粗粒土控制灌漿技術研究★

崔冬冬 黃連芳 陳利強 章 贏

(1.長江勘測規劃設計研究有限責任公司，湖北 武漢 430010；2.國家大壩安全工程技術研究中心，湖北 武漢 430010； 3.長江委河湖保護與建設運行安全中心，湖北 武漢 430010)

1 概述

粗粒土由于其分布廣泛，可就地、就近取材，是我國許多土石壩常用的筑壩材料。穩定灌漿在國內外廣泛應用于大孔隙結構(漂卵石層、強透水層、溶洞、堆石)中以形成防滲體，但在大壩粗粒土控制灌漿防滲工程中應用較少，主要原因是粗粒土易塌孔，常規漿液可控性差，強度和彈性模量高，不能適應粗粒土壩的不均勻沉降，導致難以保證防滲體的防滲效果和耐久性[1]。本文依據粗粒土灌漿漿材室內試驗及現場灌漿試驗成果，對粗粒土控制灌漿技術進行了系統研究。

2 粗粒土灌漿漿材室內試驗

適宜的灌漿材料和漿液是在粗粒土中取得良好灌漿效果的重要因素[2]，通過一系列室內試驗，研究了水膠比、膨潤土含量、粉煤灰和減水劑對混合穩定漿性能的影響，特別對漿液的流動性、結石的抗壓強度和彈性模量、凝結時間和抗沖刷性能進行了重點研究，為確定粗粒土中適宜的灌漿漿材提供了依據。

2.1 水膠比對穩定漿液性能影響

試驗采用固定粉煤灰、膨潤土摻量，摻減水劑，分析水膠比對穩定漿液性能的影響。根據試驗成果，主要規律如下：

1)在粉煤灰及膨潤土摻量不變的條件下，隨著水膠比的增大，穩定漿液的漏斗黏度、屈服強度、塑性黏度、漿液密度等流變參數逐漸減小，流動度等流變參數逐漸增大。由于穩定漿液水膠比較小，未出現水膠比超過一定數值后漿液流變性能急劇減小的現象。

2)穩定漿液的凝結時間隨著水膠比的增大而增長，由于水膠比值相對較小，其變化基本呈線性關系。

3)隨水膠比的增大，結石抗壓強度、彈性模量逐漸減小，水膠比較小時，其變化對結石抗壓強度、彈性模量的影響相對較大，但當水灰比增大到一定值時，水灰比的變化對結石抗壓強度、彈性模量的影響逐漸減小。

4)水膠比小于0.60時，穩定漿液的滲透系數相對較小，當水膠比大于0.60后，滲透系數急劇增大。

2.2 膨潤土摻量對穩定漿液性能影響

選取了兩個系列研究膨潤土摻量對穩定漿液性能影響：W2序列：固定水膠比、不摻粉煤灰、摻減水劑；W3序列：固定水膠比、摻粉煤灰及減水劑。根據試驗成果，主要規律如下：

1)在水膠比、粉煤灰摻量不變的條件下，隨著膨潤土摻量的增加，穩定漿液的屈服強度、塑性黏度等參數逐漸增大，流動度、漿液密度、析水率等參數逐漸減小，表明膨潤土對改變穩定漿液的流變性能效果顯著，具有增稠、減小析水率等作用。

2)W2與W3兩個系列相比，同水膠比、膨潤土摻量時，W3系列穩定漿液的屈服強度、塑性黏度及漏斗黏度小于W2系列，這是由于同等漿材用量的情況下，W3系列的膨潤土用量相對小于W2系列的緣故。

3)在水膠比、粉煤灰摻量不變的條件下，隨著膨潤土摻量的增加，穩定漿液密度、流動度等參數基本呈線性變化關系，即隨著膨潤土摻量的增大，漿液密度、流動度逐漸減小。W2與W3兩個系列相比，同水膠比、膨潤土摻量時，W3系列穩定漿液的密度小于W2系列，流動度大于W2系列，這是由于同等膨潤土及水泥用量情況下，W3系列用水量大于W2系列。

4)隨著膨潤土摻量的增加，穩定漿液的凝結時間略有增長，但增加量很小，凝結時間略有增長的原因是膨潤土摻量的增加相應減少了水泥的用量。

5)在水膠比、粉煤灰摻量等參數不變的條件下，隨著膨潤土摻量的增加，穩定漿液結石的抗壓強度、彈性模量逐漸降低，這是由于膨潤土摻量的增加在減少水泥用量的同時，本身也有降低結石強度的作用。

6)膨潤土對漿液的抗滲性有影響，在水膠比、粉煤灰摻量等參數不變的條件下，隨著膨潤土摻量的增加，穩定漿液結石的滲透系數有一定程度減小。

2.3 減水劑摻量對穩定漿液性能影響

試驗主要考慮摻和不摻減水劑時，對穩定漿液性能的影響。根據試驗成果，主要規律如下：

1)在水膠比、粉煤灰摻量、膨潤土摻量相同的條件下，減水劑對穩定漿液的流變性能影響顯著，減水劑可大大提高漿液的流動性，改善漿液的可灌性。

2)聚羧酸減水劑具有緩凝效果，摻減水劑時穩定漿液的凝結時間比不摻時有較大延長。漿液的凝結時間與使用減水劑的品種、摻量，以及水泥品種等因素有關。

3)因聚羧酸高效減水劑的緩凝效果，對漿液結石的早期抗壓強度略有影響，對后期抗壓強度基本無影響。

4)28 d齡期時，減水劑對彈性模量、抗滲等性能基本沒有影響，數值與不摻減水劑相差較小。

2.4 穩定漿液抗水流沖刷試驗

為了保證灌漿材料在施工過程中不被流水沖走，通常要求灌漿材料具有一定的抗水侵蝕性能。試驗表明，膨潤土摻量越大，沖刷后殘漿越多。在實際灌漿過程中，當灌漿部位水流速度較大時，膨潤土摻量應超過60%，水膠比應超過0.60。

3 粗粒土現場灌漿試驗

選擇岷江干流金馬河新津段左岸堤防作為粗粒土現場灌漿試驗研究點。堤身填土主要由粉質壤土夾砂卵礫石組成，堤基置于砂卵礫石層上，為單一結構，砂卵礫石厚一般為4 m～14 m，下伏白堊系上統灌口組(K2g)紫紅色粉砂質泥巖、泥質粉砂巖。綜合分析工程地質資料后，確定了主要施工方法及工藝參數。

3.1 試驗孔布置

試驗孔在堤頂路面按3排進行布置，排距1.0 m，孔距1.0 m，每排孔數9個，分三序逐序加密施工，入基巖5.0 m結束，共計27.0個灌漿孔；中間排中間部位布置一個勘探孔，距兩側孔0.5 m，入巖8.0 m結束。

3.2 鉆孔

在鉆進過程中，應控制風動潛孔鉆機的鉆進速度、鉆進壓力和鉆進角度，以滿足砂礫石層鉆進的需要。地質鉆探采用清水沖洗技術，主要用于灌漿和檢查孔施工。取芯采用雙管單動鉆具，盡可能保證巖芯采取率。

3.3 灌漿漿液

灌漿采用漿液為普通水泥漿液和膏狀漿液。水灰比選用2∶1，1∶1，0.8∶1，0.6∶1，0.5∶1和(0.4～0.45)∶1六個比級，最后一級為膏狀漿液水固比為(0.4～0.45)∶1。

3.4 灌漿方法

砂卵礫石層堤身及堤基可采用孔口封閉法、套閥管法、套管灌漿法和打管灌漿法等灌漿[4]。因套閥管法具有成孔效率高、耗漿量小、施工可控性較好等優勢，推薦采用預埋套閥管灌漿工藝，灌漿方法采用自下而上分段灌漿方法，灌漿方式采用純壓式。

3.5 灌漿工藝參數

1)灌漿段長。

通過套閥管注入水泥漿液，在保證灌漿注入量供給的前提下使用2.0 m段長；基巖段采用2.0 m，3.0 m段長，在第一段壓水透水率小于10.0 Lu前提下，可兩段合并一段進行灌漿，灌漿段長為5.0 m。

2)灌漿壓力。

根據堤防高度和砂卵礫石層掩埋深度所承受的最大水頭壓力0.2 MPa，取最大水頭壓力1.5倍的安全系數，確定灌漿壓力0.3 MPa起灌，最大灌漿壓力不超過1 MPa。

3)漿液變化。

灌漿過程中漿液的合理變換，能夠保證灌漿防滲帷幕的厚度、控制漿液擴散范圍，同時可以節約材料、降低成本。漿液變換標準如下：

a.當灌漿壓力保持不變，注入率持續減少時，或當注入率不變而壓力持續升高時，不應改變水固比。

b.當某一比級漿液的注入量已達600 L以上或灌注時間已達30 min，而灌漿壓力和注入率均無改變或改變不顯著時，改濃一級。

c.控制注入率不大于30 L/min，且連續灌注時間不超過30 min，反之應采取間歇措施，間歇時間不少于30 min。

d.當灌漿段干料注入量累計達到1.0 t/m時，采取增加速凝劑、限流、間歇等措施進行處理。

4)灌漿結束標準。

根據灌漿采用的漿液類型，確定不同的結束標準：

a.混合穩定漿液灌注時，在設計壓力下，當注入率小于1 L/min時，繼續灌注30 min，結束本段灌漿。

b.膏狀漿液灌注時，在設計壓力下，達到基本不吸漿時結束本段灌漿，本次灌漿未進入到膏狀漿液使用階段，故未采用膏狀漿液灌注。

3.6 灌漿效果檢查及分析

灌漿質量檢查孔注水試驗、單點法壓水試驗、疲勞壓水試驗及耐壓壓水試驗主要成果如下：

1)檢查孔注水壓水試驗成果。

灌前透水率及單位注入量按排序、孔序遞減效果明顯，灌后滲透系數均在i×10-5cm/s區間內。

2)檢查孔疲勞壓水試驗成果。

在0.2 MPa壓力下2 h內流量無明顯變化，平均流量為5.712 L/min，透水率為4.76 Lu；2 h～24 h內流量逐漸增加至7.983 L/min，透水率為6.428 Lu。

3)檢查孔耐壓壓水試驗。

在壓力0.904 MPa下發生水力破壞，其對應流量為86.447 L/min，透水率為15.938 Lu。

4 粗粒土控制灌漿關鍵技術

根據粗粒土灌漿漿材室內試驗及現場灌漿試驗成果，提出了適宜粗粒土的造孔工藝與灌漿漿液,確定了適宜的控制灌漿方式方法、灌漿設備、灌漿壓力、灌漿段長等施工工藝參數，提出了合適的檢測方法及粗粒土控制灌漿設計指標。

4.1 粗粒土控制灌漿造孔技術

粗粒土組成復雜多變，選擇合適的鉆孔工藝可以達到加快施工進度、縮短工期，節省投資等目的，鉆孔方式的選擇應根據施工環境、地層性質、鉆孔深度、鉆孔方向、鉆孔直徑和灌漿方法等因素選擇。

就鉆機的選擇，主要有回轉式鉆機和沖擊回轉式鉆機兩大類，回轉式鉆進是目前使用最多的一種鉆孔方式，該種方法可獲得巖芯，其中的立軸式液壓鉆機是我國帷幕灌漿鉆孔的主要設備。沖擊回轉式鉆機給鉆頭以沖擊力，并在兩次沖擊之間旋轉一個角度，使巖粉脫落，達到全斷面鉆進的目的，與回轉鉆機相比，它鉆孔速度快，機動靈活，鉆孔費用較低。

粗粒土孔壁易坍塌，采用沖擊回轉式鉆機鉆孔效率高，可一次成孔，常需要邊沖擊鉆進，邊跟入套管；采用回轉式鉆機鉆孔，可采用泥漿固壁，泥漿固壁材料配比根據受灌地層及灌漿方式和灌漿壓力選定。

4.2 粗粒土控制灌漿漿液選擇

在大量試驗研究結果的基礎上，為滿足穩定漿液抗壓強度不大于5 MPa、彈性模量不大于2 GPa的技術要求，推薦穩定漿液試驗設計配合比見表1。實際工程中，最終確定砂礫石層是否可灌，用什么樣的材料灌漿效果較好，應該采用多大的灌漿壓力來配合才能進行有效的灌漿等問題，還是要通過現場灌漿生產性試驗來驗證。

表1 推薦穩定漿液設計配合比

4.3 粗粒土控制灌漿方法

砂卵礫石層堤身及堤基可采用孔口封閉法、套閥管法、套管灌漿法和打管灌漿法等灌漿。因套閥管法具有成孔效率高、耗漿量小、施工可控性較好等優勢，推薦粗粒土采用預埋套閥管灌漿工藝，灌漿方法主要是自下而上分段灌漿方法，灌漿方式采用純壓式。

4.4 粗粒土控制灌漿設計指標與檢測方法

粗粒土灌漿工程的質量檢查以檢查孔注水試驗和壓水試驗成果為主，不同部位的灌漿效果采取不同的檢測手段，土石壩體及壩基覆蓋層采用現場注水試驗、室內滲透試驗進行檢測，壩基全風化層、強風化、弱風化基巖灌漿效果采用壓水試驗檢測，還可綜合采用鉆孔取芯、彈性波、聲波層析成像、孔內電視錄像等檢測手段進行檢測，結合對施工記錄、成果資料的分析，進行綜合評價。

5 結語

根據粗粒土灌漿漿材室內試驗及現場灌漿試驗成果，系統研究了粗粒土中鉆孔、制漿、灌漿、檢測等，提出適宜粗粒土的成孔工藝與灌漿漿液、確定適宜的控制灌漿方式方法、灌漿設備、灌漿壓力、灌漿段長等施工工藝參數、提出合適的檢測方法及粗粒土控制灌漿設計指標，通過技術集成，形成了粗粒土控制灌漿關鍵技術，可供同類工程參考應用。