关于向国际先进灌浆技术学习的问题
【摘 要】 在我国快速发展的水利水电建设中，水工建筑物岩石地基水泥灌浆技术基本上同步发展，取得了优异的成绩，但与国际先进水平仍有差距。主要表现在灌浆理念较为保守，施工设备老旧，机械化水平低，能耗物耗大，劳动强度大，工效低。应当抓住国家调整经济结构的机遇，更新理念，学习国外先进灌浆技术，改进传统的技术，推广西式工法。要改变不合理的计量规则。要选择试点实施攻关，打造我国灌浆技术的升级版。
【关键词】 灌浆技术 国际水平 低碳灌浆 差距 升级版
1 问题的提出
1985年，时任水电部总工程师、中国科学院和工程院院士的潘家铮在龙羊峡水电站一次技术干部大会上作报告，讲到龙羊峡坝基灌浆问题时说：“如果说，我们的水利水电工程建设在总体上还落后于发达国家的话，那么，可以说我国的灌浆技术在世界上已处于先进水平。”当时的背景是贵州乌江渡水电站已经建成，强岩溶发育的复杂地层高压灌浆取得成功，我国大规模的水利水电开发正要起步。
1990年，潘总又说：“我国在灌浆技术上虽已取得可喜进展，但与国际先进水平相比，仍有差距，尤其是施工工艺和电子技术的应用等方面还比较落后。”［1］
如今二三十年过去，我国的水利水电开发大规模高速发展，长江三峡水利枢纽、金沙江溪洛渡水电站、黄河小浪底水利枢纽、澜沧江小湾水电站、雅砻江锦屏一级和二级水电站，以及南水北调工程等一大批世界超级工程建成，我国的坝工技术当之无愧地迈入世界前列。
回过头来，再看看灌浆技术，虽然也取得了很大的成绩，但与其他坝工技术如混凝土施工技术、土石方施工技术、隧洞施工技术等比较起来，明显进步不尽如人意，发展步履蹒跚，甚至找不到方向。
如何估价我国灌浆技术发展的水平，如何学习国外先进的灌浆技术？本文主要针对帷幕灌浆技术进行讨论。
2 国内外灌浆技术的比较
为了找出我国灌浆技术究竟应当向国际先进水平学习什么，有必要先将国内外灌浆技术发展的状况作一个比较，以明确二者的差距和差异。概括地说，我国的灌浆技术与国际先进技术或国外通行做法有相同相通之处，但也有系统性的差异。
2.1 灌浆理念与防渗要求
西方发达国家将水泥灌浆主要作为防止坝基渗透破坏的手段，其目的主要是解决大裂隙和大渗漏量，以及可能导致的渗透破坏的问题，他们认为小裂隙和小的渗漏量灌浆无力解决，也毋须解决。降低扬压力主要应依靠排水而不是帷幕。一些代表性的言论有：
“用以水泥为基本材料的浆液的灌浆帷幕降低渗漏量，是由于坝基岩石透水性高所致，亦即其透水率可能在10Lu以上，甚至在25Lu以上。”“与此对比，透水率在3Lu，更可靠的说是在5Lu以下，坝基岩石水泥灌浆对降低渗漏量没有明显效果。在中等透水率范围即5～10Lu之间，甚至是5～25Lu之间，这样的坝基是否需要灌浆、是否可灌和能否有效，从降低渗漏的观点来看，都是难于确定。”［2］
第十五届国际大坝会议专题58的总报告人认为：“硬性以透水性作为是否需要灌浆的标准是不足取的，1～3Lu的指标在很多情况下可以放宽，尤其是帷幕的下部。”［3］
与西方的理念与要求不同，我国对帷幕灌浆的要求很高，除了要求确保渗透稳定以外，也希望渗漏量降到足够小。具体表现在技术规范上，我国早期颁发的《混凝土重力坝设计规范》（试行）中规定：防渗帷幕的透水性要降低到：低坝（坝高小于30m）透水率q＜3Lu或q＜5Lu；中坝（坝高介于30～70m）q＝1～3Lu；高坝（坝高大于70m）q＜1Lu。
因此，有些大坝如丹江口、乌江渡等甚至提出了要求q＜0.5Lu的高标准。
后来在国际潮流的影响下，我国的理念逐步开放，防渗标准有所放宽，电力版《混凝土重力坝设计规范》（DL5108—1999）和水利版《混凝土重力坝设计规范》（SL319—2005）规定的防渗标准为：坝高在100m以上，q小于1～3Lu；坝高在100～50m之间，q为3～5Lu；坝高在50m以下，q为5Lu。
这个标准比之前有所进步但还是严于西方一般要求，特别是笔者看到许多工程在规范规定的范围内通常愿意使用上限。表现在对大坝渗漏量的评价上，虽然没有成文的规定，但一般认为大型混凝土坝渗漏量在30L/s以上，土石坝渗漏量在100L/s以上，都是难以接受的。
2.2 钻孔和灌浆机械
西方国家得益于本国先进的装备制造业，他们的钻孔和灌浆机械不断更新，效率很高。岩心钻机全液压操作，有履带可自行移动，起下钻高度机械化，机体上可安装岩石参数记录器，甚至识别岩芯；回转冲击钻机功率强大，钻孔深度可达百米以上，操作简便，工效高。灌浆有专用泵，压力可控，排量可调，机械效率高，可适用各种方式灌浆。
我国灌浆行业使用的钻机普遍仍是普通液压岩心钻机，尚未做到全机械化，体力劳动仍较繁重。冲击回转钻机国内生产已较普遍，但与欧美日产品仍不可同日而语。我国的灌浆机主要仍采用柱塞泵，排量不可调，泵体笨重功耗大。不适用于纯压式灌浆。
灌浆塞等机具基本上赶上了西方水平。
2.3 灌浆材料与灌浆浆液
国外灌浆材料多样化，仅水泥材料早就可以提供各种细度的专用灌浆水泥。水泥浆液美日多采用多级水灰比，欧洲自20世纪90年代倡导采用单一比级的稳定性浆液。
长期以来，我国灌浆一般采用普通硅酸盐水泥，没有专用灌浆水泥，当需使用细水泥灌浆时，要自行再加工（干磨或湿磨）。但近一二十年来，许多水泥厂都可以生产细水泥，价格在可接受范围。因此其与西方已无大差距。我国水泥浆液大量使用多级水灰比配制，并与循环式灌浆相配套。有的专家要普遍推广单一比级的稳定性浆液，但如不改变循环式灌浆法，是不适宜的。
此外，我国在膏状浆液、水泥—化学复合灌浆等方面具有国际先进水平。
2.4 灌浆工艺
西方主要采用钻孔和灌浆工序分开的灌浆工艺。即钻孔单独进行，采用冲击回转钻机一钻到底，接着再自下而上连续进行纯压式灌浆，一气呵成。工序高度简化，便于机械化、自动化施工，极大地降低劳动强度。欧洲还提出和推广实施GIN灌浆法。
我国则主要采用孔口封闭灌浆法，钻灌交替作业，自上而下，钻进一段，灌注一段，采用循环式灌浆。工序复杂，劳动强度大，不利于机械化作业。我国也还有其他灌浆工法。GIN法曾在我国多个工程试验，未能推广。
2.5 灌浆过程控制与计算机应用
西方自20世纪70年代，开始使用灌浆记录仪，80年代日本在大内坝（灌浆量近10万m）、川治坝（灌浆量近20万m）使用计算机控制进行自动化灌浆。
我国自20世纪90年代开始研发推广灌浆记录仪，现已普及应用。记录仪联网监控也已在几座坝实现。20世纪末中国水电基础局与天津大学曾经联合进行了灌浆自动化的研究，并取得阶段成果，技术上基本不存在问题。主要受制于工艺繁杂和工程标价过低无法推广应用。
另外，由于体制和经费的原因，我国当前主导灌浆机械化和信息化开发研究的主要是业主单位，但有的业主关心的首先不是如何提高施工效率、降低工人劳动强度，而是想如何“管住”施工单位，陷入了严重的误区，难以引领技术的进步。
2.6 灌浆质量检查和灌浆效果
西方对灌浆质量的控制一般以过程控制为主，只要施工过程是按照设计要求进行的，灌浆过程数据变化是合乎规律的，末序孔的透水率和单位注入量达到小于或接近某一数据时，灌浆就认为是合格的，在末序孔的透水率和单位注入量偏大的部位少量地布置补灌孔，也作为检查孔进行压水试验。对检查孔的布置和合格标准少有硬性的指标规定。西方灌浆质量总体较好，少见有异常情况的报道。但是欧洲有几座坝对帷幕耐久性提出疑义，工程完成10～15年后需要补灌，一些专家将其归结为灌注了稀浆的缘故。
我国历来也重视过程质量及检查，但近一二十年来过程质量控制力不从心，甚至全面失控。转而寄希望和设防于最终质量检查，并增加第三方检查，还增加一些无意义的物探检查项目（指帷幕灌浆）。我国灌浆工程总体质量较好，不少大坝帷幕优于西方国家防渗标准和防渗效果。我国灌浆主要使用多级水灰比浆液，以稀浆开灌，并不多见帷幕防渗能力异常衰减现象。但近年来帷幕灌浆工程完成以后，初期蓄水即渗漏较大而大量追加补灌工程量的情况多有发生。
2.7 灌浆工效
西方国家灌浆工效很高，一台钻机与一台灌浆泵月完成钻灌工程量在2000m以上；我国灌浆机组一般配置两钻一灌，工效约为200～400m/月。
2.8 计量方法
国外灌浆工程计量方法各工程不完全一样，一般较复杂但合理，每道工序（如钻孔、复钻水泥结石、压水试验、裂隙冲洗、安装灌浆塞、注入水泥量等）都按不同单位给予计量计价，无论水泥注入量是多是少，承包商基本没有风险。
我国采取灌浆进尺和注入量两种计量方式，都过于简单。前者留下尽量节约水泥（这是正确的）甚至偷工减料的空间，后者则助长浪费和弄虚作假。
3 我国灌浆技术的差距与优势
通过上述的分析比较，可以明显地看出我国灌浆技术与世界先进水平的差距主要是，灌浆理念偏于保守，钻孔灌浆设备落后、钻灌工艺复杂、机械化自动化水平低、计算机应用水平较低，施工劳动强度大、工效低，计量方法粗放导致灌浆资料失真，进而导致施工质量控制难度加大，灌浆质量评价困难。
但是，我国的灌浆技术也有超越西方的突出优点，即灌浆质量好，只要原原本本、实实在在按照我国灌浆规范施工的工程，其帷幕防渗效果、耐久性是可以长期经受工程运行考验的，大量的在用工程运行情况说明了这一点。个别工程后期进行防渗帷幕补强灌浆主要原因不外乎初期施工质量就有问题，或特殊的地质原因。
我国帷幕灌浆质量之所以优于西方，主要基于以下原因：
（1）多级水灰比浆液循环式灌注，稀浆开灌，浆液渗透能力强，有利于填充更多的细裂隙，帷幕防渗标准高，透水率可以达到小于1Lu。
（2）孔口封闭灌浆法，自上而下反复复灌，增加了灌浆质量的可靠性。
（3）较严格的灌浆结束条件，使得注入岩石裂隙中的水泥浆液结石密实度提高，因而耐久性好。
也就是说，我国帷幕良好的防渗效果恰恰是繁琐的灌浆工法和较大的投入（消耗）所换取来的，而我国民族文化追求完美的特质，使得设计人员（他们是代表）不愿意降低防渗标准，这就导致我国灌浆技术难以和迟迟没有出现革命性的变化。
4 怎样向国际先进灌浆技术学习
就我国机械制造业和计算机技术的发展水平来说，将我国灌浆技术提升为西方灌浆工法，硬件基本上不存在问题，有些差距也可在短期内解决。问题是软件，即灌浆理念和防渗标准，还包括施工人员技术素养。那么，我国应当怎样学习西方灌浆技术呢？
（1）要熟悉和学习西方的灌浆理念。西方灌浆理念科学，我国灌浆理念严谨，学习西方理念，不等于要用以全盘替代我国的传统理念，而是补充和丰富自己的思想。我国有许多在建的200m、300m级的高坝，在这些大型重要工程上严谨一点是必要的。现在的问题是，许多一般性的工程，100m坝高以下的工程依然比较保守，防渗标准过严，施工方法要求太死，灌浆技术无法进步，这是值得改进的。
要破除西式工法不能满足我国设计要求的偏见。西式工法施工了欧美无数大坝的防渗帷幕，总体上还是运行良好的。
理论的研究，机理的探索，设计要走在前面。各工程的灌浆技术要求都是设计制定的，近些年来灌浆工艺复杂化的趋势，设计是主要推手。为了解决这一问题，要倡导设计人员深入施工现场（至少在一些关键的时段），积累经验，感受“直觉”。非如此，不能获得完美的灌浆设计与施工。
记得已故潘家铮院士曾经大力推动培养水工—地质师或地质—结构工程师。现在由于实行了监理制度，有些设计人员离施工越来越远，不了解现场情况，这样如何做出优秀的灌浆设计，如何实时地根据现场情况正确地调整灌浆施工工艺及参数呢？
要在适当的范围内，例如在中低坝的帷幕灌浆中，在高坝的高高程岸坡帷幕灌浆中，在几乎所有的固结灌浆中，提倡优先采用低碳、优质、高效的西式工法，即自下而上纯圧式灌浆法。传统的灌浆方法适应我国过去的国情，现在国情已变化，粗放的、劳动密集型的传统工法越来越难以为继，实行转型升级是必由之路。
（2）推广西式工法不仅是工艺的转变，钻孔灌浆设备也应更新，西式工法与孔口封闭法相比，能源消耗只有1/4，水泥损耗只有1/12[1]。但如果仍使用传统的岩芯钻机、柱塞式灌浆泵，节能降耗效果就差多了。更重要的是提高施工人员的水平，西式工法机械化程度高、工效高、劳动强度低，但对施工技术人员和操作工人技术素养要求高，这也符合我国劳动力进步的趋势。除了施工人员以外，目前我国业主、设计、监理人员对西式灌浆工法也都缺少全面和深入的了解，也有知识更新的问题。
改变工法以后，灌浆由断续进行变为连续作业，因此可实行白天一班制工作，既改善工人和旁站监理劳动条件，又增加透明度，有利于加强管理提高质量。
（3）要在推广西式工法的基础上提高我国灌浆施工机械的升级换代，提高机械化水平，逐步实现自动化和信息化。我国传统工法工序过于繁杂，难以提高机械化水平，难以实现自动化。学习西方技术要抓住精髓，不能是只言片语，不能是一两种浆液配方，应当注意技术的系统性和完整性，例如稳定性浆液就是成套技术。
（4）当前，我国社会经济发展正处于调整转型阶段，开发和应用节能环保技术已是当务之急。西方先进灌浆技术离我们只有一步之遥，我们应未雨绸缪。笔者建议能有一个适宜的工程先行先试，作为一个科技攻关课题来实施，先进行“顶层设计”，基本摆脱我国传统的灌浆模式，显著提高机械化自动化水平，打造我国灌浆技术的升级版，在此基础上再推而广之。
（5）传统工法仍应在一定范围内保留，比如在高坝帷幕灌浆，在地质条件不适用自下而上灌浆的地方等。但是孔口封闭灌浆法也有改进的余地，应当进行这方面的探索试验，在不改变基本工艺的条件下，较大幅度地提高工效和资源利用率。
（6）使用灰量计量法进行灌浆工程计量与结算弊病太大，要尽快终止。笔者考察了几十个工程，凡使用灰量法计量的工程单位注入量数据几乎都不真实，这是一个巨大的损失。灌浆工程是隐蔽工程，灌浆注入量数据是灌浆工程信息最主要的载体，是灌浆质量和效果的反映和评价依据，如此庞大的数据库都是假的，任何先进的机械化、自动化、信息化都失去意义，更重要的是威胁工程的长远安全。
要改变低价中标、作弊挣钱、恶性竞争的市场生态，整顿工程腐败。要严管灌浆记录仪，一方面要解除其作为贸易结算计量器具的功能，另一方面要下决心管住作假行为，以现代技术而言是完全可以管好的。要建立黑名单制度，一旦发现作弊的施工单位，要进入黑名单。如果管住了记录仪作假，也可以倒逼投标价格趋向合理，倒逼计量制度改革。
参考文献
［1］ 潘家铮.《现代灌浆技术译文集》序［C］//《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.
［2］ 库兹勒.关于岩石透水性与灌浆标准的研究［C］//《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］ 中国大坝代表团.第十五届国际大坝会议技术专题综述及瑞士大坝工程考察报告［R］：49.
[1]详见本书《低碳经济与灌浆》。