浅谈坝基砂砾石层水泥砂浆充填注浆施工工艺与应用

付建国 冯海艳

【摘要】杨东河水电站面板堆石坝基础为砂卵砾石层，砂卵砾石地层基础具有结构松散、孔隙率大、渗透性强等特点。水泥砂浆充填注浆能有效提高坝基承载能力、增强坝基砂卵砾石层的密实度、从而增强大坝基础的防渗能力。本文主要介绍坝基砂砾石层水泥砂浆充填注浆施工中所采用的施工方案、施工工艺及相关经验，为今后类似工程施工提供参考经验。

【关键词】坝基砂卵砾石层充填注浆 工艺与应用

Abstract Yang River concrete face rockfill dam base is the basis of the gravel layer, sand and gravel stratum has a loose structure, porosity, permeability, and other characteristics. Fill grouting cement mortar can effectively improve the dam foundation bearing capacity, enhance the density of the dam foundation gravel layer, thereby enhancing the ability of the dam foundation seepage control. This paper describes the construction program in the dam foundation of sand and gravel layer of cement mortar fill grouting construction, construction technology and experience, provide a reference for future similar construction experience.

Keywords: colluvial slope; landslide; geological evaluation; formation mechanism...

中图分类号： TQ639.3 文献标识码：A 文章编号：

1、工程概况

1.1概述

杨东河坝枢工程河床段坝基砂砾石层水泥砂浆充填注浆施工，处于大坝砼防渗墙下游河床段45m范围，根据设计要求对该范围内的砂砾石层进行水泥砂浆注浆处理，以改善坝基承载力条件。注浆孔垂直于坝轴线方向从A～S排共19排，平行坝轴线方向有A排41个孔，B排40个孔，依此循环，设计排距为2.6m，孔距为3m，排间布孔呈梅型布置，共计770个孔，分七个单元进行施工，总注浆段长约为6500m。其中包含18个先导孔，上游A排、中间J排、下游S排每排各6个，每排的先导孔间距24m。

1．2地质情况

砼防渗墙下游河床段45m范围坝基覆盖层地质情况分两种，左右靠近岸坡附近为第四系崩坡积土积块石、巨石层，最大粒径可达10m左右，局部有架空，泥质含量较多、土质稍密。中部河床段为冲洪积砂卵砾石层，厚度在12~17米，底部存在孤石；颗粒级配较差，砂卵砾石层粒径＞80mm含量约占60.8%、粒径80-40mm含量约占15.3%、粒径40-20mm含量约占9.3%、粒径20-5mm含量约占8.5%、粒径＜5mm含量约占6.1%，天然密度为2.15g/cm3、干密度为1.82g/cm3，孔隙率约15-18%；泥质含量极少，卵石粒径一般5～30cm，崩积巨石、块石一般为150～300cm，最大粒径可达10m。粉细砂含量较多但分布不均匀，均一性较差。河床砂卵砾石覆盖层下伏的基岩为强度较软的砂质泥岩。河床中部表层下面有潜水渗流通道，围堰闭气后通道渗流明显减小。

2、注浆主要施工技术措施

2.1注浆单元划分及孔位布置

注浆孔具体位置根据设计图纸进行布置，第一单元由A排到I排坝区左部36个注浆孔组成，（每排4个）孔深要求至基岩；第二单元由A排至E排靠坝区左半部的88个注浆孔组成，孔深13.2m；第三单元由A排至E排靠坝区右半部的95个注浆孔组成，孔深8.5m； 第四单元由F排到I排靠坝区右半部的76个灌浆孔组成，孔深9.3m；第五单元由F排到I排靠坝区左半部的70个灌浆孔组成，孔深14m；第六单元由J排到S排靠坝区右半部的210个灌浆孔组成，孔深6m；第七单元由J排到S排靠坝区左半部的195个灌浆孔组成，孔深6m；为探明覆盖层的分布情况以及渗透系数，注浆前先施工先导孔，先导孔布置在A、J、S排，A排先导孔要求入岩50cm，J、S排先导孔孔深为7m。

2.2 注浆材料及设备

（1）注浆材料根据坝区砂卵砾石地层的地质情况、颗粒级配情况采用水泥砂浆。水泥采用强度为P.O42.5级的普通硅酸盐水泥，细砂的粒径不大于1mm，其细度模数不大于2.0。水泥与砂的重量比根据灌段吸浆情况确定，最大按水泥：砂＝8：2或水泥：砂＝9：1，或不加砂的纯水泥浆控制。

（2）速凝材料主要采用的是水玻璃，主要用于吸浆量大注浆无法结束的部位和孔口冒浆部位封堵。

（3）灌浆用水符合混凝土拌和用水的要求。

（4）注浆泵采用3缸柱塞高压注浆泵，允许工作压力应大于最大注浆压力的1.5倍。压力表的量程应满足使注浆压力在其最大标值的1/3～3/4之间，压力表与管路之间应设有隔浆装置，严禁使用不合格压力表。

（5）造孔设备采用液压跟管钻机和回转式地质钻机两种，跟管钻机钻杆长1.5m，跟管长2m，主要用于自下而上灌浆施工工艺的注浆孔造孔及埋管施工；地质钻机主要用于先导孔造孔施工及地质取芯施工。钻头直径Ф110mm，

（6）灌浆记录采用灌浆自动记录仪现场记录

2.3 钻孔

2.3.1钻孔设备

根据坝基的特性，砂卵砾石地层成孔较困难，极易塌孔，为保证注浆施工的效率，先导孔采用回转式地质钻机钻孔，其余注浆孔采用LD－120跟管钻机跟管护壁进行钻孔，其钻进速度河床砂卵砾石层约平均每小时10m以上。

注浆孔分三序施工，同一排上相邻的两个次序孔之间，以及后序排的第一次序孔与相邻部位前序排的最后次序孔之间，在岩石中钻孔注浆的高差不得小于15m。

2.3.2孔位放样

按照设计图纸要求的位置进行布孔，由测量放出每个单元的主要控制点，用木桩或钢签、竹签定位并标注孔位孔号，灌浆孔钻孔孔位的偏差不大于10cm。

2.3.3钻孔孔径

注浆孔径不小于Φ110mm。

2.3.4钻孔孔深

注浆孔的具体孔号、孔深、按设计图纸执行。终孔由监理、质检联合验收。

2.3.5孔口管埋设

（1）采用回转式地质钻机钻孔“自上而下”注浆时需埋设孔口管，孔口管采用Φ110mmPVC管或钢管，均在第一段注浆结束后进行埋设，且将孔口管固定后待凝，经检查合格后方可施钻。采用LD－120跟管钻机钻孔自下而上注浆时不必埋设孔口管。

（2）孔口管露出地面高度不大于10cm，埋设深度按2m控制。

经现场监理、质检检验孔序孔号、孔位偏差合格后，跟管钻机进行造孔、埋管施工。终孔验收后进行下一工序。造孔过程中要对地质情况初步了解。

2.4施工程序

砂砾石层水泥砂浆充填注浆在坝基开挖至1002m设计高程后进行施工，施工顺序由右岸向左岸、先趾板区域后趾板以外区域依次进行。

注浆按照排间分序、排内加密的原则进行施工，每个单元首先施工最下游排注浆孔，然后隔排依序进行钻灌施工。每一排的施工程序为：先导孔→I序孔→Ⅱ序孔→Ⅲ序孔。Ⅰ序孔注浆24小时后在Ⅰ序孔之间进行Ⅱ序孔施工，Ⅱ序孔注浆24小时后最后进行Ⅲ序孔的施工。

2.5先导孔施工

坝基注浆孔分先导孔和基本孔两种，按设计要求需先施工先导孔，通过先导孔探明坝基覆盖层的地质分布情况及渗透系数。先导孔施工采用地质钻机造孔，为防止塌孔、保证注浆质量，采用“自上而下分段钻灌”的灌浆工艺。每一段造孔时取芯留样；造孔后埋管做注水试验（第一段除外），确定周围区域的砂卵砾石地层渗透系数，然后进行注浆；注浆采用“孔口卡塞，孔口封闭纯压法”。每段注浆按设计要求达到结束标准后待凝24小时后，扫孔进行下一段施工。注浆达到设计深度后，全孔复注，复注压力取0.3Mpa。

2.6钻孔冲洗及压水试验

2.6.1钻孔冲洗

根据钻孔工艺及地层情况，此砂卵砾石层固结注浆基本孔和检查孔均不采用钻孔冲洗，即基本注浆孔和检查孔钻后直接进行压水或注浆。

2.6.2压水试验

a.检查孔压水试验采用单点法。其压力采用注浆压力的80％，该值若大于1MPa时，采用1MPa。

b.压水试验稳定标准：

①单点法压水试验：在稳定的设计压力下，每隔5min测记一次压入流量Q，当连续四次读数中（Q最大-Q最小）﹤Q最终10％或（Q最大-Q最小）﹤1L/min时，即可结束压水试验。以Q终来计算该孔段的透水率。

②简易压水试验：在稳定压力下压水20min，每5min测读一次压入流量，取最终值作为透水率的计算值。

2.7注浆方法及压力控制

（1）利用回转式地质钻机钻孔时，采用“孔口封闭、孔内纯压法” 自上而下分段进行灌注。根据该施工地层特殊地质条件和工程内容及工期要求，采用跟管钻机钻孔时，采用“自下而上分段注浆的工艺”进行施工；注浆采用孔内卡塞、孔外循环的施工方法。

（2）采用跟管钻进一次成孔，自下而上分段注浆的施工工艺流程为：跟管钻进至设计终孔深度→提取钻具→提升套管3m→注终孔段→提升套管3m→灌注上一段次，反复进行至本孔注浆结束，注浆结束后4h内浆液初凝前拔管封孔。

每段开始注浆前，根据段长用拔管器或钻机起拔套管、下设注浆塞具，塞具卡在注浆段上部套管10cm处。塞具出浆管保证在每一注浆段下部50cm左右。

因为砂卵砾石地层结构松散、孔隙率较大，注浆过程中浆液容易沿着套管外壁及周围地层窜浆、冒浆，此时应采取间歇、低压限流、浓浆等施工方法进行控制。并及时对冒浆部位进行嵌缝、封堵，如果冒浆情况严重，可采取浆液中按比例添加速凝材料；或待凝、扫孔，重新钻灌的方法进行处理。

（3）注浆分段：第一段1.0m，第二段及以下段注浆段长3.0m，特殊情况下可适当缩短或加长。

（4）注浆压力：第一段注浆压力取0.05～0.1Mpa，第二段注浆压力为0.15～0.2 Mpa，以下按每米0.01Mpa递增。

注浆压力以回浆管压力表中值读数为准，压力表指针摆动范围应小于灌浆压力的20％。注浆时尽快达到设计压力，但灌浆过程中必须注意控制使注浆压力与注入率相适应，可逐级升压或间歇升压注浆。

（５）设计要求坝基直接开挖至注浆设计高程EL1002m，第一段的注浆施工由于上部没有盖重，孔口冒浆严重，浆液难以升压扩散，达不到设计要求（设计更改为第一段1m注浆后,用20t震动碾碾压6～8遍达到设计要求干密度为合格）。

2.8注浆结束标准

达到设计最大注浆压力，吸浆量不大于2L/min，或停止吸浆，持续时间已达到15min，注入干料量达到上限3～7t/m结束。

2.9封孔

全孔注浆结束后，采用置换法封孔，用注浆管注入0.5:1的浓浆，将孔内的稀浆全部置换，上部剩余未封部分采用水泥砂浆人工封填密实。

2．10注浆过程中特殊情况处理

（1）注浆过程中，由于孔口周围没有盖重，4m以下注浆段基本可以升压扩散，4m以上注浆段孔口管周围容易冒浆、漏浆，现场根据具体情况采用嵌缝、表面封堵、低压、浓浆、限量、限流、间歇注浆等方法进行处理。

（2）注浆过程中发生串孔时，如串浆孔具备注浆条件，可以同时进行注浆，或将串浆孔用胶塞堵住，待注浆孔注浆结束后，串浆孔再行扫孔 清洗，而后继续钻进和注浆。

（3）大耗灰量段处理

由于坝基地层为崩落块石形成，存在有大孔隙，致使吸浆量较大且难以注至结束。针对此种情况，可采用注浆浓度较大的砂浆或向浆液掺加速凝剂进行大裂隙封堵，然后再进行扫孔复注至正常结束。

（4）大块石、孤石的处理

根据施工地层，在钻孔时可能遇到不同程度的块石、孤石。为此，在设备选型时，已经考虑到这方面的因素。此种钻孔方法就是利用冲击头锤击破坏岩石跟进套管。当遇有活动的岩石或是裂隙比较大的地段，造成跑风露气，钻进效果不是很理想。此种情况可采用先注注0.5:1纯水泥浆固定堵缝，达到一定强度时，再进行钻进。

（5）下塞过程中如发现塌孔现象，重新扫孔、或缩短灌段长度来处理。

2.11注浆施工工艺流程简图

工艺流程：准备工作钻孔注浆检查孔压水。

注浆工艺流程简图：

3、效果分析

由注浆分序统计表可知：灌浆总平均单位耗灰量呈递减趋势，即：Ⅰ序孔平均单耗>Ⅱ序孔平均单耗>Ⅲ序孔平均单耗。符合一般灌浆规律。由单元注浆成果统计表可知各单元内平均单耗也基本符合上述规律，所以，注浆规律性较好。

值得注意的是试验段的平均单耗高于其他单元的平均单耗，其主要原因是由于有效注浆高程EL1002上部覆盖层太厚（4m）且孔隙较大，串浆、跑浆严重；试验段位置处于油草河和烧棒溪交汇处，地质情况较复杂；其次是由于试验段施工期间围堰没有闭气，河床下部潜流较大，增大了试验段的耗灰量。

由注浆前注水试验成果和注浆后压水试验成果可知，注浆后透水率明显减小，且各单元内检查孔段合格率皆满足设计要求。

所以坝基覆盖层注浆施工符合设计要求，明显改善了坝基原地层特性效果；增强了坝基段河床砂卵砾石层的密实性，提高了坝基的抗变形能力。

4、结束语

（1）经实施采用此种充填注浆的方法对砂砾石层地基进行处理，注浆前渗透系数达到约10-3cms，注浆后压水试验透水率可达到25Lu以内，处理效果较显著；明显改善了坝基覆盖层的地质特性，提高了坝基强度、承载能力。

（2）采用液压跟管钻机进行施工，可有效防止塌孔埋钻现象；且钻孔效率较高，每班可完成约90m/台以上。

（3）此施工工艺在类似的要求提高地基承载力、适当提高防渗能力的地层处理施工时，可以借鉴采用。

主要参考文献：

[1] 中国水利水电基础工程局 《水工建筑物水泥灌浆施工技术规范》DL/T5148—2001，北京中国电力出版社，2001年12月26日发布。

[2] 中国人民武装警察部队水电指挥部《混凝土面板堆石坝施工规范》DL/T5128—2009,2009年7月22日发布。

[3] 水电水利规划设计总院《混凝土面板堆石坝设计规范》DL/T 5016—2011，2011年7月28日发布。

作者简介：付建国 工程师 中国水利水电第六工程局二分局

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。