强透水地层帷幕灌浆参数的确定

王 丰

(新疆水利水电科学研究院，乌鲁木齐 830049)

0 引言

帷幕灌浆在我国已经有多年的发展历史，也是在防渗工程中常采用的处理措施，但由于进行帷幕灌浆的相关条件在试验室很难做出模型试验，大部分试验都依附在建工程进行现场试验。在中葛根水库的围堰防渗工程施工中，就遇到在河床砂卵石地层中的防渗问题，特别是在地下水流速较高的情况下的帷幕灌浆就显得的更加困难，由于原设计是采用高压喷射灌浆的方法进行防渗处理的，但在施工过程中发现，在遇到粒径较大的卵石地层时防渗效果比较差，不能满足设计要求。为了解决这个难题，针对强透水地层帷幕灌浆开展了专题试验。传统的砂卵石地层防渗帷幕灌浆，大都采用灌注以黏土为主加少量水泥的混合浆液，并需布置3排以上的灌浆孔，才能保证帷幕的防渗效果。这样就提高了灌浆的造价，由于黏土灌浆只是利用黏土颗粒填充砂卵石的空隙，其一般的强度都比较低，在工程运行后，往往会发生渗流破坏，从而导致整个工程的失败。

所以，本次试验是以单排帷幕灌浆、选用合适的灌浆材料为突破口，探索出一种造价低、工期短、性能好的帷幕灌浆方法。并根据工程实际对不同地质情况、处理深度、防渗效果等进行试验，确定出该方法的适用范围、应用条件和不同的渗漏情况选用相应的施工参数和施工工艺，使之达到设计要求。该方法成功的应用于中葛根水库围堰防渗工程，为在类似工程的应用奠定了基础。

1 灌浆实验

1.1 试验内容

本次试验主要内容为:灌浆实验(室内试验和现场试验)、灌浆压力的确定、灌浆工艺、灌浆控制参数的选定。

1.2 灌浆试验

为了验证这种施工工艺在强透水地层防渗中的适应性，为施工提供必要的技术参数，需要做相应的室内试验和现场试验。

1.2.1 室内试验

1)灌浆材料的选择:砂砾石层的防渗帷幕灌浆，大都是灌注以黏土为主加少量水泥的混合浆液，但黏土颗粒在水流的作用下，宜被水流冲刷带走，需要多排帷幕才能达到防渗标准。其造价也相应较高。为了降低工程造价，只有采用单排帷幕灌浆，为了保证防渗效果，应对浆液进行选择。水泥是常用的灌浆材料，本次试验就采用水泥作为强透水地层的灌浆主要材料，并把水玻璃作为促凝剂。2)模拟地层试验的取材:取用库区的砂卵石料，根据地质资料提供的当地不同地层级配情况，模拟出细颗粒较少的砂卵石、细颗粒较多的砂卵石、细砂层、细砂层与砂砾石混合料。3)灌浆材料:选采用42.5R普通硅酸盐水泥和水玻璃。4)浆液配比:浆液浓度采用重量比为 1∶1、0.8∶1、0.5∶1 共 3 个比级，水玻璃掺入量按不同的配比分别为5%、10%、15%。5)模型设计:试验模型采用无缝钢管，主要模拟浆液的扩散和灌后地层抗渗性，其模型要求能承受3～4 Mpa压力。

1.2.2 现场试验

1)试验段的选择:试验段选择在奇台县中葛根水库围堰地段。河床坝基宽约 20～30 m，第四系覆盖层厚 11～17.5 m，岩性为砂卵石层，表层实测天然密度为 2.1～2.26 g/cm3，室内试验最大干密度为2.29 g/cm3，相对密实度为0.69－0.84。抽水试验砂卵石覆盖层的渗透系数为36.32 m/d。河床基底岩体为角砾岩，系良好的坝基岩体，根据钻孔压水试验其透水率＜5 lu的界线的埋深为25 m。2)浆液配比:选用了同室内试验相同的配比 1∶1、0.8∶1、0.5∶1。水玻璃掺入量也与室内试验相同为5%、10%、15%。

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最后经过分析比较在工程中应用了8% ～12%的水玻璃配比进行施工。最后经过分析比较在工程中应用了0.8∶1的配比进行灌浆施工。

1.2.3 试验结果

经室内和现场试验最终得出以下结果并应用到工程实际施工:1)采用单排帷幕即可达到防渗效果;2)浆液浓度采用重量比为0.8∶1;3)水玻璃掺入量为8% ～15%。

2 灌浆压力试验

灌浆压力均由理论计算与现场试验来确定，砂卵石地层由于结构疏松，有效孔隙较大，自身结构所平衡的灌浆压力非常有限，灌浆压力由灌浆段以上的盖重来平衡灌浆压力。一般都以不使地层结构破坏作为确定允许灌浆压力，同时考虑防止浆液过远流失到帷幕范围以外，而造成注浆材料的浪费。

2.1 灌浆压力的计算

灌浆压力经验计算公式为:

式中:P为允许灌浆压力;β为系数，在1—3范围内选择;γ为砂砾石层之上的盖重层的重度，kN/m3;T为盖重层的厚度;C为与灌浆次序有关的系数，Ⅰ序孔c=1，Ⅱ序孔c=1.25，α为与灌浆方式有关的系数，自上而下灌浆α=0.8，自下而上灌浆α=0.6;λ为灌浆段以上砂砾石层的平均重度，kN/m3;h为盖重层底面至灌浆段段顶的深度，m，无盖重层时，自砂砾石表面算起;经计算灌浆压力应控制在1.5～2.5 kPa

2.2 现场试验

为了确定合理的灌浆压力，在中葛根水库围堰试验段进行了试验，根据现场灌浆试验可知，上述计算的灌浆压力是可行的。

3 灌浆工艺试验

灌浆工艺采用跟管灌浆法，为防止输浆管堵死，采用双管输液，双液在灌浆部位混合。

帷幕排数为单排。按照试验确定的灌浆压力和浆液配比进行灌浆。

1)试验的内容:试验内容包括钻孔方法、灌浆方法、试验灌浆材料及浆液配比、试验灌浆效果分析、灌浆后帷幕的渗透系数及允许水力坡降。同时，收集钻孔地层地质结构，取土样室内试验，作分段分层压水试验。

2)试验场地的选择:试验场地选择在围堰桩号0+080处。

3)施工工艺流程:帷幕灌浆施工依据“分序加密”的原则，分两序施工，即先进行Ⅰ序孔，然后Ⅱ序孔施工。布孔—造孔—拔管—灌浆—封孔。

4)钻孔方法:金刚石清水循环钻进，全孔套管跟进，钻孔直径75～110 mm。

5)灌浆方法:采用自下而上分段灌浆法。

6)灌浆方式:采用纯压式灌浆。由于在砂卵石层灌浆注入量较大，因此必须控制，当浆液注入量＞50 L/min时，应采用双浆液灌浆的办法进行，水玻璃的参量为水泥浆量的8%～15%为宜，水玻璃通过管路上的阀门进行控制，双浆液在孔口封闭器处混合，混合后的浆液会立即变稠，通过压力将双浆液压入砂卵石空隙内，达到控制控制的目的。

7)灌浆压力的控制:根据试验提供的数据，该地层的允许灌浆压力为2.5 kPa，在实际s施工中，根据地层吸浆情况以及对地表的观察，视有无冒浆或抬动变形情况再做压力调整，由低逐渐加大，最终达到试验确定的灌浆压力。灌浆段长度为1 m。

8)浆液质量控制:选择合格的水泥、水玻璃进行施工，在灌浆过程中采用泥浆比重计进行检测，不符合要求的水泥浆作为废浆弃掉。

9)封孔:当灌浆达到最大压力后，累积灌入的浆液总量达到设计要求后，灌浆即可结束。然后立即用拔管机将套管拔出，采用置换法将孔内的稀浆置换出来后灌注0.5∶1的浓浆进行封孔，待孔内水泥浆凝固后，再采用水泥砂浆进行封堵，并将孔口抹平即可结束。

4 灌浆效果检查

4.1 渗水量检查

在围堰的帷幕灌浆前后分别作注水试验来检查灌浆效果。由试验可知，灌浆前砂卵石层的渗透系数在3.7×10－2～1.4×10－1cm/s，灌浆后为渗透系 2.4 ×10－4cm/s，满足了设计要求。并在围堰截流后灌浆之前围堰后架设了3台60 m3/h的潜水泵不间断抽水，相当于每小时渗水量为180 m3，在帷幕灌浆完成后渗水明显减少，1台60 m3/h潜水泵停0.5 h抽水0.5 h，相当于渗水量为30 m3/h，通过灌前灌后抽水量的对比，也反映出灌浆效果是非常明显的。

4.2 探坑检查

1)浆液完全将砂卵石中的空隙填满，形成良好的防渗体，胶结牢固，达到了设计要求。2)一序与二序灌浆孔的浆体之间连接良好，两孔之间已形成密实牢固的土体，在同一深度上厚度较为均匀，从开挖的6 m深度的探坑来看，影响厚度为2～3 m，达到了设计要求。在两孔结合中心处通过取芯试验，其渗透系数均＜10－4cm/s。5组所取岩芯的渗透系数均在设计规定的标准之内。

5 结语

1)将常规的灌浆技术应用到了强透水层，特别是在饱和砂砾石层水流流速比较大的情况下能够在较短的时间内将浆液进行控制技术，并且有效地控制了浆液的影响范围在2～3 m。使原砂卵石地层的渗透系数由10－1～10－2cm/s，达到10－4cm/s，满足了相关设计要求。

2)通过控制浆液的凝固时间，缩小了灌浆影响范围，降低了工程成本。根据该工程实例经初步估算可降低成本约30%。

3)从改变以往多排帷幕灌浆为单排帷幕灌浆，从而节省了成本，缩短了工期。

4)在强透水层灌浆中发现了经常浆液被抱死的现象，并找到了新的解决方法，首次提出了采用双管孔底混合灌浆法，从而提高了施工效率和灌浆效果。

5)经过施工工艺和浆液配合比的试验，采用纯水泥浆液克服了黏土浆液的抗冲刷能力低的问题。采用双液输入水泥浆液和外加剂的工艺，有效地防止了输浆管堵死的现象，显著地提高了施工效率。

6)该方法具有质量可靠、投资省、见效快、工期短的特点，为相似工程提供了参考。

［1］刘文清.水利水电灌浆工程施工工艺与技术标准实用手册［M］.合肥:安徽文化音像出版社，2004.

［2］宋玉才.砂砾石地基垂直防渗［M］.北京:中国水利水电出版社，2009.