桐子林水电站深厚覆盖层帷幕灌浆关键技术研究

刘 涛

(中国水利水电第七工程局成都水电建设工程有限公司，成都 611130)

1 帷幕灌浆方法简介

近年来水利水电工程项目在开发数量上越来越多，规模越来越大，工期越来越紧，施工强度越来越高，对今后的防渗要求会越来越高，改进新型高效的灌浆方法投入生产弥补行业不足已迫在眉睫。目前，适用于覆盖层帷幕灌浆的工艺方法主要有以下几种。

(1)循环钻灌法:是我国独创的一种灌浆方法，也称边钻边灌法。这种方法是在冲积层中自上而下逐段进行钻孔和灌浆，各段灌浆都在孔口封闭。循环钻灌法后来被扩展到岩石地基灌浆施工中，并加以改进，发展成为目前普遍采用的孔口封闭灌浆法。施工工序是:钻孔定位→钻进(第一段)→注水试验(如需要)→孔口阻塞灌浆→镶铸孔口管→待凝→钻进(第二段)→注水试验(如需要)→孔口封闭灌浆→循环钻灌以下孔段至终孔→封孔。其特点:①适宜于砂卵砾石中灌注水泥黏土浆或水泥浆;②在钻孔的过程中，也利用循环泥浆对地层进行灌浆;③由于每段灌浆都是在孔口封闭，各个灌浆段可以得到多次复灌，因而灌浆质量好;④与预埋花管法相比，可以节省大量的管材;⑤工序相对比较简单，操作容易。

循环钻灌法的缺点是:由于钻灌工序交替进行，因此工效相对较低;各段灌浆均在孔口封闭，因而灌浆时地表常常冒浆严重，即使进行深部灌浆，也不能使用很高的灌浆压力;当覆盖层由多种地层组成，需要灌注不同类型浆液时，难以施工。

(2)预埋花管法:也称套阀花管法、袖阀花管法。它是法国人首先发明的，称为索列丹斯(Soletanche)法。这种方法是首先钻出灌浆孔，在孔内下入特制的带有孔眼的灌浆管(花管)，灌浆管与孔壁之间填入特制的"填料"，然后在灌浆管里安装双灌浆塞分段进行灌浆。其特点:①灌浆孔一次连续钻完，灌浆和钻孔工序分开进行，施工效率高;②灌浆在花管中进行，无塌孔之虑，灌浆段隔离也比较容易;③可以任意采用自下而上或自上而下灌浆方式，也可以先灌全孔中的任何一段，或对某一段进行多次复灌，灌浆质量有保证;④可以使用较大压力灌浆，灌浆过程中发生冒浆、串浆的可能性小。根据地层情况和工程需要，可以进行渗透性质的灌浆，也可以进行挤密灌浆或劈裂灌浆;⑤对各种冲积层的适应性好，可区别不同冲积层选用不同的浆液，适应深厚覆盖层灌浆。

预埋花管法的主要缺点是需要预埋花管，且无法回收。以前我国塑料工业不发达，需要使用大量钢管，加大了工程造价。其次，预埋花管法的施工程序较多，花管的制作和下设、填料、灌浆等技术均比较复杂。

(3)打管灌浆法:是一种最简单的钻孔灌浆方法。它是将钢管(灌浆管)打入到砂砾石层中，然后利用该钢管进行灌浆。

(4)套管灌浆法:是利用钻孔时的护壁套管进行灌浆的方法。它的施工程序是:套管护壁钻孔→下入灌浆管→起拔套管(1～2 m)→安装灌浆塞→灌浆→再起拔套管及灌浆管(1～2 m)→安装灌浆塞→灌浆→重复上述工序，灌注至孔口。其特点:采用这种施工方法，钻孔由于有套管护壁，消除了塌孔之虑。采用先进的全液压工程钻机和跟管钻进，效率高，孔深可达60 m左右。需要注意的是在灌浆过程中，浆液容易沿着套管外壁向上流动，甚至地表冒浆;如果灌注水泥浆时间过长，则可能会凝结固住套管，造成起拔困难。

(5)无塞上提灌浆法:不使用灌浆塞，利用在孔内充灌的细砂隔离灌浆段进行灌浆。它的施工程序是:钻孔→下管或跟管→冲洗→下花管→填砂、起套管→逐段上提灌浆管并灌浆→直至孔口。

以上各种工艺工法各有优缺点，经过研究试验，为解决高强度、大规模覆盖层灌浆及简化技术工艺，本文在“预埋花管法”的基础上研究发明了“预设花管模袋分段阻塞灌浆法”。

2 工程概况

桐子林水电站位于四川省攀枝花市盐边县境内的雅砻江干流上，是雅砻江干流下游最末一级梯级电站。本工程二期上游围堰左堰肩覆盖层厚约60～91 m，成分复杂，为冲洪积、塌滑堆积及崩积成因的砂卵石(alQ3)、砂层夹卵石层、块碎石夹土、砂卵砾石夹粉细砂、碎石土。覆盖层帷幕防渗轴线长193.9 m，有约70 m 轴线在3 m ×3.5 m(宽 × 高)的涵洞内，防渗灌浆工程总量约2.33万m，最深施工孔深为92 m，施工工期4个月，高峰平均施工强度为5 800 m/月。

3 施工难点分析

本深厚覆盖层灌浆工程地质条件异常复杂，其施工技术难度大、工期紧、任务重，缺乏类似工程经验借鉴，按照传统的工艺工法施工难以满足工程工期及质量要求。其施工难点具体表现在:

(1)覆盖层地质条件复杂，覆盖层厚约60～91 m，如何解决成孔及浆液进占胶结成体是防渗成幕的关键技术难题。

(2)针对涵洞及露天作业条件下的施工特性(涵洞作业其空间狭窄，高效的大型钻机不具备作业条件;露天作业，需修筑平台为高效大型钻机提供作业条件)，需充分考虑施工方案对工程工期和造价的影响关系，研发最优施工工艺迫在眉睫，是保障工效最大化提高的关键。

(3)本灌浆工程必须保证对成昆铁路线、S214(米易至攀枝花)公路不造成抬动破坏，以确保交通要道的安全运行。

4 研究内容

4.1 “套管——循环综合灌浆法”关键技术

由于本工程施工强度大、施工场地狭小等诸多因素限制，传统的工艺工法(如循环灌浆法)难以满足进度、质量要求，为此研究验证出一套新的、适合本工程特点的灌浆方法是按期保质保量完成本工程的关键与保障。

综合套管、循环灌浆法的优点，通过现场试验，研究出一种适用于深厚覆盖层(90 m级)、狭小场地的高效灌浆法“套管——循环综合灌浆法”。其基本原理:对上部形成年代较晚、成孔难度大的覆盖层采用套管灌浆法施工(约50 m深度范围，此深度视钻机性能决定;本工程钻进试验结果表明:当钻机钻至50 m已达到最优灌浆深度，再继续钻进将出现孔故率偏高、套管起拔困难等不利现象)，有利于提高工效、加快施工进度。对下部覆盖层采用循环灌浆法施工(50 m至终孔)，可使上部覆盖层多次复灌，对施工质量保障有利。该工法的成功应用，既提高了施工工效，又保障了施工质量，且减少了钻材消耗，节约了施工成本。

4.2 “预设花管模袋式分段阻塞灌浆法”关键技术

在本工程中，需要与砼防渗墙进行搭接，要求防渗墙施工完成后灌浆搭接方可施工，其特点是工期紧、工程量大、施工场地开阔。经过反复试验，“预设花管模袋式分段阻塞灌浆法”研究成功，其工艺流程为:钻孔设备跟管钻进一钻到底→下花管后起拔套管→花管内下入灌浆栓塞自下而上分段阻塞灌浆(灌浆前先对模袋进行注浆使其膨胀，防止浆液沿花管外壁与孔壁间的间隙上串，达到浆液横向扩散的目的)。各工序要点如下。

4.2.1 钻 孔

可以使用各种适宜的机械和方法钻进灌浆孔。由于在钻孔中要下入花管，因此钻孔终孔孔径不宜太小，通常为Φ91～Φ140 mm;钻孔机械宜选用精度高、进尺快、钻进孔深能满足灌浆需要的钻机。本工程中使用阿特拉斯A66型钻孔，采用Φ140 mm口径。钻孔完成后用“风水联合冲洗”方式清除孔内钻渣，下设花管完毕后起拔套管。

4.2.2 下花管

花管可用Φ60～Φ89 mm的管材(钢管或塑料管)，在满足管内可顺利下入灌浆塞的前提下，管子直径宜尽量小。花管内壁须光滑，管底封闭要严密牢固。管子上每隔33～50 cm钻一环出浆孔，每环3～4个孔，孔径10～15 mm，出浆孔的外围，用弹性良好的橡皮套箍紧，橡皮套的厚度为1.5～2.2 mm，宽度100～150 mm。本工程中用摩托车内胎作橡皮套，效果良好。为了防止在下花管时橡皮套移动或翻卷，在其下端用细铁丝绑扎，称之为防滑环，这样，每个橡皮套如同一个单向阀门，在灌浆压力作用下浆液可以由里向外流出，但灌浆结束或中止后，浆液不会返流。

根据灌浆所需段长在花管上绑扎模袋，模袋直径根据孔径确定，长度不宜大于花管出浆孔的间距，它在花管与钻孔的环状间隙中起阻塞的作用，保证浆液在灌浆时能横向扩散，而不会沿孔壁上冒。

下花管是预埋花管法灌浆的一道关键工序，预先应当做好充分准备，力求一次成功，避免出现故障又起拔重来，造成损失。花管下入前应当逐节进行检查，在地面进行全孔预安装，逐节编号，下管时应详细校核并记录各段花管长度和搭接尺寸，下设位置与设计位置的偏差等。花管下端离孔底距离不得大于20 cm。孔口高出地面10～20 cm。

4.2.3 模袋阻塞

花管安装完成后，使填充膨胀模袋阻塞在花管与钻孔的环状间隙，保证浆液在灌浆时只能横向流出，而不会沿孔壁上冒。

模袋填充注浆有2种方式:一种是管外注浆，即不通过花管，另设模袋注浆管注浆充填模袋的方式，绑扎模袋时，在模袋内安装一根注浆管，水泥浆从此注浆管注入使模袋膨胀，从而达到阻塞花管与钻孔环状间隙的目的;另一种是管内注浆，即通过花管上设置的出浆孔注浆充填模袋的方式，绑扎模袋时，花管模袋段设置出浆孔，但不安装橡皮套，在灌浆时先使用小压力压浆异步膨胀阻塞膜袋(由于其他部分出浆孔设有橡皮套，小压力灌浆时，浆液只能从模袋段未设置橡皮套的出浆孔流出，填充模袋，从而达到异步膨胀阻塞膜袋的效果)，待膜袋膨胀起到阻塞作用后，升压开始进行分段灌浆。

4.2.4 灌 浆

对于选用管外注浆方式填充模袋的，模袋膨胀起到阻塞作用后，不需等待凝固，可直接下塞灌浆，灌浆时按与模袋同步的原则分段卡塞灌注;对于选用管内注浆方式填充模袋的，灌浆塞应卡至模袋出浆孔以上，下一段花管出浆孔以下位置，以便灌浆时水泥浆液优先填充模袋，达到阻止浆液上串的目的。

该工法与传统的“套阀管法”相比，省去了灌注填料、填料待凝等繁杂工序，其操作性强、安全可靠、成孔及精度高、灌浆故障低，是一种高效可行的施工工法，其成功运用为其节点目标工期的顺利实现创造了条件。

4.3 灌浆浆材选择

本工程地质条件复杂，根据钻孔揭露的地质情况，查清覆盖层构成物及覆盖厚度，依据其可灌比值结合地层渗透系数的大小和地层颗粒级配，采用了纯水泥浆液、水泥砂浆、水泥－水玻璃浆液、水泥－膨润土浆液进行灌浆。

4.3.1 纯水泥浆

为确保浆液的扩散半径，各灌浆孔段首次灌浆时宜采用纯水泥浆开灌，纯水泥浆液的比级及开灌比如下:

(1)背水排灌浆孔采用0.8∶1，0.6∶1 的 2 个水灰比比级，开灌水灰比为0.8∶1，地层耗浆量较大时逐级变浆加浓浆液灌注。

(2)迎水排灌浆孔采用 1∶1，0.8∶1 及0.6∶1 的 3个水灰比比级，采用1∶1的水泥浆开灌，根据浆液变换原则加浓浆液灌注。

(3)中间排灌浆孔采用 2∶1，1∶1，0.8∶1，0.6∶1 的4个水灰比比级，开灌水灰比为2∶1，根据浆液变换原则加浓浆液灌注。

(4)各排各次序孔灌浆的浆液比级根据已灌孔段开灌水灰比和结束水灰比的具体情况进行了适当调整:如果开灌时的单位吸浆率普遍较大，采用较浓比级浆液开灌;反之，采用较稀比级浆液开灌。

4.3.2 水泥砂浆

各灌浆孔段在首次灌浆过程中，单位注灰量达到1 t/m，且压力、流量均无明显变化，改用水泥砂浆进行灌注。砂浆配比为，水∶灰∶砂 =0.6∶1∶(0.3 ～0.8)。

4.3.3 水泥 －水玻璃浆液

(1)如砂浆灌注量达2 000 L/m时，且压力、流量均无明显变化，则停止灌注砂浆，换用水泥－水玻璃浆液。

(2)当遇到地下动水或承压水的灌浆孔段时，可直接采用水泥－水玻璃浆液进行灌注。

(3)水泥－水玻璃浆液的体积比为，水泥浆∶水玻璃 =1∶(0.01 ～0.03)，根据压力与注入流量的情况增加或减少水玻璃用量。

4.3.4 水泥 －膨润土浆液

结合地质情况，针对可灌性差的地层采用水泥 － 膨润土浆液进行灌注。水固比为 3∶1，2∶1，1∶1(水泥与膨润土比例拟定为 1∶1，1∶2)，开灌水固比为3∶1，根据压力与注入流量的情况逐级变浓。

4.4 抬动变形观测

为防止灌浆施工对成昆铁路线、S214米攀公路造成抬动破坏，施工中采取了如下措施:

(1)采用“智能抬动观测仪”和“人工抬动观测”进行同步观测，能在第一时间准确掌握涵洞底板的抬动变形情况，为及时采取防抬措施提供了时间保障。

该“智能抬动观测仪”是综合运用测控技术、嵌入式计算机技术、软件技术来对抬动监测现场的可能抬动量进行自动量测、记录、报警和报表打印。系统的工作原理是传感器将观测部位抬动值检测出来，并传送到记录仪;记录仪在抬动值＜10 um时，不做记录;但是当抬动值每增加10 um时，记录仪将以班报的形式产生一条记录;当抬动值增加超过设定报警值时(例如:100 um时)，报警器将报警。该系统可以同时观测记录4个孔的抬动值，可连接4个报警器。

(2)布设“防抬动泄压孔”，即在灌浆施工前，对被灌孔周围的灌浆孔的涵洞底板接触段进行钻孔(钻穿砼底板并入覆盖层0.5 m)，用作串、冒浆的泄压通道，以释放集中在底板砼面上的浆液能量，防止抬动破坏的发生。

上述措施的综合应用，有效避免了对交通要道造成抬动破坏，确保了其安全运行。

5 防渗效果分析

5.1 注水试验成果

本工程质量检查以注水试验成果为主，结合灌浆施工资料分析进行综合评定。根据注水试验成果资料统计:灌前先导孔渗透系数最小值为1.0×10－3cm/s，最大值为6.44 × 10－2cm/s;灌后检查孔渗透系数最小为1.47 × 10－5cm/s，最大为1.38 × 10－4cm/s，质量检查全部合格。基坑开挖后，覆盖层防渗部位未见渗、漏点，其防渗效果显著。

5.2 取芯成果分析

为详尽掌握覆盖层分层及构成情况，本工程灌前先导孔和灌后检查孔均进行了取芯施工，其典型芯样对比见图1、图2。

图1 桐子林组粉砂质黏土夹碎砾石Fig.1 Silty clay with crushed gravel before and after the grouting at Tongzilin

图2 砂卵石夹孤(块)石Fig.2 Sand gravel(stone block)before and after the grouting

根据岩芯实物查看:水泥浆脉清晰可见，水泥充填使砂卵砾石有效胶结、成为整体，说明灌浆效果显著。

6 结论

桐子林水电站深厚覆盖层灌浆工程地质条件复杂、施工难度大，针对涵洞及露天作业条件下的施工特性，成功研究了“套管——循环综合灌浆法”和“预设花管模袋式分段阻塞灌浆法”并得到了推广应用，解决了90 m级深厚覆盖层灌浆的施工技术难题，提高了施工工效，节约了施工成本。施工中采用“智能抬动观测仪”和“人工抬动观测”进行同步观测，布设“防抬动泄压孔”，这些方法有效避免了对交通要道造成抬动破坏。依据地质条件和灌浆的不同阶段采用不同的浆材，灌后注水试验成果质量检查全部合格。取芯样品水泥充填使砂卵砾石有效胶结、成为整体，说明灌浆效果显著。研究成果为工程节点目标的顺利实现提供了保障，为类似工程积累了施工经验。

［1］DL/T 5267—2012，水电水利工程覆盖层灌浆技术规范［S］.(DL/T 5267—2012，Specification of Overburden Grouting for Hydropower and Water Resources Projects［S］.(in Chinese))

［2］全国水利水电施工技术信息网组.水利水电工程施工手册第1卷地基与基础工程［M］.北京:中国电力出版社，2004:124 －133.(National Information Network Group for Water Resources and Hydropower Construction Technology.Hydropower Construction Manual Volume 1 Foundation Engineering［M］.Beijing:China Electric Power Press，2004:124 －133.(in Chinese))

［3］马邦凯.水泥粉煤灰膨润土浆液在沙卵石帷幕灌浆中的应用［J］.四川水力发电，1997，(1):55 －57.(MA Bang-kai.Application of Grouting Slurry with Cement Fly Ash and Bentonite to the Curtain Grouting of Sand and Gravel Foundation of Cofferdam［J］.Sichuan Water Power，1997，(1):55 －57.(in Chinese))

［4］牟兴华.冶勒水电站深厚覆盖层帷幕灌浆试验工艺［J］.四川水力发电，1998，(4):88 －90.(MOU Xinghua.Technique for Curtain Grouting Test on Thick Overburden at Yele Hydropower Station［J］.Sichuan Water Power，1998，(4):88 －90.(in Chinese))