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(1.长沙理工大学 水利工程学院，长沙 410114；2.红河哈尼族彝族自治州水利水电工程地质钻探队，云南 蒙自 661199)

1 研究背景

在水利水电基础工程中，富水岩溶大孔隙地层的充填、防渗、加固是经常遇到的难题。如坝基的溶洞、地下厂房、隧道周边岩溶、江河湖泊堤防防渗加固等基础工程处理中，目前常采用砂浆或速凝浆材进行灌浆，而砂浆存在稳定性差、抗水冲释能力弱等不足，速凝浆材存在成本高等劣势。因此有必要针对富水岩溶大孔隙地层这类地质结构，研制一种满足此类工程基础处理要求的可选材料。

在裂隙岩土地层的灌浆材料的研究上已有许多成果，研发了多种普通水泥砂浆及水泥膏浆等浆材。对富水岩溶大孔隙地层灌浆材料的研究，也大多在普通水泥砂浆及速凝浆材类材料层面上。普通水泥砂浆虽有一定技术、经济和生态方面的优势，但存在前期塑性黏度和屈服应力较小、浆材凝结时间较长、抗水流冲释能力弱等不足。速凝类浆材具有凝结时间可控和良好的抗水流冲释等优点，但其截断渗水通道范围有限，不能有效地控制渗水流量，且速凝浆材成本较高，对于富水岩溶大孔隙地层的地基处理，需要大量浆材进行灌注。

凌英显[1]研究了水泥砂浆在凝固前的初期结构强度和流变特性，其初期结构强度取决于水泥净浆的内聚力和与集料之间的黏附力，硬化前的塑性黏度和屈服应力较小；邢锋等[2]提出U型流动法测定剪切力屈服值较小的Bingham体的塑性黏度，应用于评价水泥砂浆的流变性能；王海龙等[3]以水泥砂浆复合土作为研究对象，通过研究掺砂量与强度之间的关系，得出水泥掺量分别为10%和20%时，掺砂量分别为30%和40%的强度最佳；曹明莉等[4]分析不同水灰比、砂灰比及碳酸钙晶须掺量下，水泥砂浆拌合物流变性能的变化情况，得出碳酸钙晶须掺量能一定程度增加拌合物的屈服应力和塑性黏度；何静等[5]以普通砂作为细骨料，通过内掺风积沙替代同等质量的普通砂配制水泥砂浆，可提高水泥砂浆的前期强度，在技术、经济和生态方面具有潜在优势；冯虎等[6]研究了聚合物改性剂、硅烷偶联剂、减缩剂及消泡剂对聚合物改性水泥砂浆凝结时间的影响，在不添加这些外加剂时，水泥砂浆的初凝时间大部分需要几个小时；赵卫全等[7]研制了一种掺入新型外加剂的水泥膏浆，其具有自堆积、凝结时间可控和良好的抗水流冲释等优点，但黏度过大，会使浆液的流动性变差，搅拌和泵送困难；符平等[8]对水泥膏浆和速凝膏浆进行了系统的研究，提出速凝水泥膏浆扩散范围受到一定的限制，截断渗水通道范围有限，不能有效地控制渗水流量；刘旭升[9]研究表明新型水泥膏浆适合于较大孔隙地层的动水堵漏，是围堰防渗的一种有效手段，较常规连续墙围堰防渗缩短工期50%以上。成虎林等[10]在土石堰防渗堵漏中采用了速凝水泥膏浆进行灌浆，堵漏效果极好，漏水量减少了约70%，提出采用速凝水泥膏浆成本较高，争取使用其他价格较低的速凝浆材。

本文通过综合考虑普通水泥砂浆和速凝浆材的优缺点，通过大样本长周期室内试验，对水泥砂膏浆的稳定性、可控性、抗冲释性能及结石体性能研究分析，研制出一种可以用来处理富水岩溶大孔隙地层的新型可控速凝浆材。

2 水泥砂膏浆组分研究

2.1 试验原材料及机理

(1)水泥：试验所用水泥为湖南碧螺牌P·O42.5普通硅酸盐水泥，其主要性能指标见表1。

(2)改性剂：采用本课题组所研发的改性剂。改性剂中的无机盐首先水解，生成大量的AlO2-，SO42-，OH-，而AlO2-与水泥水化反应后生成Ca(OH)2溶解后的Ca2+发生反应生成水化3CaO·Al2O3，降低了溶液中Ca2+的浓度；而水化3CaO·Al2O3的结晶体成为后续反应物晶体生长的晶核，加快了各种水化产物晶体的生长，从而加快了水泥的水化反应，提高了早期强度，缩短了初凝时间。

(3)砂：砂子采用天然河砂，筛选后细度模数2.56，含泥量1.6%，堆积密度1 465 kg/m3，表观密度2 645 kg/m3，含水率为1.987%，颗粒级配良好。

在水泥类浆液中掺入一定量的砂，可以提高黏聚力、有效黏聚力和内摩擦角、有效内摩擦角，使其具有完善颗粒填充效应的作用，能够有效地减少水泥浆的孔隙数量，并能发挥砂颗粒置换作用以及水泥水化物的胶结作用。水泥颗粒通过水化物联结包裹以砂颗粒为中心的团聚结构，进而提高水泥浆材的强度。此外，在水泥类浆液中掺砂的同时，会带来负面效应，砂属于散粒体材料，具有一定的分散作用，需要与改性剂配合使用，来解决这一问题。

2.2 试验方案

水泥砂膏浆性能测试包括浆液基本性能及结石体性能。主要包括比重、析水率、稠度、流动度、凝结时间、结石率、抗压强度、浆液流变性能、抗水流冲释性能等。

根据已有研究，本次试验主要考虑砂子掺量及改性剂掺量对浆材的基本性能及结石体性能的影响，其他影响因素保持不变。试验不变量包括采用水灰比为1∶1的水泥浆液，变量包括砂子掺量及改性剂掺量，砂子与水泥的质量比分别为0.25，0.30，0.40，0.50，0.75，1.00，改性剂分别占水泥质量0%，0.5%，0.75%，1%，1.25%，1.5%，采用正交设计进行试验，具体如表2所示。

表2 水泥砂膏浆试验方案Table 2 Test schemes of cement sand paste-slurry

3 水泥砂膏浆性能研究

3.1 浆液稳定性

浆液的均匀性变化越慢，则浆液保持原有的分散度时间越长，浆液的稳定性越好，反之，则浆液的稳定性越差。

3.1.1 浆液相对密度

采用1002型相对密度计对试验组进行相对密度测试，测试前需进行相对密度计校核，然后每组分别测试3次，取平均值，具体结果见图1。

分析结果可知，砂子掺量一定时，改性剂掺量变化对浆液相对密度的影响不显著；当改性剂掺量为定量时，浆液相对密度随砂子掺量的增加而增加。

3.1.2 浆液析水率

析水率是反映浆液稳定性的重要指标，常采用圆柱量筒测定。选择内径27 mm、最大标准刻度100 mL、最小刻度为1 mL的圆柱量筒。同时做2组平行试验，取其平均值作为试验结果，如图2。

表1 水泥主要性能指标Table 1 Main performance indicators of cement

图1 水泥砂膏浆比重Fig.1 Proportion of cement sand paste-slurry

图2水泥砂膏浆析水率
Fig.2Bleedingrateofcementsandpaste-slurry

试验表明：改性剂对浆液析水率影响显著，掺砂量影响不大。纯水泥砂浆浆液的析水率达到20%～30%，且砂子与水泥浆产生了离析分层现象。在添加改性剂后，水泥砂膏浆析水率减少到0%～3%。

3.2 浆液可控性

处理富水岩溶大孔隙地层以及大渗漏通道的动水情况下的地基加固防渗问题，控制性灌浆是一种行之有效的新型灌浆方法。灌浆材料控制是控制性灌浆除了灌浆技术、灌浆压力等控制措施之外的一个很重要的方面。在灌浆材料控制中，其可控性主要是通过其稠度、流动度、凝胶时间、流变性能等基本参数来体现。

3.2.1 稠度

采用STSC-145型数显砂浆稠度仪对浆液的稠度进行测量，制浆后每10 min测定一次，共测试60 min。具体结果见图3。

图3浆液稠度随时间变化
Fig.3Changesofslurryconsistencywithtime

分析可见，浆液在搅拌完成后，初始稠度较大，在0～20 min内显著减少，反映浆液具有良好的可泵性；砂子掺量一定，改性剂掺量为0.75%，1%，1.25%，1.5%时，1 h内浆液的稠度可由100～120 mm降低至10～50 mm。

3.2.2 流动度

流动度的大小影响着浆材的扩散半径、注浆流量等参数。流动度的测定如图4所示。

图4 流动度的测定Fig.4 Determination of fluidity

由图5试验结果可知，在砂子掺量一定的情况下，浆液的流动度随着改性剂的增加而减少，在10～60 cm之内可控可调。改性剂掺量一定时，砂子掺量对浆材流动度的影响并不显著。

图5浆液流动度变化
Fig.5Changesoffluidityofslurry

3.2.3 凝结时间

凝结时间的测定目的在于根据工程需要的单孔注浆时间来控制和调节浆液凝结时间，使凝结时间与注浆时间相匹配，同时也是为了得到理想的扩散半径和注浆效果。本次试验主要测试的是初凝时间。初凝时间的测定如图6所示。

图6初凝时间的测定
Fig.6Measurementofinitialsettingtime

如图7所示，未添加改性剂前，纯水泥砂浆的凝胶时间在160～200 min之内。添加改性剂后，形成的水泥砂膏浆初凝时间发生显著变化，随着量的增加而减少，初凝时间在2～30 min内可控可调。

图7浆液的初凝时间
Fig.7Initialsettingtimeoftheslurry

3.2.4 流变参数

图8 流变参数的测定 Fig.8 Determination of rheological parameters

流变参数的可控性，主要是通过改变改性剂配比及掺量实现的。抗剪切屈服强度是浆液的重要流变参数，采用美国Brookfield 公司的R/S-SST PlusTM流变仪对浆液的抗剪切屈服强度及黏度进行测定。流变参数的测定如图8所示。

由图9分析可知，当砂子掺量一定时，改性剂对水泥砂膏浆的流型有着显著影响。掺量较低时，均为宾汉流体，随着掺量的增加，均为有屈服值的伪塑性流体。且改性剂掺量在0.75%～1%范围内时，浆液的抗剪切屈服应力达到最大值。该类型浆液的剪切应力都是先随剪切速率的增加而减少，最终趋于稳定且稳定时的剪切应力相近；当改性剂掺量一定时，浆液的剪切应力在砂子掺量为0.5～0.75时达到最大，剪切应力也是先减小后稳定。

由图10分析可知，无论是砂子掺量还是改性剂掺量一定时，水泥砂膏浆的黏度随时间呈先增加后保持稳定的趋势，且稳定时间都在10～60 min之内。

图9 浆液抗剪切屈服强度Fig.9 Shear yield strength of slurry

图10浆液黏度随时间变化
Fig.10Viscosityofslurryagainsttime

3.3 浆液抗冲释性能

图11 留存率的测定 Fig.11 Determination of retention rate

处理一定开度的富水溶洞地层以及大孔隙地层的动水堵漏，要求浆液必须具有一定的抗水流冲释能力，能够快速凝结并且具有一定强度，不被水流冲散、冲走，从而达到防渗加固目的。留存率的测定如图11所示。

在室内进行了不同流速下改性水泥砂膏浆的抗冲模拟试验，抗水流冲释能力用膏浆被水流留存的质量差来衡量，留存率计算公式为

(1)

式中：W为留存率；W1为冲释前膏浆的质量；W2为冲释后膏浆的质量。

由图12可见，在流速为0.4～0.6 m/s时，水泥砂膏浆的抗水流冲释能力随着改性剂掺量的增加而增加。当改性剂掺量为1%时，浆液的抗水流冲释性能达到最佳，留存率达到85%以上。

图12浆液抗水流冲释的留存率
Fig.12Retentionrateofslurryagainstwaterdilution

3.4 浆材结石体性能

3.4.1 结石率

如图13所示，在未添加改性剂的纯水泥砂浆中，其结石率为70%～80%。添加改性剂后，水泥砂膏浆的结石率为90%以上，大部分都为100%，说明该浆液结石体并不变形。总的来说，水泥砂膏浆受砂子掺量的影响较小，受改性剂掺量的影响较大。

图13水泥砂膏浆结石率变化图
Fig.13Changesofstonerateofslurry

3.4.2 抗压强度

图14 抗压强度测定 Fig.14 Determination of compressive strength

抗压强度的测定是研究注浆材料的一项重要的工作，抗压强度的大小决定了这种材料的使用范围。抗压强度大者可以起到加固的作用，抗压强度小者只能达到堵水的目的。抗压强度测定的废料如图14所示。

由图15浆液结石体抗压强度结果分析可知，纯水泥砂浆28 d的抗压强度可以达到14～19 MPa，具有良好的抗压强度，但综合前期研究，其抗冲释性能并不好，满足不了堵水要求。

在砂子掺量一定情况下，水泥砂膏浆的抗压强度随着改性剂掺量的增加而增加趋于稳定。一些试验组3 d的抗压强度为2～5 MPa，而28 d的抗压强度可到达10 MPa左右。

图15浆液结石体抗压强度
Fig.15Compressivestrengthofslurrystone

4 工程应用

4.1 工程概况

某水电枢纽是中奥合作，集发电、船运、灌溉、综合效益为一体的中型水电枢纽工程。枢纽1#副坝位于河道右岸，水位达到正常蓄水位114.0 m时，大坝下游形成大面积渗漏现象，局部甚至出现管涌，坝后排水沟汇集渗流量可达0.3～1.0 m3/s。副坝处地层由老至新主要为：①泥盆系上统佘田桥组(D3s)：灰色、深灰色厚—巨厚层白云质灰岩、生物碎屑灰岩、薄层泥灰岩夹薄层炭质页岩。岩溶较发育，现场钻探中曾多次遭遇溶洞，洞径一般1～3 m，最大溶洞洞径近7 m，充填或半充填砂、砂卵石等；②第四系全新统冲积堆积(Q4al)，上部为砂土层，下部为砂卵砾石层，磨圆度好，级配均匀，粒径4～8 cm，大者超过15 cm，卵石含量约占77%，砂为中细砂，含量约占23%；③人工堆积(QS)：为黏土斜墙砂壳坝，坝壳成分以砂卵石为主，夹少量灰岩块石及泥质，松散，透水性强。斜墙成分为砾质黏土或砾质壤土，较单薄，填筑结构较松散。具体地质分布如图16所示。

注：K为渗透系数

图161#副坝地质分布
Fig.16Geologicalprofileof1#auxiliarydam

4.2 防渗加固施工

综合现场施工条件与浆液的初、终凝时间间隔可控可调和可灌性等特点，针对含水岩溶发育较好的地层，采用水∶水泥∶改性剂∶砂=1∶1∶0.01∶0.4的水泥砂膏浆材料配合比，通过砂浆灌浆泵灌注，达到规范灌浆结束标准后停止灌浆。现场施工图如图17所示。

压水试验表明，透水率达到≤5 Lu，且在后续钻进过程中，未发生涌水，满足工程设计标准。如图18所示，大坝下游一个由水库长期渗漏形成的水池，水位也有明显下降，说明该水泥砂膏浆材料起到了封堵涌水通道和加固地层的作用。

图17 现场施工Fig.17 Site construction图18 灌浆效果Fig.18 Grouting effect

5 结 论

富水岩溶大孔隙地层的充填、防渗加固施工过程中，不但要求材料具有一定的抗冲释性能、承载力性能以及力学性能，且应具备环保、价格低廉等特点。本文通过大样本室内试验，研制了新型可控水泥砂膏浆材料，可适用于富水岩溶大孔隙地层及类似地层的防渗加固基础处理。

(1)水泥砂膏浆具有良好的浆液稳定性，析水率为0%～3%，而纯水泥砂浆是20%～30%，可显著提高灌浆加固效果。

(2)水泥砂膏浆在稠度、流动度(10～70 cm)、凝结时间(2～30 min)、抗剪切屈服强度(0～767 Pa)、黏度(0.1～4.3 Pa·s)等可控性方面具有显著优势，可以根据实际工程需要进行调控。

(3)水泥砂膏浆结石率近100%，28 d的抗压强度可达到10 MPa左右，满足一般防渗加固灌浆工程的要求。试验说明改性剂的添加量为1%～1.25%，砂子掺量为0.4～0.75时，浆液的强度到达最佳效果。

(4)水泥砂膏浆中的改性剂，可增加浆材的初始屈服应力及黏度，使其具有良好的抗水流冲释性能。在流速为0.4～0.6 m/s时，浆材抗水流冲释后的留存率可以达到85%以上。实际工程应用表明，水泥砂膏浆可适用于富水岩溶大孔隙地层的防渗加固基础处理工程。但在应用时可能存在堵管、卡壳问题，应及时清洗泵送管道。

(5)采用水泥砂膏浆时，材料成本与普通水泥膏浆相当，且具有环保等方面的社会效益。

(编辑：罗 娟)