灌浆试验。结果表明，破碎带的糜棱岩、角烁岩和微风化带，岩性致密，裂隙细微，普通水泥浆难以灌入，有的地段单耗仅0.16～2.9kg/m。为此，开展大量新型灌材料和技术的研究工作，研制出湿磨细水泥及其湿磨机、丙烯酸盐化学灌浆材料及CW环氧系列化学灌浆材料等。这里主要介绍三峡工程现场化学灌浆试验，以及防渗帷幕灌浆、各种地质缺陷和混凝土质量缺陷采用化学灌浆进行加固处理的主要成果，供今后其它工程借鉴，以促进我国化学灌浆技术的发展。

2  CW环氧灌浆材料在基础断层加固中的应用

CW环氧灌浆材料，是我国长江科学院针对三峡工程断层带的加固处理开发出的新型改性环氧化学灌浆材料，具有可灌性好、凝固时间便于控制、凝固后强度高等优点。该材料用于三峡工程的F₂₁₅、f_l096、F₅₄₈ 及f_l050等断层的加固处理，获得良好效果。这里仅对开展研究工作较多、难度较大的F₂₁₅断层和f_l096断层的加固处理技术进行介绍，F₅₄₈断层和f_l050断层的加固处理见文献^[5][6]。

2.1  F₂₁₅断层化学灌浆试验与加固

（1）F₂₁₅断层化学灌浆试验

F₂₁₅断层带宽1～6m，构造岩胶结差，风化强烈，呈疏松-半疏松状态，其中部分裂隙夹有碎屑和粘土，对大坝基础承载和防渗均存在不利影响。为此，于1998年在8^#平洞的F₂₁₅断层上专门进行了水泥及化学复合灌浆现场试验。

试验的总体思路是，先对断层软弱带进行高压旋喷冲洗（喷水和气），然后进行高压细水泥灌浆，之后再进行高压化学灌浆。高压旋喷为1排孔，孔距0.4m；水泥灌浆布3排孔，排距1.0m，孔距1.5m～2.5m；化学灌浆分两组，分别按1.2m×1.5m和1.15m×1.4m矩形布孔；上述布孔孔深为10～20m。

旋喷冲洗喷水压力为25～30MPa，喷气压力为0.6～0.7MPa，水泥浆材选用湿磨细水泥浆液，采用孔口封闭、从上而下分段灌浆，灌浆压力6～7MPa（孔口4m1～2MPa）；化学浆材选用CW改性环氧树脂浆液和中化798化学浆液，灌浆压力3.5～5.5MPa。

试验成果显示：①水泥灌浆Ⅰ、Ⅱ序孔平均单位灌入量分别为262.94kg和107.53kg/m；化学灌浆平均单位灌入量为53.1L/m。②水泥灌浆前、化学灌浆前、后的压水平均透水率分别为7.52、0.37、0.06Lu，透水率递减明显。③主断层带声波平均值从灌浆前的3336m/s提高到4710m/s。④钻孔静弹模灌浆前平均值为3.4GPa，水泥灌浆后提高到12.7GPa，化学灌浆后提高到16GPa。⑤化学浆液充满断层中的微小裂隙，达到较好胶结，能钻取完整的断层芯样，断层芯样抗压强度平均值均超过设计要求的10.5MPa。

（2）F₂₁₅断层部位的防渗帷幕加固

F₂₁₅断层，在防渗帷幕线路上跨越升船机、左非8^#及临船3^#共3个坝段。该处帷幕承受水头高达113m，为了提高F₂₁₅断层带抗渗透变形的能力，在经过2排孔湿磨细水泥浆灌后，又采用CW环氧进行化灌加固。共布25个化学灌浆孔，孔深约90m，总量2918.45m，注入环氧浆材27992.29L，平均单位注入量9.59L/m。F₂₁₅断层通过环氧灌浆处理后，检查孔透水率最大值为0.42Lu；芯样平均抗压强度为23～76.2MPa；岩体声波Vp在4100～6500m/s之间，平均波速为5800m/s，较灌前提高8.2%；岩体完整性提高，岩石芯样见环氧树脂浆液结石在裂隙中充填胶结良好，最宽5～6mm，钻孔弹性模量为3.8～40.2GPa；各项指标满足了设计要求。

2.2  f₁₀₉₆断层复合灌浆加固

f_l096断层斜穿永久船闸南五阀门井，产状为327°∠77°，断层带宽一般为5m，最大处理深度103m。上主断带为0.2～0.4m的角砾岩，紧靠上游侧泥化严重；下游主断带为0.2～0.3m的疏松-软塑物夹坚硬碎屑组成，软塑物与灰绿岩脉β_μ接触面有1～3cm的泥化带；中间为4.3m的碎裂花岗岩。断层两侧围岩完整性好，以块状坚硬岩石为主，新鲜，但发育有几条与断层近平行的裂缝，填充4～5mm厚的风化碎屑。由于f_l096 断层规模较大，其软弱带变形模量仅200～500MPa，为改善阀门井结构的受力条件，决定对该断层进行水泥及CW化学灌浆复合方法处理。要求处理后，软弱带在饱和状态变形模量＞8GPa(保证率不低于85%)、透水率q≤1Lu。

根据F₂₁₅断层化学灌浆试验成果，f_l096断层加固也采用先对断层软弱带进行高压旋喷（与F₂₁₅断层试验不同的是，南、北壁将高压旋喷冲洗改为高压旋喷灌浆），然后进行高压细水泥灌浆，之后再进行高压化学灌浆的工艺流程。f_l096断层分阀门井底、南壁和北壁等3块进行加固。水泥灌浆孔、排距2.0～2.5m×2.0m，化学灌浆孔、排距1.0～1.2m×1.0～1.2m，高喷孔距1.0～1.2m。南、北壁灌浆孔一般为90m，最大深度103m。

旋喷压力为30～35MPa，喷气压力为0.5～0.8MPa；水泥浆材选用湿磨细水泥浆液，采用孔口封闭、从上而下分段灌浆，灌浆压力1.5～5MPa（从孔口向下逐渐增大）；化学浆材选用长科院研制的CW改性环氧树脂浆液，灌浆压力2.5～5.0MPa（从孔口向下逐渐增大）。共完成水泥灌浆4603.5m、化学灌浆2797.8m、高喷灌浆1366.22m。

试验成果显示：①水泥灌浆Ⅰ、Ⅱ序孔平均单位灌入量分别为108.69kg和64.32kg/m；化学灌浆Ⅰ、Ⅱ序孔平均单位灌入量分别为27.88kg和49.59kg/m。②阀门井水泥灌浆Ⅰ、Ⅱ序孔灌前透水率分别为1.9、1.0Lu，化学灌浆Ⅰ、Ⅱ序孔灌前透水率分别为0.062、0.017Lu；南壁水泥灌浆Ⅰ、Ⅱ序孔灌前透水率分别为3.24、1.78Lu，化学灌浆Ⅰ、Ⅱ序孔灌前透水率分别为0.22、0.13Lu；北壁水泥灌浆Ⅰ、Ⅱ序孔灌前透水率分别为2.87、2.76Lu，化学灌浆Ⅰ、Ⅱ序孔灌前透水率分别为0.37、0.22Lu；即水泥、化学灌浆处理的透水率递减明显。③南壁断层带声波平均值从灌浆前的4548m/s提高到5581m/s；北壁断层带声波平均值从灌浆前的3360m/s提高到4916m/s。④灌后钻孔静弹模：南壁小于8.0GPa测点占4.8%～10.0%；北壁小于8.0GPa测点占11.8%～14.0%；阀门井底板大于8.0GPa；均满足设计要求。⑤化学浆液充满断层中的微小裂隙，达到较好胶结，能钻取完整的断层芯样，断层芯样抗压强度达13.6～124MPa。

3  丙烯酸盐化学灌浆在三峡工程中的应用

丙烯酸盐化学灌浆材料，以其粘度小（接近水）和凝固时间的可控制，被认为是较理想的化学灌浆材料，但早期开发的配方存在一定毒性，应用受到限制。针对三峡工程的防渗要求，长江科学院对其配方进行了改进，基本可达到无毒或微毒，凝胶为无毒。该项技术，于20世纪80年代用于江西万安坝基防渗灌浆，达到较好防渗效果。

三峡工程挡水大坝坝基全线进行帷幕灌浆，帷幕的防渗标准是透水率≤lLu。防渗帷幕灌浆采用湿磨细水泥灌浆材料，由于三峡花岗岩坝基微细裂隙发育，致使部分坝段存在吸水不吸浆，帷幕难以达到防渗标准并造成幕后扬压力偏高或排水孔渗出水量较大等问题，为此，采用增加丙烯酸盐化学灌浆来弥补。三峡二期工程各部位帷幕增加丙烯酸盐化学灌浆用量及检查情况见表1。

表1       三峡二期工程各部位帷幕增加丙烯酸盐化学灌浆用量及检查情况

4  化学灌浆在混凝土裂缝处理中的应用

三峡二期工程混凝土施工过程，因诸多原因造成各种混凝土裂缝缺陷，为了恢复混凝土结构整体性和防渗性能，采取CW、LPL及EAA等化学灌浆材料进行加固处理，如三峡大坝上游坝面浅层温度裂缝处理、电站副厂房永久结构缝渗漏处理、永久船闸地下输水洞混凝土衬砌裂缝和层面缝渗水处理等获得良好效果。

4.1  LPL灌浆材料在三峡大坝上游坝面浅层温度裂缝处理中的应用

LPL注射树脂（INJECTION RESIN LPL）为德国研制，是用于注射灌浆的低黏度环氧树脂，是一种双组份、亲水性、无溶剂环氧灌浆材料，A、B组份配制比例1.35:1（体积比），黏度350cps（25℃时），混合后比重为1.05～1.09kg/L，最低施工温度5℃。LPL注射环氧树脂主要性能指标检测成果见表2。

三峡大坝上游坝面裂缝缝深小于2.0m，缝宽小于1.0mm。采用LPL材料灌浆处理后，获得良好效果。灌浆设备采用厂家提供的Lily CD-15双组份注射泵（德国生产）。

4.2  永久船闸地下输水洞混凝土衬砌裂缝和层面缝渗水处理

输水隧洞衬砌混凝土裂缝和层间缝采取了化学灌浆加表面防渗涂料。输水阀门井现有裂缝未对受力条件构成危害，但层间渗水比较严重，一～二期混凝土结合面也普遍存在渗水现象，经按温度缝同样措施进行后处理效果不佳，为此对井身周围岩体专门进行了防渗灌浆处理。船闸裂缝化灌使用的环氧浆材有CW、LPL、EAA等，其技术指标见表2，这些材料对钢筋混凝土细小渗水裂缝和层面缝的处理都能起到较好处理效果。

表2              化学灌浆材料性能

5结语

通过三峡工程化学灌浆试验研究与实践，获得如下认识：

（1）基岩断层带采用高压旋喷（冲洗或灌浆）、高压水泥灌浆、CW环氧化学高压灌浆的复合灌浆方法加固后，变形模量由灌前0.2GPa，提高到8.0GPa，可大幅提高断层带承载能力。

（2）丙烯酸盐化学灌浆材料，价格相对便宜，灌前微毒或无毒，固化后无毒，可灌性较好，水泥灌浆帷幕难以达到防渗要求部位，如裂隙密集带、断层带等部位，采用其进行加固可获得良好防渗效果。

（3）CW、LPL、EAA等环氧浆材可灌入细小的渗水裂缝，采用其对混凝土表面裂缝和结构层面缝进行加固处理，可获得良好效果。

参考文献

1、谭日升，蒋硕中 丙烯酸盐化学灌浆的研究及在三峡二期中的应用，湖南大学学报，2004（4）

2、陈珙新，祝红，熊进 三峡工程F₂₁₅断层复合灌浆处理试验研究，长江科学院院报，2000（6）

3、魏涛，董建军 f₁₀₉₆断层自下而上深孔高压化学灌浆，湖南大学学报，2004（4）

4、杜泽快、郑路  三峡二期工程泄洪坝段裂缝处理质量控制，人民长江，2002（10）

5、陈昊 化学水泥复合灌浆技术在三峡工程永久船闸基础f₁₀₅₀断层加固处理中的应用，湖南大学学报，2004（4）

6、陈磊，朱虹 三峡升船机上闸首基础F₅₄₈断层化学灌浆加固处理，湖南大学学报，2004（4）