锥探灌浆试验在南水北调工程渠堤高填方施工中的应用

范 春 艳， 周 超, 原 鹏 飞

(中国水利水电第十工程局有限公司，四川 都江堰 611830)

1 概 述

南水北调中线干线漳古段SG09标工程位于河北省邢台市内丘县境内，主要建筑物级别为I级。左岸排水建筑物的设计防洪标准为50年一遇，校核防洪标准为200年一遇。总干渠过水断面采用梯形断面，按挖填类型分为挖方、半挖半填和全填方三种断面形式。设计底宽为22～26 m，设计边坡坡比为1∶0.3～1∶2。渠道设计流量为220 m3/s，加大流量为240 m3/s，渠道设计水深6 m，渠段纵坡为1/18 000～1/25 000。

主干渠渠道高填方段通过分层碾压施工而成，在填筑过程中受人为控制因素影响较大，施工过程中很容易存在局部碾压不到位、层间局部有光面、颗粒不均产生架空等现象，而且因层间光面、局部架空等引起的渗漏通道很难被发现。因此，高填方区极易产生沉降，进而发生剪切破坏而影响到土体的整体性及抗渗性。因此，在渠道修建完成后，经多方论证，对原高填方渠段的防渗方式进行了优化，采用锥探灌浆方式以提高其抗渗能力。

锥探灌浆主要用于水利工程中的土坝、河流和渠道堤防施工。锥探灌浆采用锥探机械作用于带勺型钻头的钻杆上挤压土质渠堤成孔，然后将按比例拌制好的膨润土泥浆由泥浆泵加压后经输浆管顺堤顶预先打好的孔口灌入堤身，用以充填密实堤身内部存在的裂隙、土质松散等，以达到消除渗漏、提高堤防自身抗渗能力的目的，确保渠堤的安全运行。

2 锥探灌浆试验

为保证全渠道高填方段锥探灌浆施工的顺利进行，相关单位和部门集中优势力量优先组织进行了锥探灌浆试验。此次工艺试验的试验段为主干渠渠堤高填方段的一部分(桩号139+790～139+840.25段右岸渠堤)，总长度为50.25 m。自堤顶向下1～5.6 m为分层碾压土层，施工后的压实度为0.98；5.6～7.6 m为原始土层，灌浆深度为堤顶至原始土层以下2 m。

2.1 锥探灌浆试验的目的

为确保锥探灌浆达到预期效果，应对灌浆材料、浆液配合比、钻孔设备、灌浆时间间隔、制浆和灌浆机具等进行试验选择。

通过现场试验确定最优的参数(泥浆的密度、黏度、孔口灌浆压力、灌浆持续时间、灌浆量、膨润土泥浆配合比、合理的灌浆孔间距等)，选择灌浆的机具与灌浆材料，从而有效指导现场的施工。

2.2 锥探灌浆试验过程

2.2.1 试验材料的准备

(1) 试验土料。因该标段土石方开挖已全部完成，不具备就地取土条件，故本次试验选用成浆率高、体积收缩率较小、稳定性较好的膨润土。膨润土由钙基膨润土和钠基膨润土按试验确定的比例配置，试验结果见表1。试验结果表明：膨润土较为适宜。黏粒含量较高的土料不易粉碎，泥浆析水性差、固化慢、收缩率大、泥浆容易形成空心柱；黏粒含量较少的土料泥浆胶体低、颗粒粗、容易沉淀，有可能堵塞裂缝和通道。如果黏度很大则含砂量小，密度亦小；反之密度很大则含砂量大，黏度小、失水率大，容易沉淀。从以上分析可以看出：泥浆的密度、黏度、含砂量等指标间的关系密切、相互影响。因此，泥浆的各项指标必须达到规定的数值方能用于灌浆。

(2)灌浆用水。灌浆用水采用生活用水，水质满足《水工混凝土施工规范要求》(DL/T5144-2015)中的有关条款规定[1]。

表1 灌浆用膨润土物理力学性能表

(3)泥浆浆液的设计物理力学性能指标见表2[2]。

表2 浆液物理力学性能表

2.2.2 锥探灌浆试验工序准备

(1)钻 孔。

布 孔：锥探灌浆孔采用梅花形布置，孔深为堤顶至原始地面以下2 m，孔径为50～76 mm，沿渠道横向共设3排，分别为：堤顶迎水面布置一排锥探灌浆孔，堤顶中间布置一排灌浆孔，堤顶背水面布置一排灌浆孔，排距1.5 m，每排灌浆孔顺水流方向的间距为1.5 m。其中堤顶中间的一排灌浆孔布置在渠堤中心线偏迎水面侧0.3 m，迎水面灌浆孔距渠坡衬砌护肩0.32 m，背水面灌浆孔距路缘石0.8 m，与硅芯管的间距为0.2 m(图1)。

钻具的选择：渠堤填筑压实度为0.98，非常密实。因普通全液压锥探机静压造孔极为困难，故采用地质回转钻机和一台动力触探仪干法成孔。

钻 孔：顺渠道轴线方向分段，干法造孔，一次成孔，成孔孔径为72 mm。用水平尺控制机台水平以保证造孔的垂直度，孔倾斜度不大于2%，孔位偏差不大于10 cm。成孔后用塑料板将孔口盖好以防止杂物掉入或堵孔。

(2)注水试验。锥探灌浆试验前、后分别进行了3组钻孔注水试验，分别获得锥探灌浆试验前渠堤填土、灌浆后渠堤填土的渗透系数用以检测灌浆效果。试验孔位ZS-01、 ZS-02、 ZS-03为灌浆前测定， ZS-04、 ZS-05、 ZS-06为灌浆后测定，具体位置见图1，钻孔注水试验结果对比情况见表3。

按照《水利水电工程注水试验规程》(SL345-2007)的要求进行注水试验。一般选择钻孔常水头注水试验。本工程锥探灌浆渠段为无地下水渠段，采用纳斯别尔格公式计算。观测时间选择为2 h[3]。

图1 锥探灌浆试验段孔位平面布置图

流量观测须符合下列规定：

开始的5次流量观测间隔时间为5 min，其后每隔20 min观测一次。

相邻两次量测的流量差值不大于10%时可选择结束试验，选最后一次灌注流量作为计算值。

当试验段漏水量大于供水量时，需要一直记录供水量。

表3 钻孔注水试验结果对比表

(3)制浆配合比。采用立式搅拌机高速拌制，将制浆材料称量误差控制在2%以内。制浆时，严格按照经泥浆配比试验后确定的配比进行配置(膨润土泥浆配合比试验结果见表4)。将水、膨润土称重后连续、均匀地从拌浆机的一端进料口加入，土料在搅拌机内经连续高速搅拌后在旋转离心作用下从另一端排浆孔排至转筛(下设36孔/cm2筛网过滤)内，筛选过的细泥浆流入下设的搅拌筒内，继续搅拌，防止浆液沉淀。严格按照《土坝灌浆技术规范》 SL564-2014的要求对泥浆的密度、黏度、稳定性、胶体率、失水率进行检测，待其达到设计规定后备用。泥浆按浆液重力密度12.5～13.5 kN/m3、13.5～14.5 kN/m3、14.5～15.5 kN/m3三种分别进行配置，独立存储。按照设计要求选用13.2 kN/m3、14.1 kN/m3、15 kN/m3泥浆分别进行灌浆。泥浆的各项指标必须满足设计和规范要求，灌浆施工过程中浆液密度的检测频率为1次/h，浆液稳定性和胶体率为1次/10 d。若更换浆液材料必须调整检测频率。

表4 膨润土泥浆配合比试验结果表

2.2.3 灌浆试验的实施

(1)灌浆方法。本次试验采用自上而下灌浆法，钻孔至设计深度7.6 m后提出钻具，用专业封孔器封孔。在钻好的孔中下灌浆管，距孔底0.5～1 m处进行灌浆，灌浆管一定要与钻孔孔壁紧密结合，防止灌浆时浆液沿孔壁上行至堤顶冒浆。按纯压式灌浆方式连接灌浆管路进行灌浆。灌浆时注意孔口压力表的读数，保证压力不大于50 kPa，达到压力后维持10 min，即初灌结束。灌浆过程中，随时调整封孔器的封闭水压，防止孔口冒浆[4]。

(2)灌浆顺序。灌浆按不同容重泥浆分3段依次进行(图1)。每段均先灌迎水面一排，然后灌背水面一排，最后灌中间排。灌浆时每排采用2序灌注，灌完Ⅰ序后，再灌Ⅱ序。

(3)灌浆次数与间隔控制。灌浆采用“先稀后稠、孔底灌浆、少灌多复”的方案。每序每孔一般不少于3次，每孔复灌1～3次；当泥浆升至孔口、连续复灌三次不再下浆时可终止灌浆，每次灌浆时间间隔为12 h。在灌浆过程中采用灌浆量、灌浆压力、横向水平位移等进行控制。孔口压力应控制在设计允许的最大灌浆压力之内，避免堤面出现裂缝。复灌采用浆液密度较大的泥浆时，应待前次灌入浆液固结度达到90%时(表现为孔内浆液无明水)方可进行复灌。复灌时间间隔不应少于5 d，复灌次数可根据前次复灌吃浆量确定。

(4)灌浆压力与灌浆量观测。灌浆压力观测，在孔口灌浆管上安装压力表，灌浆过程中，应及时观测压力变化并及时注意记录瞬时的最大压力，适时控制灌浆压力。

进行现场灌浆试验时，采用钢尺测量浆筒内的浆液下降量，并根据泥浆桶断面积分别计算每孔的初灌、复灌量，然后计算出每孔的总灌量。对于每孔每次的灌浆量和总灌浆量均应准确记录，每次的灌浆量应根据下浆量的大小进行控制。

(5)灌浆结束及封孔。当泥浆升至孔口、连续三次复灌不下浆即可终止灌注。若一直不能达到结束标准，则需要与监理工程师共同商定处理措施。灌浆完毕，应及时进行封孔，方法为向孔内注入浆液重力密度为15 kN/m3以上的稠浆，再用直径2～3 cm、含水量适中的黏土球分层夯实回填。

3 锥探灌浆试验过程中出现的问题及采取的应对措施

3.1 串 浆

在整个灌浆工艺试验过程中出现了两个异常孔(1-30和2-32)，异常部位位于距堤顶7 m左右并相互贯通，其中1-30孔灌浆量为1.92 m3，2-32孔灌浆量为0.55 m3。针对此情况，技术人员在现场与监理单位协商一致后立即停灌，同时加强观测。经分析后认为是在施工填筑期间，由于层面间的局部光面结合而产生的横向细微裂缝所致。后经地质专家现场查勘确认其对堤身无安全隐患后，采用木塞堵住串浆孔，继续灌浆[5]。

3.2 压力表读数突然增大

在灌浆过程中，由于操作人员操作的不够细致，泥浆搅拌不均匀，有成小颗粒状的泥浆进入灌浆管导致压力表读数突然增大、不进浆，造成输浆管堵塞。针对此情况，立即采取停灌措施，将灌浆管从灌浆孔提出后用稀浆冲洗，疏通管道，同时严格控制泥浆的搅拌均匀程度和泥浆的过滤以保证泥浆的合理指标。

4 结 语

经对灌浆前后的渗透系数进行对比分析后认为：此次灌浆试验对填方段层间防渗和原土软弱层加固起到了很好的作用。

考虑到渠堤填筑段的压实度较高，静压方式成孔难度大，笔者建议：后续灌浆施工中的成孔设备应采用地质回转钻机、动力触探或风循环钻机，干法成孔。灌浆时宜选用口径合适的水压式封孔器进行封孔以确保灌浆效果。

孔深宜钻至填筑段原始地面以下2 m位置，以达到填方段层间防渗的目的，同时又加固了基底原土层的效果。灌浆泥浆浆液重力密度按12.5～13.5 kN/m3控制，封孔泥浆浆液重力密度≥15 kN/m3。