桐子林水電站深厚覆蓋層帷幕灌漿關(guān)鍵技術(shù)研究

劉 濤

(中國水利水電第七工程局成都水電建設(shè)工程有限公司，成都 611130)

1 帷幕灌漿方法簡介

近年來水利水電工程項(xiàng)目在開發(fā)數(shù)量上越來越多，規(guī)模越來越大，工期越來越緊，施工強(qiáng)度越來越高，對今后的防滲要求會(huì)越來越高，改進(jìn)新型高效的灌漿方法投入生產(chǎn)彌補(bǔ)行業(yè)不足已迫在眉睫。目前，適用于覆蓋層帷幕灌漿的工藝方法主要有以下幾種。

(1)循環(huán)鉆灌法:是我國獨(dú)創(chuàng)的一種灌漿方法，也稱邊鉆邊灌法。這種方法是在沖積層中自上而下逐段進(jìn)行鉆孔和灌漿，各段灌漿都在孔口封閉。循環(huán)鉆灌法后來被擴(kuò)展到巖石地基灌漿施工中，并加以改進(jìn)，發(fā)展成為目前普遍采用的孔口封閉灌漿法。施工工序是:鉆孔定位→鉆進(jìn)(第一段)→注水試驗(yàn)(如需要)→孔口阻塞灌漿→鑲鑄孔口管→待凝→鉆進(jìn)(第二段)→注水試驗(yàn)(如需要)→孔口封閉灌漿→循環(huán)鉆灌以下孔段至終孔→封孔。其特點(diǎn):①適宜于砂卵礫石中灌注水泥黏土漿或水泥漿;②在鉆孔的過程中，也利用循環(huán)泥漿對地層進(jìn)行灌漿;③由于每段灌漿都是在孔口封閉，各個(gè)灌漿段可以得到多次復(fù)灌，因而灌漿質(zhì)量好;④與預(yù)埋花管法相比，可以節(jié)省大量的管材;⑤工序相對比較簡單，操作容易。

循環(huán)鉆灌法的缺點(diǎn)是:由于鉆灌工序交替進(jìn)行，因此工效相對較低;各段灌漿均在孔口封閉，因而灌漿時(shí)地表常常冒漿嚴(yán)重，即使進(jìn)行深部灌漿，也不能使用很高的灌漿壓力;當(dāng)覆蓋層由多種地層組成，需要灌注不同類型漿液時(shí)，難以施工。

(2)預(yù)埋花管法:也稱套閥花管法、袖閥花管法。它是法國人首先發(fā)明的，稱為索列丹斯(Soletanche)法。這種方法是首先鉆出灌漿孔，在孔內(nèi)下入特制的帶有孔眼的灌漿管(花管)，灌漿管與孔壁之間填入特制的"填料"，然后在灌漿管里安裝雙灌漿塞分段進(jìn)行灌漿。其特點(diǎn):①灌漿孔一次連續(xù)鉆完，灌漿和鉆孔工序分開進(jìn)行，施工效率高;②灌漿在花管中進(jìn)行，無塌孔之慮，灌漿段隔離也比較容易;③可以任意采用自下而上或自上而下灌漿方式，也可以先灌全孔中的任何一段，或?qū)δ骋欢芜M(jìn)行多次復(fù)灌，灌漿質(zhì)量有保證;④可以使用較大壓力灌漿，灌漿過程中發(fā)生冒漿、串漿的可能性小。根據(jù)地層情況和工程需要，可以進(jìn)行滲透性質(zhì)的灌漿，也可以進(jìn)行擠密灌漿或劈裂灌漿;⑤對各種沖積層的適應(yīng)性好，可區(qū)別不同沖積層選用不同的漿液，適應(yīng)深厚覆蓋層灌漿。

預(yù)埋花管法的主要缺點(diǎn)是需要預(yù)埋花管，且無法回收。以前我國塑料工業(yè)不發(fā)達(dá)，需要使用大量鋼管，加大了工程造價(jià)。其次，預(yù)埋花管法的施工程序較多，花管的制作和下設(shè)、填料、灌漿等技術(shù)均比較復(fù)雜。

(3)打管灌漿法:是一種最簡單的鉆孔灌漿方法。它是將鋼管(灌漿管)打入到砂礫石層中，然后利用該鋼管進(jìn)行灌漿。

(4)套管灌漿法:是利用鉆孔時(shí)的護(hù)壁套管進(jìn)行灌漿的方法。它的施工程序是:套管護(hù)壁鉆孔→下入灌漿管→起拔套管(1～2 m)→安裝灌漿塞→灌漿→再起拔套管及灌漿管(1～2 m)→安裝灌漿塞→灌漿→重復(fù)上述工序，灌注至孔口。其特點(diǎn):采用這種施工方法，鉆孔由于有套管護(hù)壁，消除了塌孔之慮。采用先進(jìn)的全液壓工程鉆機(jī)和跟管鉆進(jìn)，效率高，孔深可達(dá)60 m左右。需要注意的是在灌漿過程中，漿液容易沿著套管外壁向上流動(dòng)，甚至地表冒漿;如果灌注水泥漿時(shí)間過長，則可能會(huì)凝結(jié)固住套管，造成起拔困難。

(5)無塞上提灌漿法:不使用灌漿塞，利用在孔內(nèi)充灌的細(xì)砂隔離灌漿段進(jìn)行灌漿。它的施工程序是:鉆孔→下管或跟管→沖洗→下花管→填砂、起套管→逐段上提灌漿管并灌漿→直至孔口。

以上各種工藝工法各有優(yōu)缺點(diǎn)，經(jīng)過研究試驗(yàn)，為解決高強(qiáng)度、大規(guī)模覆蓋層灌漿及簡化技術(shù)工藝，本文在“預(yù)埋花管法”的基礎(chǔ)上研究發(fā)明了“預(yù)設(shè)花管模袋分段阻塞灌漿法”。

2 工程概況

桐子林水電站位于四川省攀枝花市鹽邊縣境內(nèi)的雅礱江干流上，是雅礱江干流下游最末一級梯級電站。本工程二期上游圍堰左堰肩覆蓋層厚約60～91 m，成分復(fù)雜，為沖洪積、塌滑堆積及崩積成因的砂卵石(alQ3)、砂層夾卵石層、塊碎石夾土、砂卵礫石夾粉細(xì)砂、碎石土。覆蓋層帷幕防滲軸線長193.9 m，有約70 m 軸線在3 m ×3.5 m(寬 × 高)的涵洞內(nèi)，防滲灌漿工程總量約2.33萬m，最深施工孔深為92 m，施工工期4個(gè)月，高峰平均施工強(qiáng)度為5 800 m/月。

3 施工難點(diǎn)分析

本深厚覆蓋層灌漿工程地質(zhì)條件異常復(fù)雜，其施工技術(shù)難度大、工期緊、任務(wù)重，缺乏類似工程經(jīng)驗(yàn)借鑒，按照傳統(tǒng)的工藝工法施工難以滿足工程工期及質(zhì)量要求。其施工難點(diǎn)具體表現(xiàn)在:

(1)覆蓋層地質(zhì)條件復(fù)雜，覆蓋層厚約60～91 m，如何解決成孔及漿液進(jìn)占膠結(jié)成體是防滲成幕的關(guān)鍵技術(shù)難題。

(2)針對涵洞及露天作業(yè)條件下的施工特性(涵洞作業(yè)其空間狹窄，高效的大型鉆機(jī)不具備作業(yè)條件;露天作業(yè)，需修筑平臺為高效大型鉆機(jī)提供作業(yè)條件)，需充分考慮施工方案對工程工期和造價(jià)的影響關(guān)系，研發(fā)最優(yōu)施工工藝迫在眉睫，是保障工效最大化提高的關(guān)鍵。

(3)本灌漿工程必須保證對成昆鐵路線、S214(米易至攀枝花)公路不造成抬動(dòng)破壞，以確保交通要道的安全運(yùn)行。

4 研究內(nèi)容

4.1 “套管——循環(huán)綜合灌漿法”關(guān)鍵技術(shù)

由于本工程施工強(qiáng)度大、施工場地狹小等諸多因素限制，傳統(tǒng)的工藝工法(如循環(huán)灌漿法)難以滿足進(jìn)度、質(zhì)量要求，為此研究驗(yàn)證出一套新的、適合本工程特點(diǎn)的灌漿方法是按期保質(zhì)保量完成本工程的關(guān)鍵與保障。

綜合套管、循環(huán)灌漿法的優(yōu)點(diǎn)，通過現(xiàn)場試驗(yàn)，研究出一種適用于深厚覆蓋層(90 m級)、狹小場地的高效灌漿法“套管——循環(huán)綜合灌漿法”。其基本原理:對上部形成年代較晚、成孔難度大的覆蓋層采用套管灌漿法施工(約50 m深度范圍，此深度視鉆機(jī)性能決定;本工程鉆進(jìn)試驗(yàn)結(jié)果表明:當(dāng)鉆機(jī)鉆至50 m已達(dá)到最優(yōu)灌漿深度，再繼續(xù)鉆進(jìn)將出現(xiàn)孔故率偏高、套管起拔困難等不利現(xiàn)象)，有利于提高工效、加快施工進(jìn)度。對下部覆蓋層采用循環(huán)灌漿法施工(50 m至終孔)，可使上部覆蓋層多次復(fù)灌，對施工質(zhì)量保障有利。該工法的成功應(yīng)用，既提高了施工工效，又保障了施工質(zhì)量，且減少了鉆材消耗，節(jié)約了施工成本。

4.2 “預(yù)設(shè)花管模袋式分段阻塞灌漿法”關(guān)鍵技術(shù)

在本工程中，需要與砼防滲墻進(jìn)行搭接，要求防滲墻施工完成后灌漿搭接方可施工，其特點(diǎn)是工期緊、工程量大、施工場地開闊。經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)，“預(yù)設(shè)花管模袋式分段阻塞灌漿法”研究成功，其工藝流程為:鉆孔設(shè)備跟管鉆進(jìn)一鉆到底→下花管后起拔套管→花管內(nèi)下入灌漿栓塞自下而上分段阻塞灌漿(灌漿前先對模袋進(jìn)行注漿使其膨脹，防止?jié){液沿花管外壁與孔壁間的間隙上串，達(dá)到漿液橫向擴(kuò)散的目的)。各工序要點(diǎn)如下。

4.2.1 鉆 孔

可以使用各種適宜的機(jī)械和方法鉆進(jìn)灌漿孔。由于在鉆孔中要下入花管，因此鉆孔終孔孔徑不宜太小，通常為Φ91～Φ140 mm;鉆孔機(jī)械宜選用精度高、進(jìn)尺快、鉆進(jìn)孔深能滿足灌漿需要的鉆機(jī)。本工程中使用阿特拉斯A66型鉆孔，采用Φ140 mm口徑。鉆孔完成后用“風(fēng)水聯(lián)合沖洗”方式清除孔內(nèi)鉆渣，下設(shè)花管完畢后起拔套管。

4.2.2 下花管

花管可用Φ60～Φ89 mm的管材(鋼管或塑料管)，在滿足管內(nèi)可順利下入灌漿塞的前提下，管子直徑宜盡量小?；ü軆?nèi)壁須光滑，管底封閉要嚴(yán)密牢固。管子上每隔33～50 cm鉆一環(huán)出漿孔，每環(huán)3～4個(gè)孔，孔徑10～15 mm，出漿孔的外圍，用彈性良好的橡皮套箍緊，橡皮套的厚度為1.5～2.2 mm，寬度100～150 mm。本工程中用摩托車內(nèi)胎作橡皮套，效果良好。為了防止在下花管時(shí)橡皮套移動(dòng)或翻卷，在其下端用細(xì)鐵絲綁扎，稱之為防滑環(huán)，這樣，每個(gè)橡皮套如同一個(gè)單向閥門，在灌漿壓力作用下漿液可以由里向外流出，但灌漿結(jié)束或中止后，漿液不會(huì)返流。

根據(jù)灌漿所需段長在花管上綁扎模袋，模袋直徑根據(jù)孔徑確定，長度不宜大于花管出漿孔的間距，它在花管與鉆孔的環(huán)狀間隙中起阻塞的作用，保證漿液在灌漿時(shí)能橫向擴(kuò)散，而不會(huì)沿孔壁上冒。

下花管是預(yù)埋花管法灌漿的一道關(guān)鍵工序，預(yù)先應(yīng)當(dāng)做好充分準(zhǔn)備，力求一次成功，避免出現(xiàn)故障又起拔重來，造成損失?；ü芟氯肭皯?yīng)當(dāng)逐節(jié)進(jìn)行檢查，在地面進(jìn)行全孔預(yù)安裝，逐節(jié)編號，下管時(shí)應(yīng)詳細(xì)校核并記錄各段花管長度和搭接尺寸，下設(shè)位置與設(shè)計(jì)位置的偏差等。花管下端離孔底距離不得大于20 cm。孔口高出地面10～20 cm。

4.2.3 模袋阻塞

花管安裝完成后，使填充膨脹模袋阻塞在花管與鉆孔的環(huán)狀間隙，保證漿液在灌漿時(shí)只能橫向流出，而不會(huì)沿孔壁上冒。

模袋填充注漿有2種方式:一種是管外注漿，即不通過花管，另設(shè)模袋注漿管注漿充填模袋的方式，綁扎模袋時(shí)，在模袋內(nèi)安裝一根注漿管，水泥漿從此注漿管注入使模袋膨脹，從而達(dá)到阻塞花管與鉆孔環(huán)狀間隙的目的;另一種是管內(nèi)注漿，即通過花管上設(shè)置的出漿孔注漿充填模袋的方式，綁扎模袋時(shí)，花管模袋段設(shè)置出漿孔，但不安裝橡皮套，在灌漿時(shí)先使用小壓力壓漿異步膨脹阻塞膜袋(由于其他部分出漿孔設(shè)有橡皮套，小壓力灌漿時(shí)，漿液只能從模袋段未設(shè)置橡皮套的出漿孔流出，填充模袋，從而達(dá)到異步膨脹阻塞膜袋的效果)，待膜袋膨脹起到阻塞作用后，升壓開始進(jìn)行分段灌漿。

4.2.4 灌 漿

對于選用管外注漿方式填充模袋的，模袋膨脹起到阻塞作用后，不需等待凝固，可直接下塞灌漿，灌漿時(shí)按與模袋同步的原則分段卡塞灌注;對于選用管內(nèi)注漿方式填充模袋的，灌漿塞應(yīng)卡至模袋出漿孔以上，下一段花管出漿孔以下位置，以便灌漿時(shí)水泥漿液優(yōu)先填充模袋，達(dá)到阻止?jié){液上串的目的。

該工法與傳統(tǒng)的“套閥管法”相比，省去了灌注填料、填料待凝等繁雜工序，其操作性強(qiáng)、安全可靠、成孔及精度高、灌漿故障低，是一種高效可行的施工工法，其成功運(yùn)用為其節(jié)點(diǎn)目標(biāo)工期的順利實(shí)現(xiàn)創(chuàng)造了條件。

4.3 灌漿漿材選擇

本工程地質(zhì)條件復(fù)雜，根據(jù)鉆孔揭露的地質(zhì)情況，查清覆蓋層構(gòu)成物及覆蓋厚度，依據(jù)其可灌比值結(jié)合地層滲透系數(shù)的大小和地層顆粒級配，采用了純水泥漿液、水泥砂漿、水泥－水玻璃漿液、水泥－膨潤土漿液進(jìn)行灌漿。

4.3.1 純水泥漿

為確保漿液的擴(kuò)散半徑，各灌漿孔段首次灌漿時(shí)宜采用純水泥漿開灌，純水泥漿液的比級及開灌比如下:

(1)背水排灌漿孔采用0.8∶1，0.6∶1 的 2 個(gè)水灰比比級，開灌水灰比為0.8∶1，地層耗漿量較大時(shí)逐級變漿加濃漿液灌注。

(2)迎水排灌漿孔采用 1∶1，0.8∶1 及0.6∶1 的 3個(gè)水灰比比級，采用1∶1的水泥漿開灌，根據(jù)漿液變換原則加濃漿液灌注。

(3)中間排灌漿孔采用 2∶1，1∶1，0.8∶1，0.6∶1 的4個(gè)水灰比比級，開灌水灰比為2∶1，根據(jù)漿液變換原則加濃漿液灌注。

(4)各排各次序孔灌漿的漿液比級根據(jù)已灌孔段開灌水灰比和結(jié)束水灰比的具體情況進(jìn)行了適當(dāng)調(diào)整:如果開灌時(shí)的單位吸漿率普遍較大，采用較濃比級漿液開灌;反之，采用較稀比級漿液開灌。

4.3.2 水泥砂漿

各灌漿孔段在首次灌漿過程中，單位注灰量達(dá)到1 t/m，且壓力、流量均無明顯變化，改用水泥砂漿進(jìn)行灌注。砂漿配比為，水∶灰∶砂 =0.6∶1∶(0.3 ～0.8)。

4.3.3 水泥 －水玻璃漿液

(1)如砂漿灌注量達(dá)2 000 L/m時(shí)，且壓力、流量均無明顯變化，則停止灌注砂漿，換用水泥－水玻璃漿液。

(2)當(dāng)遇到地下動(dòng)水或承壓水的灌漿孔段時(shí)，可直接采用水泥－水玻璃漿液進(jìn)行灌注。

(3)水泥－水玻璃漿液的體積比為，水泥漿∶水玻璃 =1∶(0.01 ～0.03)，根據(jù)壓力與注入流量的情況增加或減少水玻璃用量。

4.3.4 水泥 －膨潤土漿液

結(jié)合地質(zhì)情況，針對可灌性差的地層采用水泥 － 膨潤土漿液進(jìn)行灌注。水固比為 3∶1，2∶1，1∶1(水泥與膨潤土比例擬定為 1∶1，1∶2)，開灌水固比為3∶1，根據(jù)壓力與注入流量的情況逐級變濃。

4.4 抬動(dòng)變形觀測

為防止灌漿施工對成昆鐵路線、S214米攀公路造成抬動(dòng)破壞，施工中采取了如下措施:

(1)采用“智能抬動(dòng)觀測儀”和“人工抬動(dòng)觀測”進(jìn)行同步觀測，能在第一時(shí)間準(zhǔn)確掌握涵洞底板的抬動(dòng)變形情況，為及時(shí)采取防抬措施提供了時(shí)間保障。

該“智能抬動(dòng)觀測儀”是綜合運(yùn)用測控技術(shù)、嵌入式計(jì)算機(jī)技術(shù)、軟件技術(shù)來對抬動(dòng)監(jiān)測現(xiàn)場的可能抬動(dòng)量進(jìn)行自動(dòng)量測、記錄、報(bào)警和報(bào)表打印。系統(tǒng)的工作原理是傳感器將觀測部位抬動(dòng)值檢測出來，并傳送到記錄儀;記錄儀在抬動(dòng)值＜10 um時(shí)，不做記錄;但是當(dāng)抬動(dòng)值每增加10 um時(shí)，記錄儀將以班報(bào)的形式產(chǎn)生一條記錄;當(dāng)抬動(dòng)值增加超過設(shè)定報(bào)警值時(shí)(例如:100 um時(shí))，報(bào)警器將報(bào)警。該系統(tǒng)可以同時(shí)觀測記錄4個(gè)孔的抬動(dòng)值，可連接4個(gè)報(bào)警器。

(2)布設(shè)“防抬動(dòng)泄壓孔”，即在灌漿施工前，對被灌孔周圍的灌漿孔的涵洞底板接觸段進(jìn)行鉆孔(鉆穿砼底板并入覆蓋層0.5 m)，用作串、冒漿的泄壓通道，以釋放集中在底板砼面上的漿液能量，防止抬動(dòng)破壞的發(fā)生。

上述措施的綜合應(yīng)用，有效避免了對交通要道造成抬動(dòng)破壞，確保了其安全運(yùn)行。

5 防滲效果分析

5.1 注水試驗(yàn)成果

本工程質(zhì)量檢查以注水試驗(yàn)成果為主，結(jié)合灌漿施工資料分析進(jìn)行綜合評定。根據(jù)注水試驗(yàn)成果資料統(tǒng)計(jì):灌前先導(dǎo)孔滲透系數(shù)最小值為1.0×10－3cm/s，最大值為6.44 × 10－2cm/s;灌后檢查孔滲透系數(shù)最小為1.47 × 10－5cm/s，最大為1.38 × 10－4cm/s，質(zhì)量檢查全部合格?；娱_挖后，覆蓋層防滲部位未見滲、漏點(diǎn)，其防滲效果顯著。

5.2 取芯成果分析

為詳盡掌握覆蓋層分層及構(gòu)成情況，本工程灌前先導(dǎo)孔和灌后檢查孔均進(jìn)行了取芯施工，其典型芯樣對比見圖1、圖2。

圖1 桐子林組粉砂質(zhì)黏土夾碎礫石Fig.1 Silty clay with crushed gravel before and after the grouting at Tongzilin

圖2 砂卵石夾孤(塊)石Fig.2 Sand gravel(stone block)before and after the grouting

根據(jù)巖芯實(shí)物查看:水泥漿脈清晰可見，水泥充填使砂卵礫石有效膠結(jié)、成為整體，說明灌漿效果顯著。

6 結(jié)論

桐子林水電站深厚覆蓋層灌漿工程地質(zhì)條件復(fù)雜、施工難度大，針對涵洞及露天作業(yè)條件下的施工特性，成功研究了“套管——循環(huán)綜合灌漿法”和“預(yù)設(shè)花管模袋式分段阻塞灌漿法”并得到了推廣應(yīng)用，解決了90 m級深厚覆蓋層灌漿的施工技術(shù)難題，提高了施工工效，節(jié)約了施工成本。施工中采用“智能抬動(dòng)觀測儀”和“人工抬動(dòng)觀測”進(jìn)行同步觀測，布設(shè)“防抬動(dòng)泄壓孔”，這些方法有效避免了對交通要道造成抬動(dòng)破壞。依據(jù)地質(zhì)條件和灌漿的不同階段采用不同的漿材，灌后注水試驗(yàn)成果質(zhì)量檢查全部合格。取芯樣品水泥充填使砂卵礫石有效膠結(jié)、成為整體，說明灌漿效果顯著。研究成果為工程節(jié)點(diǎn)目標(biāo)的順利實(shí)現(xiàn)提供了保障，為類似工程積累了施工經(jīng)驗(yàn)。

［1］DL/T 5267—2012，水電水利工程覆蓋層灌漿技術(shù)規(guī)范［S］.(DL/T 5267—2012，Specification of Overburden Grouting for Hydropower and Water Resources Projects［S］.(in Chinese))

［2］全國水利水電施工技術(shù)信息網(wǎng)組.水利水電工程施工手冊第1卷地基與基礎(chǔ)工程［M］.北京:中國電力出版社，2004:124 －133.(National Information Network Group for Water Resources and Hydropower Construction Technology.Hydropower Construction Manual Volume 1 Foundation Engineering［M］.Beijing:China Electric Power Press，2004:124 －133.(in Chinese))

［3］馬邦凱.水泥粉煤灰膨潤土漿液在沙卵石帷幕灌漿中的應(yīng)用［J］.四川水力發(fā)電，1997，(1):55 －57.(MA Bang-kai.Application of Grouting Slurry with Cement Fly Ash and Bentonite to the Curtain Grouting of Sand and Gravel Foundation of Cofferdam［J］.Sichuan Water Power，1997，(1):55 －57.(in Chinese))

［4］牟興華.冶勒水電站深厚覆蓋層帷幕灌漿試驗(yàn)工藝［J］.四川水力發(fā)電，1998，(4):88 －90.(MOU Xinghua.Technique for Curtain Grouting Test on Thick Overburden at Yele Hydropower Station［J］.Sichuan Water Power，1998，(4):88 －90.(in Chinese))