一種新帷幕灌漿方法在深古河槽中的應(yīng)用

郝永志

(新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊 830000)

大石門水庫(kù)工程是國(guó)務(wù)院確定的172項(xiàng)節(jié)水供水重大水利工程和2015年國(guó)家新開(kāi)工的27項(xiàng)重點(diǎn)水利工程之一[1]，工程位于新疆且末縣境內(nèi)的車爾臣河上，壩址位于車爾臣河與托其里薩依河匯合口下游300m處。在左岸古河槽內(nèi)沉積了深厚的砂卵礫石層，為中等透水地層。下部地層架空結(jié)構(gòu)占該地層15%，為強(qiáng)透水地層。從類似工程灌漿施工經(jīng)驗(yàn)看，一般部位雖具有一定的透水性，但采用常規(guī)工藝進(jìn)行灌漿，可灌性較差，常常存在吃水不吃漿的現(xiàn)象，難以達(dá)到防滲設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，致使防滲帷幕遺留抗?jié)B透薄弱環(huán)節(jié)，取得適宜的灌漿效果存在較大的技術(shù)難度[2]。為了摸索出一套適合于大石門水庫(kù)工程古河槽238m深厚砂卵礫石層的灌漿施工工藝，2016年10月15日至2016年12月25日進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)帷幕灌漿試驗(yàn)[3]。

1 試驗(yàn)區(qū)工程地質(zhì)條件

地面上部出露的巖性為第四系上更新統(tǒng)砂卵礫石，厚34～38m，根據(jù)地勘資料，上更新統(tǒng)的沖積砂礫石層的天然密度平均值為2.25g/cm3，干密度平均值為2.21g/cm3，結(jié)構(gòu)密實(shí)，原位注水試驗(yàn)平均值為1.0×10-3cm/s，為中等透水地層；下部為深厚層中更新統(tǒng)的沖積砂礫石層，泥質(zhì)半膠結(jié)，此段層厚20～254m，天然密度為2.14g/cm3，干密度為2.12g/cm3，含水率1.0%，根據(jù)原位滲透試驗(yàn)，滲透系數(shù)為3.73×10-3cm/s，為中等透水地層[4]。架空結(jié)構(gòu)占該地層15%，架空結(jié)構(gòu)滲透系數(shù)為1×10-2cm/s，為強(qiáng)透水地層[5]。

2 帷幕灌漿施工工藝研究

SL 62—2020《水工建筑物水泥灌漿施工技術(shù)規(guī)范》[6-8]中推薦的灌漿方法主要有孔口封閉灌漿法、套閥管灌漿法、沉管灌漿法、打管灌漿法、套管灌漿法等[9]。沉管灌漿法、打管灌漿法、套管灌漿法適用于覆蓋層較淺的地層，孔口封閉灌漿法[10]、套閥管灌漿法適用于覆蓋層較深的地層。

本工程覆蓋層較厚，因此灌漿試驗(yàn)采用孔口封閉灌漿法、套閥管法及在兩種方法的基礎(chǔ)上研制出的新的灌漿方法—填料護(hù)壁孔口封閉灌漿法[11]。以期通過(guò)3種灌漿方法的現(xiàn)場(chǎng)灌漿試驗(yàn)結(jié)果找出一種適宜于大石門水庫(kù)工程238m深厚砂卵礫石層的灌漿方法。

2.1 孔口封閉灌漿法

采用XY-42地質(zhì)鉆機(jī)配Φ50mm鉆桿、Φ73mm加長(zhǎng)鉆具(4.7m)以膨潤(rùn)土泥漿護(hù)壁方式進(jìn)行分段鉆孔、灌漿。當(dāng)孔深鉆灌至70m以后，或在灌漿過(guò)程中灌漿管活動(dòng)困難時(shí)，以1～1.5寸聚乙烯軟管替代鉆桿作為灌漿管進(jìn)行孔口封閉法灌漿，直至終孔；當(dāng)孔內(nèi)注入率大于30L/min時(shí)，每隔40min打開(kāi)回漿閘閥并將灌漿泵的排漿量調(diào)大后，對(duì)孔內(nèi)漿液通道進(jìn)行大流量循環(huán)沖洗，防止孔道內(nèi)沉淀漿液而造成孔內(nèi)鑄管事故。

2.2 套閥管灌漿法

(1)鉆孔：采用KR806-3D型跟管鉆機(jī)配Φ146mm套管跟進(jìn)造孔技術(shù)，最大鉆孔深度達(dá)100m。

(2)套閥管制作：采用Φ89mm焊縫管制作單根長(zhǎng)6m的鋼花管，各節(jié)鋼花管上、下端分別焊接采用Φ89mm地質(zhì)管加工成的螺紋連接頭，通過(guò)螺紋連接組成套閥管。

(3)灌注填料及埋管：鉆孔終孔后，分別采用了先下設(shè)套閥管后灌注填料、先灌注填料后下設(shè)套閥管兩種埋管方式；灌注填料分別采用了1∶2∶5、1∶2.2∶4.5(水泥：膨潤(rùn)土：水)兩種配合比。

(4)開(kāi)環(huán)、灌漿：填料待凝3d以上后，以2～4環(huán)出漿孔作為一個(gè)灌漿段長(zhǎng)，采用長(zhǎng)1.5m的單灌漿塞阻塞、純壓方式進(jìn)行自下而上分段開(kāi)環(huán)、灌漿。第一段灌漿結(jié)束后將單灌漿塞向上起抜一段，用清水沖洗灌漿管道至孔口返清水，再通過(guò)手搖泵加壓將單灌漿塞阻塞密實(shí)后，進(jìn)行第二段開(kāi)環(huán)、灌漿，如此循環(huán)，直至最后一段灌漿完成。

2.3 填料護(hù)壁孔口封閉灌漿法

本方法為灌漿試驗(yàn)中的一種創(chuàng)新的灌漿方法，采用“一鉆成孔+全孔灌注填料+待凝后分段掃孔、孔口封閉灌漿”的鉆灌方式，將套閥管灌漿法與孔口封閉灌漿法的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，消除了深厚覆蓋層鉆探灌漿現(xiàn)有施工技術(shù)存在的弊端，解決了鉆灌施工中易發(fā)生卡鉆、鑄管等孔內(nèi)事故的施工技術(shù)難題，有效地提高了灌漿效果和施工工效。該方法包括以下步驟：

(1)跟管鉆機(jī)采用Φ89mm鉆桿配Φ146mm套管護(hù)壁鉆進(jìn)至最大跟管深度；

(2)改用Φ115mm牙輪鉆頭采用泥漿護(hù)壁的方式續(xù)鉆至終孔深度；

(3)鉆孔清孔后向孔內(nèi)灌注配合比為1∶2∶5(水泥：膨潤(rùn)土：水)的填料至孔口；

(4)起抜套管和向孔內(nèi)補(bǔ)充填料交替進(jìn)行，直至套管起抜完畢；

(5)向孔內(nèi)補(bǔ)注填料至孔口后待凝2d；

(6)鉆灌孔口管段后埋設(shè)Φ110mm孔口管，并待凝3d；

(7)回轉(zhuǎn)式鉆機(jī)采用Φ50mm外平接頭鉆桿配Φ60mm金剛石鉆頭掃孔至下一灌漿段段底，在沖孔后不提鉆以鉆桿作為灌漿管進(jìn)行孔口封閉法灌漿；

(8)分段掃孔、灌漿至100m以后，或在灌漿過(guò)程中灌漿管存有鑄管風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，以1寸聚乙烯軟管替代鉆桿作為灌漿管進(jìn)行孔口封閉法灌漿，直至終孔。

3 現(xiàn)場(chǎng)灌漿試驗(yàn)成果分析

3.1 灌漿試驗(yàn)區(qū)布置

試驗(yàn)I區(qū)布設(shè)3個(gè)灌漿孔，孔距分別為2.0、2.5m，孔深設(shè)計(jì)：G-Ⅰ-1、G-Ⅰ-3均為75m，G-Ⅱ-2為180m(各孔上部50m均為非灌漿孔段)。采用孔口封閉灌漿法施工。

試驗(yàn)Ⅱ區(qū)布設(shè)4個(gè)灌漿孔，孔距分別為2.0、2.5、3.0m，孔深設(shè)計(jì)：G-Ⅰ-4、G-Ⅰ-6、G-Ⅱ-7均為75m，G-Ⅱ-5為180m(各孔上部50m均為非灌漿孔段)。其中，G-Ⅱ-7為后續(xù)增補(bǔ)試驗(yàn)孔。采用套閥管灌漿法、填料護(hù)壁孔口封閉灌漿法、綜合灌漿法施工。如圖1所示。

圖1 一期灌漿試驗(yàn)區(qū)孔位布置圖

3.2 鉆孔情況統(tǒng)計(jì)分析

孔口封閉灌漿法G-Ⅰ-1、G-Ⅱ-2、G-Ⅰ-3等3個(gè)試驗(yàn)孔均采用73mm金剛石鉆頭泥漿護(hù)壁鉆進(jìn)，鉆進(jìn)過(guò)程中出現(xiàn)了不同程度的失漿情況(見(jiàn)表1)。3個(gè)試驗(yàn)段(1—3號(hào))在鉆進(jìn)50～75m孔深段時(shí)的護(hù)壁泥漿耗灰量分別為3005、3562、5250kg。3個(gè)試驗(yàn)孔的鉆孔失漿分布層次多，且隨著孔深的增加，失漿情況呈現(xiàn)層次增多的趨勢(shì)。從3個(gè)孔在鉆進(jìn)50～75m孔深段時(shí)的護(hù)壁泥漿耗灰量分析，隨著灌漿孔按序依次進(jìn)行，并未顯示出護(hù)壁泥漿漏失量有減小的趨勢(shì)，表明前序孔的漿液擴(kuò)散半徑有限，未對(duì)后序孔灌漿范圍形成影響。

表1 鉆孔情況統(tǒng)計(jì)表

套閥管灌漿法(G-Ⅱ-5，139～180m)和填料護(hù)壁孔口封閉灌漿法G-Ⅱ-7孔深段地層鉆孔護(hù)壁泥漿漏失量大于0～76m孔深段，表明深孔段地層的可灌性大于淺孔段地層。

3.3 灌漿水泥、膨潤(rùn)土注入量統(tǒng)計(jì)分析

(1)采用孔口封閉灌漿法的灌漿試驗(yàn)Ⅰ區(qū)的水泥、膨潤(rùn)土注入情況統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2。從統(tǒng)計(jì)表可見(jiàn)：Ⅰ序孔的單位注入量分布頻率最高的是<300kg/m區(qū)段(58.8%)，Ⅱ序孔則是300～1000區(qū)段(61.1%)，表明灌漿壓力的提升對(duì)灌漿單位注入量有一定的影響。1號(hào)、3號(hào)、2號(hào)各孔在50～75m灌漿段的單位注入量分別為270.57、317.39、428.13kg/m，隨著灌漿孔按序依次進(jìn)行，并未顯示出灌漿單位注入量有減小的趨勢(shì)，而是隨著灌漿壓力的增大單位注入量呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，表明前序孔的漿液擴(kuò)散半徑有限，未擴(kuò)散進(jìn)入后序孔的灌漿范圍而形成相鄰孔間的有效搭接。

表2 試驗(yàn)Ⅰ區(qū)漿液?jiǎn)挝蛔⑷肓拷y(tǒng)計(jì)表

(2)采用套閥管法灌漿法的灌漿試驗(yàn)Ⅱ區(qū)的水泥、膨潤(rùn)土注入情況統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表3。從統(tǒng)計(jì)表可見(jiàn)：4號(hào)、5號(hào)、6號(hào)單位注入量分布頻率最高的均是<300kg/m區(qū)段，而采用填料護(hù)壁孔口封閉灌漿法的7號(hào)孔則是300～1000kg/m區(qū)段，表明在該地層條件下，采用孔口封閉灌漿法較套閥管灌漿法的灌注效果要好。

表3 試驗(yàn)Ⅱ區(qū)漿液?jiǎn)挝蛔⑷肓拷y(tǒng)計(jì)表

4號(hào)、6號(hào)、5號(hào)、7號(hào)各孔在50～75m灌漿段的單位注入量分別為187.6、132.6、123.22、496.66kg/m，隨著灌漿孔按序依次進(jìn)行，灌漿單位注入量的變化不明顯，而采用填料護(hù)壁孔口封閉法灌漿的7號(hào)孔較之前灌漿的3個(gè)孔的單位注入量顯著增加，表明前序孔的漿液擴(kuò)散半徑有限。同時(shí)，在50～75m灌漿段，灌漿段套閥管灌漿法單位注入量為155kg/m，孔口封閉灌漿法單位注入量為496.7kg/m，也表明在該地層條件下，采用填料護(hù)壁孔口封閉灌漿法較套閥管灌漿法的灌注效果要好。

3.4 漿液水固比分級(jí)統(tǒng)計(jì)分析

(1)采用孔口封閉灌漿法的灌漿試驗(yàn)Ⅰ區(qū)灌漿結(jié)束按漿液水固比統(tǒng)計(jì)頻率見(jiàn)表4。從表4中可見(jiàn)，Ⅰ序孔灌漿結(jié)束漿液水固比濃度大于2∶1的段次占總段次的41.2%，Ⅱ序孔占50%；采用水泥漿液灌漿結(jié)束漿液水固比濃度大于2∶1的段次占總段次的28.6%，采用水泥膨潤(rùn)土漿液占總段次的50%；隨著灌漿依次進(jìn)行，并未顯示出灌漿從寬大空隙至細(xì)小空隙的漸進(jìn)過(guò)程，表明采用水泥膨潤(rùn)土漿液的灌注效果好于水泥漿液，同時(shí)漿液擴(kuò)散范圍有限。

表4 試驗(yàn)Ⅰ區(qū)灌漿結(jié)束漿液水固比分布統(tǒng)計(jì)頻率表

(2)采用套閥管法灌漿法的灌漿試驗(yàn)Ⅱ區(qū)灌漿結(jié)束漿液水固比統(tǒng)計(jì)頻率見(jiàn)表5。從表5中可見(jiàn)：Ⅰ序孔灌漿結(jié)束漿液水固比濃度大于2∶1的段次占總段次的1.7%，Ⅱ序孔占33%(其中95%為填料護(hù)壁孔口封閉灌漿法鉆灌段)；套閥管灌漿法灌漿結(jié)束漿液水固比濃度大于2∶1的段次占總段次的2%，填料護(hù)壁孔口封閉灌漿法占83%；隨著灌漿依次進(jìn)行，并未顯示出灌漿從寬大空隙至細(xì)小空隙的漸進(jìn)過(guò)程，表明漿液擴(kuò)散范圍有限。同時(shí)，表明在該地層條件下，采用填料護(hù)壁孔口封閉灌漿法較套閥管灌漿法的灌注效果要好。

表5 試驗(yàn)Ⅱ區(qū)灌漿結(jié)束漿液水固比分布統(tǒng)計(jì)頻率表

4 結(jié)語(yǔ)

在試驗(yàn)段地層中，分別采用孔口封閉灌漿法、套閥管灌漿法、填料護(hù)壁孔口封閉灌漿法等灌漿方法均取得了一定的成效，最終認(rèn)為填料護(hù)壁孔口封閉灌漿法這種新的灌漿方法對(duì)該地層的灌漿效果最為有效。填料護(hù)壁孔口封閉灌漿法是在有效地結(jié)合孔口封閉灌漿法與套閥管灌漿法優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上創(chuàng)新而成，施工工藝簡(jiǎn)單、便捷，鉆孔工效較高，灌漿工效高，施工成本適中，且在深孔段采用聚乙烯軟管作為灌漿管的措施后，能有效降低鑄管事故風(fēng)險(xiǎn)，較好地達(dá)到了灌漿試驗(yàn)的期望目標(biāo)，該灌漿法適合用于該地層帷幕灌漿施工。