第4章　新型固壁泥浆研发与大体积泥浆自动搅拌系统

4.1　新型防渗墙正电胶固壁泥浆

4.1.1　概述

固壁泥浆技术是防渗墙施工中的重要组成部分。随着100m以上超深与复杂地质条件防渗墙地层的复杂性和施工难度的增大，固壁泥浆技术在稳定孔壁、防止坍塌，携带和悬浮钻屑，拓展液压铣槽机、抓斗、冲击反循环、气举反循环等优良设备的适用范围，提高工效等方面将起到越来越重要的作用。

长期以来，我国的水利水电行业防渗墙工程绝大多数采用黏土造浆固壁，有些工程为改善泥浆性能[1]，在黏土浆中掺加一部分膨润土。20世纪末，在三峡一期围堰防渗墙工程中，基础局通过室内和现场试验，认为膨润土泥浆固壁性能好、泥皮薄、清孔效果好，同时，由于其造浆率高，容易搅拌，综合成本并不高于黏土泥浆，经过技术经济比较，开始在工程中采用。长江三峡工程二期上游围堰防渗墙施工中[2]，基础局开展了包括膨润土性能、泥浆配比、泥浆试验方法和泥浆制备与净化等全面研究，系统论证了膨润土泥浆的优越性，膨润土泥浆开始在水利水电行业防渗墙工程中大规模广泛应用。

黏土泥浆与膨润土泥浆均属于分散型固壁泥浆，即由淡水、膨润土或黏土和起分散作用的处理剂组成。常用的处理剂主要是纯碱、烧碱及起降滤失作用的羧甲基纤维素（CMC）等。该类固壁液抑制性差，性能不稳定，抗污染能力差，浆液中加入大量烧碱、纯碱等，对自然环境带来不利影响，在100m以下深度防渗墙施工中具有较好的技术经济可行性，但对于100m以上超深与复杂地质条件防渗墙工程，实践表明，影响钻孔效率明显，漏浆塌孔现象随深度增大逐渐增多，孔壁不稳定问题日益严重，甚至影响到工程质量与安全[3-4]。

此前，基础局多次在防渗墙工程中试验性使用过聚丙烯酰胺为主剂的高分子聚合物材料，并取得一定成效，但由于其成本高，且受槽孔深度、施工设备制约，难以适应深厚复杂覆盖层的防渗墙施工。

目前，石油勘探钻井界已研制出数十种处理剂，用于千米级石油钻井液施工，效果良好，但石油钻井为圆形，自稳性能强，大多着眼于泥页岩、高盐钙地层等。超深与复杂地层防渗墙为槽孔形，地层中砂层、砂砾石层和孤、漂石地层等漏浆塌孔风险高，不能简单照搬石油行业的经验。

基于上述需求，借鉴石油行业的成果经验，基础局从田湾河仁宗海大坝防渗墙工程开始[5]，在旁多、泸定等工程施工中，提出了“外泥皮+桥塞区+浸染区”共同构成槽孔稳定体系的新概念，研发了新型防渗墙正电胶固壁泥浆，具有固壁效果好、防渗漏性能高、携带与悬浮能力强、环境综合成本低的优势，取得了突破性成果，在之后的100m以上深度防渗墙工程中广泛推广应用，如黄金坪水电站、新疆小石门水库、西藏雅砻水库、新疆大河沿水库、红石岩水电站等[6-7]，从而解决了制约我国100m以上超深与复杂地质条件防渗墙的重要技术难题，成为超深防渗墙固壁泥浆的首选材料。

4.1.2　防渗墙槽孔地层槽壁稳定机理

防渗墙槽壁稳定的实质是力学不稳定问题，当槽孔地层所受的应力超过其本身的强度则会发生槽壁不稳定。其原因十分复杂，就其主要原因可归纳为力学因素、物理化学因素、渗透性能和工程技术措施等方面，但最终均因影响槽壁应力分布和槽壁地层的力学性能而造成槽壁失稳[8-9]。

4.1.2.1　力学因素

（1）原地应力状态。原地应力状态是指在发生工程扰动之前就已经存在于地层内部的应力状态，也简称为地应力。一般认为它的3个主应力分量是铅垂应力分量、最大水平主应力分量和最小水平主应力分量。

研究表明，水平地应力的大小受上覆地层压力、地层岩性、埋藏深度等诸多因素的影响。其中，上覆地层压力的泊松效应和构造应力是主要影响因素。

在地质时期，由于多次构造运动的结果，在地层内部形成了十分复杂的构造应力场。构造应力大多以水平方向为主，则总的水平主应力分量为上覆岩层压力泊松效应产生的压应力与构造应力之和。

（2）应力状态的变化。槽孔地层被钻开之前，地层受到上覆压力、水平方向地应力和孔隙压力的作用，槽壁处的应力状态即为原地应力状态，且处于平衡状态。在正常沉积环境中，地层处于正常的压实状态，孔隙压力保持为静液柱压力，即为正常地层压力，压力系数为1.0。在异常的压实环境中，当孔隙压力大于正常地层压力时称为异常高压地层压力，压力系数大于1.0。当地层被钻开后，地应力被释放，引起孔壁周围应力的重新分布，并形成向槽孔内侧的槽壁侧土压力。如果槽壁土压力不能被有效抵抗，槽孔槽壁就会发生坍塌[10]。

4.1.2.2　槽孔地层物理力学性质因素

研究表明，不同槽孔地层土体的物理力学性质与槽孔槽壁稳定有着密切关系：黏性土地基中，土体内摩擦角低、土体抗剪强度随深度增加的速率慢，同时侧压力系数大、成孔后孔壁土体侧向卸荷量大、孔壁土体竖向应力与侧向应力差也大，因此黏性土地基中深层土体更容易产生较大的塑性区以及较大的变形；但受黏聚力的影响，孔壁土体虽然产生了较大的塑性区与变形，孔壁土体应力重分布后更容易达到新的平衡，因此孔壁土体稳定性安全系数较大。砂土与砂砾（卵石）石地基中，土体内摩擦角大、土体抗剪强度随深度增加的速率快，同时侧压力系数小、成孔后孔壁土体侧向卸荷量小、孔壁土体竖向应力与侧向应力差也小，因此砂土地基中土体塑性区以及变形小；但由于是无黏性土，孔壁土体产生一定的塑性区后，很容易发生破坏，同时这种破坏会向四周蔓延扩散，最终形成坍孔。

因此，超深防渗墙槽壁失稳多发生在砂层、砂砾石层和孤、漂石地层等。

4.1.2.3　槽孔地层渗透性因素

槽孔地层的渗透性与槽孔槽壁稳定有着密切关系。为维持槽孔地层的稳定性，在防渗墙造孔挖槽施工中，槽孔中会注入泥浆，当地层渗透性强时，通常会引起槽内泥浆漏失，导致槽内泥浆液面下降，如补充不及时，将减小泥浆对槽壁的支撑压力，增大槽壁失稳的概率，特别是当泥浆液面快速下降时，槽孔地层中的地下水会向槽内渗透，会破坏槽孔地层土体结构，带来动水压力；同时，泥浆的渗透也会破坏槽孔地层土体结构，减小土体抗剪强度。

因此，超深防渗墙槽壁失稳常常伴有严重漏浆，必须及时处理。

4.1.2.4　固壁泥浆作用下的槽孔地层槽壁稳定机理研究

作为维持防渗墙槽孔施工中的最重要工程措施，在防渗墙造孔挖槽施工中，槽孔中会注入泥浆，利用泥浆的浆柱压力抵抗槽孔地层中的槽壁土压力，改善槽孔地层性能，同时还有冷却钻具，携带、悬浮钻渣的作用。

（1）通过浆柱压力，支撑槽孔地层槽壁稳定。浆柱压力是由浆柱自身的重力所引起的压力，它的大小与浆液的密度、浆柱的垂直高度或深度有关，即

式中：Ph为浆柱静压力，MPa；ρ为浆液的密度，g/cm3；h1为浆柱的垂直高度，m。

为保证固壁泥浆的浆柱压力，需要保证泥浆的密度，要保证固壁泥浆的液面高度，发生漏浆时，要及时处理和补充浆液。当然，泥浆的密度过大也会带来诸多不良因素。

（2）通过物理化学作用，加强槽孔地层结构，减少渗透破坏。由于固壁泥浆的流变性，会形成泥皮贴附于槽壁上，既增强了槽孔地层结构，又堵塞了渗漏通道，如图4.1所示。但是，传统防渗墙固壁泥浆研究仅仅着眼于泥皮作用是不全面的，事实上，单纯外泥皮很难维护孔壁稳定，由于泥浆的浸染性，孔壁稳定体系是由“外泥皮+桥塞区+浸染区”共同构成的，如图4.2所示。外泥皮堵塞了槽壁的渗漏通道，增强了槽壁的抗剪切能力，是槽壁稳定的强有力保证；同时，由于泥浆的渗入，泥浆颗粒充填了槽壁孔隙，并起到胶凝作用，形成了桥塞区胶体，增强了地层结构；更深处的泥浆渗入，还形成了浸染区，也在一定程度上提高了槽壁土体的强度和抗渗性。

因此，固壁泥浆研究中，要综合考虑它的流变性和浸染性。

（3）通过抑制钻渣或孔壁土颗粒水化分散，携带钻渣，增强槽孔地层稳定。由于泥浆的抑制性，可以抑制钻渣或孔壁土颗粒水化分散，可以携带、悬浮钻渣，并提高槽孔地层的稳定性；同时固壁泥浆需要一定的稳定性，否则易于发生离析，抑制性能将大幅降低[11]。因此，固壁泥浆的抑制性和稳定性同样十分重要。

4.1.3　新型固壁泥浆研发

4.1.3.1　研究思路

基于防渗墙槽孔地层槽壁稳定机理研究，特别是固壁泥浆作用下的槽孔地层槽壁稳定机理研究，针对传统固壁泥浆不能满足100m以上超深与复杂地质条件防渗墙槽孔施工的技术难题，借鉴石油钻井液的研究成果，水电施工企业从选择处理剂入手，着眼于通过提高固壁泥浆的稳定性、抑制性、流变性等，研发新型防渗墙固壁泥浆[12]。

4.1.3.2　单剂优选及评价

（1）单剂优选。石油钻井行业中，为了解决孔壁失稳问题开发了多种处理剂，包括大分子包被剂、小阳离子抑制剂、无机盐抑制剂、降失水剂、正电胶等。本书参照其思路，通过室内试验选择了8种包被抑制剂进行筛选，分别为KPAM（粉剂）、增黏抑制剂80A51-223（粉剂）、B-22（粉剂）、FA-367新样品（粉剂）、大分子乳液1、大分子乳液2、HP乳液、正电胶。

单剂选择首先进行处理剂流变性、滤失量测试，基浆为10％膨润土浆，搅拌1h，膨化24h之后进行试验，试验结果见表4.1。

在此基础上对抑制性进行评价。抑制性即抑制孔壁地层或钻屑水化分散和膨胀的能力，可通过测定浆液中的岩屑回收率评价。试验基浆由地表水和10％膨润土浆按2∶1比例配置，降滤失剂选用NH4-HPAN。试验结果见表4.2。

从表4.2中可以看出，单独使用包被抑制剂的岩心回收率较低。结合前人的成果，选择小阳离子等抑制剂共同使用，再配以降滤失剂可以达到更好的抑制效果，降滤失剂分别选取CMC和PAC-LV，以进一步降低其滤失量，增加抑制性，见表4.3。基浆为：400mL水+200mL10％膨润土浆+3g大钾+12gNH4-HPAN。

100m以上超深与复杂地质条件防渗墙槽孔稳定风险大，如岩屑回收率达到70％，则基本可以达到施工要求。以上试验研究表明，无论是其流变性还是其抑制性，加入正电胶的泥浆均优于80A51-223、大分子乳液等其他处理剂，滤失量相当，可较好地解决深厚复杂覆盖层防渗墙施工过程中的孔壁稳定及携带、悬浮岩屑等问题。

（2）正电胶的基本性能。正电胶是混合金属层状氧化物的简称，由于其胶体颗粒带永久正电荷，所以统称为正电胶。以正电胶为主剂配制的浆液称为正电胶泥浆。

1）化学组成和晶体结构。正电胶主要是由二价金属离子和三价金属离分子组成的具有类水滑石层状结构的氢氧化物。现场应用的正电胶主要是铝镁氢氧化物正电胶（Al-MgMMH），也可称为氢氧化铝镁正电胶。主要成分是Mg2+、Al3+、OH-和Cl-。基本构造单元是镁（氢）氧八面体，八面体中心是Mg2+，6个顶角是OH-。相邻八面体间靠共用边相互连接形成二维延伸的镁（氢）氧八面体结构层，即单元晶层，称为水镁石片。OH-之间的全部八面体孔隙中，水镁石片堆叠形成晶体颗粒。水镁石的层状晶体结构决定了它多以片状形态存在。

水滑石的化学组成式为[Mg6Al（OH）16][]·4H2O。它具有与水镁石一样的层状结构，水镁石片中的Mg2+被Al3+同晶置换后，晶体结构不变，形成镁铝氢氧化物八面体结构层，称为类水镁石片，是水滑石的单元晶层。水滑石就是由这种类水镁石片重叠形成的。在类水镁石片中，由于高价的Al3+取代了部分低价的Mg2+，使得正电荷过剩，所以类水镁石带正电荷。这种由晶体结构产生的电荷称为永久电荷。

2）正电胶的电荷来源。正电胶胶粒的电荷主要来自于同晶置换和离子吸附作用。当正电胶中的镁氧八面体中心的Mg2+部分被Al3+取代后，由于Al3+所带的正电荷数比Mg2+多，每取代一个Mg2+就增加一个正电荷，所以类水镁石片有过剩的正电荷。正电胶中的同晶置换作用与黏土粒子是相同的，只是黏土粒子是低价阳离子（Mg2+或Ca2+）取代高价阳离子（Al3+或Si4+）而使层片带负电荷。

同晶置换所产生的电荷是由物质晶体结构本身决定的，与外界条件如pH值、电解质种类及浓度无关，因而称为永久电荷。正电胶胶粒表面电荷密度与离子吸附作用有关，如高pH值时吸附OH-而带负电荷，低pH值时吸附H+而带正电荷，当吸附高价阴离子如、等时，表面负电荷增加，这种离子吸附作用产生的电荷与外界条件有关，称为可变电荷。胶粒的净电荷是永久电荷和可变电荷之和。

3）基本技术指标。目前，正电胶已形成系列化产品，包括溶胶、浓胶和胶粉3个剂型，统称为正电胶，可满足不同现场条件的生产需要。为了优选出最适合施工特点的泥浆配方，本书对3个剂型的产品都做了性能评价，表4.4是不同剂型的正电胶产品的主要技术指标。

（3）正电胶干粉与原胶选择。为全面了解干粉与原胶的理化性能，在室内对稀胶、浓胶、干粉3种产品进行了相关检测，从检测结果可以看出，干粉比原胶性能优越，干粉中喷雾干粉性能更为优越。相关试验如下：

1）干粉与原胶流变性评价。在含4％钠土基浆中，分别用相同浓度、相同加量的干粉和原胶处理，结果说明，干粉更能体现正电胶的独特流变性，主要表现在前者塑性黏度小、水眼黏度低、剪切稀释指数高，试验数据见表4.5。

盘式干粉与喷雾干粉对比：在相同的试验条件下，分别用盘式干粉和喷雾干粉处理泥浆，结果说明，在105℃±3℃的温度下，采用盘式干燥的样品，其分散性差，胶体率低，处理泥浆后，其流变性变化不大，而采用先进的成粉技术和工艺生产的产品基本上保持了原胶的性能，试验数据见表4.6。

2）干粉与原胶抑制性评价。

a.抑制膨胀性试验按NP-01页岩膨胀仪测试规则分别测定相同浓度（2％浓度）干粉和原胶随时间变化的膨胀率，结果如图4.3所示。由此可知干粉在6h前，膨胀率比原胶略差，但6h后抑制膨胀能力却比原胶好。

b.抑制分散试验将泥页岩分别放在干粉和原胶配成的溶液中做热滚回收对比试验，发现在同样加量下，两者的抑制效果基本相当，结果见表4.7。

c.抗钻屑污染试验将钻屑（蒙脱石含量为68％）加入到含2％正电胶干粉的泥浆中，其黏土容重可达15％，结果见表4.8。由表4.8可知，正电胶干粉也具有较强的抗钻屑污染能力（68％）。

（4）正电胶与其他处理剂配伍性。

1）与降黏剂配伍。在含4％钠土和0.5％正电胶基浆中，分别用FCIS、SMC、SMK、XY-27　NPAN处理，试验结果说明，常用的降黏剂都不同程度地起到降黏切的作用，但对卡森流变性影响较大，试验数据见表4.9。

2）与降失水剂配伍。在含3％钠土和0.5％正电胶干粉基浆中，分别用LV-CMC、NPAN、JT888、HMP21、SMP处理，试验结果说明，以上降失水剂都能不同程度地降低体系的滤失量，但都不同程度地会影响体系的流变性，试验数据见表4.9。

（5）正电胶毒性试验。正电胶处理剂已作为定型产品在石油行业广泛使用，本书也委托国家环境分析中心对正电胶处理剂进行了毒性试验，检测结果表明该处理剂各项浸出值均低于《危险物鉴别标准　浸出毒性鉴别》（GB 5085.3—2007）的最低限，见表4.10，即正电胶泥浆不会对施工区地表水和地下水造成污染。

4.1.3.3　新型防渗墙正电胶配合比研究

通过上面的对比试验和特性及其机理分析，在配方中使用正电胶干粉是合适的。不同配方的试验数据见表4.11，其性能见表4.12，推荐的泥浆配方见表4.13。

4.1.3.4　正电胶浆液的特性

（1）稳定性。正电胶胶粒带高密度的正电荷，对极性水分子产生极化作用，使其在胶粒周围形成一层稳定的水化膜，这个水化膜的外沿显正电性。而岩屑/黏土胶粒所带负电荷，也会对水分子产生类似作用，只是水化膜外沿显负电性。当两个带有强水化膜的粒子靠近时，首先接触的是水化膜外沿，由于电性相反而形成贯通的极化水链，使两个粒子保持一定的距离而不再靠近。这样，在整个空间就会形成由极化水链连接的网络结构，这种由正、负电荷的颗粒与极化水分子所形成的稳定体系称为“正电胶-水-黏土复合体”。正是这种特殊的结构，使正电胶泥浆具有特殊的流变性、稳定性，并具有极强的结构力，即体系携带与悬浮钻渣岩屑的能力，如图4.4和图4.5所示。

这种特殊的结构，抑制了岩屑的分散性，提高了泥浆的携带能力，可提高造孔挖槽效率，同时泥浆自身稳定性强，不易发生离析、沉淀，严重时丧失固壁能力。

（2）固-液相间的流变性。实践表明，正电胶浆液具有一种特殊的流变学现象，即静止时呈假固体状，具有一定的弹性；搅拌时迅速稀化，变为流动性很好的流体。这种现象称为“固-液双重性”，即为极强的剪切稀释性。其主要是由正电胶-水-黏土复合体结构引起的。静止时，体系的水全部被极化后可形成网状结构，因而结构强度大，表现为动切力较高，即体系悬浮钻屑能力较强。因为其复合体中所形成的空间网状结构主要是由极化水链连接的，极化水链结构的形成和破坏均十分迅速，因而从假固态向流体的转化或相反的转化都可以在很短的时间内完成。而结构的破坏仅限于受扰动很窄的区域，邻近未感受到应力作用的部分不受影响。

正电胶浆液因其有较强的动切力，增强了携带岩屑能力，有利于提高清孔工效及清孔效果；而其较高的静切力，使得悬浮岩屑能力增强，可以保证未被清除的岩屑在长时间混凝土浇筑过程中不下沉或极少下沉，有利于减少孔底淤积，提高混凝土墙体浇筑质量。同时，由于正电胶浆液静止时呈假固体状，在近孔壁处于假固相，即所谓的“滞流层”，它减轻了浆液对孔壁的冲蚀。通过现场试验发现，“滞流层”厚度约为19mm。“滞流层”对解决砂层和松散的漂砾石层坍塌问题甚为重要，同时对易漏失地层具有较好的防漏堵漏效果。

（3）抑制性。正电胶泥浆具有良好的抑制性。造浆性强的地层对正电胶泥浆的流变性能影响不大，同时还有极强的抗Ca污染的能力，Ca2+进入浆液还能改善浆液的流变性能。同时对滤失量影响不大。

孔壁失稳的原因之一是地层的水化问题。水化分表面水化和渗透水化两种。正电胶的强抑制性使地层中矿物或岩屑表面的离子活度降低，从而削弱了表面水化和渗透水化作用，因此，稳定了孔壁，防止了掉块、塌孔等孔内事故的发生，并大幅提高了成槽工效。

（4）吸附性和浸染性。事实上，单纯外泥皮很难维护孔壁稳定，孔壁稳定体系是由“外泥皮+桥塞区+浸染区”共同构成的，如图4.6所示。外泥皮堵塞了槽壁的渗漏通道，增强了槽壁的抗剪切能力，是槽壁稳定的强有力保证；同时，由于泥浆的渗入，泥浆颗粒充填了槽壁孔隙，并起到胶凝作用，形成了桥塞区胶体，增强了地层结构；更深处的泥浆渗入，还形成了浸染区，也在一定程度上提高了槽壁土体的强度和抗渗性。

带正电荷的正电胶胶粒加入泥浆体系后，会降低体系的负电性，甚至会转化为正电性，更容易吸附在孔壁上，形成外泥皮，也更容易进入松散地层，强化桥塞区和浸染区。

4.1.3.5　正电胶泥浆在旁多工程中的应用

在西藏旁多158m大坝防渗墙施工中，大规模使用了正电胶泥浆。该工程地层包括下部冰水沉积孤（漂）石层、砂砾石层；中上部河流相漂砾石层、砂层；左岸Ⅱ～Ⅲ级台地坡积块石堆积体。但总体以河流相沉积漂卵石层、砂层为主。造孔成槽深度一般为152～158m，试验段最大深度达201m[13]。

（1）现场应用配方。在大量试验的基础上确定了防渗墙施工泥浆实用配方，其配合比见表4.14，泥浆性能见表4.15。

（2）泥浆性能控制及使用。对新制及重复利用的泥浆性能经常检测予以控制其质量，是维护孔壁稳定、保证混凝土浇筑顺畅及墙体质量的关键。泥浆性能主要控制指标见表4.16，各项性能均高于国内规范要求和国际标准。

新制泥浆主要用于清孔及上部15～20m易坍塌地层，重复利用泥浆主要供中下部地层使用。特殊槽段新制泥浆用至40m左右，以确保孔壁稳定。此外，尤为重要的是混凝土浇筑前泥浆指标的控制，一是必须保证含砂量不大于3％，二是保证泥浆有足够的切力，防止混凝土浇筑过程中泥浆中未被清除的岩屑下沉，造成断墙、墙体夹砂，以及接头管拔脱等质量事故的发生。

（3）主要施工效果。正电胶泥浆在旁多工程中得到大规模应用，表现出优异的效果。

1）稳定孔壁。在轴线长达602m（PD-45～PD-162号槽段）的旁多水利枢纽深度大于100m的防渗墙槽孔施工中，除PD-67号槽孔因膨润土供应短缺造成孔壁掉块卡斗外，其余各槽段未出现因地层水化膨胀导致的孔内事故及槽孔坍塌现象，并由此大大降低了处理孔故及重复造孔时间，提高了施工工效。与国外类似地质条件相比，造孔成槽工效提高了近1倍。

2）有效封堵渗漏，减缓浆液对孔壁的冲蚀。旁多大坝防渗墙孔深60～80m为漂卵石和崩塌堆积块石体，间夹粉细砂等，属强漏失地层。如采用常规分散型泥浆，遇到该类地层时难以控制其漏浆及地层水化分散、膨胀，漏浆、塌孔难以控制。实践表明，正电胶泥浆有效封堵了地层孔隙，防止了孔内复杂情况的发生。即使个别槽孔出现严重漏浆，槽孔内浆面迅速下降，也因“外泥皮+桥塞区+浸染区”稳定体系的形成而保持了孔壁稳定。

3）提高浆液的携带与悬浮能力。通常情况，150m深槽孔常规分散型泥浆无法或极难清除槽孔内下部岩屑。正电胶的加入提高了其动切力，即携带岩屑的能力，因而加快了清孔工效，提高了清孔效果，使清孔指标可达到含砂量小于3％，通常在1.5％左右。静切力的提高，亦即泥浆悬浮岩屑能力的提高，保证了在混凝土浇筑过程中，未被清除的岩屑悬浮泥浆中而不下沉。这一点对墙体质量至关重要。