斜卡水电站丙烯酸盐化学灌浆施工质量控制

姚 昕

(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)



斜卡水电站丙烯酸盐化学灌浆施工质量控制

姚 昕

(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)

化学灌浆是一种新型的基础处理手段，目前在处理水库坝基软弱岩带、断层带等复杂地层时，已逐步被推广使用。但化学灌浆施工技术复杂，为获得良好的实施效果，在施工中的质量控制显得尤为重要。本文以斜卡水电站基坑C区丙烯酸盐化学灌浆工程为实例，简述化学灌浆施工中的质量控制。

丙烯酸盐 化学灌浆 质量控制 斜卡水电站 基坑

1 概述

化学灌浆在我国经过几十年的发展，其灌注工艺、浆材都得到显著改善，尤其在近几年，化学灌浆被广泛地用于软弱岩带、断层处理中，且灌注效果显著，具有广阔的发展前景。与此同时，化学灌浆作为一项复杂的工程技术，在施工过程中如何进行质量控制，目前并无成熟的控制手段和标准，故对其在施工过程中的质量控制研究具有重要意义。

影响化学灌浆实施效果的主要因素在于准备阶段和实施阶段两个过程。施工准备阶段应主要考虑工程地质、浆材性能和灌注机具的影响；实施过程阶段应主要考虑各施工工序的影响，如胶凝时间、孔内排水、灌注过程的合理性、浆液返渗等。在灌注施工中，这些因素既相互联系又相互制约，因此对这些影响因素进行深入的分析和探讨，将是确保工程质量的关键。本文以斜卡水电站基坑C区丙烯酸化学灌浆工程为例，探讨分析化学灌浆施工中的质量控制。

2 施工准备阶段的控制

2.1 化学灌浆材料选择

斜卡水电站基坑C区水泥帷幕灌浆施工于2012年1月20日开始，截止2013年2月5日完成所有灌浆施工任务。根据灌后检查孔压水试验成果，C区1～3单元满足设计标准。而C区4～6单元灌后检查孔多段次透水率不满足设计要求，甚至检查孔部分孔段在钻孔过程中出现塌孔、返水中携带松散颗粒状的粉细砂，返水颜色有时呈黄褐色等现象。通过水泥浆液复灌显示，灌注量小，灌注效果不明显，因此决定采用化学灌浆进行处理。

化学灌浆前综合分析影响因素，主要受地质条件、地下水、环境温度等多方面影响。根据设计提供及钻孔过程中揭示的地质条件，基坑C区4～6单元及右岸趾板1～3单元在28m以下存在多条碎石状破碎带，该部位钻孔返水为黄褐色，返渣中含有粉细砂、粉质砂土等。

根据化学灌浆试验1号孔孔内电视成果，自65m至75m(仅能下设至75.0m左右)仍存在覆盖层(见图1)。

图1 化学灌浆试验1号孔部分孔内电视成果

斜卡水电站基坑C区涌水丰富，C区6单元上游侧施工时，山体存在大量涌水现象。

基坑C区水泥灌浆施工时，多孔段出现涌水现象，涌水流量达到5L/min～6L/min，且水泥灌浆结束后，存在涌浆现象。

另外，斜卡水电站昼夜温差较大，冬季环境温度低，最低温度达到-15.6℃，昼夜最大温差达27.8℃。通过现场施工中对孔内水温监测，孔内水温最低为7℃，最高为11℃。

通过上述统计分析，明确了化学灌浆的处理对象，即含有粉细砂、粉质砂土等物质的砂层。同时，化学灌浆须克服地下涌水和昼夜温差的影响。

目前化学灌浆的灌浆材料主要有聚氨酯、环氧树脂和丙烯酸盐。聚氨酯遇水即开始反应，不适合处理此类涌水地层；依据室内试验成果，环氧类化学灌浆材料胶凝时间一般在3d以上，处理效果难以保证。根据各种灌浆材料的特性结合工程地质概况，使用丙烯酸盐并采用适宜的施工工艺，方可取得良好处理效果，最后明确基坑C区4、5单元化学灌浆材料为丙烯酸盐。

2.2 灌注机具的选择

斜卡水电站基坑C区丙烯酸盐化学灌浆压力采用1.5MPa～2.0MPa。化学灌浆的浆液配制及流量控制，依据灌前压水结合现场配浆效率确定，流量最大控制在30kg/min～40kg/min。因此，在对比国内外多种灌浆设备后，选择无锡市前洲龙洋高压往复机械厂生产的高压往复泵。其性能参数见表1。

表1 化学灌浆泵性能参数表

为实现流量的大范围调节，该泵电机采用变频驱动，通过变频调节电机的转速，实现流量在0～60L/min的调节，避免了通过回浆调节流量而造成浆液循环发热，影响浆液性能。此外该泵还便于清洗，为高强度的施工节约了大量的辅助时间。

3 灌浆施工阶段的控制

丙烯酸盐化学灌浆的施工工艺流程如图2所示。

图2 丙烯酸盐化学灌浆施工流程

3.1 灌前压水参数调整

丙烯酸盐化学灌浆灌前压水采用单点法，试验孔灌前压水压力采用1.0MPa，而灌浆压力采用1.5MPa。灌注过程中出现部分孔段灌浆流量与压水流量明显不匹配，且耗浆量较大甚至无法结束的现象。为此在大面积施工时，将灌前压水压力上调至1.5MPa，与灌浆压力相匹配。并规定采用人工实测记录，为浆液的选择和拌制提供更为精确、可靠的数据。

3.2 孔内余水的排除与射浆管的调整

在丙烯酸盐化学灌浆中，排出孔内积水是施灌前的重要步骤。排水方法采用将射浆管下至孔底(距孔底不大于50cm)，采用压力风吹出孔内积水。因此射浆管是否下至设计位置，将对孔内积水的排除产生重大影响。

斜卡水电站前期采用孔内卡塞进行化学灌浆，射浆管根据实测孔深采用铁管下设至预定位置。然而由于砂层强度低，塌孔掉块严重，时常造成射浆管无法正常下设至预定位置，同时结合孔内涌水现象，为确保灌浆质量要求浆材胶凝后才可起塞。但在浆材胶凝后起塞时，常常出现射浆铁管抱死无法起拔的现象，严重制约后续钻孔的正常实施，对施工进度造成重大影响，导致施工成本极高。

为避免灌浆塞无法取出，节约施工成本，提高施工效率，后续化学灌浆改为孔口封闭法施工，且下设胶管作为射浆管。然而灌浆后扫孔证明，包裹着射浆管的丙烯酸盐胶凝体扫孔极其困难，时常出现射浆管缠绕钻头及钻头堵塞等异常情况，同样影响施工进度。

最终，射浆管调整为硬质厚壁的胶管，确保射浆管下至预计位置，同时保证高风压不会扭曲破坏射浆管；当孔口返出原浆后，拔出射浆管继续灌注。射浆管下设方法的调整，为确保施工进度和施工质量提供了可靠的解决方案。

3.3 胶凝试验与浆液配制的控制

不同批次的丙烯酸盐浆材胶凝时间存在差异，施工现场胶凝试验表明添加同量的缓凝剂，同一批次的浆材在不同温度下胶凝时间差异仍然较大。斜卡电站地处高寒地带昼夜温差大，因此为精确地掌握胶凝时间、确保灌浆过程受控，规定若现场温度与胶凝试验的温度差异较大(温差10℃以上)，则须重新做胶凝试验，同时每批次新进场的浆材都应进行胶凝试验。

常规的丙烯酸盐化学灌浆对无渗水孔段，浆材胶凝时间一般按下述标准控制：①当压水流量Q≤5L/min时，胶凝时间按照45min控制；②当压水流量5L/min10L/min时，胶凝时间按照35min控制。

由于斜卡水电站基坑C区地下水丰富，故浆液采用多比级梯度配制，达到浆材灌注至地层后同时胶凝的效果。灌注时采用大流量高压力灌注，确保扩散半径和较短的灌注时间，防止浆材进入地层后被稀释，影响灌浆质量。同时，调整了丙烯酸盐化学灌浆射浆管的下设及灌注方法，因此按常规的胶凝时间控制明显不合理，需要重新调整以满足施工需要。浆材的胶凝时间控制标准，通常根据压水试验的流量结合孔管占计算：①计算孔占及管占并估算注浆量，注浆量估算方法：注入量≈注入率×预计灌注时间。若地层压水流量较大、涌水量大，预计灌注时间≈第一组浆材从孔口被灌注到地层的历时+(3～5)min；②管占浆材的胶凝时间=辅助时间+拔射浆管时间+预计灌注时间，且根据注入率梯级配置；③拔出射浆管后浆材的胶凝时间，选用预计灌注时间，并根据注入率变化调整。

以孔占为280kg、灌前压水流量达30kg/m～40kg/m，且涌水较大的段次为例，孔管占浆液的配制通常为三组150+80+80=310kg(配制的浆材要略大于孔占，灌浆时须排出一部分的浆水混合物，每次配浆量根据现场电子秤称量、配浆容器配制)。孔管占的时间为4+3+3=10min，预计灌注时间因涌水流量和压水吕容值均较大，选用10+5=15min，注入量为15×30=450kg，除孔管占外还须备用80kg的浆材6组。拔射浆管时间通常为8min，管占浆材的胶凝时间为第一组10+8+15=33min/第二组29min/第三组26min。拔出射浆管后,灌注浆材的胶凝时间选用15min。至第六组浆材时，注入率和流量通常变化明显，若有结束趋势，则配制30min～40min胶凝时间的浆材，防止短胶凝时间因注入率较小长时间灌注导致灌浆管路堵塞。

通过上述方法，首先可以预计灌注需要的浆材总量，预先准备灌浆浆材。丙烯酸盐浆材通常25kg/桶，若开灌后才开始倒置、添加缓凝剂配浆，根据灌注速率可能无法保证灌浆的连续性。其次，由于灌注方法的改变，浆材胶凝时间的选用不同于常规的丙烯酸盐灌浆，通常需要多个配比。管占浆材胶凝时间的梯度配制，保证了灌注至地层的浆材同时胶凝，后续浆材的梯度配制保证了地层逐步充填密实，且避免了可能引起的灌浆管路堵塞，同时也为灌浆过程中的速率控制提出了更高的要求。

3.4 灌浆参数的调整

为验证丙烯酸盐化学灌浆的可行性，在大面积施工前，进行了丙烯酸盐化学灌浆试验。试验孔按照三角形布置，孔间距分别为0.8m、1.2m、1.5m，中间CHS-J01为灌后检查孔(见图3)。

图3 化学灌浆试验孔及检查孔孔位布置

化学灌浆试验的施灌条件为：①当灌前透水率不大于3Lu时，可继续钻进施工。若连续三段(即段长为15m)透水率不大于3Lu时，可进行一次化学灌浆。若继续钻进施工的孔段出现透水率不满足设计要求时，可与上部合格的孔段一起灌注，但段长不得大于15m；②当灌前透水率在3Lu～20Lu(包含20Lu)时，可直接采用化学浆液灌注。当灌前透水率大于20Lu时，应先进行水泥浆液灌注，再进行化学浆液灌注；③当遇塌孔孔段时，即使透水率较小，也应进行化学浆液灌注。

试验区化学灌浆的成果见表2所示：

表2试验孔化学灌浆情况一览

检查孔施工在CHS-1施工至96m，HC4-1-2施工至65m，HC4-2-03施工至70m时开始，检查孔深度64m。其检查情况为：47m～64m整孔压水透水率为3.47Lu，分段压水最大透水率为5.17Lu(53m～58m)。通过CHS-1孔内电视可以看出，该孔在0～81m范围均为覆盖层，可明显见丙烯酸盐填充物。检查结果表明，试验区丙烯酸盐化学灌浆虽然取得了一定的成效，但没有达到预期的灌浆效果。分析原因：①灌前压水吕容值偏大的段次，化学灌浆开灌压力偏小，浆液扩散达不到预期半径；②多数孔段化学灌浆前并未进行水泥灌浆，灌浆时常出现流量越灌越大的情况，灌浆难以结束。

鉴于此，对化学灌浆参数进行了相应调整：①每灌浆段钻孔完成后，直接采用水泥浆液灌注；②段长一般情况下均按照5m划分，化学灌浆段长最大不得超过10m。当水泥浆液灌注后压水注入率>2L/min时，采用化学灌浆。注入率≤2L/min，可继续钻进施工，并与下一段合并为一段灌注；③化学灌浆压力调整为2.0MPa；④化学灌浆结束标准调整为：当灌浆压力达到2.0MPa，注入率小于2kg/min时，持续灌注6min可结束灌浆。当化学灌浆注入量达到150kg/m时，且流压比无明显变化，可结束灌浆。

3.5 质量检查与复灌标准

为保证丙烯酸盐化学灌浆质量，每段灌浆结束待凝后，都需扫孔至灌浆深度进行单点法压水。压水压力采用1.5MPa，若流量≤2kg/min时，可不再复灌；若流量>2kg/min时，必须进行复灌。

4 丙烯酸盐化学灌浆效果评价

斜卡水电站基坑C区丙烯酸盐化学灌浆，灌后质量检查共布置5个孔，共计压水检查70段，全部满足灌后要求，q﹤3.0Lu。检查孔最大透水率为2.85Lu，最小透水率为0，说明通过化学灌浆岩层的整体防渗明显提高，完全满足大坝蓄水、运行要求。

5 结语

通过在斜卡水电站基坑C区丙烯酸盐化学灌浆施工中的质量控制，说明在化学灌浆过程中，无论是在施工准备阶段对现场地质情况的分析、机具的选择，还是在施工过程中对关键、重要工序的现场监控，都将对化学灌浆质量产生重大影响。因此，随着洁净能源的相继开发，化学灌浆将更加广泛地推广和运用，如何增强过程监控，严把关键控制点的运行，将是保障施工质量的重点，需要进行长期探索。

〔1〕栏玉坤.化学灌浆在软弱地基中的质量控制[J].广西工学院学报，2001,12(4)∶46～49.

〔2〕刘安荣，陈秋华等.复杂地基处理中化学灌浆及质量控制的研究[J].水利与建筑工程学报，2010,8(1)∶60～61,83.

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