浆液水灰比是帷幕防渗能力衰减的主要原因吗？

本文原载《水利水电科技进展》2011年8月，原题为《水库大坝帷幕防渗能力衰减问题之我见》，收入时有修改。

【摘　要】　根据对国内若干座大坝的防渗帷幕运行情况进行的工程实例调查和资料分析，讨论国内外热议的大坝帷幕防渗能力衰减问题。认为我国水库大坝防渗帷幕大部分运行正常或基本正常，不存在帷幕防渗能力普遍衰减的情况；少数帷幕防渗能力衰减的主要原因并非灌浆浆液太稀所致；影响防渗帷幕耐久性的主要因素有设计质量、施工质量、不良地质条件和浆材浆液等；欧洲一些水利工程发生帷幕防渗能力衰减现象，有可能是灌浆方法简单和防渗标准较低所致。

【关键词】　防渗帷幕　防渗能力衰减　浆液水灰比　施工工艺　防渗标准

1　一个热门话题——帷幕防渗能力衰减

20世纪七八十年代，西班牙学者发现有些工程因基础存在渗漏和扬压力高的问题而经专业承包商进行灌浆处理过，但在运行若干年后，却又不得不再度进行补灌。有一些按照最严格的施工规范灌浆的水坝，还是要再次进行补灌处理。由此他们认为在几十年前施工过的灌浆工程，由于尚未搞得十分清楚的原因，而在逐渐衰退，从而建议应当每隔十至十五年对防渗帷幕进行勘查和补充灌浆［1］。

此后，各地都发现了一些帷幕防渗能力衰减甚至失效的工程实例，引发了无数学者专家的研究与讨论。

2　众矢之的——浆液的水灰比

那么，是什么原因导致了帷幕防渗能力衰减呢？尽管这个问题的成因很复杂，但西方学者纷纷把矛头指向了浆液水灰比，认为是灌注了稀浆导致了帷幕耐久性不好。

澳大利亚学者郝斯贝（A.C.Houlsby）说：“促使水泥灌浆耐久的主要方法是确保灌浆结石牢固和浆液完满地充填裂隙或孔洞，直至遗留很少，甚至没有能够通过灌浆体的渗透通道，使明显可见的缺陷减小到最少。然而为了确保充填完满，则要求有适合于现场条件的灌浆技术，其中把浆液水灰比看作为主要的因素。如水太多，会产生弱的结石体以及由于浆液分离产生封在结石体内的空穴（水包）。”［2］

他又说：“岩基水泥灌浆若要取得耐久性的满意效果，在很大程度上取决于所用浆液的水灰比。水是浆液流动必不可少的条件，但如果过量，部分水分就会从浆液中析出，导致水泥充填物连续性的中断，形成空囊、水泡及泌水通道。”［3］

瑞士学者隆巴迪说：“浆液硬化后在岩体中发挥作用时，稠浆较之稀浆有如下优势……浆液中水泥含量较高，密度和力学强度较高，具有较强的抗物理侵蚀和管涌的能力；孔隙率和透水性更低，结合强度更高，因此具有更强的抗化学淋溶侵蚀能力，大坝的灌浆帷幕具有更好的耐久性。”［4］

随后，国内学人附和者蜂起，但其理论和言论并无新意。

3　帷幕防渗能力没有普遍衰减，稀浆形成的帷幕可以耐久

任何事物都有衰老的过程，年深月久，混凝土也会老化。所谓的帷幕防渗能力的衰减是指非正常的衰减，快速地老化，这是一个普遍的现象吗？

3.1　国内坝基帷幕防渗能力衰减情况及原因的调查分析

1986—1990年，“七五”国家科技攻关项目《高坝地基处理技术研究》针对帷幕防渗能力的衰减问题开展了一系列研究工作，笔者参与和负责了这一工作。其中由大坝安全监察中心和中国水电基础局科研所课题组联合对国内的丰满、上犹江、新安江、古田溪一级、梅山、刘家峡、盐锅峡、八盘峡、青铜峡、桓仁、云峰、陈村、天桥、池潭、纪村15座大坝的防渗帷幕运行情况进行了调查，这些坝坝高22.5（纪村）～147m（刘家峡），开始蓄水日期1942（丰满）—1980年（池潭），基本代表了我国早期施工的水电站的一般情况。调查后完成了科研报告《国内坝基帷幕防渗能力衰减情况及原因的调查分析》，其结论是［5］：

（1）目前国内运行中的一些大坝，绝大部分坝基帷幕的防渗效果是好的，排水孔的降压作用是明显的，达到了设计要求，保证了大坝的安全运行。不过也有一些坝段在运行中暴露出某些缺陷和异常现象，如扬压力偏高、排水孔淤积、渗漏溶蚀等，防渗能力不满足设计要求，帷幕有逐渐衰减失效的情况，有的甚至过早地衰减。但是，经过补强灌浆和加固修复，大多数防渗帷幕仍能正常运行。

（2）灌浆帷幕防渗能力衰减是由综合因素产生的。工程水文地质复杂性是客观上的原因，设计施工质量是主观上的原因。但是后者更为重要，设计得体而切合实际，施工质量优良，可以弥补和解决一些客观因素的不足。通过本次调查，发现因施工质量而影响帷幕防渗能力的实例比较多，甚至在运行初期帷幕防渗能力就满足不了设计要求，有的不仅危及大坝运行安全，而且给工程留下长期难以解决的隐患，造成较大的经济损失。因此，保证施工质量确实是关系到帷幕正常运行及其发挥防渗效果的关键。

结论的后面还提到，帷幕所处的地质条件，如软弱夹层、红层、地下水化学侵蚀等对帷幕的稳定性和耐久性的影响也是比较大的。

这一调查结果至少表明了两个事实：其一，帷幕防渗能力衰减不是普遍情况。因为我国早期施工的大坝帷幕大多数甚至绝大多数都在正常运行；其二，我国有些工程帷幕运行不正常或过快衰减，多数原因是由于设计不当或初期施工质量不好。这里所说施工质量不好不是指浆液水灰比太大，太稀，而是指施工质量控制不严，有的完工时就没有达到设计要求。至于浆液水灰比，所有这些坝都是使用8∶1或10∶1稀浆开始灌浆的。

3.2　乌江渡水电站防渗帷幕回顾

乌江渡水电站是我国在石灰岩岩溶地区兴建的第一个大型水电站，重力拱坝高165m，正常蓄水位760m。工程于1969年开始筹建，1982年基本建成。坝基防渗帷幕为分层搭接的悬挂式水泥灌浆帷幕，轴线长度1020m，灌浆孔总长19万m。灌浆深度一般为80～100m，局部220m。防渗标准要求河床及左岸680m、右岸700m以下帷幕透水率不大于0.5Lu，其余部分不大于1Lu。灌浆采用在岩基首创的孔口封闭法，最大灌浆压力6MPa。使用42.5级普通硅酸盐水泥，浆液水灰比分为8∶1、5∶1、2∶1、1∶1、0.8∶1、0.7∶1、0.6∶1、0.5∶1等八级，开灌水灰比8∶1。灌浆结束须同时满足两项条件，一为注入率小于或等于0.5L/min，且持续时间不少于1h；二是达到设计压力持续时间不少于1.5h。封孔方法为将孔内置换为0.5∶1稠浆，以该孔最大灌浆压力进行全孔纯压式灌浆2h。本工程帷幕灌浆平均单位注入量294.7kg/m。

灌浆完成后按灌浆孔数的4%布置检查孔145孔，进行压水试验1261段，95.2%满足小于等于0.5Lu的要求，其中河床及两岸指定高程以下的合格率99.39%，以上部分的合格率98.1%。

工程于1979年11月下闸蓄水。帷幕运行初期进行渗流渗压观测，厂坝基础渗水量很小，且与库水位无明显关系。在正常高水位下总渗水量在20m3/d以下；渗压水头比设计小很多，一直处于尾水位以下。［6］

1990年，中南勘测设计研究院组织对该工程进行回访检查，关于帷幕运行情况的结论是“水库渗漏微小……经十余年运行观测，防渗效果良好。下游的泉水点、暗河或其他可能的渗漏通道，经蓄水后多年观测未发现异常”“蓄水后帷幕下游侧、深部岩溶地下水取样检测氚含量显著低于库水，矿化度进一步下降，帷幕灌浆前原有的地下水位低槽不复存在，这些情况足以说明防渗措施是有效的”。［7］

这么一个以水灰比为8∶1的稀浆开灌建成的防渗帷幕，防渗标准居然可以达到0.5Lu，也就是说帷幕体相当密实，而不是疏松。运行十年，至今已几十年，居然防渗效果依旧良好，未看到防渗能力衰减的明显迹象。这是否也可以证明，水灰比与帷幕衰减没有那么密切的关系呢？

3.3　丹江口水利枢纽防渗帷幕的全面检查

丹江口水利枢纽初期工程混凝土重力坝高97m，长1141m，河床坝段为3～32号坝段，基岩为闪长岩、闪长玢岩及辉长辉绿岩等。帷幕灌浆轴线长1103.7m，钻孔37576m，灌浆27115m（其中丙凝灌浆2553m），施工自1960年至1970年进行。帷幕防渗标准q≤0.5Lu。根据地质情况帷幕孔布置一排、两排或三排，灌浆材料以42.5和52.5级普通硅酸盐水泥、自加工磨细水泥（雷蒙磨，通过6400孔筛余0.15%～0.3%，比表面积710m2/kg）为主，部分坝段增加丙凝灌浆。浆液水灰比等级为10∶1、8∶1、6∶1、4∶1、2∶1、1∶1，开灌水灰比10∶1。采用自上而下循环式灌浆法，最大灌浆压力3MPa。灌浆结束条件为，正常孔段在连续灌注30min内吸浆率不大于0.2L/min，持续1～2h，即可结束灌浆。单位注入量各坝段不一，最小0.38kg/m（右4～2坝段，辉长辉绿岩，不透水带），最大5.58kg/m（25～31坝段，变质玢岩，强及弱透水带）。水泥灌浆后布置检查孔67个，丙凝灌浆后检查孔12个，检查孔数占灌浆孔总数的8.5%。检查结果表明，水泥灌浆后大部分坝段可达到q≤0.5Lu的设计要求，但玢岩区的22号、25～28号等坝段压水试验合格率仅为38.6%，经丙凝灌浆后合格率提高到71%，q＜1Lu的比例为87.1%。丹江口水利枢纽于1968年11月下闸蓄水，部分帷幕在蓄水后施工。至今已运行40多年。［8］

近年来南水北调工程启动，丹江口水库作为南水北调中线水源工程，大坝坝顶高程由162m加高至176.6m。为此，业主及设计单位组织了对枢纽河床坝段防渗帷幕效果检测及耐久性研究，通过分析施工和运行观测资料，布置检查孔进行取芯、压水试验、电视摄像、声波检测、电磁波CT剖面测试、芯样力学试验和理化试验等，对原帷幕进行了一次全面的“体检”，提出了研究报告，其中关于帷幕耐久性的结论是“除30～31坝段水泥灌浆帷幕已发生明显的溶蚀破坏外，其余坝段水泥灌浆帷幕耐久性有效年限还有161年以上，即在161年内帷幕防渗性能在现状（≤1Lu或＞1Lu）基础上不会产生明显破坏。纯丙凝灌浆帷幕耐久性有效年限还有431年；水泥＋丙凝复合灌浆帷幕耐久性有效年限大于纯水泥灌浆帷幕。”［9］

这是一个开灌浆液水灰比为10∶1的防渗帷幕工程实例，单位注入量也不大，运行40多年之后进行了十分全面的权威的检查，绝大多数坝段帷幕未见老化，其取样水泥结石的耐久性试验表明可健康地工作200年以上。丹江口的事实再一次推翻了隆氏公式：稀浆开灌＝不密实的帷幕＝防渗能力衰减。

4　浆液自由沉积试验结果不能代表岩体灌浆的复杂情况

隆巴迪等人总是将实验室内静置条件下获得的水泥结石进行对比，从而推断帷幕体内岩体裂隙中的水泥结石的性能，这是不正确的。

对于实验室静置试验条件而言，众人皆知，稠浆得到结石会比稀浆结石密实。但是岩石中的水泥结石是受到灌浆压力和裂隙两侧的岩体压力下形成的，岩石中的节理裂隙是要渗水的，因此帷幕中的水泥结石远比实验室烧杯里的结石密实得多，这就是前面例举的那么多以稀浆开灌的帷幕灌浆工程为什么并未快速衰减的原因。

表1为室内静置条件、模拟现场压迫滤水条件，以及工程中取样获得的水泥浆液结石性能对比，从中可以看出：

（1）在静置条件下，不同水灰比的浆液，确实稠浆比稀浆的结石要更密实，强度更高。

（2）在压迫滤水的条件下，原来较稀的浆液（2∶1、1∶1）结石密实度和强度大幅提高，如果试验的压力再大一点，时间再长一点，其性能不会亚于较稠的稳定性浆液。

（3）同样是0.5∶1的浆液，在现场压力灌浆的条件下，水泥结石的密度和强度远大于静置条件下的试验结果。这也说明了稳定性浆液也有通过泌水提高浆液结石性能的问题。

5　部分工程帷幕衰减的原因

5.1　国内部分工程帷幕衰减的一般原因

帷幕衰减虽非普遍，但也确有发生。将帷幕衰减的主要原因归咎于浆液水灰比既不正确又简单化。那么应如何认识这一问题呢？根据文献［5］的分析和笔者新近的思考，是否可概括为四方面：

（1）帷幕的设计质量。这里不仅指对帷幕灌浆孔的布置，而且包括制定一个高质量的、有针对性的、可获得密实帷幕的、同时也便于实施的施工技术要求，要求中应当规定质量标准、灌浆材料和浆液、主要施工方法和施工参数等。这是保证帷幕质量和耐久性的前提。

（2）帷幕的施工质量。应以严格细致的工艺作风实施设计制定的技术要求，全面达到质量标准。最好的施工还应能修正设计出现的差错或缺陷，灵活正确地处置随时可能遇到的地质异常或其他特殊情况，而不是照本宣科式地机械执行设计规定。我国早期一些帷幕施工质量不好导致以后补灌，教训仍需记取。

（3）不良地质条件。断层破碎带、软弱夹层等，以及地下水侵蚀，是这些部位帷幕防渗性能过快衰减的重要原因，这些地段灌浆难度较大，不易灌好，有的工程投入使用时就不是一个质量合格工程。

（4）使用的浆材浆液。对浆材浆液的规定是设计内容的一部分，针对侵蚀性地下水应采用抗侵蚀性水泥，或掺加粉煤灰等混合料；水泥的细度、浆液的水灰比及其变换应与岩体的裂隙发育情况和可灌性相适应。水泥灌浆并非万能，在需要采用化学灌浆的部位应进行适宜的化学灌浆。

5.2　欧洲一些帷幕衰减的原因

帷幕衰减为何在欧洲常见？笔者尚未进行细致研究，但宏观地认为原因主要有二：

（1）西方人讲究简约和效率，太喜欢纯压式灌浆，而这种灌浆方式无法像循环式灌浆配合多级水灰比浆液那样可将岩石的大小裂缝裂隙灌注至极致。另外纯压式灌浆的结束条件都很短暂匆促，不可能施加较长的衡压时间，而正是这道工序造就了坚强的水泥结石。

（2）西方的防渗标准普遍较宽松，他们过分地将防渗标准与“库水渗漏损失的经济价值”挂钩，而忽视了渗漏量越大，对帷幕的侵蚀越厉害，衰减也越快的规律。反之，我国防渗标准较严，丹江口、乌江渡都要求达到了0.5Lu，这样的帷幕怎么会不耐久呢？

6　结束语

（1）在我国，有些工程或其个别坝段发生了帷幕防渗能力衰减的问题，但总体而言，不是普遍现象。

（2）我国已建成的众多水电站防渗帷幕都是用稀浆开灌建成的，它们绝大多数防渗效果良好，运行正常，由此可见“稀浆”不是导致帷幕衰减的主要原因。

（3）灌浆浆液在岩体中发生压迫滤水现象是客观存在的事实，经过压迫滤水的水泥浆结石性能显著优于浆液自由沉积的结石。以室内静置浆液试验成果推断实际工程现象是不科学的。

（4）帷幕衰减的原因复杂，主要的影响因素有设计质量、施工质量、不良地质条件和灌浆材料浆液等。欧洲水利工程帷幕衰减现象较多可能是灌浆方法简单和防渗标准较低所致。

参考文献

［1］　尤利欧，奥森德.水泥浆的耐久性［M］//李德福，译.第十五届国际大坝会议译文选编.1985.

［2］　Houlsby A C.水泥灌浆耐久性的研究［M］//《现代灌浆技术译文集》译组.现代灌浆技术译文集.北京：水利电力出版社，1991.

［3］　Houlsby A C.岩石水泥灌浆浆液的最佳水灰比［M］//《现代灌浆技术译文集》译组.现代灌浆技术译文集.北京：水利电力出版社，1991.

［4］　隆巴迪G，迪尔D.灌浆设计和控制的GIN法［J］.刘东，译.施工设计研究，1993（2）：44⁃52.

［5］　吴定安，王瑞苓.国内坝基帷幕防渗能力衰减情况及原因的调查分析［R］.1990.

［6］　水电八局，谭靖夷.乌江渡工程施工技术［M］.北京：水利电力出版社，1987.

［7］　谭靖夷，王三一.乌江渡水电站运行10余年后的回访检查［M］//中国水力发电年鉴.第四卷.北京：中国电力出版社，1995.

［8］　水利电力部第十工程局.丹江口水利枢纽施工技术总结［R］.丹江口：水利电力部第十工程局，1975.

［9］　徐年丰，李洪斌，廖仁强，等.丹江口水利枢纽河床坝段防渗帷幕效果检测及耐久性研究报告［R］.武汉：长江勘测规划设计研究有限责任公司，2009.