深厚砂礫石地層固結(jié)灌漿在實(shí)際工程中的應(yīng)用

趙 健 飛

(中國水利水電第十四工程局有限公司，云南 昆明 650041)

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深厚砂礫石地層固結(jié)灌漿在實(shí)際工程中的應(yīng)用

趙 健 飛

(中國水利水電第十四工程局有限公司，云南 昆明 650041)

摘要：水利工程施工過程中，經(jīng)常會(huì)遇到水工建筑物直接修建在砂礫石地層上，為了提高砂礫石地層的整體性、密實(shí)性并降低其透水率，一般需要對(duì)壩基采取全面的固結(jié)灌漿，必要時(shí)也在壩基上、下游一定范圍內(nèi)進(jìn)行固結(jié)灌漿。結(jié)合水利樞紐的工程實(shí)踐，對(duì)泄洪沖沙閘底板進(jìn)行全面的固結(jié)灌漿處理，施工過程中采用自上而下分段灌漿方法，對(duì)現(xiàn)有的鉆探與灌漿工藝技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化組合，最終經(jīng)灌后質(zhì)量檢查，結(jié)果滿足深厚砂礫石覆蓋層固結(jié)灌漿的設(shè)計(jì)要求，取得了良好的效果。

關(guān)鍵詞：砂礫石；固結(jié)灌漿；優(yōu)化組合；質(zhì)量檢查

1　工程概況

齊熱哈塔爾水電站工程位于新疆維吾爾自治區(qū)喀什市塔什庫爾干塔吉克自治縣境內(nèi)的塔什庫爾干河上。樞紐主要由攔河壩、泄洪閘、發(fā)電引水建筑物、電站廠房及開關(guān)站等組成。攔河壩主要位于河床右岸，為復(fù)合土工膜斜墻砂礫石壩，泄洪閘位于河床左岸主河床位置，設(shè)兩孔閘門；引水隧洞進(jìn)水口布置在泄洪閘左側(cè)，為有壓式進(jìn)水口，其后接壓力引水隧洞。

壩基地層為第四系地層，為全新統(tǒng)河床相沖積層(Q42al)、河漫灘相沖積層(Q41al)和上更新統(tǒng)沖積、冰水沉積層(Q3al+fgl)，厚度大于130 m，其中河床相沖積層(Q42al)以砂卵礫石為主，含漂石，結(jié)構(gòu)松散。河漫灘相沖積層(Q41al)以砂卵礫石夾中細(xì)砂為主，其中上部2 m～4 m的砂卵礫石結(jié)構(gòu)松散。中下部砂卵礫石較密實(shí)，其動(dòng)力觸探擊數(shù)一般在25擊以上，承載力滿足要求。為增強(qiáng)砂礫石地基的密實(shí)性，保持其整體性與連續(xù)性，滿足閘室結(jié)構(gòu)混凝土的穩(wěn)定要求，故對(duì)閘室底板采取固結(jié)灌漿施工。

2　可灌性判斷

砂礫石地基的可灌性是指砂礫石地層能否接受灌漿材料灌入的一種特性[1]。一般用可灌比M、滲透系數(shù)K、砂礫石層中0.1 mm顆粒含量的百分比以及砂礫石層的不均勻系數(shù)等判斷，最終結(jié)合相關(guān)規(guī)范以及類似工程實(shí)踐，通過試驗(yàn)確定相應(yīng)參數(shù)。

2.1可灌比

對(duì)壩址區(qū)第四系砂礫石層取樣分析，可繪出其平均天然混合顆粒級(jí)配曲線，見圖1。

圖1壩址區(qū)第四系砂礫石層平均天然混合顆粒級(jí)配曲線

可灌比計(jì)算式為：

M=D15/d85

(1)

式中：D15為覆蓋層粒徑指標(biāo)，小于該粒徑的土體重占覆蓋層總重的15%，由圖1可知為0.75 mm；d85為漿液材料粒徑指標(biāo)，小于該粒徑的材料重占材料總重的85%，根據(jù)典型水泥粒度分布曲線[2]可知其值約為0.04 mm。

故知：M=D15/d85=0.75/0.04=18.75。一般情況下，當(dāng)M≥10者可灌注水泥黏土漿，當(dāng)M≥15者可灌注水泥漿[3]。

2.2滲透系數(shù)

一般認(rèn)為，滲透系數(shù)K>3×10-4m/s的地層具

有可灌性[4]，實(shí)測平均值約為4.08×10-4m/s。

2.3工程經(jīng)驗(yàn)

根據(jù)圖1可知：砂礫石地層中粒徑小于0.1 mm的顆粒含量百分?jǐn)?shù)約為3%(可灌比規(guī)定值小于5%[5])，可進(jìn)行水泥粘土漿的灌注。

2.4灌漿試驗(yàn)

現(xiàn)場灌漿試驗(yàn)的地點(diǎn)應(yīng)具有代表性[6]，故此次生產(chǎn)性試驗(yàn)選擇泄洪沖砂閘1#閘室認(rèn)為地質(zhì)較差的6個(gè)孔進(jìn)行，孔距排距2 m×2 m，混凝土蓋重厚2.20 m。灌漿順序?yàn)橄裙嘧ⅱ裥蚩祝俟嘧ⅱ蛐蚩?，完? d后進(jìn)行檢查試驗(yàn)，檢查孔布置于SYK-2和SYK-5之間，平面布置圖見圖2。

圖2固結(jié)灌漿試驗(yàn)孔平面布置圖

灌漿方法采用自上而下的循環(huán)鉆灌法，即鉆一段，灌一段，待凝固以后，繼續(xù)鉆灌下一段，鉆孔和灌漿交替循環(huán)。試段長度7.8 m，第一段2.8 m，第二段5 m，灌注漿液為純水泥漿，漿液配比選用2∶1、1∶1、0.8∶1、0.5∶1四個(gè)比級(jí)。試驗(yàn)成果見表1。

表1　灌漿試驗(yàn)成果

由表1可看出，當(dāng)SYK-1灌漿結(jié)束后，其余孔位的平均透水率、單耗均有較大降低，其中透水率最大降低了39%，單耗最大降低了38%，說明孔距與排距布置均處在漿液擴(kuò)散范圍內(nèi)，互相影響，布置合理。且經(jīng)過對(duì)檢查孔的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，兩段透水率均小于10 Lu，取芯完整細(xì)沙卵石層基本凝結(jié)，灌漿效果良好，滿足試驗(yàn)要求。實(shí)驗(yàn)過程中還進(jìn)行了地面抬動(dòng)觀測，絕對(duì)抬動(dòng)值為零。

3　工程難點(diǎn)

砂礫石覆蓋層深厚，鉆孔難度大，極易造成塌孔、堵孔等現(xiàn)象；涌水現(xiàn)象頻繁，鉆孔灌漿一次性達(dá)到結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)的孔位較少，多數(shù)需經(jīng)過待凝復(fù)灌后才能滿足要求；吃漿量大，且串漿現(xiàn)象頻繁。

4　施工工藝

4.1孔位布置

設(shè)計(jì)固結(jié)灌漿孔梅花型布置，孔排距均為2 m。鉆孔灌漿按照先周圍邊排、后中間排分序加密的原則進(jìn)行[7]。施工時(shí)按照先Ⅰ序孔、后Ⅱ序孔的順序施灌。

4.2灌漿材料

本工程固結(jié)灌漿采用復(fù)合硅酸鹽水泥，細(xì)度控制為通過80 μm方孔篩的篩余率不大于5%，利用純水泥漿進(jìn)行灌注。

4.3鉆灌方法

鉆孔采用XY-2型巖心鉆機(jī)，孔徑90 mm，鉆孔均為垂直孔向。待孔位鉆到設(shè)計(jì)深度時(shí)，取出鉆桿，下入灌漿管，達(dá)到設(shè)計(jì)深度即開始沖洗和壓水試驗(yàn)，達(dá)不到設(shè)計(jì)深度即進(jìn)行掃空復(fù)鉆。沖洗采用大流量敞口式?jīng)_洗，以返水澄清繼續(xù)沖洗10 min為合格標(biāo)準(zhǔn)。壓水采用“裂縫沖洗”，壓力采用該段灌漿壓力的80%，并使其最大壓力不大于1 MPa，每隔5 min記錄一次壓水流量，待壓水流量穩(wěn)定30 min～60 min后停止，取最后的流量值作為計(jì)算流量。固結(jié)灌漿參數(shù)見表2。

表2　固結(jié)灌漿參數(shù)表

灌漿記錄采用“二參數(shù)”(灌漿壓力、注入率)GMS-2008灌漿數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)。正常灌注情況下不得改變漿液濃度。當(dāng)某級(jí)漿液的注入量超過300 L，或灌注時(shí)間超過30 min，而灌漿壓力和注入率均無改變或僅有微小變化時(shí)，應(yīng)變換成濃一級(jí)漿液；當(dāng)注入率大于30 L/min，且壓力無法上升時(shí)可越一級(jí)變濃漿灌注；特殊情況下可根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況同各方協(xié)商解決。

4.4施工中的問題處理

(1)塌孔

在1#閘室灌漿過程中嚴(yán)格控制鉆孔位置、孔徑以及孔斜等，故僅出現(xiàn)少量塌孔現(xiàn)象，且對(duì)塌孔的進(jìn)行掃孔，直至達(dá)到設(shè)計(jì)要求。考慮到合適的分段長度和灌漿壓力對(duì)灌漿效果和工程成本控制非常重要，故在2#閘室底板固結(jié)灌漿過程中，調(diào)整分段數(shù)及相應(yīng)參數(shù)，既方便了施工，又很好地控制了施工質(zhì)量。

(2)串通孔具備同灌

具備同灌條件時(shí)，一泵一孔同時(shí)進(jìn)行灌注。不具備同灌條件：串通孔正在鉆進(jìn)應(yīng)立即停鉆；串漿量較小，可在灌漿同時(shí)，在串漿孔內(nèi)注入清水；串漿量較大時(shí)，應(yīng)將阻塞器阻塞于被串孔串漿部位上方0.5 m～1.0 m處，對(duì)灌漿孔繼續(xù)進(jìn)行灌漿，結(jié)束后將串通孔內(nèi)阻塞器取出，待凝、掃孔后進(jìn)行鉆灌。

(3)漏漿處理

出現(xiàn)漏漿問題時(shí)，檢查漏漿大小，并及時(shí)通知監(jiān)理，根據(jù)實(shí)際情況采取間歇、限流、限量、變換漿液濃度(濃一級(jí)或以上)、待凝等方法進(jìn)行處理。當(dāng)漏漿量較大，灌漿難以進(jìn)行時(shí)，中斷并進(jìn)行封堵，最后重新進(jìn)行灌漿作業(yè)。

(4)灌漿工作因故中斷處理

本工程在灌漿過程中，斷電是中斷灌漿工作的主要原因。當(dāng)作業(yè)中斷時(shí)，及時(shí)查明原因盡早恢復(fù)灌漿。否則應(yīng)及時(shí)對(duì)灌漿管道進(jìn)行沖洗。若無法沖洗則重新進(jìn)行掃孔，保證灌漿管路暢通?；謴?fù)灌漿后，首先使用開灌比級(jí)的漿液濃度進(jìn)行灌注，當(dāng)注入率與中斷前相同或相近時(shí)，即采用與中斷前相同比級(jí)的漿液濃度繼續(xù)灌注；當(dāng)注入率較中斷前增加較多時(shí)，可采用漿液濃度逐級(jí)加濃的方法繼續(xù)灌注。

(5)灌漿段注入量大，灌漿難以結(jié)束處理

本工程在灌漿時(shí)，由于砂礫石底部存在小泉眼，灌漿注入量大，故在該段灌漿時(shí)采取低壓、濃漿、限流限量、間歇灌漿等方法直至結(jié)束。

4.5灌漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)及驗(yàn)收控制指標(biāo)

本工程灌漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)：在達(dá)到設(shè)計(jì)灌漿壓力條件下，第一段注入率不大于5 L/min，第二段不大于1 L/min時(shí)，持續(xù)時(shí)間不少于30 min即可。在灌漿時(shí)，為防止灌漿對(duì)混凝土蓋板造成變形破壞，在灌漿孔附近安設(shè)抬動(dòng)觀測裝置進(jìn)行檢查。

固結(jié)灌漿質(zhì)量檢查在相應(yīng)部位灌漿結(jié)束3 d～7 d后進(jìn)行，檢查孔由現(xiàn)場監(jiān)理和施工技術(shù)人員根據(jù)灌漿成果表定，其數(shù)量為灌漿孔總數(shù)的5%，并保證每個(gè)灌漿單元至少有一個(gè)檢查孔。本工程的灌漿質(zhì)量檢查以單點(diǎn)法壓水試驗(yàn)為主，并結(jié)合相關(guān)施工記錄及灌漿資料綜合分析評(píng)定。

驗(yàn)收控制指標(biāo)：滲透系數(shù)不大于1×10-3cm/s，地基承載力不小于0.5 MPa。

5　灌漿效果評(píng)價(jià)

1#閘室底板固結(jié)灌漿完成后對(duì)即對(duì)其結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，單位耗灰量平均值Ⅰ序孔、Ⅱ序孔分別為1 252.84 kg/m、487.71 kg/m；透水率平均值Ⅰ序孔、Ⅱ序孔分別為110.59 Lu、54.62 Lu，平均單位耗灰量、平均透水率隨著灌漿次序的遞增而遞減，符合分序鉆灌的灌漿規(guī)律。泄洪沖沙1#閘室底板固結(jié)灌漿透水率頻率曲線見圖3，耗灰率頻率曲線見圖4。

圖3泄洪沖砂閘1#閘室底板透水率頻率曲線圖

圖4泄洪沖砂閘1#閘室底板耗灰率頻率曲線圖

按照技術(shù)規(guī)范要求，固結(jié)灌漿完成后，布置檢查孔檢驗(yàn)灌漿效果[8]。固結(jié)灌漿工程的質(zhì)量檢查也可采用鉆孔壓水試驗(yàn)的方法，檢測時(shí)間可在灌漿完成7 d或3 d以后，檢查孔的數(shù)量不宜少于灌漿孔總數(shù)的5%[9]。本工程檢查孔取芯鉆孔采用Φ76 mm～91 mm金剛石鉆頭鉆進(jìn)，按照灌漿孔總數(shù)的5%進(jìn)行檢查，在1#閘室上、中、下游隨機(jī)布置6個(gè)檢查孔，計(jì)算巖芯采取率、進(jìn)行巖芯描述并加以拍照。砂礫石地層經(jīng)固結(jié)灌漿后，其中架空或大孔結(jié)構(gòu)及大部分連通性較好的孔隙均被水泥結(jié)石充填，密實(shí)性良好。檢測孔各段平均透水率最大為5.26 Lu，其余均在1 Lu左右，達(dá)到設(shè)計(jì)要求，可認(rèn)為灌漿質(zhì)量符合要求。

根據(jù)《壩基防滲與灌漿技術(shù)》中透水率與滲透系數(shù)的近似關(guān)系知：1Lu≈1.3×10-5cm/s[10]，將本工程檢查孔地層透水率換算成滲透系數(shù)，最大約為6.8×10-5cm/s，完全滿足設(shè)計(jì)要求，且對(duì)原地基的滲透性有較大改善。泄洪沖砂閘地基開挖完成后即進(jìn)行地基承載力試驗(yàn)，由動(dòng)力觸探試驗(yàn)可知泄洪沖砂閘底板地基承載力最低為0.648 MPa，已滿足灌漿后的承載力要求，故灌漿完成后其承載力必定有很大提高，未進(jìn)行相關(guān)檢測。

6　結(jié)　語

通過對(duì)現(xiàn)場地質(zhì)情況的了解以及調(diào)查，根據(jù)灌漿試驗(yàn)所確定的灌漿機(jī)具以及灌漿的相關(guān)參數(shù)，在實(shí)際施工過程中加強(qiáng)監(jiān)控并對(duì)出現(xiàn)的特殊情況作出判斷和調(diào)整相關(guān)施工工藝及施工方法，最終圓滿完成了泄洪沖砂閘底板的固結(jié)灌漿工作，檢查效果良好，有效地降低了地基的透水性并提高了地基的承載力，保證了閘室上部結(jié)構(gòu)的安全與穩(wěn)定。同時(shí)，由于砂卵石地層差異性太大，灌漿施工過程中還必須根據(jù)地層實(shí)際情況對(duì)注漿量、注漿壓力、地層抬動(dòng)情況、地表是否漏漿等跟蹤檢查，并隨時(shí)調(diào)整各種參數(shù)，保證施工正常進(jìn)行。

對(duì)于深厚覆蓋層的砂礫石地層來說，利用固結(jié)灌漿的手段來實(shí)現(xiàn)地基的改良，保證其承載力以及整體性也不失為一種有效的方法。關(guān)鍵是掌握實(shí)際地質(zhì)情況，依據(jù)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)以及相關(guān)施工經(jīng)驗(yàn)對(duì)各種灌漿機(jī)具以及施工工藝及方法進(jìn)行優(yōu)化組合，使灌漿效果達(dá)到最佳。希望本工程的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)?zāi)軐?duì)相關(guān)類似工程提供相應(yīng)的參考，方便施工。

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ConsolidationGroutingofDeepSand-gravelStratuminPracticalEngineeringApplication

ZHAO Jian-fei

(SINOHYDROBureau14Co.,Ltd.,Kunming,Yunnan650041,China)

Abstract：In the construction of hydraulic engineering projects,the hydraulic structures are often directly built on the sand gravel stratum.In order to improve the integrity of sandy gravel stratum and reduce its permeability,it is common to apply comprehensive consolidation grouting on the dam foundation,sometimes consolidation grouting is also carried out in a certain range of the upstream and downstream of the dam foundation when necessary.In the construction of an engineering project,the comprehensive consolidation grouting was applied on the floor of the outlet sluice with descending stage grouting method during the construction process.This method combined the advantages of the existing drilling and grouting techniques and reached a optimum combination.The result of the quality inspection indicates that the outcome not only meets the specifications of consolidation grouting of deep sand gravel stratum,but also has excellent performance.

Keywords：sand gravel;consolidation grouting;optimum combination;quality inspection

DOI:10.3969/j.issn.1672-1144.2014.06.041

中圖分類號(hào)：TV543+.4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672—1144(2014)06—0205—04

作者簡介：趙健飛(1988—)，男，陜西周至人，助理工程師，主要從事水利水電工程施工與管理工作。

收稿日期：2014-08-07修稿日期：2014-09-14