第1章概述.doc

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1、 v 第一章 概 述修建大坝，拦水造库，这是人们征服自然和改造自然，使其为人类造福的一个重要措施。建造大坝，一定要确保大坝的安全，否则，大坝一旦失事，将会导致巨大的灾害。为了使大坝能够长期地、安全地正常运行，自勘测阶段起，经过设计、施工、直至大坝竣工后水库的管理和运用，均需全面地、慎重地考虑，认真地做好工作。当开始修建大坝时，首先应做好坝基处理工作。实践经验证明，基础处理好后，大坝的兴建就比较容易了，大坝的安全也才有了保证。反之，基础处理若没有做好，则会留下隐患，大坝建成蓄水后，很难补做，有时常需限制水位运行，待基础处理好后，才允许正常运行，我国是有这样实例的，例如陈村、凤滩水电站就是如此。作

2、为大坝基础，不论是岩石或砂砾石层，均需具有可靠的防渗性、足够的耐压性和一定程度的均质性。但一般天然岩石或砂砾石层很少具备这些条件，所以，常常需要进行处理，改善它的各项性能。如果遇到软弱、破碎、多裂隙、节理发育、渗透性大等地质条件较差的大坝基础岩石，则更需要进行处理，使之适应筑坝工程的需要。根据技术文献记载，在二十世纪以前，没有正式进行过大坝坝基灌浆。以后，由于筑坝工程的需要和发展，在大坝坝基处理方面才开始采用灌浆的方法，其主要优点是：效果较好，适用性较广，施工工艺比较简单，也比较经济。于是在建坝的过程中，使用灌浆技术愈来愈多，逐渐发展成为一种专门性的技术科学。随着水利水电建设的发展，国内修建的

3、大坝愈来愈多，地质条件良好的坝址，多已尽先开工修建。约自二十世纪六十年代开始，国内在一些地质条件复杂的，例如岩溶发育、冲积层深厚、渗透性大的地区，也逐渐修建大坝，甚至有很多是100m以上的高坝，故而，大坝坝基灌浆工作也就随之由易到难，由一般性施工至特殊处理，我国的地基处理灌浆技术有了很大的发展和提高。目前我们可以坦言表态，即使是地质条件非常复杂的坝址，经过详细的地质勘察和灌浆试验，广泛地采用新科学理论、新工艺、新技术，均能妥善处理好。一、灌浆的含意什么叫做“灌浆”，简单地说，灌浆就是将具有胶凝性的浆液或化学溶液，按照规定的配比或浓度，藉用机械（或灌浆自重）对之施加压力，通过钻孔或其它设施，压送

4、到需要灌浆的部位（例如：大坝坝基岩石裂隙或砂砾石地基的孔隙，隧洞周围岩石的裂隙，隧洞衬砌与围岩之间的空隙，混凝土大坝坝体接缝，以及水工建筑物混凝土缺陷中的孔洞或裂缝等）中的一种施工技术。灌浆的实质就是充填这些节理裂隙、孔隙、空隙、孔洞和裂缝之处，形成结石，从而起到固结、粘合、防渗，提高承载强度和抗变形能力以及传递应力等作用。二、大坝坝基灌浆的作用大坝坝基原始地质条件经常会存在一些这样或那样的缺陷，例如存在大的顺河断层，严重漏水，承载能力不足等。不能满足筑坝工程的需要，故而必须进行处理。如果对坝基不做处理或处理不当，必然会造成损失。轻者水库漏水，不能发挥应有效益；严重者会招致大坝失事，造成灾难，

5、国际上不乏先例。大坝坝基灌浆的作用就在于通过采用灌浆技术处理坝基岩石或砂砾石层，使之满足筑坝工程的需要，确保大坝地基稳定、安全，水库正常运行，发挥应有效益。由于坝基地质条件、建坝目的和大坝类型的不同，坝基灌浆处理的方法和施工技术的繁简程度也不一样。地质条件比较好的，灌浆工作就简单些，容易些；地质条件复杂的，则灌浆工作量就要大些，施工也要艰难些。对于高坝，坝基处理一定要严格，因为在高水头长期作用下，大坝基岩地质条件易遭受冲蚀或其他损害。三、大坝坝基灌浆的分类大坝地基灌浆可按下述标准进行分类：1按照大坝坝基岩类构成，可分为岩石灌浆和砂砾石层灌浆。2按照灌浆的作用，可分为固结灌浆、帷幕灌浆和接触灌浆

6、。3按照灌注材料，可分为水泥灌浆、水泥砂浆灌浆、水泥粘土灌浆以及化学灌浆等。4按照灌浆压力，可分为高压灌浆（3MPa以上）、中压灌浆（0.53MPa）和低压灌浆（0.5MPa以下），后两类也可称为常规压力灌浆。5 按照灌浆机理，可分为渗入性灌浆和张裂式灌浆。四、大坝基岩水泥灌浆机制大坝基岩水泥灌浆的主要目的是加固和防渗，所以要求水泥浆在裂隙中必须能凝结和硬化，并且形成的结石应具有足够的强度和抗渗能力。水泥水化所需用的水量很少，约为水泥重量的25%左右，依照水泥种类的不同而稍有差异。而我们在进行水泥灌浆时，配制的水泥浆经常是比较稀的。一般情况下，水灰比（W/C）多在1.05.0之间。使用这么多的

7、水量并非水泥水化所需要，而是为了稀释浆液，使其具有较小的粘度，便于灌入岩石裂隙里去。但当把这样较稀的浆液灌入到岩石裂隙里去以后，其中很大的一部分便失去了实用价值而成为多余的了。这些大量的多余的水必须充分地被排除掉，否则将会严重地影响水泥结石的密度、强度和抗渗性能。有时析水不能排净，待其干涸后，会留有小的孔隙，成为渗水的通路。水泥浆排水机制是一个很重要的理论问题，对于这个问题应怎样来认识，将会影响到在灌浆施工时需要采取什么样的措施方为最好。例如：灌浆压力是大一些好，还是小一些为宜；浆液的稠度以何种水灰比值为好，可否使用高水灰比的稀浆；等等。然而水泥浆排水机制又是一个很复杂的问题，看法不一，各有各

8、的观点，至今尚难结论。宏观地看，对能不能排除多余的水和怎样将水排除的问题，有两种认识。一种认为水泥浆中多余的水，在使用中等灌浆压力情况下，不易被充分排除干净，因而主张采用较小水灰比的水泥浆进行灌注。澳大利亚专家A.C.霍尔斯贝（Houlsby）即持这种观点，他提出灌浆刚一开始，就需采用最优浓度的水泥浆进行灌浆的意见。他认为，水灰比（WC）为21（体积比）的水泥浆是最优的浓度，在使用中等压力灌浆的情况下，大多数坝的岩石基础都适于采用21作为初始灌浆试用的水灰比。如果裂隙较细（小于0.75mm），初始灌浆用的水灰比可以提高，改用31；裂隙较宽（1.52.5mm）时，初始灌浆用的水灰比可以采用11。

9、他不主张使用水灰比为51（体积比）或更稀的水泥浆进行帷幕灌浆，因为其耐久性差。另外一种认识，认为浆体中多余的水可以被排除掉，但对排水方式的解释有所不同，当前存在的主要有以下几种学说。（1）固结说 这种学说认为当浆液充满裂隙后，继续加大灌浆压力，多余的水便能穿过浆体本身而排除掉。它将整个灌浆过程分为“填满”和“饱和”两个阶段。灌浆刚一开始，新鲜的水泥浆液迅速地向岩石裂隙中流动和扩散，经过一段时间后，逐渐将裂隙填满，此为第一阶段。大多数灌入的浆量是在此“填满”阶段中灌进去的，因之注入量大。后一阶段仅是在最大灌浆压力下灌入少量浆液，浆体中多余的水主要是在此“饱和”阶段中被排走的，其排水机理类似太沙基

10、的固结理论。按照这种学说，灌浆压力和浆液浓度便成为影响浆体排水程度的重要因素。德国的C.库兹纳尔（Kutzner）对这一理论阐述的最为详细。美国的克拉克等也在不同程度上支持这种观点。（2）沉积说 这种学说认为水泥浆液中的多余水主要是靠重力沉积析水而排除掉的。灌浆刚一开始，新鲜的水泥浆通过钻孔沿着孔壁上的裂隙，按照“径向辐射型”向四周流动。距钻孔中心愈远，浆液通过的环形断面积愈大。当压力保持不变时，进浆率也为定量。在这种状况下，浆液通过的环形断面积愈大，浆液的流速就愈小，当浆液行至某一距离，其相应流速达到临界流速后，水泥颗粒即在彼处开始发生沉积（例如日本的奈川渡拱坝，通过试验求出当水泥的平均粒径

11、d50为0.028mm时，临界流速（vc）约为1cm/s。另外有资料介绍，水泥的有效粒径（d10）为23m时，相应的临界流速约为0.8cm/s），此后，水泥颗粒便从浆体中陆续地被分离出来，从而不断地对这一段岩缝进行充填，逐渐缩小着岩缝的宽度，并且逐步地向着钻孔方向沉积，最后将整个岩缝填满，形成比较致密的结石。美国C.F.格隆迪即持此类观点，他认为不管水泥浆的水灰比为1001或11，灌浆结石的质量都很少有差别。法国H.康贝福特（Cambefort）支持这种观点。按照这一学说，灌浆压力和浆液稠度全是无关紧要的，并且灌浆施工可以采用较高水灰比的稀浆。（3）三要素论 这种观点认为地质因素、灌浆压力和“

12、重复灌浆”是使水泥浆在裂隙中充分排水、填充密实的三个要素，本书作者倾向这种观点。地质条件是客观存在，有些地质条件能为浆液提供良好的排水条件，例如存在有陡倾角的裂隙，而有些地质条件则不利于浆液排水。实际上天然岩层中的裂隙构造往往是由方向、宽度和长度等都不相同的裂隙网组成，各部位裂隙的密度也不一样。天然岩层中裂隙的特性是三向排水，这与在实验室内采用两块混凝土板或两块钢板模拟岩石裂隙的情况绝非一样，故而浆液在进入裂隙后便开始了排水过程。当裂隙两侧岩体的透水性很小时，浆液的多余水只能在沉积后沿径向排除，这种排水条件与沉积说基本相符。若裂隙两侧岩体的透水性很大，则排水条件又与固结说相近。实际上，大多数裂

13、隙两侧岩体的透水性多介于上述两者之间，所以大部分裂隙的排水机制可以认为是混合型的，两种作用对其均有影响。在地质条件不利于排水的情况下，高的灌浆压力有助于使浆液充分排水和固结。当地质条件不利于排水而又不允许施加高的灌浆压力时，采用重复灌浆的办法（有条件时可以逐渐提高灌浆压力）也能收到一定的灌浆效果。如果上述三要素都同时具备，当可获得极好的灌浆效果。例如乌江渡大坝的帷幕灌浆和龙羊峡大坝深部断层的固结灌浆处理，都采用了“小口径钻孔、孔口封闭、自上而下、重复灌浆”的灌浆方法，最大灌浆压力为6MPa，水泥浆的水灰比从81开始，逐级变浓到0.810.61（重量比）。通过直径为1m的大口径钻孔内的实地观察，

14、不管是岩石的水平节理，还是垂直裂隙；也不管是溶洞泥，还是溶洞砂，水泥浆均能很好地渗入或挤穿，并且都充填得饱满和密实，说明浆液在裂隙中获得了充分地排水，其中高压的作用将是主要的。关于排水机制的分析，是一个非常复杂的问题，故而不要采取简单的分析方法，也不要把结论说得太绝对。地质条件千变万化，是否还有更重要的排水机制控制着水泥结石的形成过程，尚有待于我们深入地进一步研究、探索。总之，搞清浆体在岩石裂隙中排水的机制和凝结硬化的机理的问题对水泥灌浆工艺的发展是很有实际意义的。关于水泥浆的浓度问题，作者的意见是在任何情况下，均不需采用重量比（W/C）大于51的稀浆进行灌注。五、大坝坝基灌浆的特点大坝基灌浆

15、的主要特点有二：一为它是隐蔽性工程，灌入的浆液在坝基中充填的情况，无法直观评定，施工质量也难于直观判断。为此施工单位一定要做好资料整理与分析工作，而做好这项工作的前提是要求原始记录必须填写得准确、详细、清楚，并应配备有专职的资料整理人员。另一是灌浆工程设计由于未知因数较多，例如：各地区地质条件多不相同，施工工艺也多种多样，难于用数学方法或数学公式准确地计算。为了使灌浆设计更符合实际情况，布置更为合理，常常需要在设计以前，先在工地进行灌浆试验，以灌浆试验所得的成果结合已取得的地质、勘探、压水和其他各项试验等有关资料做为进行坝基灌浆设计和编写施工技术要求的主要参考资料，细心研究，尽量消除或减少重大

16、的意外情况。即使是这样，在灌浆施工过程中，根据施工实践和已灌孔灌浆资料的分析而对灌浆设计做部分修改或少量修改的情况仍会发生，例如：在某些地段需要增补，或者可能减少几个孔或一排孔；某些灌浆孔的深度可能需要加深或是可以减少；某些地段施工工艺略有改变等 第十五次大坝会议文件Q58R24等，所以在设计上做或多或少的变更是正常现象，而一成不变却是少见的。多数工程实践证明，设计、施工与监理三方密切合作，相互协商，共同研究，实事求是地解决有关问题，是保证坝基灌浆工程优质、快速和经济的重要关键。六、大坝基岩灌浆取得的主要成绩1经过大量工程实践形成了我国特有的一种帷幕灌浆施工方法，即“孔口封闭、孔内循环、自上而

17、下、分段灌浆法”（简称“孔口封闭、孔内循环灌浆法”）。这种施工方法于1975年首次在岩溶发育地区乌江渡水电站帷幕灌浆中采用，灌浆压力6MPa。它主要适用于4MPa以上的高压灌浆（详见后 节）。经乌江渡工程之后，相继在岩溶发育地区修建的隔河岩、东风、观音阁以及五里冲无坝水库防渗帷幕灌浆中应用，均取得了良好的灌浆效果。约自20世纪80年代初开始，这种灌浆方法扩大使用范围，已广泛应用于各类地基、高度不同的大坝坝基帷幕灌浆。为此，水工建筑物水泥灌浆施工技术规范SL62-94中3.7条对这种灌浆方法专门作出规定。2推广了高压灌浆技术。非岩溶地区高坝坝基帷幕灌浆，高水头引水隧洞的围岩灌浆也常采用上述高压灌

18、浆技术。例如龙羊峡水电站坝基帷幕灌浆和处理断层、天生桥二级水电站引水隧洞不良地质段固结灌浆，使用的灌浆压力为56MPa；广州和天荒坪两个抽水蓄能电站引水隧洞围岩固结灌浆最大灌浆压力分别达到6.5和9.0MPa；铜街子水电站对坝基层间软弱夹层C5的处理，先采用30Mpa高压水旋喷冲洗，而后使用3MPa压力进行水泥固结灌浆，都获得了满意的灌浆效果。3灌注浆液多样化。根据不同的地质条件和灌浆目的采用了水泥浆液、细水泥浆液、稳定浆液、各类水泥基质混合浆液以及膏状浆液等不同类型的浆液。例如：克孜尔水库主坝右坝肩岩体的固结灌浆黄河小浪底大坝基岩固结灌浆均采用了稳定浆液；新安江水电站大坝二、三号坝段坝基帷幕

19、补强灌浆采用了干磨和湿磨细水泥浆液；五强溪水电站部分坝段坝基帷幕灌浆、长江三峡大部分坝段坝基帷幕和固结灌浆均采用了细水泥浆液；二滩水电站右坝肩固结灌浆采用了超细水泥浆液；红枫水电站堆石坝体帷幕灌浆采用了膏状浆液等。4化学灌浆发展很快并取得了很好的效果。当水泥灌浆效果很小或无效时，常常采用化学灌浆。例如丹江口水利枢纽、故县水库、陈村、风滩、龙羊峡水电站等大坝坝基防渗帷幕或补强灌浆，根据不同要求相继使用了化学灌浆，均达到了预期目的。有些大坝例如长江三峡大坝、江垭大坝对坝基中的断层、层间溶蚀带的处理采用了细水泥和化灌复合灌浆的方法，效果良好，值得推广。5研制成功了适合我国孔内循环灌浆方法可记录灌浆压力、注入率、浆液密度等参数的自动记录仪，同时又配套开发了灌浆资料整理分析应用软件系统，使灌浆施工与内业整理向自动化迈进了一大步，提高了灌浆工作效率，保证了灌浆质量，已在国内各大中型工程中使用。6.我国分别于1963、1983、1994、和2002年适时修订和发布了水工建筑物水泥灌浆施工技术规范，对各个时期大坝基岩灌浆施工起到了促进和指导作用。4