碎石土回填基础灌浆补强施工

陶旭东

(黄河万家寨水利枢纽有限公司，山西 太原 030002)

1 工程概况

某引水泵站位于黄河中游峡谷内，1997年因一水电站库区淹没在原址新建，沿黄河右岸依次布置一级斜坡式取水泵站、二级取水泵站及斜板沉沙池等，场区高程982 m，长度300 m，顶部宽度60 m。各建筑物基础至开挖新鲜岩石，场区碾压回填10 m～27 m碎石土层，迎水面采用无纺布加浆砌石护坡。水库蓄水后正常水位977 m，最高水位980 m，最低水位952 m。水库蓄水后泵站场区背靠山体三面环水。1998年秋季水库开始蓄水、1999年春季因黄河凌汛库水位下降，回填场区发生不均匀沉降导致场区内敷设输水管路发生渗漏。

2 沉降原因分析

水电站运行方式:为防止库区高水位对黄河上游包头、河套地区产生影响，每年在春季凌汛和夏季防汛期间采用低水位运行，且水位下降速度快，短期内(3 d)可降低20 m。

泵站基础基岩为寒武系灰岩，岩层产状平缓，走向NE，倾向NW，倾角2°～3°。基础大部分岩体饱和抗压强度为88.4 MPa～176.9 MPa，相对软弱的泥灰岩、页岩在新鲜状况下的饱和抗压强度平均值大于80 MPa。经观测所建建筑物未发生明显沉降。

经分析，回填场区沉降原因:因水库正常水位时，回填场区处于黄河水浸泡，在水位快速下降过程中，回填碎石土细颗粒流失。

3 灌浆试验

经设计复核，回填区基础处理采用灌浆形式加固。沿场区外侧布置防渗帷幕封闭，场区内采用回填灌浆补强加固。为了选择相适应的灌浆材料和灌浆方法，确定合理的帷幕深度、灌浆段长、灌浆压力以及结束标准，根据不均匀沉降部位不同，分别选取了地下岩体完整性相对较好、渗透性较弱、回填高度较小、沉降较小的二级泵站上游侧及回填高度较大、沉降较大的二级泵站下游侧进行水泥灌浆对比试验。

试验孔布置形式:各设置3个孔，直线排列，间距3 m，防渗标准为3 Lu，采用自上而下的纯压式灌浆工艺，分段施工，每段为6 m，最大灌浆压力0.50 MPa。采用32.5级425普通硅酸盐水泥，浆液水灰比采用 3∶1，2∶1，1.5∶1，0.8∶1，0.5∶1 五个比级。两个试验区的灌浆情况见表1。

由表1可知，灌浆试验Ⅰ序孔、Ⅱ序孔单位注入量比较接近，Ⅲ序孔单位注入量比Ⅰ序孔、Ⅱ序孔都小，检查孔水泥注入量明显减小，透水率满足设计要求。

灌浆试验说明单排孔、孔距3 m的布置形式，以及采取的灌浆压力、浆液和配比是基本合理的，可以形成有效的防渗帷幕。实验测得扩散半径与孔深及压力关系见表2。

表1 帷幕灌浆试验各序孔单位注入量表

表2 扩散半径与孔深及压力关系表

4 灌浆施工

4.1 帷幕灌浆

灌浆工艺为小口径钻孔、自上而下的纯压式灌浆工艺。工艺流程为:定孔位→固定钻机→钻进孔口段→镶筑孔口管→待凝72 h→下一段钻孔→压水试验→灌浆→再下一段钻灌→……→封孔。

灌浆孔钻进采用XY－Ⅱ地质钻机，金刚石钻头，开孔孔径为90 mm，孔口管以下改为直径75 mm。先导孔和检查孔孔径为90 mm。为使浆液渗透均匀，注浆分段不宜太长，一般采用5 m段长，孔口附近段长2 m～4 m。灌浆段划分按表3执行。

表3 分段钻孔长度表 m

帷幕先导孔、Ⅰ序孔和检查孔，自上而下分段进行五点法压水试验，其他各次序孔在灌浆前进行简易压水。

灌浆采用HS－3灰浆泵。灌浆自动记录仪对灌浆压力、流量实行全过程监控。每段灌浆结束后除特殊情况外均不待凝即进行下一段钻孔灌浆。为避免压力过大对结构层破坏，根据灌浆实验各段灌浆压力按表4执行。

表4 各孔段灌浆压力表

灌浆浆液的浓度应由稀变浓，逐级变换。浆液采用3∶1，2∶1，1∶1，0.5∶1 四个比级。施工初期采用 3∶1 浆液开灌，后开灌比全部改为 2∶1。

当灌浆压力不变，注入量持续减少时，或当注入量不变而压力持续升高时，不改变水灰比。当某一比级浆液的注入量已达500 L以上或灌注时间已达1 h，而灌浆压力和注入量均无改变或不明显时，可改浓一级。当注入率大于30 L/min时，可根据具体情况越级变浓。

结束标准:灌浆应同时满足以下两个条件后，方可结束:

1)在设计压力下，注入率不大于0.5 L/min时，延续灌浆时间不少于90 min。

2)灌浆全过程中，在设计压力下的灌浆时间不少于120 min，注入率不大于0.5 L/min，延续灌浆时间不少于30 min。

采用水灰比0.5∶1的水泥浆按“置换和压力灌浆封孔法”进行封孔。最后在孔口进行纯压封孔灌浆30 min，闭浆24 h。如封孔不密实产生渗水，须扫孔重新封孔。

4.2 回填灌浆

工艺流程:造孔→埋设导管→灌浆→下一段钻孔→再下一段钻灌→……→封孔→检查孔。

回填灌浆使用制浆机SHJ150、注浆泵 YZB－50/70分段施工(同帷幕分段)，采用32.5级325普通硅酸盐水泥，浆液水灰比采用2∶1，1.5∶1，1∶1，0.5∶1 四个比级。Ⅰ序孔灌注 0.5∶1 水泥浆液、Ⅱ序孔根据实际情况选用1.5∶1，1∶1的水泥浆液。当注入量较大时使用水泥砂(黄泥)浆，掺砂(泥)量与水泥量比为1∶1或2∶1。

根据取样现场实测回填碎石土压实系数在0.96～0.97间，在0.10 MPa～0.15 MPa的浆压下开始注入浆液，在达到0.25 MPa～0.30 MPa的灌浆压力下浆液注入开始加快，在 0.35 MPa ～0.50 MPa达到最高值。灌浆压力设计值确定为0.30 MPa。

灌浆孔在设计压力下，注入率不大于0.5 L/min时，延续灌浆时间不少于5 min即可结束。

孔位布置:沿泵站场区外侧迎水面布置Ⅰ序孔，孔距5 m，梅花形，灌注水泥(砂)浆;场区内部田字格内部布设Ⅱ序孔，采用水泥砂浆和黄泥浆灌注，孔距3 m，梅花形布置。

4.3 灌浆效果检验

利用XY－Ⅱ地质钻机对检测孔全断面取芯，可以看到碎石土已由加固前松散状态完全凝固成短柱状或长柱状，对每个检测点的水泥胶结体现场取样进行饱和抗压强度试验，试验结果显示本工程经加固后的碎石土泥胶结体饱和抗压强度平均值达到2.25 MPa，根据试验成果计算经加固后碎石土回填区地基承载力特征值，计算公式如下:

其中，fa为地基承载力特征值，kPa;frk为单体饱和单轴抗压强度标准值;φr为折减系数，本处取0.2;frm为单体饱和单轴抗压强度平均值;φ为统计修正系数;n为试样个数;δ为变异系数。

经计算，加固后的碎石土(碎石土水泥胶结体)承载力特征值为422.5 kPa＞350 kPa。由此可见:基础主要受力层范围内(基底下5.0 m深度范围内)分布的碎石土(基底下第一下卧层)加固后的承载力特征值均满足设计要求。

5 特殊情况处理

1)冒浆、漏浆处理。灌浆过程中冒浆、漏浆主要发生在二级泵站下游侧，根据具体情况采取了表面封堵、降低压力、加浓浆液、限流、限量、间歇灌浆等方法进行处理。

2)回浆变浓。灌浆过程中回浆变浓的情况较少出现，一般采用换用相同水灰比的新浆进行灌注，如效果不明显，延续30 min结束灌浆。也有少数即将灌浆结束的孔段维持达到结束标准。

3)串浆现象。由于回填场区局部松散，使灌浆孔与邻近孔之间直接或间接相通，常会造成浆液通路，引发串浆现象，会导致灌浆路堵塞、压力表失灵，判断不准确;需要根据个体情况分别采取封堵、降压、浓浆、限流等措施进行处理。

4)吃浆量较大的现象。灌浆过程中遇吃浆量大难以结束。一般的灌浆在2 d～3 d内可结束，若出现大量吃浆不止、长时间灌而不结束的现象，主要是由于靠近山体侧溶洞回填碾压不实及下游侧地层细颗粒流失的特殊结构条件导致浆液从下游冒出，此时选用下列措施处理:低压、浓浆、限流、间歇、待凝、扫孔、浆液中添加细砂料、复灌等;若通过以上几种方法处理后，吃浆量仍然较大，可在浆液中添加玻璃胶处理，待凝一段时间后再将孔扫开，进行复灌一次。

5)孔壁坍塌、卡钻、掉钻头。在碎石土层钻进施工，常遇到局部松散、大块石，使孔壁坍塌、卡钻、掉钻头现象较为普遍，采取主要措施是停钻并灌黄泥浆护壁，减少段长，待凝固后复灌。

6 结语

二级泵站上下游两侧设置水位观测点2个，各建筑物沉降观测点8个，场区沉降观测点6个，在灌浆前，由于水位的变化，场基被水浸泡，短期内场地基础出现大幅沉降，在采取注浆加固场基后，对建筑物及场地每2周进行一次沉降观察，连续观察6个月后，比对注浆后沉降数值，在注浆4周后建筑物及场区沉降数值已稳定，未再出现场区地基大幅沉降现象。

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