粗粒土控制灌浆技术研究★

崔冬冬 黄连芳 陈利强 章 赢

(1.长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北 武汉 430010；2.国家大坝安全工程技术研究中心，湖北 武汉 430010； 3.长江委河湖保护与建设运行安全中心，湖北 武汉 430010)

1 概述

粗粒土由于其分布广泛，可就地、就近取材，是我国许多土石坝常用的筑坝材料。稳定灌浆在国内外广泛应用于大孔隙结构(漂卵石层、强透水层、溶洞、堆石)中以形成防渗体，但在大坝粗粒土控制灌浆防渗工程中应用较少，主要原因是粗粒土易塌孔，常规浆液可控性差，强度和弹性模量高，不能适应粗粒土坝的不均匀沉降，导致难以保证防渗体的防渗效果和耐久性[1]。本文依据粗粒土灌浆浆材室内试验及现场灌浆试验成果，对粗粒土控制灌浆技术进行了系统研究。

2 粗粒土灌浆浆材室内试验

适宜的灌浆材料和浆液是在粗粒土中取得良好灌浆效果的重要因素[2]，通过一系列室内试验，研究了水胶比、膨润土含量、粉煤灰和减水剂对混合稳定浆性能的影响，特别对浆液的流动性、结石的抗压强度和弹性模量、凝结时间和抗冲刷性能进行了重点研究，为确定粗粒土中适宜的灌浆浆材提供了依据。

2.1 水胶比对稳定浆液性能影响

试验采用固定粉煤灰、膨润土掺量，掺减水剂，分析水胶比对稳定浆液性能的影响。根据试验成果，主要规律如下：

1)在粉煤灰及膨润土掺量不变的条件下，随着水胶比的增大，稳定浆液的漏斗黏度、屈服强度、塑性黏度、浆液密度等流变参数逐渐减小，流动度等流变参数逐渐增大。由于稳定浆液水胶比较小，未出现水胶比超过一定数值后浆液流变性能急剧减小的现象。

2)稳定浆液的凝结时间随着水胶比的增大而增长，由于水胶比值相对较小，其变化基本呈线性关系。

3)随水胶比的增大，结石抗压强度、弹性模量逐渐减小，水胶比较小时，其变化对结石抗压强度、弹性模量的影响相对较大，但当水灰比增大到一定值时，水灰比的变化对结石抗压强度、弹性模量的影响逐渐减小。

4)水胶比小于0.60时，稳定浆液的渗透系数相对较小，当水胶比大于0.60后，渗透系数急剧增大。

2.2 膨润土掺量对稳定浆液性能影响

选取了两个系列研究膨润土掺量对稳定浆液性能影响：W2序列：固定水胶比、不掺粉煤灰、掺减水剂；W3序列：固定水胶比、掺粉煤灰及减水剂。根据试验成果，主要规律如下：

1)在水胶比、粉煤灰掺量不变的条件下，随着膨润土掺量的增加，稳定浆液的屈服强度、塑性黏度等参数逐渐增大，流动度、浆液密度、析水率等参数逐渐减小，表明膨润土对改变稳定浆液的流变性能效果显著，具有增稠、减小析水率等作用。

2)W2与W3两个系列相比，同水胶比、膨润土掺量时，W3系列稳定浆液的屈服强度、塑性黏度及漏斗黏度小于W2系列，这是由于同等浆材用量的情况下，W3系列的膨润土用量相对小于W2系列的缘故。

3)在水胶比、粉煤灰掺量不变的条件下，随着膨润土掺量的增加，稳定浆液密度、流动度等参数基本呈线性变化关系，即随着膨润土掺量的增大，浆液密度、流动度逐渐减小。W2与W3两个系列相比，同水胶比、膨润土掺量时，W3系列稳定浆液的密度小于W2系列，流动度大于W2系列，这是由于同等膨润土及水泥用量情况下，W3系列用水量大于W2系列。

4)随着膨润土掺量的增加，稳定浆液的凝结时间略有增长，但增加量很小，凝结时间略有增长的原因是膨润土掺量的增加相应减少了水泥的用量。

5)在水胶比、粉煤灰掺量等参数不变的条件下，随着膨润土掺量的增加，稳定浆液结石的抗压强度、弹性模量逐渐降低，这是由于膨润土掺量的增加在减少水泥用量的同时，本身也有降低结石强度的作用。

6)膨润土对浆液的抗渗性有影响，在水胶比、粉煤灰掺量等参数不变的条件下，随着膨润土掺量的增加，稳定浆液结石的渗透系数有一定程度减小。

2.3 减水剂掺量对稳定浆液性能影响

试验主要考虑掺和不掺减水剂时，对稳定浆液性能的影响。根据试验成果，主要规律如下：

1)在水胶比、粉煤灰掺量、膨润土掺量相同的条件下，减水剂对稳定浆液的流变性能影响显著，减水剂可大大提高浆液的流动性，改善浆液的可灌性。

2)聚羧酸减水剂具有缓凝效果，掺减水剂时稳定浆液的凝结时间比不掺时有较大延长。浆液的凝结时间与使用减水剂的品种、掺量，以及水泥品种等因素有关。

3)因聚羧酸高效减水剂的缓凝效果，对浆液结石的早期抗压强度略有影响，对后期抗压强度基本无影响。

4)28 d龄期时，减水剂对弹性模量、抗渗等性能基本没有影响，数值与不掺减水剂相差较小。

2.4 稳定浆液抗水流冲刷试验

为了保证灌浆材料在施工过程中不被流水冲走，通常要求灌浆材料具有一定的抗水侵蚀性能。试验表明，膨润土掺量越大，冲刷后残浆越多。在实际灌浆过程中，当灌浆部位水流速度较大时，膨润土掺量应超过60%，水胶比应超过0.60。

3 粗粒土现场灌浆试验

选择岷江干流金马河新津段左岸堤防作为粗粒土现场灌浆试验研究点。堤身填土主要由粉质壤土夹砂卵砾石组成，堤基置于砂卵砾石层上，为单一结构，砂卵砾石厚一般为4 m～14 m，下伏白垩系上统灌口组(K2g)紫红色粉砂质泥岩、泥质粉砂岩。综合分析工程地质资料后，确定了主要施工方法及工艺参数。

3.1 试验孔布置

试验孔在堤顶路面按3排进行布置，排距1.0 m，孔距1.0 m，每排孔数9个，分三序逐序加密施工，入基岩5.0 m结束，共计27.0个灌浆孔；中间排中间部位布置一个勘探孔，距两侧孔0.5 m，入岩8.0 m结束。

3.2 钻孔

在钻进过程中，应控制风动潜孔钻机的钻进速度、钻进压力和钻进角度，以满足砂砾石层钻进的需要。地质钻探采用清水冲洗技术，主要用于灌浆和检查孔施工。取芯采用双管单动钻具，尽可能保证岩芯采取率。

3.3 灌浆浆液

灌浆采用浆液为普通水泥浆液和膏状浆液。水灰比选用2∶1，1∶1，0.8∶1，0.6∶1，0.5∶1和(0.4～0.45)∶1六个比级，最后一级为膏状浆液水固比为(0.4～0.45)∶1。

3.4 灌浆方法

砂卵砾石层堤身及堤基可采用孔口封闭法、套阀管法、套管灌浆法和打管灌浆法等灌浆[4]。因套阀管法具有成孔效率高、耗浆量小、施工可控性较好等优势，推荐采用预埋套阀管灌浆工艺，灌浆方法采用自下而上分段灌浆方法，灌浆方式采用纯压式。

3.5 灌浆工艺参数

1)灌浆段长。

通过套阀管注入水泥浆液，在保证灌浆注入量供给的前提下使用2.0 m段长；基岩段采用2.0 m，3.0 m段长，在第一段压水透水率小于10.0 Lu前提下，可两段合并一段进行灌浆，灌浆段长为5.0 m。

2)灌浆压力。

根据堤防高度和砂卵砾石层掩埋深度所承受的最大水头压力0.2 MPa，取最大水头压力1.5倍的安全系数，确定灌浆压力0.3 MPa起灌，最大灌浆压力不超过1 MPa。

3)浆液变化。

灌浆过程中浆液的合理变换，能够保证灌浆防渗帷幕的厚度、控制浆液扩散范围，同时可以节约材料、降低成本。浆液变换标准如下：

a.当灌浆压力保持不变，注入率持续减少时，或当注入率不变而压力持续升高时，不应改变水固比。

b.当某一比级浆液的注入量已达600 L以上或灌注时间已达30 min，而灌浆压力和注入率均无改变或改变不显著时，改浓一级。

c.控制注入率不大于30 L/min，且连续灌注时间不超过30 min，反之应采取间歇措施，间歇时间不少于30 min。

d.当灌浆段干料注入量累计达到1.0 t/m时，采取增加速凝剂、限流、间歇等措施进行处理。

4)灌浆结束标准。

根据灌浆采用的浆液类型，确定不同的结束标准：

a.混合稳定浆液灌注时，在设计压力下，当注入率小于1 L/min时，继续灌注30 min，结束本段灌浆。

b.膏状浆液灌注时，在设计压力下，达到基本不吸浆时结束本段灌浆，本次灌浆未进入到膏状浆液使用阶段，故未采用膏状浆液灌注。

3.6 灌浆效果检查及分析

灌浆质量检查孔注水试验、单点法压水试验、疲劳压水试验及耐压压水试验主要成果如下：

1)检查孔注水压水试验成果。

灌前透水率及单位注入量按排序、孔序递减效果明显，灌后渗透系数均在i×10-5cm/s区间内。

2)检查孔疲劳压水试验成果。

在0.2 MPa压力下2 h内流量无明显变化，平均流量为5.712 L/min，透水率为4.76 Lu；2 h～24 h内流量逐渐增加至7.983 L/min，透水率为6.428 Lu。

3)检查孔耐压压水试验。

在压力0.904 MPa下发生水力破坏，其对应流量为86.447 L/min，透水率为15.938 Lu。

4 粗粒土控制灌浆关键技术

根据粗粒土灌浆浆材室内试验及现场灌浆试验成果，提出了适宜粗粒土的造孔工艺与灌浆浆液,确定了适宜的控制灌浆方式方法、灌浆设备、灌浆压力、灌浆段长等施工工艺参数，提出了合适的检测方法及粗粒土控制灌浆设计指标。

4.1 粗粒土控制灌浆造孔技术

粗粒土组成复杂多变，选择合适的钻孔工艺可以达到加快施工进度、缩短工期，节省投资等目的，钻孔方式的选择应根据施工环境、地层性质、钻孔深度、钻孔方向、钻孔直径和灌浆方法等因素选择。

就钻机的选择，主要有回转式钻机和冲击回转式钻机两大类，回转式钻进是目前使用最多的一种钻孔方式，该种方法可获得岩芯，其中的立轴式液压钻机是我国帷幕灌浆钻孔的主要设备。冲击回转式钻机给钻头以冲击力，并在两次冲击之间旋转一个角度，使岩粉脱落，达到全断面钻进的目的，与回转钻机相比，它钻孔速度快，机动灵活，钻孔费用较低。

粗粒土孔壁易坍塌，采用冲击回转式钻机钻孔效率高，可一次成孔，常需要边冲击钻进，边跟入套管；采用回转式钻机钻孔，可采用泥浆固壁，泥浆固壁材料配比根据受灌地层及灌浆方式和灌浆压力选定。

4.2 粗粒土控制灌浆浆液选择

在大量试验研究结果的基础上，为满足稳定浆液抗压强度不大于5 MPa、弹性模量不大于2 GPa的技术要求，推荐稳定浆液试验设计配合比见表1。实际工程中，最终确定砂砾石层是否可灌，用什么样的材料灌浆效果较好，应该采用多大的灌浆压力来配合才能进行有效的灌浆等问题，还是要通过现场灌浆生产性试验来验证。

表1 推荐稳定浆液设计配合比

4.3 粗粒土控制灌浆方法

砂卵砾石层堤身及堤基可采用孔口封闭法、套阀管法、套管灌浆法和打管灌浆法等灌浆。因套阀管法具有成孔效率高、耗浆量小、施工可控性较好等优势，推荐粗粒土采用预埋套阀管灌浆工艺，灌浆方法主要是自下而上分段灌浆方法，灌浆方式采用纯压式。

4.4 粗粒土控制灌浆设计指标与检测方法

粗粒土灌浆工程的质量检查以检查孔注水试验和压水试验成果为主，不同部位的灌浆效果采取不同的检测手段，土石坝体及坝基覆盖层采用现场注水试验、室内渗透试验进行检测，坝基全风化层、强风化、弱风化基岩灌浆效果采用压水试验检测，还可综合采用钻孔取芯、弹性波、声波层析成像、孔内电视录像等检测手段进行检测，结合对施工记录、成果资料的分析，进行综合评价。

5 结语

根据粗粒土灌浆浆材室内试验及现场灌浆试验成果，系统研究了粗粒土中钻孔、制浆、灌浆、检测等，提出适宜粗粒土的成孔工艺与灌浆浆液、确定适宜的控制灌浆方式方法、灌浆设备、灌浆压力、灌浆段长等施工工艺参数、提出合适的检测方法及粗粒土控制灌浆设计指标，通过技术集成，形成了粗粒土控制灌浆关键技术，可供同类工程参考应用。