水利水電工程特殊地層灌漿施工工藝

楊樹峰，王小艷

（廣州城建職業(yè)學(xué)院，廣東 廣州 510925）

0 引言

灌漿就是用制漿攪拌機將一定水灰比的水泥、粘土、膨潤土或化學(xué)處理劑等漿液均勻地拌合后，用灌漿泵注入孔內(nèi)。其目的是改善地基的天然條件、對建筑物的基礎(chǔ)進行處理，達到防滲和加固的要求[1]。灌漿技術(shù)經(jīng)過不斷發(fā)展，已具有各種不同的灌漿工藝和灌漿材料。進入20世紀80年代以來，灌漿技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴大，在水利水電、礦山、鐵道與公路、海港碼頭、城市建筑、危房處理、地下油庫建筑、環(huán)境保護與地質(zhì)災(zāi)害處理等領(lǐng)域都有不同程度和要求的灌漿工作任務(wù)。灌漿在水利水電工程基礎(chǔ)防滲與加固、巖土工程基礎(chǔ)止水及補強施工中得到更加廣泛的應(yīng)用，總結(jié)了許多寶貴的實踐經(jīng)驗[2-3]。

灌漿技術(shù)作為水工建筑物地基處理中常用和重要的工程措施，在大壩壩基防滲和加固處理中得到廣泛的應(yīng)用[4]。大多數(shù)水庫、大壩的地基均需進行處理后，才能達到穩(wěn)定與防滲的要求。隨著水利水電建設(shè)的發(fā)展，國內(nèi)可用于修建水庫、大壩的比較好的地基也越來越少，因此，采用灌漿法處理水利水電工程不良地基已經(jīng)成為一個重要的研究課題。

在實施水利水電工程灌漿過程中，經(jīng)常會遇到大吸漿量地層、特大漏水通道、冒水地段的堵水、承壓水和巖溶地段等特殊情況。本文對這些特殊情況的灌漿方法與施工工藝進行了總結(jié)。

1 大吸漿量情況的灌注方法

在一般的裂隙巖層中灌漿，多數(shù)情況可在1～3h之內(nèi)結(jié)束灌漿，單位耗灰量通常不超過100～200kg/m。然而，有時會出現(xiàn)大量吸漿不止，灌漿難以結(jié)束的情況。在遼寧省寬甸縣太平哨水電站，副壩基礎(chǔ)固結(jié)灌漿施工中就遇到了大吸漿量地層，吸漿不止的情況。其主要原因是地層的特殊結(jié)構(gòu)條件促使?jié){液從附近地表冒出，或沿著某一固定的通道流失。

大吸漿量地層一般可按以下原則進行處理：

（1）降壓。用低壓甚至用自流式灌漿，待裂隙逐漸充滿漿液，漿液的流動性降低后，再逐漸升高壓力，按常規(guī)要求進行灌漿。

（2）限流。限制注入率不大于10～15L/mm，以減小漿液在裂隙里的流動速度，促使?jié){液盡快沉積。待注入率明顯減小后，將壓力升高，使注入率基本保持在10～15L/min水平，直至達到灌漿結(jié)來標(biāo)準(zhǔn)后結(jié)束灌漿。

（3）濃漿灌注。采用最稠的水泥漿（一般為0.5:1）進行灌注。

（4）加速凝劑。在最稠的漿液（一般為0.5:1）中摻入水玻璃、氯化鈣速凝劑。

（5）灌注水泥砂漿。根據(jù)灌注情況，摻砂量可以按水泥重量的10%、20%.....100%逐步增加，砂的粒徑也可逐漸變粗。將砂漿攪拌均勻后，用砂漿泵灌注。

（6）間歇灌漿。在灌注一定數(shù)量水泥或灌注一定時間后，停止灌漿一段時間。每次間歇之前。水泥灌漿量或灌漿時間根據(jù)地質(zhì)情況、灌漿目的確定，間歇時間通常為2～8h。

這種特殊情況的灌漿，結(jié)束時不一定要達到設(shè)計壓力；若無法在設(shè)計壓力下結(jié)束灌漿，可低壓結(jié)束灌漿，待凝一段時間后掃孔、復(fù)灌，復(fù)灌時爭取在設(shè)計壓力下結(jié)束灌漿。

2 特大漏水通道的灌注方法

采取定向爆破法建造的堆石壩，在壩肩巖體中容易產(chǎn)生因大爆破而導(dǎo)致的特大裂隙；在可溶性巖石地區(qū)，由于溶蝕形成的喀斯特溶洞、溶溝造成大量漏水的情況時有發(fā)生。對這種特大漏水通道，若采用常規(guī)灌漿方法，不僅會耗費大量的材料，而且有時根本沒有成效，對此，要根據(jù)不同情況進行處理[3]。

2.1 無水流作用和傾角較緩的大裂隙

首先采用濃漿、水泥砂漿或間歇灌漿進行處理，若效果不明顯，則可改用定量滿注穩(wěn)定漿液或混合漿液。穩(wěn)定漿液適用于遇水性能惡化、注入量大的地層?；旌蠞{液包括水泥砂漿、水泥粘土漿、水泥粉煤灰漿和水泥水玻璃漿等。

2.2 有水流作用或傾角較陡的大裂隙、大孔洞

（1）沖填級配料。在孔口用稠水泥漿沖灌粗砂和礫石（粒徑由小到大）。若灌注一段時間后仍無效果，再改用濃漿沖灌級配粒料。配料時可先攪拌成一定稠度的漿液從孔口倒入，等灌滿后用常規(guī)方法進行滿注。所謂級配料，應(yīng)是包括土、砂、礫石等粗細顆粒都有的混合料，能自然形成反濾層。其中包含的粒料應(yīng)是先細后粗，逐級探索，到某一級再也灌不進時即停止。每級灌入的數(shù)量根據(jù)滲流情況判斷，可為200～1000kg。粒料的分級，可采用2～5mm、5～10mm、10～20mm、20～40mm、40mm五級。充填粒料的目的，主要是希望用某一級礫石在窄縫處形成“架橋”，迅速將縫隙在中途堵住，以便于形成反濾層，最后將通道堵死。

（2）模袋灌漿。模袋采用尼龍、聚酯或聚丙烯等材料用特殊的紡織工藝制成，織物強度高，在灌漿壓力作用下，模袋內(nèi)水泥漿中的水分可由袋內(nèi)析出，而水泥顆粒不會外漏，這樣可以降低水灰比，提高固結(jié)強度，縮短固結(jié)時間。水泥漿液在模袋中凝固，在水下不具有分散性，當(dāng)水流較大時不會被沖失；模袋在壓力作用下能產(chǎn)生變形，適應(yīng)不同形狀的溶洞，有利于堵塞。施工時首先往袋內(nèi)灌注水灰比為0.6、0.8或1.0的水泥漿，然后將充滿水泥漿的模袋經(jīng)鉆孔投入孔內(nèi)，孔內(nèi)模袋達到一定數(shù)量后，再在原孔位進行灌漿處理。

（3）雙漿液灌漿。雙漿液灌漿是化學(xué)灌漿中的一種，也屬于控制灌漿的范疇。水泥漿液和速凝劑（一般采用水玻璃）分別從兩個灌漿管進入混合器、水泥漿和水玻璃在混合器中充分混合后，在速凝前到達孔底。為了達到預(yù)期的防滲效果和滿足防滲體的強度要求，需要對漿液的擴散距離進行控制。漿液既不能擴散得太遠造成材料的浪費，又不能因漿液的擴散范圍太小使防滲體的強度不夠。如果漿液凝結(jié)時間太短，灌漿孔將被堵??；如果漿液凝結(jié)時間太長，在混合物到達地層前將被沖走。如何有效地控制灌漿，形成有效的截水墻來堵水，對巖溶地區(qū)灌漿非常關(guān)鍵。為此，往往需要通過現(xiàn)場的試驗來確定雙漿液匯漿中的漿液比例、灌漿壓力、灌漿流量等施工參數(shù)，以達到有效封堵大漏洞的目的。

3 正在冒水情況的堵水灌漿方法

正在冒水情況的堵水灌漿可根據(jù)具體情況分別采取措施。

3.1 從較大的集中漏水點冒水

此種情況多發(fā)生在巖溶地區(qū)和混凝土中有特大缺陷的地方。應(yīng)針對出水點，根據(jù)出水量的大小，先埋設(shè)一段適當(dāng)直徑的孔口管，將水集中引到管中導(dǎo)出，再將周圍可能冒水冒漿的巖縫和孔洞封堵好，然后從孔口管中進行反壓灌漿。反壓灌漿的壓力為P=P1+P2，其中，P1為孔口管關(guān)閉后的水穩(wěn)定壓力，P2為正常情況下的灌漿壓力。

3.2 沿裂隙冒水或漫水

對于冒水量較大的，可采用以下步驟進行處理：①鉆若干個與裂隙相交的深孔，埋上孔口管，將裂隙水從管中引出。②在深孔之間鉆若干個與裂隙相交的淺孔，埋上孔口管。③沿裂隙口鑿槽，先用棉紗、麻刀等對裂隙進行封堵，然后用砂漿填槽。④對淺孔用較低壓力灌漿。⑤淺孔待凝一段時間后，對深孔用較高壓力進行灌漿。

對于冒水量較小的，采用化學(xué)灌漿，具體施工方法是沿裂隙斜縫交叉鉆孔，之后安裝灌漿塞具，灌漿材料選用HW聚氨脂，利用高壓化學(xué)灌漿泵沿裂隙自下而上灌漿。聚氨脂材料遇水后發(fā)生化學(xué)反應(yīng)膨脹阻塞裂隙，達到止水補強的效果。

4 有承壓水條件下的灌漿

從灌漿孔中涌出承壓水有兩種情況：一是灌漿地層處于具有較高壓力水源的含水層中；二是水庫已經(jīng)蓄水，在低于庫水位的廊道或洞中進行灌漿。此時灌漿壓力一定要高于涌水壓力，否則漿液將無法灌入。如果穩(wěn)定涌水壓力為P3，要求的灌漿壓力為P4，那么此時的灌漿壓力應(yīng)為P=P3+P4。同時為了避免因灌漿壓力過高引起地層被壓裂或引起基礎(chǔ)抬動，應(yīng)保證P＜Pε。Pε為地層所能承受的極限壓力。承壓水條件下，灌漿一般可以按以下方法進行。

（1）壓力屏漿法。在正常灌漿達到結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)后，仍維持原水泥漿的濃度或改用5:1的稀漿，以相同的壓力繼續(xù)循環(huán)灌注一定時間（如4～8h）后再結(jié)束，以防止已灌入裂隙內(nèi)的漿液回流。

（2）閉漿。所謂閉漿就是在達到灌漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)后，立即關(guān)閉回漿管閥門和進漿管閥門，使灌入的漿液暫時處于受壓狀態(tài)，待凝一定時間后，打開閥門，檢查是否還往外涌水，如無涌水現(xiàn)象，則認為合格。閉漿時間一般為6～8h。

（3）濃漿結(jié)束。在正常灌漿達到結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)后，改用0.5:1的濃漿灌注。當(dāng)回漿濃度也達到0.5:1時，再繼續(xù)灌注30min后，立即將回漿管閥門和進漿管閥門關(guān)閉進行閉漿。

（4）化學(xué)灌漿。如經(jīng)過上述方法處理后效果仍不顯著，可考慮采用化學(xué)灌漿方法。先采用上述方法將灌漿孔段的注入率減小到一定程度，例如小于3～5L/min，然后再采用化學(xué)灌漿方法進行灌漿?；瘜W(xué)溶液在巖石內(nèi)很快凝聚，不僅可以將細小裂隙灌注密實，也可將涌水堵住。

5 巖溶地段的處理

巖溶發(fā)育地段的灌漿般多憑經(jīng)驗或參考同類工程的實踐和滿漿試驗成果進行。巖溶地段灌漿根據(jù)有無充填物采用不同的方法處理[5]。

5.1 無充填物情況

（1）對于大空洞巖溶，可采用直接回填高流態(tài)的混凝土，骨料最大粒徑小于20mm，混凝土標(biāo)號一般為C15。若巖溶發(fā)育較深則需采用溜槽、導(dǎo)管澆注方式，以避免混凝土出現(xiàn)分離。灌注后待凝7d，然后重新掃孔再灌注水泥漿。

（2）對于空洞較大的巖溶，也可擴大灌漿孔孔徑，往孔內(nèi)投入粒徑小于40mm的干凈碎石，填滿后再灌注水泥砂漿。灌注后待凝3d，然后重新掃孔進行簡易壓水，根據(jù)壓水資料確定灌注水泥漿、水泥砂漿或其他混合漿液[6]。

（3）對于空洞較小的巖溶，可灌注水泥砂漿或其他混合漿液。灌注后待凝3d，重新掃孔、簡易壓水，根據(jù)壓水資料確定灌注水泥漿、水泥砂漿或其他混合漿液。

5.2 有充填物情況

對于有充填物的巖溶，視巖溶規(guī)模的大小及深度可采用適當(dāng)?shù)姆绞竭M行處理。

（1）高壓灌漿法。采用不沖洗的高壓水泥灌漿處理巖溶，即利用較高灌漿壓力將充填物擠壓密實，提高其抗?jié)B穩(wěn)定性，并利用高壓水泥漿的劈裂作用，使水泥漿以條帶狀向土體中穿插，縱橫交錯形成網(wǎng)格包裹。但在較大溶洞地區(qū)，因鉆進不易成孔，需下套管或先用旋噴法將溶洞充填物加固后再進行高壓灌漿。

（2）高壓旋噴灌漿法。旋噴灌漿法又稱旋噴法，是利用鉆機把帶有特殊噴嘴的灌漿管鉆進至土層的預(yù)定位置后，用高壓脈沖泵將水泥漿液通過鉆桿下端的噴射裝置，向四周以高速噴入土體，借助流體的沖擊力切削土層，使噴流射程內(nèi)土體遭受破壞，與此同時鉆桿一面以一定的速度旋轉(zhuǎn)，一面低速徐徐提升，使土體與水泥漿充分攪拌混合，膠結(jié)硬化后即在地基中形成直徑比較均勻、具有一定強度的圓柱體（稱為旋噴樁）,從而使地基得到加固。根據(jù)使用機具設(shè)備的不同，旋噴法分為單管法、二重管法和三重管法。根據(jù)成樁形式不同，可以分為旋噴法、定噴法、擺噴法。

（3）花管灌漿法。在含沙含泥巖溶地段進行高壓灌漿難以成孔，若以帶孔眼的鋼管插入溶洞內(nèi)形成人造孔壁，則可防止塌孔，在灌漿過程中也不易被砂土顆粒堵塞高壓閥門或灌漿設(shè)備，漿液可以較大的壓力通過花眼射入土層。利用高壓力的作用，水泥漿可以進入到砂土層中去，或?qū)⒊涮钗飰好埽瑪D出其所含水分，達到灌注、壓實充填物的目的。

（4）淺層含泥巖溶的處理。對于埋藏較淺或出露在灌漿隧洞周圍的大規(guī)模巖溶，挖出充填物并回填混凝土，再進行回填灌漿。

（5）深層巖溶的處理。當(dāng)巖溶埋藏較深（如超過50m），采用花管法或旋噴法等輔助措施均有困難時，可先在巖溶周圍進行灌漿，使巖溶充填物逐步被水泥漿體擠壓、固結(jié)，然后再按逐序加密的原則進行溶洞部位的鉆孔灌漿[7]。

6 堤防灌漿加固與防滲技術(shù)

在布置壩肩固結(jié)灌漿孔以及壩基固結(jié)灌漿孔時，通?？拙嗾?biāo)準(zhǔn)為2米，之間的排距是1米，形狀是梅花型布置；布置同填灌漿孔達到灌漿頂拱高度時，平均1-2米布一個孔，布孔必須要嚴格沿著軸線依次進行；布置帷幕灌漿孔時，采取雙排孔和單排孔相結(jié)合的方式，雙排孔標(biāo)準(zhǔn)的孔距為2米，之間的排距為1米，形狀是梅花型布置，而單排孔的孔距為2米；大壩澆筑時如果壩體內(nèi)存在接縫，要等大壩的縫隙達到一定的張度后再灌漿。布孔方式見圖。

7 結(jié)語

上述灌漿處理方法各有優(yōu)缺點。大吸漿量情況的處理方法具有操作簡單、施工快捷等優(yōu)點，但有時可能因漿液擴散過遠造成漿液浪費。特大漏水通道采用的處理方法操作相對復(fù)雜些，但體現(xiàn)了控制灌漿的思想，既可保證處理效果又可節(jié)約材料、減少投資。巖溶地區(qū)的地層情況多變，巖溶發(fā)育地段的灌漿處理一般多憑經(jīng)驗或參考同類工程的實踐和灌漿試驗成果進行。總之，對于水利水電工程灌漿過程中遇到的各種特殊地層，應(yīng)根據(jù)具體情況，采取一種或多種措施進行處理，才能達到預(yù)期的效果。