古河槽超深砂砾石层帷幕灌浆试验研究

亚森·钠斯尔 童 耀

(1.新疆巴州大石门水库管理处，新疆 库尔勒 841000；2.中国葛洲坝集团基础工程有限公司，湖北 宜昌 443002)

1 工程概况

新疆车尔臣河大石门水利枢纽工程左岸古河槽内沉积的砂砾石层厚度超过300m，泥质半胶结，主要为中等透水地层。下部地层架空结构占该地层15%，为强透水地层。库区正常蓄水位以下中更新统Q2冲积砂砾石覆盖层厚度超过200m，该层存在渗漏和绕渗问题。为减少地层渗漏量、延长渗径，防止左岸下游厂房高边坡产生渗透破坏，设计采用了“帷幕灌浆+坝后排水”的综合防渗处理措施：在左岸坝顶高程沿坝轴线方向布设575m长灌浆平洞，对古0+000～古0+570段砂砾石地层采用布设2排帷幕灌浆孔进行防渗处理，孔距为3m，排距为2m，梅花形布置，孔深按入岩以下5m控制，灌浆幕体的透水率不大于3Lu，最大帷幕灌浆深度超过200m，帷幕灌浆施工参数经现场灌浆试验后确定；在左岸坝后排水洞内布设上置式排水系统，以进一步降低古河槽绕渗产生的渗透压力。

在砂砾石层中进行帷幕灌浆施工难度大，特别是在200m级超深砂砾石层中进行帷幕灌浆，国内尚属首例，国外设计与施工经验也很少。很多问题例如灌浆压力、灌浆方法、灌浆浆材、钻灌工艺、孔斜控制等均需要研究解决。因此，在主体帷幕灌浆施工前进行了超深砂砾石层现场灌浆试验研究。

2 现场灌浆试验设计

2.1 灌浆试验方案构思

在左岸古河槽灌浆平洞内布设灌浆试验区，按照灌浆工程施工详图设计分两排布置10个帷幕灌浆试验孔，分别采用孔口封闭灌浆法、套阀管灌浆法、填料护壁孔口封闭灌浆法进行现场灌浆试验，每个灌浆试验孔均深入基岩5m。在灌浆试验完成后，采用钻孔压水(注水)试验的方法，检查、比较孔口封闭灌浆、套阀管灌浆、填料护壁孔口封闭灌浆法等三种灌浆方法的灌浆效果，验证灌浆工程施工详图设计能否满足设计防渗标准。

2.2 试验区位置选择

综合考虑灌浆试验区地质条件与主帷幕地层地质类比代表性强、帷幕孔深度超过180m、具备较早的试验施工条件、对主体工程施工进度影响较小等试验场区选定基本原则，将灌浆试验区选择在左岸灌浆平洞内主帷幕线的延长段上。

2.3 现场试验设计方案

2.3.1 灌浆试验内容

主要进行钻孔方式、灌浆方法和浆液配比试验，验证灌浆工程施工详图设计、灌浆效果，以及施工设备和机具的适用性、工效，并确定适宜的检查孔钻进方式及检查方法。

a.钻孔工艺试验。试验区位于左岸古河槽灌浆平洞远岸段，砂卵砾石层深厚，平均钻孔深度近200m，造孔施工技术难度极大。通过进行绳索钻具取芯钻孔工艺及贯通式潜孔锤反循环钻孔工艺的现场试验，确定适合本工程地层的钻孔工艺方法、钻孔设备类型，以及工效等相关技术参数。

b.灌浆工艺试验。ⓐ采用灰土比为1∶0.2、1∶0.5的水泥膨润土稳定浆液进行孔口封闭灌浆法、套阀管灌浆法的灌浆工艺试验；ⓑ采用“一钻成孔+全孔灌注填料+待凝后分段扫孔、孔口封闭灌浆”的方式，对“填料护壁孔口封闭灌浆法”进行灌浆工艺试验。

2.3.2 灌浆孔布置

现场灌浆试验区按灌浆工程施工详图设计灌浆结构布置2排孔，见图1，布置于古0+572.5～古0+586段，孔距3.0m，排距2.0m，分别采用填料护壁孔口封闭灌浆法、综合灌浆法施工，布置试验孔10个、抬动观测孔1个、灌后效果检查孔2个。

图1 二期灌浆试验区孔位布置 (单位：mm)

2.3.3 主要施工方法

a.钻孔。现场灌浆试验采用XY-42型地质钻机配绳索钻具泥浆护壁钻进法、贯通式潜孔锤反循环泥浆护壁钻进法，在超深砂砾石地层中进行帷幕灌浆钻孔试验。

b.灌浆方法。现场灌浆试验拟采用孔口封闭灌浆法、填料护壁孔口封闭灌浆法及套阀管灌浆法，在超深砂砾石地层中进行帷幕灌浆试验。

c.先导孔施工。现场灌浆试验先导孔钻孔采用泥浆护壁、绳索取芯工艺。

ⓐ灌前压水试验：采用单点法自上而下分段进行灌前压水试验。压水试验段的隔离止水采用对试验段上部孔段进行灌浆护壁的方法；

ⓑ灌浆及灌后压水试验：灌浆采用孔口封闭灌浆法施工，各段灌前进行压水试验后，进行灌浆施工。灌浆结束后扫孔至原孔深，应进行灌后压水试验后，再进行下一段的钻孔、压水及灌浆施工。

2.3.4 主要技术要求

a.灌浆分段。孔口封闭灌浆法(含填料护壁孔口封闭灌浆法)：第1段至第5段灌浆段长分别为2m、2m、2m、1m、2m，第6段及以下各段段长2.0～5.0m，遇严重失水(浆)孔段适当缩短灌浆段长。

套阀管灌浆法：沿套阀管轴向每隔40cm设一环出浆孔，每环3个孔。每次灌注环数采用两环孔进行试验。

b.灌浆压力。孔口封闭灌浆法(含填料护壁孔口封闭灌浆法)灌浆压力3.0～4.0MPa；套阀管灌浆法灌浆压力2.5～3.0MPa。

c.浆液灰土比、水固比。采用灰土比为1∶0.2、1∶0.5 (水泥∶膨润土)的水泥膨润土浆液进行对比试验，浆液水固比分为5∶1、3∶1、2∶1、1∶1、0.7∶1(水∶固相材料)五级，以5∶1水固比浆液开灌。

G1-X-Ⅰ-1、G1-X-Ⅲ-2、G1-S-Ⅰ-1、G1-S-Ⅲ-2、G1-S-Ⅱ-3等试验孔采用灰土比为1∶0.2的水泥膨润土浆液进行试验，其余孔均采用灰土比为1∶0.5的水泥膨润土浆液。

d.填料配比。采用配比为1∶2∶5(水泥∶膨润土∶水)的填料。

e.变浆及结束标准。执行《水工建筑物水泥灌浆施工技术规范》(SL 62—2014)中相关规定。

f.灌浆试验效果检查。在两排灌浆孔中间布置2个检查孔并进行灌后效果检查，采用清水循环钻进方式、泥浆护壁钻进方式钻孔，并进行压水(注水)试验。

3 主要试验成果分析

3.1 钻孔情况统计分析

现场灌浆试验共布置试验孔10个，2个灌后检查孔，采用金刚石钻头泥浆护壁钻进及贯通式潜孔锤反循环泥浆护壁钻进，最大钻灌深度203.6m。所有试验孔钻孔终孔后均进行了孔斜测量，钻孔孔底偏差均小于3m，在设计允许偏差范围内，满足设计要求。

3.2 单位注入量统计分析

试验区G1-X-Ⅰ-1(先导孔)、G1-S-Ⅲ-2、G1-S-Ⅱ-3、G1-S-Ⅲ-4等试验孔采用孔口封闭灌浆法；G1-S-Ⅰ-1、G1-X-Ⅲ-2、G1-X-Ⅲ-4、G1-S-Ⅰ-5(124.5m以上灌段)等试验孔采用填料护壁孔口封闭灌浆法施工；G1-X-Ⅱ-3、G1-X-Ⅰ-5等试验孔采用综合灌浆法施工，即80m以上孔深的灌浆段采用套阀管灌浆法施工，80m以下孔深的灌浆段采用填料护壁孔口封闭灌浆法施工。

在0.9～80m灌段，采用孔口封闭灌浆法、套阀管灌浆法、填料护壁孔口封闭灌浆法施工的平均单位注入量分别为265.51kg/m、186.17kg/m、324.99kg/m，平均为273.65kg/m。

在80m至孔底灌段，采用孔口封闭灌浆法、填料护壁孔口封闭灌浆法施工的平均单位注入量分别为431.70kg/m、445.22kg/m，平均为438.64kg/m。

分析认为：

a.在同等灌浆深度条件下进行帷幕灌浆试验，采用套阀管灌浆法的平均单位注入量最小，采用填料护壁孔口封闭灌浆法的平均单位注入量最大。表明在泥质半胶结砂卵砾石地层的帷幕灌浆中，采用填料护壁孔口封闭灌浆法、孔口封闭灌浆法较套阀管灌浆法的灌注效果要好。

b.在0.9～80m灌段、80m至孔底灌段，填料护壁孔口封闭灌浆法平均单位注入量较孔口封闭灌浆法分别增大22.40%、3.13%，表明填料护壁孔口封闭灌浆法适用于泥质半胶结砂砾石地层帷幕灌浆。

c.80m至孔底灌段的平均单位注入量较0.9～80m灌段增大60.29%，表明深孔灌段地层的可灌性大于浅孔灌段地层。

3.3 浆液失水回浓情况统计分析

灌浆过程中部分灌段出现了浆液失水回浓情况，按孔序进行统计，见表1。由表1可知，帷幕灌浆试验中Ⅲ序孔浆液回浓频次明显增高。分析认为：

a.在泥质半胶结砂砾石地层进行帷幕灌浆时，经过先序孔的钻孔、灌浆施工，浆液中的部分水量被压入受灌地层中，使得受灌地层的自稳性变差，泥质半胶结砂砾石层部分出现崩解，使后序孔的部分孔段在灌浆施工时出现浆液失水回浓的频率增高。

b.在泥质半胶结砂砾石地层中，灌浆压力的提升对浆液失水回浓频率的增高产生了一定的影响。

表1 浆液失水回浓情况统计

3.4 灌前、灌后压水检查统计分析

现场帷幕灌浆试验效果检查以检查孔压水试验成果为主，结合钻孔取芯、灌前压水试验、施工记录、施工成果资料进行综合评定。先导孔、灌后检查孔压水试验成果见表2。

表2 现场帷幕灌浆试验先导孔、检查孔压水试验成果统计

注透水率最小值均位于基岩段。

由表2可见，灌前先导孔的平均透水率为20.02Lu，灌后检查孔的平均透水率为15.18Lu，表明经过帷幕灌浆后地层的渗透性能得到了一定改善。

4 主要结论

4.1 地层的渗透性、可灌性

现场钻孔、灌浆试验资料表明，本工程左岸古河槽深厚砂砾石地层具有典型的成层性、不均匀性和各向异性等特点，以中等透水地层为主，局部为强透水层，具有较强的渗透性。砂砾石地层的层厚多在25～50cm之间，地层的空隙尺寸具有较大的差异，在灌注同种浆材的情况下，各层的可灌性亦存在较大的差别。但总体上呈现深孔灌段地层的可灌性大于浅孔灌段地层。

此外，经地下水浸润、干扰后的泥质半胶结砂砾石地层的可灌性有发生变化的趋势。

4.2 灌浆效果

灌后压水试验资料表明，超深砂砾石地层经帷幕灌浆后，通过对2个灌后检查孔85段的压水试验检查，平均透水率为15.18Lu。其中，透水率共有11段达到3Lu的设计防渗标准，其余孔段(87.06%)均未达到设计防渗标准。但较受灌地层灌前渗透系数3.73×10-3cm/s(中等透水地层)、1.0×10-2cm/s(强透水地层)有较明显的减小，表明该地层经帷幕灌浆处理后，地层的防渗性能得到了较大幅度的提升，帷幕灌浆试验取得了一定的成效。

4.3 施工详图设计验证

现场灌浆试验资料表明，在本工程左岸古河槽深厚砂砾石地层试验区的防渗帷幕灌浆试验中，采用布设2排帷幕灌浆孔，孔距3m、排距2m的设计方案不能满足3Lu的设计防渗标准。

4.4 钻孔方法及设备

在本工程左岸古河槽防渗处理现场灌浆试验中，选用XY-42型地质钻机、贯通式潜孔锤反循环钻机等钻孔设备，分别采用“泥浆护壁金刚石钻进、潜孔锤反循环泥浆护壁钻进”等钻孔方法进行超深砂砾石层钻孔试验，均取得了一定的成效。但在施工工效、施工成本、地层适应性等方面存在一定的差异，综合分析认为，采用XY-42型地质钻机配绳索钻具泥浆护壁钻进法，在超深砂砾石地层进行帷幕灌浆钻孔施工是适宜的。

4.5 灌浆方法

采用“孔口封闭灌浆法、综合灌浆法、填料护壁孔口封闭灌浆法”等灌浆方法进行的现场灌浆试验，均取得了一定的成效。经灌浆成果资料统计分析，所采用的灌浆试验参数(除灌浆结构布置外)是基本合理的，但在灌浆效果、地层适应性、施工工效、施工成本等方面存在一定的差异，综合分析认为，采用孔口封闭灌浆法、填料护壁孔口封闭灌浆法，在超深泥质半胶结砂砾石地层中进行帷幕灌浆施工是适宜的。

4.6 灌浆浆材、浆液配比及变换

试验资料表明，灌浆浆材适宜采用水泥膨润土浆液，水泥与膨润土灰土比(重量比)采用1∶0.2，浆液采用 5∶1、3∶1、2∶1、1∶1、0.7∶1等五级水固比(重量比)以及采用“由稀到浓，再由浓到稀”的浆液变换原则是合理有效的，既保证了灌浆质量，又经济，同时还减少了铸管事故的发生。

4.7 灌浆压力

试验资料表明，灌浆压力的提升对灌浆单位注入量有一定的影响，Ⅰ序孔、Ⅱ序孔、Ⅲ序孔的最大灌浆压力分别按3.0MPa、3.5MPa、3.5～4.0MPa进行控制是较有效的，但Ⅲ序孔的最大灌浆压力略显偏大。

5 结 语

a.采用地质钻机配绳索钻具泥浆护壁钻进法地层适应性强、成孔质量高，可有效地降低深厚覆盖层钻孔施工事故率、施工成本，提高钻孔工效，适用于超深砂砾石地层的帷幕灌浆钻孔施工。

b.在泥质半胶结砂砾石地层帷幕灌浆中，采用孔口封闭灌浆法较套阀管灌浆法的灌注效果要好，套阀管灌浆法不适用于超深泥质半胶结砂砾石地层的帷幕灌浆施工。

c.填料护壁孔口封闭灌浆法是在有效地结合孔口封闭灌浆法与套阀管灌浆法优点的基础上创新而成的，较好地消除了深厚覆盖层现有钻探灌浆施工技术存在的弊端，解决了帷幕灌浆施工孔内事故率高、工效低的技术难题，有效提高了灌浆效果和施工工效，达到了快速施工、经济高效的目的，可供深厚覆盖层帷幕灌浆工程借鉴。