摘要：通过对丹江口和龙羊峡坝基典型特殊地质问题化灌处理设计与应用的总结分析，并结合三峡工程基础处理设计和现场灌浆试验成果以及已有水泥灌浆施工资料，对化学灌浆处理水工建筑物基础特殊问题的设计与应用问题、三峡工程坝基防渗帷幕和基岩固结灌浆采用化学灌浆的可能性和必要性问题进行了分析与探讨，认为化学灌浆技术在地基加固处理方面有着发展和应用前景，对三峡工程特殊地质缺陷部位，采用化学灌浆进行地基加固问题值得研究。


　　关键词：三峡工程；基础；丙凝灌浆；环氧灌浆；设计；应用；分析
1 引言
　　为解决水工建筑物复杂地基的防渗、堵漏及补强加固等方面的难题，国内外大量采用了化学灌浆技术。对存在特殊问题及结构有特殊要求的地基，当采用常规方法难以处理或处理代价很大时，人们通常会考虑能否采用化学灌浆处理。
　　三峡工程设计各阶段的大坝基础处理，都根据当时的化学灌浆技术发展状况，考虑或比较过化学灌浆处理坝基特殊地质缺陷。在国内外利用丙凝及丙烯酸盐灌浆处理细微裂隙取得较多成功经验后，开展了大量的浆材研究及灌浆工艺试验。考虑当坝基防渗帷幕采用水泥灌浆不能解决细微裂隙防渗问题时，采用丙烯酸盐做进一步的灌浆处理；在三峡工程前期设计阶段，为论证弱风化花岗岩的利用及断层破碎带的加固处理问题，进行了环氧树脂及甲凝(MMA)用于基岩固结灌浆的研究，并在太平溪坝址开展了野外灌浆试验；三峡工程开工后，针对升船机上闸首揭露的P548、f215等泥化断层的加固处理，进行了水泥与环氧树脂材料的高压复合固结灌浆试验，取得了较为理想的效果，有关试验成果拟应用于永久船闸输水系统南五竖井f1096，断层处理。
2 我国水工建筑物基础化灌处理设计与应用现状
　　我国化学灌浆技术虽然起步较晚，但发展较快，许多规模大的水电工程针对客观存在的各种特殊基础问题，开展了浆材研究及灌浆工艺试验，并应用于坝基特殊地质条件的防渗、堵漏及加固。
　　目前，我国在坝基特殊地质条件的防渗、堵漏及加固均有相应基本灌浆材料及配套的灌浆工艺，但近年来化灌技术的应用相对较少(与60年代至80年代相比)，工程技术人员，特别是设计人员对化灌技术的应用表现出较为慎重的态度，在基础处理方案论证时，多倾向采用水泥灌浆及置换回填方案。造成这一状况的原因是多方面的，有客观原因，也有主观原因。客观原因是人们环保意识的加强，以及各种细水泥与超细水泥的高压灌浆技术的应用；主观原因是化学灌浆技术没有对各类特殊的地基问题形成相对完善的灌浆材料配方及相对统一的灌浆工艺，特别是在加固处理方面，对各类地质缺陷化灌处理效果没有统一的认识。为改变这一状况，我国的化学灌浆工作者尚需作出很大的努力，研制出毒性低(甚至无毒)、粘度小、价格低廉的化灌材料，总结国内外现有的化灌工艺及设备，制定化学灌浆规范或准则，积累更多的经验，并开展广泛的交流，对化学灌浆应用于加固处理效果作出客观公证的评价，对化学灌浆应用于防渗处理，结合环保要求，制定出环境保护标准及相应的法规。
3 丹江口和龙羊峡特殊地基问题化灌处理设计与应用分析
　　为便于化学灌浆处理特殊地基问题的应用，并探讨三峡工程特殊地质问题化学灌浆处理的必要性问题，对丹江口、葛洲坝、万安、龙羊峡等60～80年代建成的大型水电工程，采用化学灌浆解决的技术问题及处理效果进行了分析与整理。
3.1 汉江丹江口水利枢纽帷幕丙凝灌浆
　　河床混凝土坝基为变质闪长岩、闪长玢岩和灰绿岩，基岩构造裂隙为细微裂隙，断层构造岩透水性一般较小。细微裂隙及透水性较小的断层构造岩防渗处理是该工程坝基防渗的主要问题。该工程在我国最早将丙凝灌浆应用于坝基防渗透水率q≤0.5Lu，解决了以下两类问题：
　　(1)防止断裂交汇区的渗透破坏(机械管涌)问题：混凝土坝9～11坝段分别有该工程规模最大的断裂交汇区，构造粘土岩、软弱糜棱岩分布于断裂带的滑动面上，贯穿坝基上下游，遇水崩解。构造岩的化学成份中，可溶岩含量较大，这些都是产生渗透破坏的内在条件。构造岩的透水性不大，透水率一般小于0.2Lu，属相对不透水，给水泥灌浆带来了困难。灌浆试验表明，在1.3MPa的灌浆压力下，水泥注入量小于0.5kg/m。曾研究过各种防渗方案，最终采用8～10m深混凝土防渗齿墙配合上游短粘土铺盖的防渗方案，在断裂交汇区不设置坝基排水孔，同时对如何提高软弱构造岩的抗渗透破坏能力进行了长时间的研究，最后决定采用丙凝灌浆进一步提高基岩及断层构造岩的抗渗性。设计时布置了三排丙凝帷幕灌浆孔，孔距2.0m。当主付排孔施工后，发现灌浆效果良好，131段丙凝灌注段中，注入量为10～20L/m者计5段，注入量为2～10L/m者计88段，说明在相对不透水的构造岩中，丙凝浆液尚有一定的注入量，可进一步提高软弱构造岩的抗渗性。结合中间加强排进行的8个检查孔，33个压水段中，除1段q=0.75Lu外，其余均小于0.5Lu，据此取消了中间加强排帷幕。混凝土坝14～16坝段存在一断裂交汇区，地质条件类似于9～10坝段，但构造岩性质较好，交汇区规模较小，主帷幕水泥灌浆施工完毕后，水泥注入量甚少，效果极不明显，参考9～11坝段灌注丙凝的经验，在14～16坝段断裂交汇区的付排帷幕布置孔距为2.0m的丙凝灌浆孔，孔深为主帷幕的1/2左右。丙凝注入量为2～10L/m者计30段，占总灌注段的69.8%，情况与9～11坝段的类似。


　　(2)水泥灌浆“失水回浓”及达不到防渗标准左部河床19～31坝段属细微裂隙发育的微透水区弱透水区，在总共2005段水泥灌浆段中，正常结束的计909段，占44.3%，其余均在失水回浓情况下被迫结束的，灌浆结束时吸浆量在1.0L/min以上的有536段，占26.8%，说明灌浆效果不理想；该部位主付排帷幕施工完毕后钻进的23个检查孔186段压水检查资料表明，q<0.5Lu者为74段，占总段数的39.8%，其余60.2%均大于设计标准，且有的检查孔孔段的q值比相邻的I序孔还要大，最大增大达15倍。分析产生这种异常现象的原因，总体上是细微裂隙没有灌好造成的。蓄水后虽坝基渗压力未超过设计允许值，但坝基各排水孔排渗量较大，是整个坝基排水孔中排渗量最大的一区，21～23坝段单孔渗水量一般为0.3L/min，个别达4.5L/min，25～26坝段一般为2～3.2L/min，个别达5L/min。为了减少坝基渗流量，避免因长期的渗透水流冲刷影响帷幕寿命和大坝的安全运行，根据地质和灌浆资料，在21～24坝段的两排水泥灌浆帷幕间增加一排丙凝加强灌浆帷幕，25～31坝段取消原设计的加强排水泥灌浆帷幕，而在25～28坝段的两排水泥灌浆帷幕间增加一排丙凝加强灌浆帷幕。从施工资料来看，丙凝注入量在5L/m以上的孔段达106段，占总灌浆段数187段的55.7%，说明具有一定的可灌性。另外，丙凝加强帷幕灌浆施工完毕后，相应于上述两部位的坝基排水孔渗水量分别减少到0.2～0.5L/min及1.5～2L/min，说明丙凝灌浆取得了一定的效果。但在26～28坝段范围内，检查孔中q>0.5Lu的孔段仍达32.3%，且多位于检查孔的末几段，分析其原因乃是设计孔距偏大、灌浆时控制胶凝时间不当及加强排帷幕深度不够等因素造成的，故又在26～28坝段范围内进行了第二次丙凝帷幕灌浆，加深部位的丙凝注入量较第一次已灌部分为大，坝基排水孔渗水量则较加深前降低了21.5%以上。
　　坝基丙凝灌浆段总深度为2553m，共计灌入丙凝13200L。
3.2 黄河龙羊峡水电站G4劈理带帷幕组合化学灌浆
　　龙羊峡水电站重力拱坝左坝肩分布有伟晶岩劈理带G4，贯穿坝肩上下游，与左岸重力墩大致平行，距上游坝面5～10m，倾向上游，倾角84°左右，分为3～5个分支，内有3～5cm厚非连续性夹泥，实测4个点的变形模量平均为2.2GPa。结构模型试验表明，坝基进行有关加固和一般防渗处理后，在正常蓄水位条件下，G4内部受拉应力作用；天然状态地质力学模型试验表明，库水位达正常蓄水位时，G4即开始出现裂缝。设计除对左坝肩及G4采取了有关结构处理措施外，对G4的防渗处理考虑过混凝土斜防渗墙方案和组合化学灌浆帷幕方案，经上级批准，采用了组合化学灌浆帷幕方案。对G4在现场进行了高压水泥灌浆及“中化-798”(一种环氧树脂浆与Lw(一种水溶性聚安脂)化学灌浆试验。由于G4组合帷幕有抗拉、抗剪及提高变模的要求，设计对组合帷幕幕体灌浆试验要求为：透水率q<0.1Lu，变模Eb=5～7CPa，抗剪强度τ>2MPa，抗压强度σ达到0.5～1.5MPa，遇水线膨胀率2%～3%(对Lw灌浆的要求)。通过现场试验、各项检查测试及室内试验，认为取得了令人满意的成果，专家审查认为试验成果宏观上均可满足设计要求。最终确定G4采用上述组合帷幕试验方案进行处理。组合帷幕先进行最大压力为6MPa的高压水泥灌浆，再进行压力为3MPa的“中化-798"灌浆，最后在上游侧进行压力为3MPa的Lw灌浆。“中化-798"灌浆完成934.56m，平均注入量46.29L/m，Lw灌浆完成1563.15平均注入量17L/m。G4组合帷幕灌浆施工完成后对“中化-798"灌浆钻孔取样进行了室内力学试验，就试验结果本身看，化学灌浆是成功的，但取样代表性值得研究，试验结果离差系数较大，试样以破碎岩体为主，对泥化带试样较少甚至没有。
　　4 三峡工程基础化学灌浆必要性分析
　　三峡工程坝墓岩体为闪云斜长花岗岩，其中含有细粒闪长岩和片岩包裹体、花岗岩脉、伟晶岩脉、辉绿岩脉及闪斜斑岩脉。坝基利用岩体以微新岩石为主，部分利用了弱风化下部岩体。基岩构造裂隙属细微裂隙，从总体看，透水性微弱，相对不透水岩体(q<1Lu)埋深为10～60m，局部达110m，在断裂发育带、卸荷带及岩脉与断裂接触面透水性强，相对不透水岩体顶板相应下降。
　　各建筑物墓础帷幕的防渗标准为透水率q<1Lu，一般地段布置一排孔，局部断裂带及强透水区布置二排孔，灌浆材料为普通水泥和湿磨普通水泥，设计最大灌浆压力6MPa，灌浆普通水泥达不到设计防渗要求的地段，考虑采用超细水泥浆材或化学浆材灌注；基础固结灌浆只考虑对坝踵、坝趾各四分之一左右范围受卸荷、爆破作用使岩体完整性受到影响、透水性增大的浅部表层基岩，以及断裂构造及其交切区基岩的浅层基岩，边坡稳定需要充填加固的部位，进行固结灌浆处理。坝踵、坝趾各四分之一左右范围的灌浆深5～6m，断裂等地质缺陷部位灌浆深10～20m，主帷幕与封闭帷幕前固结兼辅助帷幕深度分别为20m和10m。视各部位的施工安排情况，采用在3～4m混凝土盖重、基岩找平混凝土及引埋管方式进行固结灌浆，灌浆压力一般为0.4～0.6MPa，灌浆材料为普通水泥和湿磨普通水泥。
　　三峡工程开工后进行了两个阶段的现场灌浆试验，第一阶段为水泥灌浆试验，第二阶段为泥化断层加固的水泥化学复合灌浆(固结灌浆)试验。针对F548选择合适的试验场地，最终选定在与F548性状类似的f215进行现场试验。设计提出疏松状构造岩及泥化带在饱和状态下应达到如下要求：变形模量Eb≥15GPa，抗拉强度RL≥1.3MPa，抗剪参数C≥1.5MPa，f≥1.3，轴心抗压强度Ra≥10.5MPa，泊松比μ≤0.25，透水率q《1Lu。现场各项检查及取样室内试验结果表明，采用“长科院-CW”浆材进行水泥化学复合灌浆处理类似F215断层破碎带，效果明显，整体达到了设计要求。


　　三峡工程正在进行紧张的施工，二期工程帷幕灌浆已全面展开。根据三峡工程基岩渗透特性、现场帷幕灌浆试验成果及一期工程部分坝段帷幕灌浆施工资料，笔者认为，三峡工程坝基防渗帷幕采用“小口径钻孔、孔口封闭”高压灌浆法灌注普通水泥和湿磨普通水泥，在一般部位基本能满足设计防渗标准，但不排除局部特殊地段达不到设计防渗要求，相信通过增加水泥灌浆孔的排数、采用超细水泥等措施，进行处理后能满足防渗要求；另外，由于三峡工程基岩为细微裂隙，按国内一些类似已建工程坝基防渗、排水设计经验和观测资料，三峡水库蓄水后，局部地段出现坝基排水孔排渗量较大、扬压力偏大甚至超过设计值问题可能会存在，到时根据实际情况，可能需要采用具有良好穿透性和可控制胶凝时间的化学材料进行处理。
　　在基岩加固方面，升船机上闸首F548断层经计算采用掏挖回填混凝土结合水泥灌浆处理措施后，基本上能满足设计要求，加上难以创造条件对F548进行进一步化学灌浆处理，没有采用水泥化学复合灌浆作进一步处理。考虑到三峡工程规模巨大、战线长，特别是永久船闸牵涉到诸多复杂的岩石力学问题。第一阶段水泥灌浆试验表明，按上述帷幕灌浆设计参数，采用“小口径钻孔、孔口封闭”高压灌浆方法，灌注普通水泥和湿磨普通水泥浆所形成的幕体，满足设计防渗要求；在有混凝土盖重和基岩找平混凝土方式下灌注普通水泥和湿磨普通水泥浆满足一般裂隙性岩体部位的固结灌浆要求。
　　第二阶段泥化断层加固的水泥化学复合灌浆试验是在升船机上闸首揭露出F548等泥化断层后开展的F548断层有多个分支，宽0.1～1.3m不等，构造岩呈疏松状，局部泥化，构造岩变形模量试验最低为7.9～32.18MPa，地质建议值为200～500MPa。F548断层的分布对上闸首结构极为不利，斜切上闸首右下角，在相邻的左非8#坝段与F23断层交汇。对其处理措施进行了多方案的比较，方案比较过程中对化学灌浆处理方案进行了重点考虑。参照龙羊峡G4辟理带环氧浆液化灌经验，并根据有关专家的建议，进行水泥化学复合灌浆试验。其地面及地下工程开挖已揭露出数条类似F548的泥化断层，必要时可采用水泥化学复合灌浆进行处理；此外，左厂1～5坝段坝基缓倾角裂隙对坝基稳定的影响问题，受到各方面的高度重视，是三峡工程一项重要技术课题，虽然经论证各项结构处理措施能满足抗滑稳定要求，但是否有必要采用水泥化学复合灌浆作进一步处理，值得研究。
5 结语
　　(1)根据三峡工程现场灌浆试验成果及一、二期工程部分坝段帷幕与固结灌浆施工资料，三峡工程帷幕灌浆需采用丙凝类材料灌浆的必要性与可能性不大；一些特殊地质缺陷部位，采用化学灌浆进行地基加固问题值得研究。
　　(2)水工建筑物对地基防渗要求虽然较高，一方面，采用普通水泥或细颗粒水泥灌浆，特别是高压灌浆的广泛采用，一般能满足坝基防渗要求；另一方面，随着坝基防渗排水设计经验和已建工程坝基扬压力观测资料的不断积累，目前，坝基防渗设计标准有放宽的趋势，加之环境保护问题日益重要，限制了化学灌浆技术在坝基防渗中的使用。
　　(3)由于化学灌浆技术的独特优越性，在水电行业及其它行业采用化学灌浆加固地基，已越来越多，化学灌浆技术在地基加固处理方面还是有发展与应用前途的。