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灌浆防渗帷幕施工质量与耐久性评价综述

日期：2016-6-7 14:59:32　来源：转载　浏览数：
　

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1· 概述
    在水利、垃圾填埋、矿山开采、深基坑、地铁建设等工程的防渗处理实践中，灌浆防渗是常用且有效的方法，灌浆防渗帷幕工程一般规模大、材料用量较多、成本高，灌浆形成的帷幕防渗体为隐蔽工程，不便于检测，其质量和耐久性关系到工程的安全和正常使用，采用有效的检测方法查明基础灌浆缺陷的位置，科学可行的方法评价帷幕质量，具有十分重要的工程意义。
    影响防渗帷幕效果及耐久性的因素主要包括施工质量引起的帷幕密实性、特殊地层及地下水对帷幕的危害，其中密实性直接影响帷幕的抗渗性能，地下水对帷幕的危害取决于注浆材料的耐侵蚀性。灌浆帷幕的抗渗能力与浆材性能、浆液水灰比、灌浆工艺技术等因素有关，引起帷幕防渗能力衰减的原因主要有设计质量、施工质量、不良地质条件和灌浆材料性能等，渗透压力、地下水侵蚀是主要影响因素，工程水文地质条件的复杂性是其客观原因，而设计施工质量是主观原因，且后者更为重要。设计切合实际，施工质量优良，可以弥补客观因素的不足。欧洲一些水利工程发生帷幕防渗能力衰减现象较为普遍，有可能是灌浆方法简单和防渗标准较低所致［1］。
    受勘察、工程地质、水文地质及施工条件等因素的影响，灌浆帷幕质量的变异性很大，因施工质量而影响帷幕防渗能力的实例较多，甚至在运行初期帷幕防渗能力就满足不了设计要求，有的不仅危及工程运行安全，还给工程留下长期难以解决的隐患。因此，保证施工质量是关系到帷幕正常运行，发挥防渗效果的关键。
    帷幕耐久性涉及注浆材料耐久性和帷幕体结构耐久性两方面。要保证帷幕的耐久性，首要的是要灌注耐久性的浆材，注浆材料的耐久性指注浆浆液注入岩土层形成结石体后的强度和抗渗性能的持久性。灌浆材料大致有水泥基质浆材、化学类浆材、复合类浆材几类。
    ( 1) 水泥基浆材应用最广泛，对水泥类帷幕的耐久性研究比较成熟，随历时的长久，可溶性的Ca( OH)2会渐进腐蚀水泥结石体［2］。许多研究表明［3 － 7］，水力梯度变化或高水头作用下，会显著加剧防渗材料的侵蚀速率和溶蚀耐久性，渗透压力的瞬间变化甚至可能导致防渗体劈裂。国外一些灌浆专家认为采用水灰比尽可能小的稠浆，并用高速搅拌机制浆，可以提高水泥浆材的稳定性，进而提高其耐久性［8］。
    ( 2) 化学浆液可注性好，浆液粘度低，凝胶可控，能注入到岩土层的细小裂隙或孔隙。丙凝化学灌浆材料是20 世纪60 年代发展起来的一种防渗材料，耐久性较好，原材料多具毒性，但经过处理可以避免给环境和操作人员造成损害［9］，在我国陈村、刘家峡及丹江口等水利工程的防渗工程得到应用［10］。
    ( 3) 粘土固化浆液已广泛应用于防洪大堤、病险水库防渗加固、垃圾填埋和矿山防渗等工程。其耐久性评价指标尚无统一规范，主要通过抗渗能力和耐侵蚀能力两方面评价，在垃圾填埋防渗工程方面的研究较多。
    灌浆帷幕的地下赋存条件和运行条件，会极大地影响幕体的耐久性。
    ( 1) 渗透压力作用导致抗渗能力降低，如陈村水电站于20 世纪70 年代中后期实施了坝基的帷幕防渗，在较高库水头作用下，帷幕防渗材料被水解，20 年后出现局部破损，幕体被击穿，导致渗漏量增大［11］。
    ( 2) 地下水侵蚀或溶蚀引起幕体防渗效果降低，如瑞典的Hallby 和Suorva 土坝建成15 年后，由于心墙下部帷幕长期受地下水侵蚀形成落水洞，坝顶部位突然沉陷，心墙下部岩石基础渗流量迅速增大［12］;新疆某水库右坝肩由于地下水中的硫酸盐侵蚀，防渗处理工程的水泥混凝土不同程度破坏; 坝基地下水对混凝土有溶出性和软水性侵蚀，侵蚀帷幕水泥结石、基础混凝土和坝基岩石，大黑汀水库坝基排水孔排出大量析出物，使帷幕防渗效果大大降低，坝基混凝土与基岩接触面脱空，危及大坝安全［13］。呈弱酸性的地下水或富含侵蚀CO2的弱酸性水对帷幕结石体的侵蚀导致CaO 流失，是引起帷幕防渗能力衰减的主因。库坝运行一段时间后，水环境发生了变化，库水中有机质的富集，可导致下层库水和部分坝基地下水的侵蚀性加强，从而造成坝基帷幕防渗材料性能的衰减［14］。最近几年美国有不少喀斯特地区的库坝，如Horsetooth and Carter Lake Dams，Anchor Dam 等，使用水泥灌浆形成的防渗帷幕，在地下水的物理和化学作用下出现了渗漏［15］。
    2· 灌浆帷幕形成机理
    2. 1 灌浆材料的压滤效应
    浆液在灌浆压力作用下，受到空隙侧壁摩擦和前方通道阻隔，使得固液分离，析出水份，渗滤物更加密实、析水沿细微裂隙走失的效应，为压滤效应。压滤效应的存在，一方面有利于获得更密实( 力学性能更佳的结石体) 的灌浆效果，另一方面，稳定浆液就不稳定了，由于浆液的离析，可能出现分离层，需要补灌来增强幕体的密实性。
    不同受灌体，压滤效应表现出不同形式。对于裂隙岩体灌浆，灌浆压力较高，浆液较稀，细小裂隙的不可灌性或充填物阻隔，使得压滤效应产生，即压滤效应可能沿程发生。对于松软土层灌浆，灌浆压力较小，多使用膏浆，只会在挤密效应的远端发生压滤效应。
    2. 2 孔排距的设定及帷幕形成的厚度
    对于松软地层: 结石体+ 孔周挤密体= 主防渗结构。
    对裂隙岩体: ( 渗透+ 压滤) 形成的浆脉+ 围岩体= 防渗结构。
    为获得连续的防渗帷幕体结构，可通过设置多孔多排灌浆实现。其基本原理是，通过多孔多排灌浆后的叠加作用，期望获得密实的、完整的搭接整体防渗结构。
    2. 3 帷幕体形态
    灌浆后形成的防渗幕体，显然是由浆液结石+ 围岩土体挤密体组成的厚薄不均、抗渗透能力、抗变形能力有差异的不规则复合结构。
    对灌浆帷幕形态的研究还很不完善，由于受灌体的非均质性、浆材的流变特性、施工工艺和施工过程控制的不确定性等因素影响，受灌浆压力梯度的影响，沿孔深不同部位的灌浆浆脉尖灭呈异常不规则形状，致使帷幕体沿孔深不同断面厚度不一、有些部位甚至无浆脉，相对不透水幕体达不到设计厚度，甚至不能形成连续的帷幕，受渗透水压或接触溶蚀长期作用，必然存在渗漏隐患。
    3· 灌浆帷幕施工质量评价方法
    对于地层特性差异大的岩体灌浆和覆盖层灌浆，两者的质量检查与耐久性分析既有相似又有区别。目前，对灌浆帷幕施工质量的评价主要基于各种帷幕质量检测手段获得的信息进行综合评判，帷幕质量检测包括对抗渗性能和强度、帷幕的连续性及帷幕厚度的检测。岩体灌浆进行压水试验，覆盖层灌浆则以常水头钻孔注水试验为主，结合对施工记录、成果资料和其他检验测试资料的分析，进行综合评定［16 － 18］。
    目前，帷幕质量检测的方法主要如下。
    3. 1 钻孔压( 注) 水检查抗渗性能国内工程钻孔压水多采用单栓塞止水，称常规压水试验。随着高坝、高水头电站设计越来越多，常规压水试验结果不能真实反映其渗透特性。因为一些低压力下不渗透的岩层在高压下可能渗透，甚至产生水力劈裂，高压压水试验成为研究的重要课题。
    3. 1. 1 常规压水试验
    采用静水头压水，自上而下钻孔、分段卡塞进行，采用单点法或五点法。如《水电水利工程钻孔压水试验规程》( DL /T 5331—2005［16］， SL 31—2003［17］) ，规定试验段长度可为2 ～ 10 m，地层复杂时分段宜短一些，宜为5 m; 压水压力为灌浆压力的80%并不大于1 MPa，当试段埋深较浅( 小于15 m)时，宜适当降低试段压力。测得压入流量后，计算帷幕的渗透系数，与设计渗透标准对比分析。该方法不受地质情况和地层深度的影响，在实际工程中大多采用。
    ( 1) 渗透性能检查: 通常逐段做压水试验，求出单位吸水量值，其值越小，说明灌浆试验的效果越好。
    ( 2) 抗渗透破坏性能检查: 全孔一次进行，将压水压力逐级升高，观察压入孔内的水量，有无突然增大情况，以求得造成帷幕破坏时的压力值。如果压水压力已达到某一规定压力值，持续一定时间后，仍无破坏情况，则可停止。
    3. 1. 2 高压压水试验
    应先确定最高压力，不宜小于建筑物工作水头的1. 2 倍，压力分为5 ～ 10 级。止水栓塞是压水试验的关键设备，推荐使用水压式和气压式栓塞。如试验压力过大，还可采用油压式栓塞。有专家研制了单回路双栓塞止水压水设备［19］，除进行常规压水试验外，还可用于高压压水、水力劈裂和工程需要的专项试验; 还研制了单管柱液压双栓塞封隔试段［20］，栓塞下入钻孔，注水充塞，上下胶塞同时膨胀，以封隔试段。［21］
    3. 1. 3 注水试验
    对于透水率较大的地层一般采用注水试验。如覆盖层灌浆工程先导孔和检查孔的渗透试验可采用常水头钻孔注水试验，也可进行检查孔压水试验的方法。灌浆14 d 后，通过向覆盖层的钻孔中连续注水，测定注水量、注水水位与时间的关系，计算覆盖层的透水性［18］。但浅部孔段及松软地层，由于栓塞难以封闭、孔壁极不规则，无法进行压水试验，采用适当净水头注水试验。
    3. 1. 4 综合压水试验
    在帷幕轴线的下游侧均匀布设一排排水孔，用排水孔的涌水量推算渗漏情况，对帷幕灌浆工程质量进行评定; 或在幕体的上下游边缘各布设检查孔，对其同时压水试验，判断两孔是否通过幕体串通，以掌握实际幕体厚度的挡水防渗效果。
    对深厚砂砾石层中帷幕灌浆进行压水试验检查存在诸多难点，例如清水钻进、试验段划分等问题。如新疆下板地坝址处河床覆盖层需要处理的深度达150m，试验检查孔综合采用了净水头综合压水试验、疲劳压水试验、耐压压水试验和声波测试［22］。
    3. 2 物探技术探测帷幕连续性
    ( 1) 数字钻孔摄像。数字钻孔摄像得到孔壁图像资料，对钻孔内发育的节理裂隙、破碎带和浆脉充填情况进行分析研究。结果直观、可靠，且不受地层条件限制，大多作为辅助检测手段，适用于灌浆后、构造充填或胶结状况的观察和判断。缺点是对孔内液体清澈度要求较高，因此应用受到局限。
    ( 2) 孔内声波检测。以灌浆前后孔内声速对比，如果通过灌浆构造得以填充、岩体由不完整状态变为完整状态，那么孔壁滑行波的传播规律将发生改变，如由原来的绕行变为直行等，其结果使得波的路径缩短，相应测段声速提高。该方法现场检测快速，提供成果及时，特别适用于施工中的基础和洞室灌浆检测，一般能给出满意成果。但适用范围仅限于孔壁附近一个波长，不能有效地跟踪距孔壁较远部位灌浆效果。
    ( 3) 地质雷达检测。地质雷达利用高频电磁脉冲波的反射探测地下目的体分布形态及特征。发射天线将信号送入地下，电磁波遇到不同介电特性的介质会有不同电磁波能量返回，通过对电磁波反射信号的时域特征和振幅特征进行分析来了解地层或目的体特征。测线布设除沿帷幕走向布设长测线外，还应在局部地段垂直帷幕走向布设短测线: 须配合使用中频和高频天线，介电常数应在工作现场通过实地测试并参考场地地质钻孔资料确定。该方法对内部缺陷情况可以进行定性解释，但定量测量不能满足要求。
    3. 3 其他方法检测结石体质量
    ( 1) 钻孔取芯。通过钻孔取芯，可以直接观察到裂隙中有无浆液充填及结石的固结情况，根据需要还可做力学性能试验，综合分析浆液扩散范围，推论灌浆质量。如小湾围堰灌浆取芯，表明较厚的水泥结石与岩石分离，主要是由于水泥结石强度与岩石强度差异，钻孔时机械磨损所致，而较薄的水泥结石与岩体胶结紧密。
    ( 2) 大口径钻孔、竖井或平洞检查。在幕体范围内钻直径1 m 的钻孔，或开挖竖井( 平洞) ，在钻孔或竖井内直观检查岩体被灌注的情况或进行大型力学试验。只适于浅层帷幕的情况。
    3. 4 帷幕体厚度的评判
    防渗帷幕设计均提出了帷幕厚度这一指标，实际上，围岩土体的非均质性、灌浆过程的不确定性使得灌后形成的帷幕体是一个极不规则的防渗体，由浆材结石体同挤密后的围岩体共同抗渗，而帷幕体的真实厚度是无法准确确定的。
    可以实施开挖得到局部帷幕体厚度。在灌浆结束后，贴近幕体向上游和下游对应钻三组斜孔，自上而下分段压水，以单位吸水率值突变处来确定幕体的界面，计算得到帷幕体厚度［23］。无损检测技术可用来检测帷幕的连续性，也能测量帷幕的厚度，但需使用多种方法进行综合评判，如文献［24］采用浅层地震反射波法和瑞雷面波法相结合检测帷幕的连续性及获取帷幕的厚度。
    4· 防渗帷幕耐久性研究方法
    帷幕耐久性的研究方法一般有现场测试及理化分析、取芯室内性能试验和室内模拟试验及数值模拟等。目前规范规定在现场采取疲劳压水试验方法间接评价耐久性，即全孔一次进行，以2 ～ 3 倍坝前最大水深的压力，持续48 ～ 72 h，观察压入水量有无变化。如压入水量没有变化或变化很小，则认为幕体的耐久性能良好［19］。以下各种方法作为辅助评判。
    4. 1 抗侵蚀耐久性室内试验
    抗侵蚀耐久性试验，即在室内进行浆材侵蚀动力学研究。可进行有压和无压情况下的室内渗淋或接触溶蚀试验。
    将材料磨细进行溶蚀试验，用去离子水和酸性溶液试验结合分析或采用整块材料浸泡于水中，通过更换水连续测定［25 － 26］，在一定溶蚀时间内测定渗滤液中某元素的含量来评价材料的性能。宏观上一般根据CaO 溶出量与溶蚀时间的关系曲线、拟合方程，来估算帷幕的抗渗时效; 微观上用电镜扫描对溶蚀前后试样的水化产物成份和结构状态进行微观测试，根据差热分析溶蚀前后Ca( OH)2及水化产物的峰值变化情况等［27］; 通过渗淋试验测量CaO的溶出量，或测试结石芯样在一定水压力和不同水化学环境下CaO 的溶出量，得到渗透时间和累积溶出率的关系曲线，或测定结石体强度与渗透系数之间的关系，推算结石的耐久性。通过电镜扫描和差热分析结石中CaO 溶出量对结石体微观结构和化学组成的影响［28 － 29］; 称量试样与水或其他溶液浸泡前后烘干质量的变化，得出试样的溶蚀质量及溶蚀速率［30 － 32］。
    利用改装的高压混凝土抗渗仪进行渗透试验，结合反应机理和溶出物的种类及含量( 主要是CaO 随渗透历时的量) 和pH 值的变化趋势，估算材料的耐久性能［3］。综合室内试验和现场测试，得到幕体的抗挤出能力与浆液浓度和配比、充填缝隙的大小、充填缝隙的长度等因素的关系［23］。
    4. 2 室内加速老化进行耐久性试验
    通过增大pH 值或温度进行室内加速老化试验，得到加速老化时间与浆液凝胶体质量百分数变化( 水解百分数) 的对应关系。国外学者采用电化学加速试验方法，研究水泥砂浆水化产物的溶蚀［33 － 34］或通过一定浓度的溶液加速材料的溶蚀［35 － 36］。
    4. 3 现场水质、析出物等理化分析帷幕的耐久性
    在帷幕运行一定周期后，通过现场原位凝胶体检测可以得到其水解百分数。建立原位丙凝胶体不同老化时间与水解百分数的对应关系，参考有关文献中丙凝胶体水解百分数与防渗性能的关系，推求出帷幕的防渗有效年限［10］。研究帷幕所处水化学环境及其侵蚀性，现场取得帷幕不同部位的水样本，比较分析幕后地下水和库水的pH 值、水化学类型、电导率和NH +4含量，判断防渗材料丙凝水解的程度、检测排水孔析出物中是否有丙凝被挤出。如文献［37］通过对丹江口、梅山、安砂、新安江等水质资料分析，库水中有机质的富集可导致下层库水和部分坝基地下水侵蚀性加强，提出应重视三峡大坝坝基灌浆帷幕的耐蚀性。
    坝区析出物的形成及其分布与区内地下水动态特征密切相关，地下水宏观、微观动态变化会引起析出物的变化，当Ca( OH)2以渗漏方式析出( 往往伴随较大的渗水量) ，对材料的耐久性不利，坝基析出物可影响岩体的渗透稳定及帷幕的防渗时效性和坝体结构的耐久性［38 － 41］。凤滩水电站析出物通过红外光谱、微生物化验、化学分析及光谱半定量分析，表明泌出物中胶体主要由于地下水活动引起，对坝肩岩体稳定无影响。
    4. 4 基于渗流渗压监测和帷幕稳定性监测评价耐久性
    在帷幕前、幕中、帷幕后部布设渗压观测孔，测得坝基渗透压力和排水量的变化规律，以及地下动水压力条件下的帷幕阻水效果［42］。利用长系列渗流监测资料、水化学结果，结合帷幕灌浆施工情况分析局部薄弱部位或局部挤压破损，根据宏观和微观动态的实测数据建立时序关系曲线，综合评价帷幕耐久性。
    使用微震监测、定位等技术，了解、查明帷幕内部岩石微裂隙萌生、发展、贯通、失稳的时空演化规律，评价并预警帷幕稳定性［43］。
    4. 5 钻孔取芯研究帷幕结构耐久性
     ( 1) 抗渗性能试验: 测试芯样的渗透系数和临界水力坡降。
    ( 2) 结石体老化性能试验: 现场钻孔取样获得裂隙岩体中原位结石体，将其置于试验室水化学环境中，采取加速老化的测试方法，测试分解情况，预测帷幕可正常使用年限。
    ( 3) 微观测试分析: 通过扫描电镜分析、X 射线能谱测试对取样进行微观结构分析，观察结石微观形貌和微区元素组成，了解结石胶结情况。
    ( 4) 化学成分分析: 分析钻孔取得芯样的SiO2、A12O3、Fe2O3、MgO、CaO、K2O、Na2O 烧失量等，了解结石芯样的化学成份组成。
    4. 6 数值模拟评价帷幕使用寿命
    通过渗流分析定量评价防渗帷幕，分析污染物扩散优化论证防渗帷幕的厚度。如文献［44］建立填埋场渗沥液渗流和迁移扩散分析的数值模型，利用有限元评价垃圾填埋场防渗帷幕的效果，由速度场引起的对流项起迁移主导作用，在高水头高浓度渗沥液的侵蚀作用下逐渐降低，某工程在设计使用年限50 年内，0. 4 m 厚度的防渗墙不会被污染物击穿。
    5· 结语
    5. 1 灌浆帷幕施工质量评价
    帷幕的密实性是抗侵蚀的第一道防线，施工质量直接影响帷幕的密实性。
    规范规定帷幕灌浆质量检查应以检查孔压水试验成果为主，结合对竣工资料和测试成果的分析，综合评定。但通过压水试验计算得到的单位吸水率了解帷幕的防渗效果，很难客观、全面地评价防渗帷幕灌浆质量。采用灌浆前后物探成果，大口径钻孔观测等检查措施所得到的资料都是该钻孔孔壁四周的灌浆情况，对工程质量检查评定具有较大的局限性。打检查孔钻取芯样，通过观察芯样的裂隙、裂缝、孔洞，了解灌入浆材的填充情况，存在合格率问题、安全系数问题。要对灌浆形成的帷幕厚度进行整体评判难以实现。
    岩体实际上有很多结构面( 如断层、破碎带、节理裂隙、层理面等) ，分布很不规则，灌浆是否都能完全达到防渗要求，效果如何? 岩体裂隙是否会持续开裂，浆液结石胶结是否完整，结石充填物是否稳定等问题，都须经过实际设计蓄水位的考验，才能得出正确的评价。采用钻孔压( 注) 水试验和物探检测等多种方法综合评价帷幕的质量更合理。如对于软弱地层的灌浆帷幕，由于孔壁极不规则以至试验封闭难以实施，将影响灌浆施工质量检测成果的准确性，建议采用“串珠式水压栓塞”，通过栓塞线、面结合与不规则孔壁贴合改善栓塞的膨胀特性，确保压水试验孔段的密封性。
    5. 2 灌浆帷幕耐久性评价
    要从强度设计理念向耐久性设计理念转变。抗侵蚀性能直接影响帷幕的耐久性能。确保帷幕的耐久性，必须依据地下水赋存条件和运行条件( 高水头作用和地下水溶蚀作用) ，采用合理的灌浆工艺，灌注适宜的耐久性浆材。灌注耐久性的浆材，比如降低水泥用量，利用粘土等耐久性材料有效地改善幕体结构耐久性，延长使用寿命。
    目前规范规定帷幕耐久性主要依据现场疲劳压水试验进行评价，未考虑帷幕运行环境的影响。以实测数据与现场钻孔检查判断耐久性，能真实反映帷幕的防渗效果，但只适用于工程运行时间较长( 一般10年以上) 且有测试数据的情况。利用数值模拟评价帷幕耐久性，能快速处理数据，但很难真实全面模拟各种因素及其影响。
    基于材料层次的耐久性测试方法和评定标准，如采取耐久性室内试验，通过短周期的试验得到材料耐久性变化规律，根据数据的变化趋势预测注浆材料的耐久性能，适用于新材料的研究，具有前瞻性; 但溶蚀试验装置和仪器设备缺乏统一标准产品，测量仪器存在误差，实验考虑的影响因素有限，实验取样的代表性不足，试件短期内性质变化小，不能准确表征其变化特性，不符合实际帷幕体结构的运行环境，不宜直接用来预测使用寿命和评价耐久性［45］。室内加速试验能缩短试验周期，但加速溶液的浓度、加速倍数等因素，会极大地影响成果的采信度。
    一般要利用多种方法综合评判，如对丹江口大坝运行多年后的帷幕，通过现场钻孔检查、现场测试、室内试验等手段综合评定帷幕的耐久性［46］，结论可信度高。