深厚砂砾石地层固结灌浆在实际工程中的应用

赵 健 飞

(中国水利水电第十四工程局有限公司，云南 昆明 650041)



深厚砂砾石地层固结灌浆在实际工程中的应用

赵 健 飞

(中国水利水电第十四工程局有限公司，云南 昆明 650041)

摘要：水利工程施工过程中，经常会遇到水工建筑物直接修建在砂砾石地层上，为了提高砂砾石地层的整体性、密实性并降低其透水率，一般需要对坝基采取全面的固结灌浆，必要时也在坝基上、下游一定范围内进行固结灌浆。结合水利枢纽的工程实践，对泄洪冲沙闸底板进行全面的固结灌浆处理，施工过程中采用自上而下分段灌浆方法，对现有的钻探与灌浆工艺技术进行优化组合，最终经灌后质量检查，结果满足深厚砂砾石覆盖层固结灌浆的设计要求，取得了良好的效果。

关键词：砂砾石；固结灌浆；优化组合；质量检查

1　工程概况

齐热哈塔尔水电站工程位于新疆维吾尔自治区喀什市塔什库尔干塔吉克自治县境内的塔什库尔干河上。枢纽主要由拦河坝、泄洪闸、发电引水建筑物、电站厂房及开关站等组成。拦河坝主要位于河床右岸，为复合土工膜斜墙砂砾石坝，泄洪闸位于河床左岸主河床位置，设两孔闸门；引水隧洞进水口布置在泄洪闸左侧，为有压式进水口，其后接压力引水隧洞。

坝基地层为第四系地层，为全新统河床相冲积层(Q42al)、河漫滩相冲积层(Q41al)和上更新统冲积、冰水沉积层(Q3al+fgl)，厚度大于130 m，其中河床相冲积层(Q42al)以砂卵砾石为主，含漂石，结构松散。河漫滩相冲积层(Q41al)以砂卵砾石夹中细砂为主，其中上部2 m～4 m的砂卵砾石结构松散。中下部砂卵砾石较密实，其动力触探击数一般在25击以上，承载力满足要求。为增强砂砾石地基的密实性，保持其整体性与连续性，满足闸室结构混凝土的稳定要求，故对闸室底板采取固结灌浆施工。

2　可灌性判断

砂砾石地基的可灌性是指砂砾石地层能否接受灌浆材料灌入的一种特性[1]。一般用可灌比M、渗透系数K、砂砾石层中0.1 mm颗粒含量的百分比以及砂砾石层的不均匀系数等判断，最终结合相关规范以及类似工程实践，通过试验确定相应参数。

2.1可灌比

对坝址区第四系砂砾石层取样分析，可绘出其平均天然混合颗粒级配曲线，见图1。

图1坝址区第四系砂砾石层平均天然混合颗粒级配曲线

可灌比计算式为：

M=D15/d85

(1)

式中：D15为覆盖层粒径指标，小于该粒径的土体重占覆盖层总重的15%，由图1可知为0.75 mm；d85为浆液材料粒径指标，小于该粒径的材料重占材料总重的85%，根据典型水泥粒度分布曲线[2]可知其值约为0.04 mm。

故知：M=D15/d85=0.75/0.04=18.75。一般情况下，当M≥10者可灌注水泥黏土浆，当M≥15者可灌注水泥浆[3]。

2.2渗透系数

一般认为，渗透系数K>3×10-4m/s的地层具

有可灌性[4]，实测平均值约为4.08×10-4m/s。

2.3工程经验

根据图1可知：砂砾石地层中粒径小于0.1 mm的颗粒含量百分数约为3%(可灌比规定值小于5%[5])，可进行水泥粘土浆的灌注。

2.4灌浆试验

现场灌浆试验的地点应具有代表性[6]，故此次生产性试验选择泄洪冲砂闸1#闸室认为地质较差的6个孔进行，孔距排距2 m×2 m，混凝土盖重厚2.20 m。灌浆顺序为先灌注Ⅰ序孔，再灌注Ⅱ序孔，完成3 d后进行检查试验，检查孔布置于SYK-2和SYK-5之间，平面布置图见图2。

图2固结灌浆试验孔平面布置图

灌浆方法采用自上而下的循环钻灌法，即钻一段，灌一段，待凝固以后，继续钻灌下一段，钻孔和灌浆交替循环。试段长度7.8 m，第一段2.8 m，第二段5 m，灌注浆液为纯水泥浆，浆液配比选用2∶1、1∶1、0.8∶1、0.5∶1四个比级。试验成果见表1。

表1　灌浆试验成果

由表1可看出，当SYK-1灌浆结束后，其余孔位的平均透水率、单耗均有较大降低，其中透水率最大降低了39%，单耗最大降低了38%，说明孔距与排距布置均处在浆液扩散范围内，互相影响，布置合理。且经过对检查孔的试验发现，两段透水率均小于10 Lu，取芯完整细沙卵石层基本凝结，灌浆效果良好，满足试验要求。实验过程中还进行了地面抬动观测，绝对抬动值为零。

3　工程难点

砂砾石覆盖层深厚，钻孔难度大，极易造成塌孔、堵孔等现象；涌水现象频繁，钻孔灌浆一次性达到结束标准的孔位较少，多数需经过待凝复灌后才能满足要求；吃浆量大，且串浆现象频繁。

4　施工工艺

4.1孔位布置

设计固结灌浆孔梅花型布置，孔排距均为2 m。钻孔灌浆按照先周围边排、后中间排分序加密的原则进行[7]。施工时按照先Ⅰ序孔、后Ⅱ序孔的顺序施灌。

4.2灌浆材料

本工程固结灌浆采用复合硅酸盐水泥，细度控制为通过80 μm方孔筛的筛余率不大于5%，利用纯水泥浆进行灌注。

4.3钻灌方法

钻孔采用XY-2型岩心钻机，孔径90 mm，钻孔均为垂直孔向。待孔位钻到设计深度时，取出钻杆，下入灌浆管，达到设计深度即开始冲洗和压水试验，达不到设计深度即进行扫空复钻。冲洗采用大流量敞口式冲洗，以返水澄清继续冲洗10 min为合格标准。压水采用“裂缝冲洗”，压力采用该段灌浆压力的80%，并使其最大压力不大于1 MPa，每隔5 min记录一次压水流量，待压水流量稳定30 min～60 min后停止，取最后的流量值作为计算流量。固结灌浆参数见表2。

表2　固结灌浆参数表

灌浆记录采用“二参数”(灌浆压力、注入率)GMS-2008灌浆数据采集与监控系统。正常灌注情况下不得改变浆液浓度。当某级浆液的注入量超过300 L，或灌注时间超过30 min，而灌浆压力和注入率均无改变或仅有微小变化时，应变换成浓一级浆液；当注入率大于30 L/min，且压力无法上升时可越一级变浓浆灌注；特殊情况下可根据现场实际情况同各方协商解决。

4.4施工中的问题处理

(1)塌孔

在1#闸室灌浆过程中严格控制钻孔位置、孔径以及孔斜等，故仅出现少量塌孔现象，且对塌孔的进行扫孔，直至达到设计要求。考虑到合适的分段长度和灌浆压力对灌浆效果和工程成本控制非常重要，故在2#闸室底板固结灌浆过程中，调整分段数及相应参数，既方便了施工，又很好地控制了施工质量。

(2)串通孔具备同灌

具备同灌条件时，一泵一孔同时进行灌注。不具备同灌条件：串通孔正在钻进应立即停钻；串浆量较小，可在灌浆同时，在串浆孔内注入清水；串浆量较大时，应将阻塞器阻塞于被串孔串浆部位上方0.5 m～1.0 m处，对灌浆孔继续进行灌浆，结束后将串通孔内阻塞器取出，待凝、扫孔后进行钻灌。

(3)漏浆处理

出现漏浆问题时，检查漏浆大小，并及时通知监理，根据实际情况采取间歇、限流、限量、变换浆液浓度(浓一级或以上)、待凝等方法进行处理。当漏浆量较大，灌浆难以进行时，中断并进行封堵，最后重新进行灌浆作业。

(4)灌浆工作因故中断处理

本工程在灌浆过程中，断电是中断灌浆工作的主要原因。当作业中断时，及时查明原因尽早恢复灌浆。否则应及时对灌浆管道进行冲洗。若无法冲洗则重新进行扫孔，保证灌浆管路畅通。恢复灌浆后，首先使用开灌比级的浆液浓度进行灌注，当注入率与中断前相同或相近时，即采用与中断前相同比级的浆液浓度继续灌注；当注入率较中断前增加较多时，可采用浆液浓度逐级加浓的方法继续灌注。

(5)灌浆段注入量大，灌浆难以结束处理

本工程在灌浆时，由于砂砾石底部存在小泉眼，灌浆注入量大，故在该段灌浆时采取低压、浓浆、限流限量、间歇灌浆等方法直至结束。

4.5灌浆结束标准及验收控制指标

本工程灌浆结束标准：在达到设计灌浆压力条件下，第一段注入率不大于5 L/min，第二段不大于1 L/min时，持续时间不少于30 min即可。在灌浆时，为防止灌浆对混凝土盖板造成变形破坏，在灌浆孔附近安设抬动观测装置进行检查。

固结灌浆质量检查在相应部位灌浆结束3 d～7 d后进行，检查孔由现场监理和施工技术人员根据灌浆成果表定，其数量为灌浆孔总数的5%，并保证每个灌浆单元至少有一个检查孔。本工程的灌浆质量检查以单点法压水试验为主，并结合相关施工记录及灌浆资料综合分析评定。

验收控制指标：渗透系数不大于1×10-3cm/s，地基承载力不小于0.5 MPa。

5　灌浆效果评价

1#闸室底板固结灌浆完成后对即对其结果进行统计，单位耗灰量平均值Ⅰ序孔、Ⅱ序孔分别为1 252.84 kg/m、487.71 kg/m；透水率平均值Ⅰ序孔、Ⅱ序孔分别为110.59 Lu、54.62 Lu，平均单位耗灰量、平均透水率随着灌浆次序的递增而递减，符合分序钻灌的灌浆规律。泄洪冲沙1#闸室底板固结灌浆透水率频率曲线见图3，耗灰率频率曲线见图4。

图3泄洪冲砂闸1#闸室底板透水率频率曲线图

图4泄洪冲砂闸1#闸室底板耗灰率频率曲线图

按照技术规范要求，固结灌浆完成后，布置检查孔检验灌浆效果[8]。固结灌浆工程的质量检查也可采用钻孔压水试验的方法，检测时间可在灌浆完成7 d或3 d以后，检查孔的数量不宜少于灌浆孔总数的5%[9]。本工程检查孔取芯钻孔采用Φ76 mm～91 mm金刚石钻头钻进，按照灌浆孔总数的5%进行检查，在1#闸室上、中、下游随机布置6个检查孔，计算岩芯采取率、进行岩芯描述并加以拍照。砂砾石地层经固结灌浆后，其中架空或大孔结构及大部分连通性较好的孔隙均被水泥结石充填，密实性良好。检测孔各段平均透水率最大为5.26 Lu，其余均在1 Lu左右，达到设计要求，可认为灌浆质量符合要求。

根据《坝基防渗与灌浆技术》中透水率与渗透系数的近似关系知：1Lu≈1.3×10-5cm/s[10]，将本工程检查孔地层透水率换算成渗透系数，最大约为6.8×10-5cm/s，完全满足设计要求，且对原地基的渗透性有较大改善。泄洪冲砂闸地基开挖完成后即进行地基承载力试验，由动力触探试验可知泄洪冲砂闸底板地基承载力最低为0.648 MPa，已满足灌浆后的承载力要求，故灌浆完成后其承载力必定有很大提高，未进行相关检测。

6　结　语

通过对现场地质情况的了解以及调查，根据灌浆试验所确定的灌浆机具以及灌浆的相关参数，在实际施工过程中加强监控并对出现的特殊情况作出判断和调整相关施工工艺及施工方法，最终圆满完成了泄洪冲砂闸底板的固结灌浆工作，检查效果良好，有效地降低了地基的透水性并提高了地基的承载力，保证了闸室上部结构的安全与稳定。同时，由于砂卵石地层差异性太大，灌浆施工过程中还必须根据地层实际情况对注浆量、注浆压力、地层抬动情况、地表是否漏浆等跟踪检查，并随时调整各种参数，保证施工正常进行。

对于深厚覆盖层的砂砾石地层来说，利用固结灌浆的手段来实现地基的改良，保证其承载力以及整体性也不失为一种有效的方法。关键是掌握实际地质情况，依据规范、标准以及相关施工经验对各种灌浆机具以及施工工艺及方法进行优化组合，使灌浆效果达到最佳。希望本工程的实践经验能对相关类似工程提供相应的参考，方便施工。

参考文献：

[1]袁光裕，胡志根.水利工程施工(第五版)[M].北京.中国水利水电出版社，2009.

[2]张福根，郭华，徐薛雁.水泥粒度(颗粒级配)测试方法与应用[C]//2005中国水泥技术交流会论文集，2005：95.

[3]石金良.砂砾石地基工程地质[M].北京.水利电力出版社，1991：286.

[4]刘晓青.介绍几种砂砾地基灌浆方法[J].水利科技与经济,2009,15(12)：1131-1132.

[5]聂明家，吴斌.砂卵石层机械打管固结灌浆工程实践[J].东北水利水电,2001,19(7)：8-9.

[6]国家能源局.DL/T 5267-2012.水利水电工程覆盖层灌浆技术规范[S].北京：中国电力出版社，2012.

[7]张业辉，尤士介，蒋常春，等.瀑布沟水电站坝基深厚覆盖层固结灌浆施工及效果分析[J].水电站设计,2009,25(2)：74-77.

[8]沈安正，李立刚.小浪底主坝基础灌浆施工技术进步[J].水利学报,2000,(4):71-74.

[9]国家能源局.DL/T 5148-2012.水工建筑物水泥灌浆施工技术规范[S].北京：中国电力出版社，2012:23.

[10]张景秀.坝基防渗与灌浆技术(第二版)[M].北京.中国水利水电出版社，2002：17.

ConsolidationGroutingofDeepSand-gravelStratuminPracticalEngineeringApplication

ZHAO Jian-fei

(SINOHYDROBureau14Co.,Ltd.,Kunming,Yunnan650041,China)

Abstract：In the construction of hydraulic engineering projects,the hydraulic structures are often directly built on the sand gravel stratum.In order to improve the integrity of sandy gravel stratum and reduce its permeability,it is common to apply comprehensive consolidation grouting on the dam foundation,sometimes consolidation grouting is also carried out in a certain range of the upstream and downstream of the dam foundation when necessary.In the construction of an engineering project,the comprehensive consolidation grouting was applied on the floor of the outlet sluice with descending stage grouting method during the construction process.This method combined the advantages of the existing drilling and grouting techniques and reached a optimum combination.The result of the quality inspection indicates that the outcome not only meets the specifications of consolidation grouting of deep sand gravel stratum,but also has excellent performance.

Keywords：sand gravel;consolidation grouting;optimum combination;quality inspection

DOI:10.3969/j.issn.1672-1144.2014.06.041

中图分类号：TV543+.4

文献标识码：A

文章编号：1672—1144(2014)06—0205—04

作者简介：赵健飞(1988—)，男，陕西周至人，助理工程师，主要从事水利水电工程施工与管理工作。

收稿日期：2014-08-07修稿日期：2014-09-14