基于砂礫石地基灌漿的設計與施工

劉鐵銀

(黑龍江省水利水電勘測設計研究院，哈爾濱 150080)

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基于砂礫石地基灌漿的設計與施工

劉鐵銀

(黑龍江省水利水電勘測設計研究院，哈爾濱 150080)

摘要：目前許多水庫大壩的基礎都是砂礫石層，而作為壩體的砂礫石層基礎，需要具有可靠的防滲性、足夠的耐壓性和一定程度的均質性。但天然的砂礫石層大都是松散的，其顆粒間的絕對空隙尺寸大，孔隙率高，這些砂礫石層若作為壩體基礎，必然是透水的，并且基礎的力學性能也不能滿足其穩(wěn)定的要求，所以作為壩體基礎必須對其進行處理，改善它的各項性能。目前使用最廣泛的手段是灌漿方法，其主要特點是：效果好，適用性強，施工較簡單并且比較經濟。

關鍵詞：砂礫石巖層；地基灌漿；設計；施工方法；灌漿試驗

0前言

天然的砂礫石層是比較松散的巖層，它的空隙大，孔隙率高，因而滲透性較強，在這種巖層上修建大壩，為了減少庫水的滲漏損失，保證壩體穩(wěn)定與安全，必須采取有效的防滲措施。防滲措施主要是根據地質條件和工程具體情況而定，比較常用的有：開挖砂礫石層，修筑截水槽，水平鋪蓋，混凝土防滲墻和灌漿帷幕，其中進行帷幕灌漿最為普遍。作為大壩基礎的砂礫石層，如果采用灌漿帷幕設置，為保證壩體安全，其設計和施工尤為重要。為了得到合理的設計、施工方案，應該在工作區(qū)內選擇適宜的地段進行灌漿試驗，并結合以下幾方面進行綜合分析確定。

1砂礫石地基的可灌性

1.1根據可灌比

按照反濾層設計原理，用地基的顆粒級配曲線上含量為15%的粒徑D15(mm)與灌漿材料級配曲線上含量為85%的粒徑d85(mm)之比值來衡量地基的可灌性，此比值為可灌比M:。

M=D15/ d85

(1)

1)當M<5，一般認為砂礫石地層接受灌漿的可能性很小。2) 當M=5-10，有黏土水泥漿液不一定能灌好。3)當M>5-10，可灌注黏土水泥漿。4)當M>15，可灌注水泥漿。

1.2根據粒徑<0.1mm的顆粒含量

砂礫石地基中粒徑<0.1mm的顆粒含量<5%時，一般易接受水泥黏土漿液的有效灌注。但較均勻的砂，即使<0.1mm的顆粒含量僅占3%時，因M<5，仍不能接受水泥黏土漿液的有效灌注。

1.3灌漿材料的選擇

根據地層滲透系數k(m/d)的大小，選擇不同的灌漿材料：當k≥800，水泥漿液中可加入細砂。k>150，可灌注純水泥漿液。k=100-120，可灌注加塑化劑的水泥漿液。k=80-100，可灌注加2～5種活性摻合體的水泥漿液。k≤80，可灌注水泥黏土漿液。

1.4根據顆粒級配曲線

砂礫石的顆粒級配曲線比較平緩時，其不均勻系數較大；比較陡斜時，不均勻系數比較小。它能反映出砂礫石層中顆粒大小的均勻程度，結合砂礫石層的具體情況，可以作為判定其可灌性依據。

2帷幕設計原則

2.1帷幕的位置

1)與心墻連接。帷幕設置在心墻的下面，與防滲心墻相連。采用此種帷幕，須先進行灌漿，而后填筑壩體，或者設置專門的灌漿廊道，在廊道中灌漿。

2)與斜墻連接。帷幕設置在斜墻或斜墻向上游延伸的短鋪蓋下面，與防滲墻相連，采用此種帷幕，與壩體填筑施工相互干擾較少。

3)與防滲鋪蓋連接。灌漿帷幕設置在防滲鋪蓋下面，與防滲鋪蓋相連。采取此種帷幕，可延長滲徑，并可減少壩體填筑與灌漿施工的相互干擾。

2.2帷幕的形式

1)均厚式帷幕：在砂礫石層厚度不大的情況下，帷幕各排孔的深度相同。

2)階梯式帷幕：在深厚的砂礫石層中，滲流比降隨砂礫石層的加深而逐漸減小，設置帷幕時，多采用上寬下窄階梯狀帷幕。

2.3帷幕的深度

1)全封閉式帷幕：帷幕穿過砂礫石層達到基巖，可以全部封閉滲流通道，深入基巖深度，應該根據地質條件與工程具體情況確定，一般≥5 m。

2)懸掛式帷幕：帷幕沒有穿過整個砂礫石透水層或與相對不透水層相連接，若需采取此種帷幕形式，應該對砂礫石層壩基及壩體的滲透穩(wěn)定、滲透流量、是否控制在容許范圍內進行論證。一般情況下盡量少用此種形式的帷幕。

2.4帷幕孔的孔距

灌漿孔距主要取決于砂礫石層的滲透性、灌漿壓力、灌漿材料以及漿液的濃度等因素，灌漿孔距通常是通過灌漿試驗來確定的，一般多為2～4 m，以3 m居多。

2.5帷幕的厚度

帷幕的厚度主要根據幕體的容許滲透比降值確定，同時應保證帷幕本身不會發(fā)生機械管涌和化學管涌。在長期水流作用下，能夠抵抗?jié)B透水的侵蝕，對于一般水泥黏土漿，容許滲透比降值可采用3～4。當帷幕較厚時，選用的容許滲透比降值較小，當帷幕較薄時，選用的容許滲透比降值較大，國內一些大壩的砂礫石層基礎的灌漿帷幕，大都是由3排孔構成的。

帷幕厚度計算公式如下：

T=H/J

(2)

式中：T為帷幕厚度，m；H為最大設計水頭，m；J為帷幕的容許滲透比降。

3鉆孔方法與灌漿方法

3.1鉆孔方法

砂礫石中的灌漿孔都是鉛直方向的鉆孔，除了打管灌漿法外，就造孔的方式來分，主要有沖擊和回轉鉆進兩大類；就使用的沖洗液來分，有清水沖洗鉆進和泥漿固壁鉆進。

3.2灌漿方法

3.2.1打管灌漿法

將帶有花管的鉆管直接打入砂礫石層中，再將管內於砂沖洗后進行灌漿。該法使打孔與灌漿在工序上緊密結合，操作上簡單易行，多用于灌漿深度不深的工程。施工程序為打管→沖洗→灌漿。

3.2.2套管灌漿法

一邊鉆進造孔，一邊下入護壁套管(或者隨打入護壁套管，隨掏取砂礫料)，直到套管下達到最終孔深為止。然后下入灌漿管，逐段上拔套管進行灌漿。采用這種方法施工，在鉆進方面，幾乎不受操作方法的限制。由于跟入護壁套管，則完全消除了塌孔及埋鉆事故，這是有利的一面，但在灌漿過程中，漿液容易沿著套管外壁向上流動，甚至地表冒漿。如果灌注的時間較長，灌注的又是水泥含量較高的濃漿，就會膠結住套管，造成起拔困難，影響施工進度，這是不利的一面。

3.2.3循環(huán)鉆灌法

在地面預埋孔口管，下入灌漿管，自上而下，鉆一段灌一段。施工程序為開挖淺坑→鉆孔口管段→下孔口管→綁扎防漿環(huán)→淺坑回填→孔口管段灌漿→待凝→鉆進→灌漿→鉆下一段→灌漿。

3.2.4預埋花管法

在砂礫石層中，每隔一定距離埋設一段帶花眼的花管，孔眼外包橡皮箍，在花管與孔壁間填入強度低的黏土水泥填料，灌漿管放入花管后，壓力灌漿頂開橡皮箍，通過開裂的填料進入砂礫石層，該方法運用較廣，優(yōu)點是一次成孔，孔內埋設花管不會塌孔，灌漿管在花管中能上下移動，可以灌任何一段，還可以重復灌漿，施工方便，缺點是花管不能回收利用，成本高。施工程序為鉆孔(下入套管護壁)→清孔→下花管→邊下填料邊起套管→待凝→在花管內下入雙塞式灌漿塞→用壓力水→灌漿。

4灌漿材料

灌漿材料主要為水泥、黏土或膨潤土，應該滿足細度、穩(wěn)定性和膠結能力、膠結強度等要求，在強透水層中灌漿，可摻入砂子、磨細礦渣、粉煤灰等摻合料。為了改善灌漿性能，還可以加入促凝劑、塑化劑等外加劑。水泥強度等級不低于32.5號，對于永久性防滲帷幕，水泥含量占總干料的20%-50%(重量)，臨時性防滲帷幕可以適當降低漿液中水泥含量。水泥黏土漿的一般配比及性能見附表。

附表　水泥黏土漿的一般配比及性能

注：1)黏度不能>60s；2)原漿(泥漿)密度控制在14.0kN/m3；3)濃漿用于吸漿率>100L/min，稀漿用于吸漿率<50 L/min。

5灌漿試驗

5.1試驗的目的

砂礫石地基的孔隙大，空隙率高，滲透性強，如果采用帷幕灌漿防滲，在設計和正式施工前，應先在現場選擇適宜的地段進行灌漿試驗。通過灌漿試驗論證大壩砂礫石基礎采用灌漿方法處理在技術上的可行性，效果上的可靠性，經濟上的合理性。從而落實灌漿的施工方法、選定合適的漿液、推薦合理的施工程序、施工工藝和灌漿壓；確定灌漿孔的排數，排距，孔距、孔深等；提出對鉆孔及灌漿機械以及其他的機械設備的要求建議。

5.2場地地質條件調查

灌漿試驗前，應實地勘察并細致地分析砂礫石層的分布、組成、性質、膠結、各地層的滲透性和顆粒級配等有關地質資料。

5.3確定灌漿試驗區(qū)

選擇具有代表性的地層，確定灌漿試驗區(qū)。

孔位的布置形式可以是三角形、矩形、六角形、多排形(三排以上)，同心圓環(huán)狀等，孔距可在2～4 m范圍內選擇，總體布置原則：能夠逐步加密、對稱，最后形成包圍封閉，便于在中心打孔或挖坑進行取樣、抽水檢查。

5.4灌漿試驗

1)初選適宜的鉆孔方法、灌漿方法、漿液種類及配比，在試驗過程實時進行調整。

2)初期灌漿壓力可由以下公式進行估算，在試驗過程中調整至適宜的灌漿壓力。

P=(1/1000)βαT+(1/10)Cαλh

(3)

式中：P為灌漿壓力；β為系數，在1-3范圍內選用；T為蓋重層厚度，m，C為與灌漿次序有關的系數，一序孔，C=1，二序孔，C=1.25，三序孔，C=1.5；α為與灌漿方式有關的系數，自下而上灌漿=0.6，自上而下灌漿，=0.8；λ為與地層結構有關的系數，如顆粒組成，滲透性等，值可在0.5-1.5范圍內選用，結構疏松，滲透性強的，取低值，結構緊密，滲透性弱，取高值；h為蓋重層底板至灌漿段頂部的深度，m,當無蓋重時，則自砂礫石表面算起。

5.5地表變形觀測

在灌漿試驗區(qū)布置觀測樁，組成觀測網，灌漿前后，分別測量各觀測樁的標高，根據各樁標高的變化測出地表的抬動變形情況。

6結論

天然的砂礫石層是比較松散的巖層，它的空隙大，孔隙率高，因而滲透性較強，在這種巖層上修建大壩，為了減少庫水的滲漏損失，保證壩體穩(wěn)定與安全，必須采取有效的防滲措施。作為大壩基礎的砂礫石層，如果采用灌漿帷幕設置，為保證壩體安全，其設計和施工尤為重要。為了得到合理的設計方案和施工方法，應該在工作區(qū)內選擇適宜的地段進行灌漿試驗，通過灌漿試驗論證大壩砂礫石基礎采用灌漿方法處理在技術上的可行性，效果上的可靠性，經濟上的合理性。砂礫石地層灌漿的設計依據及施工方法，對于工程來講，設計方案尤為重要，是施工的依據，同時施工也可為設計方案的逐步完善具有現實的指導作用，設計與施工完美結合，從而造就出一項優(yōu)質工程的誕生。

參考文獻：

[1]索麗生，劉寧，水工設計手冊(第2版)[M].北京：中國水利水電出版社，2014.

[2]李茂芳，孫釗，大壩基礎灌漿(第二版)[M].北京：水利電力出版社，1994.

文章編號：1007-7596(2016)04-0178-03

[收稿日期]2016-03-21

[作者簡介]劉鐵銀(1965-)，男，黑龍江富錦人，高級工程師，現任勘測院基礎工程處處長。

中圖分類號：TV697.3+2

文獻標識碼：B