10.5　新型防渗墙正电胶固壁泥浆研究与应用

10.5.1　研究概况

固壁泥浆技术是混凝土防渗墙施工中的重要组成部分。随着钻遇地层的复杂和施工难度的增大，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、冲击反循环钻机等优良设备及气举反循环清孔工艺的适用范围，提高工效等方面起着重要的作用。

长期以来，国内外在防渗墙施工中仍然沿用早在20世纪60—70年代使用的分散型固壁泥浆，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。该类泥浆在覆盖层比较薄、墙体较浅、地层比较稳定的防渗墙施工中尚可满足要求。但我国西部许多工程地基覆盖层深厚，地层复杂，防渗墙深度很大，孔壁不稳定问题严重。主要问题是：①泥浆抑制性差，不能有效控制地层水化膨胀，特别是对于砂质含量高、渗透性强、结构松散的地层，容易引起垮塌；②泥浆性能不稳定，抗污染能力差，在造孔过程中，容易受孔壁地层和钙、镁离子等的污染，使泥浆流变性和滤失性遭到破坏而失去悬浮稳定性，造孔、清孔困难；③由于分散体系颗粒比较细，特别是粒径小于1μm亚微米颗粒所占的比例相当高，使用时对提高造孔速度、加快施工进度不利；④由于泥浆中加入大量烧碱、纯碱等，对自然环境带来不利影响。因此，研制或筛选出环保的并能适应各种复杂地层的新型环保固壁泥浆已迫在眉睫。此前，虽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，但大多着眼于泥页岩、高盐钙地层等，专门针对砂层、砂砾石层和漂、孤石层等松散地层的处理剂甚少。在旁多工程之前，本书依托田湾河、泸定工程，进行了新型防渗墙正电胶泥浆的试验研究，并应用于工程，在该工程中，本书通过试验和机理研究，系统开展了新型泥浆的研究，并在最大深度158m的防渗墙工程中全面应用。

10.5.2　固壁泥浆处理剂研究选择

西藏旁多水利枢纽坝基覆盖层最大深度为420m，地质条件复杂，几乎涵盖了防渗墙施工中遇到过的各种特殊地层，如强漏失漂（卵）石层、孤石层、坡积块石堆积层以及细砂-粉细砂层等。为了在防渗墙施工中稳妥地穿越特殊地层，保证墙体质量，对多种处理剂进行了优选，如KPAM粉剂、80A51-223粉剂、乳化HP、正电胶等。通过试验研究，加入正电胶的泥浆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、悬浮岩屑等重要问题。

10.5.3　正电胶的化学组成与特性

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浆液。

（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-Mg　MMH），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）正电胶作用原理。正电胶带永久正电荷是由物质晶体结构本身决定的。正电胶与地层钻屑带负电荷胶粒靠静电作用形成空间连续结构，既可稳定浆液性能，也可吸附在钻屑和孔壁上，具有抑制钻屑分散、稳定孔壁的作用。同时，在正电胶浆液中水与正电胶/黏粒复合物结合紧密，只有受到搅拌时，聚合物间的水链才被拆散，但单个复合体周围仍束缚大量的水。因此，水处于正电胶浆液与地层的竞争环境中，谁的亲和力大，谁就是胜者。由于正电胶浆液束缚水的能力强，可降低水向地层中的渗透，因此有利于孔壁的稳定。此外，正电胶独具特色的固-液相间的流变性，使其在近孔壁处于相对静止状态或固相，因此容易形成保护孔壁的“滞流层”。它的存在减轻了浆液对孔壁的冲蚀，从而有效地稳定孔壁。

10.5.4　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”（图10.7）。正是这种特殊的结构，使正电胶泥浆具有特殊的流变性并稳定地层。

（2）固-液相间的流变性。试验表明，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。这对于防渗墙工程，特别是超深防渗墙工程是一种十分理想的特性。因其有较强的动切力（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（悬浮岩屑能力），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，从而保证墙段接头施工及墙体质量。

就其固壁效果而言，这种固-液相间的流变性是正电胶浆液独具的特色。正由于这种特性，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。Fraser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。此外，“滞流层”的存在可拓宽液压铣槽机、抓斗、冲击反循环钻机等优良设备的适用范围，从而提高工效。

（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。

孔壁失稳的实质是地层的水化问题。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）电性的调节。通常的水基泥浆液是由黏土分散在水中形成，所用的处理剂也是带负电荷的，这样整个泥浆体系是强负电性的。这种强负电性易导致钻屑分散和孔壁不稳定。

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，这抑制钻屑分散，使浆液易于进入松散地层，并改变原始地层成分和结构，形成较广的“桥塞区”（或称为“内泥皮”）。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（图10.8），由于正电胶的加入改变了浆液体系的电性，使得进入地层的泥浆不仅可以有效抑制地层水化膨胀，还可封堵孔隙，防止漏浆塌孔。

泥浆的电性与正电胶的掺量密切相关。随正电胶含量的增大，泥浆体系由负电性变为正电性或极弱的负电性。高岭土体系电性反转需要的正电胶量比蒙脱土体系要低得多，这是因为高岭土的负电性明显低于蒙脱土的缘故。高岭土的ζ电位为-12.8mV，蒙脱土的ζ电位为-30mV。因此，通过改变正电胶的加量，可实现对正电胶泥浆电性的调节，这是该体系的一个特点。因此，在配制泥浆时要根据膨润土或其他浆材矿物成分及地质条件调整正电胶的掺量。

10.5.5　正电胶泥浆应用效果

在西藏旁多158m大坝防渗墙施工中，优先使用了正电胶泥浆。钻遇地层包括下部冰水沉积漂（孤）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，最大深度达201m。

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10.1，泥浆性能见表10.2。

该泥浆具有如下特点：

（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以下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。通常情况下，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。