關于國內(nèi)外帷幕灌漿施工要求方面的幾點探討

張開軍

(中國水利水電第七工程局成都水電建設工程有限公司，成都，611130)

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關于國內(nèi)外帷幕灌漿施工要求方面的幾點探討

張開軍

(中國水利水電第七工程局成都水電建設工程有限公司，成都，611130)

本文以美國陸軍工程兵團灌漿技術手冊(EM1110-2-3506)和3個國際工程灌漿技術要求為基礎，與水工建筑物水泥灌漿施工技術規(guī)范(DL/T5148-2012)進行對照，就帷幕灌漿施工要求方面的差異進行探討，以便于更好地了解國內(nèi)外對于帷幕灌漿施工的不同。

灌漿技術手冊 灌漿施工技術規(guī)范 帷幕灌漿 對比分析

1 概述

帷幕灌漿是水利工程中常用的防滲方法，近年來國內(nèi)修建了很多世界級的高壩，帷幕灌漿都是最重要的基礎防滲手段之一，國內(nèi)灌漿理論與實踐都獲得了巨大的發(fā)展，但是與國際上仍然存在差異。了解這些差異，對于未來的國際工程帷幕灌漿施工是很有必要的。

美國陸軍工程兵團(UnitedStatesArmyCorpsofEngineers,縮寫USACE)為美國主要水利機構之一，是世界最大的公共工程、設計和建筑管理機構，其水電工程標準體系在水電工程勘察、設計、施工等各方面研究、開發(fā)和應用上均處于世界領先水平，在世界范圍的水電工程建設中得以廣泛應用。工程手冊為其標準系統(tǒng)中的一類，本文中手冊是指EngineeringandDesign:GROUTINGTECHNOLOGY(EngineerManualEM1110-2-3506)(以下簡稱EM手冊)。

LahmeyerInternationalGmbh(以下簡稱Lahmeyer)是德國一家工程公司，其在能源、水電和水資源方面處于世界領先地位，在亞洲、非洲、南美洲和歐洲都有很強的競爭力，本文所涉及的3個國際工程(蘇丹MeroweProject、蘇丹UpperAtbaraProject、巴基斯坦KeyalKhwarProject)均以Lahmeyer為咨詢公司，其中MeroweProject已完工，UpperAtbaraProject在建，KeyalKhwarProject已中標待建。MeroweProject有蘇丹的三峽工程之稱，總裝機容量125萬kW，尼羅河干流第二大水電項目。UpperAtbaraProject位于尼羅河上游支流，總裝機容量32萬kW。KeyalKhwarProject位于印度河上游支流，總裝機容量12.8萬kW。

水工建筑物水泥灌漿施工技術規(guī)范(DL/T5148-2012)(以下簡稱灌規(guī))是目前國內(nèi)最新水泥灌漿施工規(guī)范，與前一版相比，做了一定修改。灌規(guī)是國內(nèi)水泥灌漿的圣經(jīng)，其重要性不言而喻。

本文以美國陸軍工程兵團手冊(EM1110-2-3506)、Lahmeyer公司負責咨詢的3個國際項目的技術要求和水工建筑物水泥灌漿施工技術規(guī)范(DL/T5148-2012)為主要研究對象，通過對比分析三者在帷幕灌漿上的具體要求，結合工程實際施工經(jīng)驗，參考相關書籍資料，以呈現(xiàn)國際國內(nèi)在帷幕灌漿上的異同點。

2 灌漿材料與漿液

2.1 灌規(guī)對灌漿材料與漿液的要求

灌規(guī)3.1.2、3.1.5條款對灌漿水泥提出了要求。

灌規(guī)對水泥篩余量給出具體要求，未對比表面積提出具體要求，在條文說明中對此做了說明。灌規(guī)推薦使用純水泥漿液。目前國內(nèi)灌漿施工基本采用純水泥漿液，鮮有采用超細水泥或穩(wěn)定漿液。灌規(guī)僅針對水泥灌漿，未涉及化學灌漿。

2.2Lahmeyer公司在國際項目中的要求

對于Lahmeyer公司咨詢的上述三個項目，均對篩余量和比表面積提出具體要求，MeroweProject要求比表面積應為350m2/kg、80μm方孔篩的篩余量為0；UpperAtbaraProject要求比表面積400m2/kg、80μm方孔篩的篩余量為0；KeyalKhwarProject要求比表面積450m2/kg，未對篩余量提出具體要求。由此可見，Lahmeyer公司對灌漿水泥的要求要高于《灌規(guī)》，如果從三個項目的時間順序看，對灌漿水泥細度的要求越來越高。水泥的比表面積越大，顆粒越細，對于灌漿而言肯定是有好處的，但這樣高標準的水泥成本高，對于運輸和存儲要求都很高，采購要求也很高，水泥在海運的過程中容易受潮結塊而報廢。三個項目均要求使用穩(wěn)定漿液，這點與國內(nèi)普遍使用純水泥漿液不同，穩(wěn)定漿液的制備要求比純水泥漿液更高，析水率、流變性、穩(wěn)定性均優(yōu)于純水泥漿，但制備工藝復雜。穩(wěn)定漿液通常采用一個比級，可以簡化純水泥灌漿過程中變漿程序。從使用效果看，使用純水泥漿液與穩(wěn)定漿液都能夠達到預期目的。

在MeroweProject和UpperAtbaraProject，Lahmeyer公司對化學灌漿材料均有明確要求，KeyalKhwarProject則沒有列出。MeroweProject曾大量使用化學灌漿，使工程造價提高，引起業(yè)主不滿。在UpperAtbaraProject建設過程中，施工方多次提議化學灌漿，但咨詢工程師均不采納。

此外，灌規(guī)3.1.9“普通純水泥漿液可不進行室內(nèi)試驗?！倍鳯ahmeyer公司則要求對各類灌漿材料均需按批次進行室內(nèi)試驗，室內(nèi)試驗達到要求方可開始下一步。由于水泥是灌漿的主要材料，水泥質(zhì)量將直接影響灌漿結果，盡管生產(chǎn)時也進行檢測，但水泥在生產(chǎn)、運輸、存儲等各環(huán)節(jié)，也確有發(fā)生變質(zhì)的可能，進行現(xiàn)場試驗是有必要的。

2.3EM手冊對灌漿材料與漿液的要求

EM手冊與灌規(guī)和Lahmeyer公司技術要求都不同，手冊在灌漿材料一節(jié)開篇就提出波特蘭水泥漿液使用應考慮兩個因素：(1)單一材料的適用性；(2)每一種成分的預期目的。通過添加不同材料組成的漿液混合物，不僅讓使用者拓寬漿液的物理特性，而且可以根據(jù)工程情況加以調(diào)整。EM手冊中并未對水泥的細度給出明確的數(shù)值，除對各類水泥的基本特點進行了介紹外，還詳細介紹了可用充填物、外加劑、粘土漿液、硫酸鹽漿液和化學漿液，涵蓋了灌漿的各類漿液。對于灌漿材料細度的選擇，EM手冊中提出一個評價可灌性的公式，也就是可灌性比率N：

N=D15/D85

式中，N表示可灌性比率；D15表示被灌介質(zhì)15%的細顆粒尺寸，可以通過各類巖土試驗獲得；D85表示漿液85%的細顆粒尺寸，這個數(shù)值可以用細度表示。

通常認為N應大于25才具有可灌性，但在某些情況下可以低于15，這取決于灌漿材料的物理性質(zhì)。

這個公式在美國陸軍工程兵團的另一本手冊GROUTINGMETHODSANDEQUIPMENT(TM5-818-6,AFM88-32)中也有提及。

EM手冊對每一種漿液的特點進行了歸納總結，雖并未規(guī)定或要求使用哪一類漿液，但認為在水泥漿液中加入少量的膨潤土(2%～4%)，對于灌漿是有益的。

從上面的對比看，似乎EM手冊對灌漿材料不夠重視，選擇的隨意性比較大，實則不然。在EM手冊中，專門用了一個章節(jié)闡述灌漿材料(16頁)，詳細總結了各類灌漿材料漿液特點，其詳盡程度堪比教科書。此外，在別的章節(jié)中也有部分涉及灌漿材料。這樣以來，即便缺乏經(jīng)驗的工程人員，也能在EM手冊的指導下針對不同的工程情況選擇不同的灌漿材料。

在美國陸軍工程兵團的另一本手冊GROUTINGMETHODSANDEQUIPMENT(TM5-818-6,AFM88-32)中，認為壓力灌漿的選擇應基于工程需要、地下條件、經(jīng)濟、質(zhì)量監(jiān)督人員的能力等各種因素綜合考慮。從某種程度而言，壓力灌漿是一門基于自然和科學的藝術，需要經(jīng)驗和工程判斷，對這門藝術無法建立嚴格的尺度。個人認為這是個對壓力灌漿比較客觀的評價，從這個角度出發(fā)，更容易理解EM手冊中的基本理念。

化學漿液經(jīng)過多年的發(fā)展日趨成熟，面對復雜的地質(zhì)條件，很多項目在使用水泥漿液的同時也在使用化學漿液?！豆嘁?guī)》的編纂應該考慮并體現(xiàn)這種趨勢，不應只局限于水泥灌漿。

灌漿材料和漿液的選擇是灌漿能否達到目的的物質(zhì)基礎，直接關系灌漿成敗，與所針對的地質(zhì)條件息息相關，應有很強的針對性。但是，在實際操作中，灌漿材料和漿液的選擇，往往受到經(jīng)濟、工期、設備、人員等各種因素影響而缺乏針對性，從而影響最終的灌漿效果。

3 灌漿設備和機具

3.1 灌規(guī)對灌漿設備與機具的要求

《灌規(guī)》對制漿機、灌漿泵、灌漿管路、灌漿塞、閥門、壓力表、記錄儀和集中制漿站在性能上做了基本要求，與《水工建筑物水泥灌漿施工技術規(guī)范(DL/T5148-2001)》基本一致，因施行多年，具體要求在這里不再重述。

盡管新灌規(guī)沒有對灌漿設備和機具提出更高的要求，但自2001年以來，灌漿設備和機具還是有所發(fā)展，市場上滿足灌規(guī)要求的設備和機具選擇比較多。

3.2Lahmeyer公司在國際項目中的要求

與《灌規(guī)》相比，Lahmeyer公司在國際項目中對灌漿機具和設備的要求則要高得多。如在UpperAtbaraProject中，對漿液拌合設備要求如下：

(1)為拌制穩(wěn)定漿液，漿液攪拌機應是機械式、高速膠體型、有足夠的容量、轉(zhuǎn)速在(1500～2000)r/min以確保拌合完全分散和充分；

(2)攪拌機應配備對于拌合物的重量和體積誤差不大于2%的稱量設備和水表。

對于灌漿泵有如下要求：

(1)灌漿泵應能在特定壓力下保持(60～100)L/min的濃漿(W/C=1∶1)流量，可以達到并保持7MPa的壓力。灌漿泵應能以穩(wěn)定的壓力和流量泵送漿液，沒有壓力波動，一泵灌一孔；

(2)泵應配備有精確的壓力和容量控制閥門，這些閥門可以單獨控制壓力和流量。當達到預設的壓力時，泵應能自動停止，且應保持壓力沒有脈沖。

除此之外，對于壓力表的精度和管路連接的要求均高于灌規(guī)。

國內(nèi)生產(chǎn)商目前尚無滿足上述要求的產(chǎn)品，國際上英國、美國、德國、瑞士等國家均有滿足上述要求的設備供應。

3.3EM手冊對灌漿設備與機具的要求

EM手冊用了大量篇幅詳細介紹各類灌漿設備和機具，并對其使用進行了基本描述，包括化學灌漿設備、機具和灌漿監(jiān)測設備。例如漿液高程探測設備、孔內(nèi)溫度測量、示蹤材料、比重計等等。但是，EM手冊并未對這些設備的性能提出具體要求，如轉(zhuǎn)速、壓力范圍等等。

灌漿設備和機具就像人手中的工具，性能更好、能耗更低、更輕便更安全的設備和機具，無疑有利于提高灌漿的功效和質(zhì)量。但是，更先進的設備也意味著更高的售價，價格往往阻礙了人們選擇更先進的設備。

4 灌漿試驗

4.1 《灌規(guī)》對灌漿試驗的要求

本版灌規(guī)與上版不同之一就是將灌漿試驗單列一章，灌漿試驗的重要性得到提高。同時，增加了灌漿試驗的任務、灌漿試驗選址和生產(chǎn)性灌漿試驗的內(nèi)容。

4.2Lahmeyer公司在國際項目中的要求

在MeroweProject和UpperAtbaraProject技術要求中，均明確要求做生產(chǎn)性灌漿試驗。在UpperAtbaraProject技術要求中，還規(guī)定了試驗區(qū)的面積和孔的分布，但KeyalKhwarProject則沒有要求。在國際項目中，咨詢工程師權力較大，可以指令承包商做灌漿試驗，這與技術要求并不沖突。

在UpperAtbaraProject實施過程中，灌漿試驗的選址、孔位布置及各種參數(shù)均需經(jīng)咨詢工程師批準，承包商在工程師指令下工作，試驗過程受工程師監(jiān)督。

4.3EM手冊對灌漿試驗的要求

EM手冊專門用了一章來討論為灌漿設計而應進行的各類地質(zhì)考量。灌漿試驗作為其中一節(jié)專門論述，認為灌漿試驗應在詳細設計之前進行，灌漿試驗視其需要的信息可簡可繁，應在負責最終灌漿設計的地質(zhì)人員的指導下進行。分析灌漿試驗的布置(單排、環(huán)形、多排)和優(yōu)缺點，提出對灌漿試驗結果檢查和分析的具體辦法。此外，灌漿試驗還應對鉆孔技術(如回轉(zhuǎn)和沖擊)、不同的孔徑等對灌漿效果的影響進行評價。

相比而言，EM手冊對灌漿試驗的論述要比其他兩者全面詳細，指導性、可操作性更強。

從某種意義上講，灌漿試驗帶有一定的研究性質(zhì)，灌漿試驗能夠為灌漿設計提供準確的信息，這一點是無可替代的。在條件允許的情況下，每一個灌漿工程都應有針對性的進行灌漿設計前的現(xiàn)場灌漿試驗。但是，在實際施工中，經(jīng)常采用生產(chǎn)性灌漿試驗來替代設計前的灌漿試驗，而這個時候工程已經(jīng)開始大規(guī)模施工，在工期和費用壓力下，生產(chǎn)性灌漿試驗往往沒有足夠的時間去進行各項試驗，甚至只是象征性地驗證已經(jīng)設計好的灌漿形式，這樣的灌漿試驗得到的數(shù)據(jù)的價值已經(jīng)大打折扣。鑒于此，應在灌規(guī)中增加一些針對灌漿試驗的強制性條文。

5 帷幕灌漿的幾個參數(shù)

5.1 孔口封閉灌漿法

自1982年烏江渡水電站首創(chuàng)使用孔口封閉灌漿法以來，該法在國內(nèi)得到推廣，目前已成為國內(nèi)帷幕灌漿的主流方法。該法在國內(nèi)實踐中已被多次驗證是一種有效、可靠的灌漿方法。但是，在國際工程中該法還沒有得以推廣，在MeroweProject、UpperAtbaraProject和KeyalKhwarProject的技術要求中均未采用此法，在美國陸軍工程兵團EM手冊和另一本手冊GROUTINGMETHODSANDEQUIPMENT(TM5-818-6,AFM88-32)(2004年修訂)中也未采用?？梢?，加強國際同業(yè)交流任重道遠。

5.2 灌漿壓力

《灌規(guī)》5.5.1對灌漿壓力進行了原則規(guī)定。

在國內(nèi)灌漿施工中，高壓灌漿(≥3MPa)的傾向越來越明顯，似乎壓力不高就不足以保證灌漿質(zhì)量。但是，在國際工程中，并不認為壓力越高越好。MeroweProject和UpperAtbaraProject最大灌漿壓力均不超過1.6MPa(最大孔深超過50m)，KeyalKhwarProject最大灌漿壓力不超過1.2MPa。EM手冊中對灌漿壓力過大可能造成抬動、漿液浪費進行了說明。

高壓灌漿在國內(nèi)的流行與孔口封閉灌漿法有一定關系，相比而言，孔口封閉灌漿法比卡塞灌漿能承受更高的灌漿壓力而不發(fā)生滲漏或繞塞。但是，高壓灌漿的害處也顯而易見，首先是抬動，不僅可能造成地上建筑物的抬動，甚至造成地下巖層抬動，一旦發(fā)生，很難處理；其次是漿液浪費，高壓灌漿在充填裂隙的同時又打開或者形成新的裂隙，通道形成的狀況無法預料，甚至發(fā)展到灌漿部位上百米之外；第三是高壓爆裂形成安全隱患，壓力越高對灌漿管路要求越高，管路爆裂傷人的可能性也越大；第四，過高的灌漿壓力可能對泥巖、砂巖之類硬度較低巖石的整體性有破壞作用。從灌漿實踐看，中低灌漿壓力是可以滿足絕大多數(shù)灌漿目的需要的。

5.3 裂隙沖洗

《灌規(guī)》規(guī)定沖洗介質(zhì)為水，沖洗壓力可為灌漿壓力的80%，并不大于1MPa，沖洗時間至回水清凈時止，并不大于20min。

在3個國際項目中，均要求沖洗至回水清凈時止，但未對沖洗壓力和沖洗時間做出規(guī)定。

在EM手冊中，也要求沖洗至回水清凈，并列明風水聯(lián)合沖洗，但規(guī)定沖洗壓力不應大于灌漿壓力。

在UpperAtbaraProject實施時，曾有鉆孔沖洗超過1h仍未回水清凈，甚至部分孔段因沖洗時間太長而塌孔。從施工的角度看，《灌規(guī)》的要求是適宜的，太長的沖洗時間對于鉆孔有害，有些泥巖或頁巖具有一定的可溶性，無法沖洗至回水清凈。但是，對于孔深較深的孔(例如大于100m)，《灌規(guī)》的規(guī)定似乎又顯得不足。

5.4 漿液變換

在3個國際項目中，均采用穩(wěn)定漿液，實際施工中無需變漿，若咨詢工程師認為有變漿需要，則在原漿液用完后重新配制。

EM手冊對于漿液比級和變換則比較靈活，漿液注入由稀到濃，可以根據(jù)需要調(diào)配濃度，對漿液變換也沒有數(shù)量上的規(guī)定。

《灌規(guī)》推薦使用純水泥漿液，強調(diào)控制，穩(wěn)定漿液則簡化變漿，而EM手冊則更強調(diào)經(jīng)驗和判斷。

5.5 結束標準

本版灌規(guī)比前版在結束標準上變化很大，《灌規(guī)》規(guī)定，一般情況下，當灌漿段在最大設計壓力下，注入率不大于1L/min后，繼續(xù)灌注30min，即可結束灌漿。

在UpperAtbaraProject灌漿技術要求中，帷幕灌漿結束標準為：在設計壓力下，灌漿段吸漿量小于2L/min，持續(xù)10min即可結束。在MeroweProject灌漿技術要求中，帷幕灌漿結束標準為：在規(guī)定的灌漿壓力下，孔段持續(xù)灌漿每10min的注入量為30L或更小時，灌漿結束。在KeyalKhwarProject灌漿技術要求中，帷幕灌漿結束標準為：在規(guī)定的灌漿壓力下，孔段持續(xù)灌漿每10min的注入量小于15L時，灌漿結束。

在EM手冊中，有兩個結束標準，一是當達到設計灌漿壓力的3/4時，孔段停止吸漿；二是在10min內(nèi)(至少5min測一次)，吸漿量不大于1立方英尺(約28.3L)，灌漿即可結束。

從以上闡述看，結束標準不盡相同，但從時間上看，《灌規(guī)》要求最高。

6 總結

本版《灌規(guī)》2012年發(fā)布，除KeyalKhwarProject外，比EM手冊、MeroweProject技術要求和UpperAtbaraProject技術要求的發(fā)布更接近于今天。但是，從上面的論述可以看出，《灌規(guī)》的要求與國際同業(yè)之間還存在不少差異，受篇幅所限，本文僅就帷幕灌漿的一些重要參數(shù)做分析對比。

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