大孔隙地层控制性套阀管帷幕灌浆法的设计与应用

杨 彪

中国水电基础局有限公司二公司，天津 301700

水利水电工程属于一项利国利民的民生工程，对于社会稳定、经济高速发展以及当地人们经济收入的增长、生活便利性的提高均有益处，但是结合此类工程的实际建设情况可以了解到大坝渗水问题会导致工程存在质量、安全隐患，严重影响工程的使用寿命，所以施工单位要做好工程大坝的地层防渗处理工作。该项工程中的大坝在施工应用中会与水直接接触，如果未做好防渗处理会影响大坝使用功能，严重情况下威胁整座水利水电工程的使用质量和安全。施工之前检查大坝地层，若属于岩溶、大裂隙以及覆盖层强渗失类地层，则可以判定为大孔隙地层，结合此类地层的灌浆作业经验可知难度较大。目前防渗灌浆作业中常用的灌浆方式包括水泥-膏状浆液灌浆、水泥和水玻璃浆液灌浆等。这些操作方法在常规的大坝地层作业中应用效果理想，但是不适用于软土地基或大孔隙地层中，所以可以应用套阀管法。

1 大孔隙地层套阀管帷幕灌浆法的设计分析

套阀管法最初由法国人提出并应用于工程地层灌浆作业中，我国自20世纪50年代末开始引进该技术进行水库类工程的建设施工，但是该灌浆法最初应用时存在作业成本高（使用钢管）的问题，所以未大范围的普及，后续经过科研人员的不断改良研究，现阶段该灌浆法具有操作简单、塑料套阀管成本低的优势，所以值得在相关工程建设中多加应用。水利水电工程的大孔隙地层的灌浆作业一直都是该工程的施工重难点，直接使用套阀管法，管道内灌注的浆料在流动水的作用下会被稀释，浆料无法对地层进行有效加固[1]。针对大孔隙地层进行套阀管法设计主要包括以下内容。

1.1 设计理念

套阀管法应用于常规的覆盖层灌浆施工作业中，首先，需要在划定的作业区域内钻孔（应用跟管），并且在跟管内置入灌浆筒，该筒壁上带有孔眼，便于灌浆材料渗出；其次，需要在灌浆筒以及跟筒之间的位置，倒入配置好的浆料，在此过程中需要及时将跟管拔出，以便灌注的材料能够有效的与周边的地层融合，提高地层的坚硬度和稳定性，并且促使灌浆筒在浆料作用下在置入区域有着较好的固定效果，以此来防止浆料向上溢出；最后，需要将双灌浆塞置入筒中，来对浆料进行分段控制的灌浆，保证作业区域的周边地层有充足的浆料。分析套阀管法的操作流程可知，该法进行灌浆时最为关键的一个步骤为灌浆控制，借助灌浆塞控制浆液向地层的流动情况，所以在大孔隙地层中使用套阀管灌浆法时需要做好控制工作。同时该方法常规操作时使用的浆液基本为水泥浆，该种浆料遇水后稀释效果明显，直接灌入大孔隙层，无法进行防渗。此外，孔口封闭法为覆盖层防渗时较常应用的灌浆工艺，该工艺使用的浆液为水泥膏浆类材料，控制效果非常好，遇水不容易发生稀释可以尽快凝固。

所以设计适用于大孔隙地层的灌浆法时，设计人员可以综合以上信息，使用套阀管法的作业流程以及孔口封闭法的灌浆材料来进行作业方法的优化设计，以此满足大孔隙地层防渗灌浆施工需要。在灌浆施工期间依托套阀管法精准定位、两套限制的特点，具备良好控制性能的材料即可开始套阀管法的灌浆施工作业。

1.2 制备灌浆材料

基于大孔隙地层灌浆施工使用的材料为高触变抗水膏浆，该浆料具备较好的灌浆使用性能，搅拌时可以在短时间内变稀，停止搅拌则会立刻变得浓稠，如果大孔隙中流动水流速在0.2m/s或以下时该浆料可以快速固结，不会发生浆料性状的改变，所以抗水能力较强。首先，在灌浆材料配比时需要提前准备水泥浆（普通硅酸盐水泥），按照0.70：1的标准进行水灰比配置，并且准备膏浆外加剂（高触变抗水性能），掺入量在0.5%以上，但不超过1%。其次，把握材料的性能，材料在制备时的温度需要控制在20℃，灌浆材料约为1.7g/m3。针对材料的流动性，要求刚开始拌和时呈现出稀-稠-稀的状态，即一搅拌就稀，不搅拌就稠，以此保持材料较小的流动性、较高的稠度。之后再进行二次搅拌，但是要注意搅拌时间不可过长，以免影响抗水性。针对材料的稳定性，套阀管法改良使用的浆料稳定性较差，材料如果处于静止状态有泌水情况出现，要求在材料制备完毕后尽快投入使用。

高触变抗水膏浆目前在工程应用中的适用范围为：地层存在较多、较大的孔隙或者地层有着明显的裂隙，这些情况使用普通水泥浆料的效果不及高触变抗水膏浆的应用效果，尤其每秒水流速在0.2m/s以下时浆料最能防渗，如果流速超过0.2m/s则需要增加膏浆的使用量，以此达到理想的应用效果。该种浆料制备时多采用双桶搅拌机（慢速）、常规搅拌浆设备制备，两种方法均可以制备出质量性能良好的高触变抗水膏浆；制备时间控制在10min以内，完成后及时运送至作业现场进行灌浆。

2 灌浆法改良后的应用分析

本次研究选择的水利水电工程位于乌江流域，坝体为混凝土心墙，在其下游区域有一个过渡层，其中有着较多的碎石、细砂，旁边分布着大量的碎石料。该工程在2010年建设完成，并在当年投入使用，但是经过一段时间的应用，坝体底部的渗漏情况非常严重，而且相应区域的水位也在不断抬高，对坝体进行详细检查之后可见孔隙，孔径较大，部分孔隙处伴有流水，所以该工程施工单位针对坝体渗漏问题制定了大孔隙地层套阀管帷幕灌浆防渗作业方案，使用套阀管法联合高触变抗水膏浆开展具体的作业。

2.1 施工前

施工单位技术负责人对全体作业人员进行改良套阀管法应用的技术交底，以此确保施工人员能够对使用的灌浆工艺、灌浆材料、灌浆作业要点等内容进行全面的了解和把握，确保防渗工程施工的效率和质量；准备高触变抗水膏浆的制浆、灌浆设备，其中灌浆时要求使用双缸柱塞泵，如果工程量大可以使用三缸柱塞泵；灌浆施工的工艺为纯压式，最后在结束灌浆时需要应用普通水泥代替膏浆来完成最后的灌浆，防止稳定性差的高触变抗水膏浆影响作业质量和效果。

2.2 施工中

首先，确定需要进行防渗灌浆的具体区域，即在心墙相应位置上做钻孔，为梅花孔，每个孔之间的间隔距离为1m，排距也为1m。由于该处有着非常厚的覆盖层，其中的主要材料为粒径大小不一、不均匀分布的砂砾，施工人员可以使用同心、偏心钻具来钻孔，针对其中的钻孔薄弱部位需要采用跟管以及管靴等装置做好加固处理。其次，灌浆筒置入时，需要考虑到未搅拌状态下的高触变抗水膏浆的稠度，为了防止浆料直接固结在管道内，需要使用孔径较大的灌浆筒进行施工；同样使用的灌浆塞也为大直径。最后，灌浆作业，施工人员先需要进行灌浆系统的开环处理，使用的处理材料为稀浆、清水；灌浆的主要材料为水泥浆， 刚开始按照2：1的水灰比灌浆，之后在变浆时需要调整水灰比；观察灌性系数，若不存在较大变化时直接灌注高触变抗水膏浆，按照两级标准灌注，其中第一级和第二级要求的水灰比分别为0.8：1、0.66：1，但是两级灌浆时均要使用0.7%的高触变抗水膏浆外加剂，以此增强凝固效果，灌浆快结束时应用普通水泥浆灌注并收尾。

施工人员对大孔隙地层采用高触变抗水膏浆作以套阀管灌浆施工时需要注意以下两点内容：其一为把握变浆条件，即灌浆过程中随时观察水灰比，当其变化为0.5：1的标准时，观察水泥浆灌注量是否达到300L，若达到则视为此时的压力流量较为稳定，施工人员则可以使用高触变抗水膏浆来灌浆，此时先进行一级灌浆，之后再进行二级灌浆， 如果二级灌浆结束后压力流量无变化而且灌浆超过600L，需要停工4h后继续复灌。其二为把握灌浆结束标准，每分钟的单位吸浆量（高触变抗水膏浆）为2L或以下，距离灌浆结束的时间约为0.5h；普通水泥则按照每分钟1L以下标准，再进行0.5h灌注即可结束。

3 结语

在天然覆盖层（具有级配良好的特点）中应用套阀管法来灌浆为目前在软土地基以及覆盖层灌浆作业中使用非常广泛的一种技术，较之于常规使用的灌浆技术有着较多的应用优势，但是在大孔隙地层中应用效果较差，所以需要对套阀管法进行改进设计，以此提高大孔隙地层的灌浆效果，结合工程防渗处理结果可知，重新改良设计的灌浆法在大孔隙地层中取得了非常好的应用效果。