崔冬冬 黃連芳 陳利強(qiáng) 章 贏

(1.長江勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430010；2.國家大壩安全工程技術(shù)研究中心，湖北 武漢 430010； 3.長江委河湖保護(hù)與建設(shè)運(yùn)行安全中心，湖北 武漢 430010)

1 概述

粗粒土由于其分布廣泛，可就地、就近取材，是我國許多土石壩常用的筑壩材料。穩(wěn)定灌漿在國內(nèi)外廣泛應(yīng)用于大孔隙結(jié)構(gòu)(漂卵石層、強(qiáng)透水層、溶洞、堆石)中以形成防滲體，但在大壩粗粒土控制灌漿防滲工程中應(yīng)用較少，主要原因是粗粒土易塌孔，常規(guī)漿液可控性差，強(qiáng)度和彈性模量高，不能適應(yīng)粗粒土壩的不均勻沉降，導(dǎo)致難以保證防滲體的防滲效果和耐久性[1]。本文依據(jù)粗粒土灌漿漿材室內(nèi)試驗(yàn)及現(xiàn)場灌漿試驗(yàn)成果，對粗粒土控制灌漿技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)研究。

2 粗粒土灌漿漿材室內(nèi)試驗(yàn)

適宜的灌漿材料和漿液是在粗粒土中取得良好灌漿效果的重要因素[2]，通過一系列室內(nèi)試驗(yàn)，研究了水膠比、膨潤土含量、粉煤灰和減水劑對混合穩(wěn)定漿性能的影響，特別對漿液的流動性、結(jié)石的抗壓強(qiáng)度和彈性模量、凝結(jié)時間和抗沖刷性能進(jìn)行了重點(diǎn)研究，為確定粗粒土中適宜的灌漿漿材提供了依據(jù)。

2.1 水膠比對穩(wěn)定漿液性能影響

試驗(yàn)采用固定粉煤灰、膨潤土摻量，摻減水劑，分析水膠比對穩(wěn)定漿液性能的影響。根據(jù)試驗(yàn)成果，主要規(guī)律如下：

1)在粉煤灰及膨潤土摻量不變的條件下，隨著水膠比的增大，穩(wěn)定漿液的漏斗黏度、屈服強(qiáng)度、塑性黏度、漿液密度等流變參數(shù)逐漸減小，流動度等流變參數(shù)逐漸增大。由于穩(wěn)定漿液水膠比較小，未出現(xiàn)水膠比超過一定數(shù)值后漿液流變性能急劇減小的現(xiàn)象。

2)穩(wěn)定漿液的凝結(jié)時間隨著水膠比的增大而增長，由于水膠比值相對較小，其變化基本呈線性關(guān)系。

3)隨水膠比的增大，結(jié)石抗壓強(qiáng)度、彈性模量逐漸減小，水膠比較小時，其變化對結(jié)石抗壓強(qiáng)度、彈性模量的影響相對較大，但當(dāng)水灰比增大到一定值時，水灰比的變化對結(jié)石抗壓強(qiáng)度、彈性模量的影響逐漸減小。

4)水膠比小于0.60時，穩(wěn)定漿液的滲透系數(shù)相對較小，當(dāng)水膠比大于0.60后，滲透系數(shù)急劇增大。

2.2 膨潤土摻量對穩(wěn)定漿液性能影響

選取了兩個系列研究膨潤土摻量對穩(wěn)定漿液性能影響：W2序列：固定水膠比、不摻粉煤灰、摻減水劑；W3序列：固定水膠比、摻粉煤灰及減水劑。根據(jù)試驗(yàn)成果，主要規(guī)律如下：

1)在水膠比、粉煤灰摻量不變的條件下，隨著膨潤土摻量的增加，穩(wěn)定漿液的屈服強(qiáng)度、塑性黏度等參數(shù)逐漸增大，流動度、漿液密度、析水率等參數(shù)逐漸減小，表明膨潤土對改變穩(wěn)定漿液的流變性能效果顯著，具有增稠、減小析水率等作用。

2)W2與W3兩個系列相比，同水膠比、膨潤土摻量時，W3系列穩(wěn)定漿液的屈服強(qiáng)度、塑性黏度及漏斗黏度小于W2系列，這是由于同等漿材用量的情況下，W3系列的膨潤土用量相對小于W2系列的緣故。

3)在水膠比、粉煤灰摻量不變的條件下，隨著膨潤土摻量的增加，穩(wěn)定漿液密度、流動度等參數(shù)基本呈線性變化關(guān)系，即隨著膨潤土摻量的增大，漿液密度、流動度逐漸減小。W2與W3兩個系列相比，同水膠比、膨潤土摻量時，W3系列穩(wěn)定漿液的密度小于W2系列，流動度大于W2系列，這是由于同等膨潤土及水泥用量情況下，W3系列用水量大于W2系列。

4)隨著膨潤土摻量的增加，穩(wěn)定漿液的凝結(jié)時間略有增長，但增加量很小，凝結(jié)時間略有增長的原因是膨潤土摻量的增加相應(yīng)減少了水泥的用量。

5)在水膠比、粉煤灰摻量等參數(shù)不變的條件下，隨著膨潤土摻量的增加，穩(wěn)定漿液結(jié)石的抗壓強(qiáng)度、彈性模量逐漸降低，這是由于膨潤土摻量的增加在減少水泥用量的同時，本身也有降低結(jié)石強(qiáng)度的作用。

6)膨潤土對漿液的抗?jié)B性有影響，在水膠比、粉煤灰摻量等參數(shù)不變的條件下，隨著膨潤土摻量的增加，穩(wěn)定漿液結(jié)石的滲透系數(shù)有一定程度減小。

2.3 減水劑摻量對穩(wěn)定漿液性能影響

試驗(yàn)主要考慮摻和不摻減水劑時，對穩(wěn)定漿液性能的影響。根據(jù)試驗(yàn)成果，主要規(guī)律如下：

1)在水膠比、粉煤灰摻量、膨潤土摻量相同的條件下，減水劑對穩(wěn)定漿液的流變性能影響顯著，減水劑可大大提高漿液的流動性，改善漿液的可灌性。

2)聚羧酸減水劑具有緩凝效果，摻減水劑時穩(wěn)定漿液的凝結(jié)時間比不摻時有較大延長。漿液的凝結(jié)時間與使用減水劑的品種、摻量，以及水泥品種等因素有關(guān)。

3)因聚羧酸高效減水劑的緩凝效果，對漿液結(jié)石的早期抗壓強(qiáng)度略有影響，對后期抗壓強(qiáng)度基本無影響。

4)28 d齡期時，減水劑對彈性模量、抗?jié)B等性能基本沒有影響，數(shù)值與不摻減水劑相差較小。

2.4 穩(wěn)定漿液抗水流沖刷試驗(yàn)

為了保證灌漿材料在施工過程中不被流水沖走，通常要求灌漿材料具有一定的抗水侵蝕性能。試驗(yàn)表明，膨潤土摻量越大，沖刷后殘漿越多。在實(shí)際灌漿過程中，當(dāng)灌漿部位水流速度較大時，膨潤土摻量應(yīng)超過60%，水膠比應(yīng)超過0.60。

3 粗粒土現(xiàn)場灌漿試驗(yàn)

選擇岷江干流金馬河新津段左岸堤防作為粗粒土現(xiàn)場灌漿試驗(yàn)研究點(diǎn)。堤身填土主要由粉質(zhì)壤土夾砂卵礫石組成，堤基置于砂卵礫石層上，為單一結(jié)構(gòu)，砂卵礫石厚一般為4 m～14 m，下伏白堊系上統(tǒng)灌口組(K2g)紫紅色粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖。綜合分析工程地質(zhì)資料后，確定了主要施工方法及工藝參數(shù)。

3.1 試驗(yàn)孔布置

試驗(yàn)孔在堤頂路面按3排進(jìn)行布置，排距1.0 m，孔距1.0 m，每排孔數(shù)9個，分三序逐序加密施工，入基巖5.0 m結(jié)束，共計(jì)27.0個灌漿孔；中間排中間部位布置一個勘探孔，距兩側(cè)孔0.5 m，入巖8.0 m結(jié)束。

3.2 鉆孔

在鉆進(jìn)過程中，應(yīng)控制風(fēng)動潛孔鉆機(jī)的鉆進(jìn)速度、鉆進(jìn)壓力和鉆進(jìn)角度，以滿足砂礫石層鉆進(jìn)的需要。地質(zhì)鉆探采用清水沖洗技術(shù)，主要用于灌漿和檢查孔施工。取芯采用雙管單動鉆具，盡可能保證巖芯采取率。

3.3 灌漿漿液

灌漿采用漿液為普通水泥漿液和膏狀漿液。水灰比選用2∶1，1∶1，0.8∶1，0.6∶1，0.5∶1和(0.4～0.45)∶1六個比級，最后一級為膏狀漿液水固比為(0.4～0.45)∶1。

3.4 灌漿方法

砂卵礫石層堤身及堤基可采用孔口封閉法、套閥管法、套管灌漿法和打管灌漿法等灌漿[4]。因套閥管法具有成孔效率高、耗漿量小、施工可控性較好等優(yōu)勢，推薦采用預(yù)埋套閥管灌漿工藝，灌漿方法采用自下而上分段灌漿方法，灌漿方式采用純壓式。

3.5 灌漿工藝參數(shù)

1)灌漿段長。

通過套閥管注入水泥漿液，在保證灌漿注入量供給的前提下使用2.0 m段長；基巖段采用2.0 m，3.0 m段長，在第一段壓水透水率小于10.0 Lu前提下，可兩段合并一段進(jìn)行灌漿，灌漿段長為5.0 m。

2)灌漿壓力。

根據(jù)堤防高度和砂卵礫石層掩埋深度所承受的最大水頭壓力0.2 MPa，取最大水頭壓力1.5倍的安全系數(shù)，確定灌漿壓力0.3 MPa起灌，最大灌漿壓力不超過1 MPa。

3)漿液變化。

灌漿過程中漿液的合理變換，能夠保證灌漿防滲帷幕的厚度、控制漿液擴(kuò)散范圍，同時可以節(jié)約材料、降低成本。漿液變換標(biāo)準(zhǔn)如下：

a.當(dāng)灌漿壓力保持不變，注入率持續(xù)減少時，或當(dāng)注入率不變而壓力持續(xù)升高時，不應(yīng)改變水固比。

b.當(dāng)某一比級漿液的注入量已達(dá)600 L以上或灌注時間已達(dá)30 min，而灌漿壓力和注入率均無改變或改變不顯著時，改濃一級。

c.控制注入率不大于30 L/min，且連續(xù)灌注時間不超過30 min，反之應(yīng)采取間歇措施，間歇時間不少于30 min。

d.當(dāng)灌漿段干料注入量累計(jì)達(dá)到1.0 t/m時，采取增加速凝劑、限流、間歇等措施進(jìn)行處理。

4)灌漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)灌漿采用的漿液類型，確定不同的結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)：

a.混合穩(wěn)定漿液灌注時，在設(shè)計(jì)壓力下，當(dāng)注入率小于1 L/min時，繼續(xù)灌注30 min，結(jié)束本段灌漿。

b.膏狀漿液灌注時，在設(shè)計(jì)壓力下，達(dá)到基本不吸漿時結(jié)束本段灌漿，本次灌漿未進(jìn)入到膏狀漿液使用階段，故未采用膏狀漿液灌注。

3.6 灌漿效果檢查及分析

灌漿質(zhì)量檢查孔注水試驗(yàn)、單點(diǎn)法壓水試驗(yàn)、疲勞壓水試驗(yàn)及耐壓壓水試驗(yàn)主要成果如下：

1)檢查孔注水壓水試驗(yàn)成果。

灌前透水率及單位注入量按排序、孔序遞減效果明顯，灌后滲透系數(shù)均在i×10-5cm/s區(qū)間內(nèi)。

2)檢查孔疲勞壓水試驗(yàn)成果。

在0.2 MPa壓力下2 h內(nèi)流量無明顯變化，平均流量為5.712 L/min，透水率為4.76 Lu；2 h～24 h內(nèi)流量逐漸增加至7.983 L/min，透水率為6.428 Lu。

3)檢查孔耐壓壓水試驗(yàn)。

在壓力0.904 MPa下發(fā)生水力破壞，其對應(yīng)流量為86.447 L/min，透水率為15.938 Lu。

4 粗粒土控制灌漿關(guān)鍵技術(shù)

根據(jù)粗粒土灌漿漿材室內(nèi)試驗(yàn)及現(xiàn)場灌漿試驗(yàn)成果，提出了適宜粗粒土的造孔工藝與灌漿漿液,確定了適宜的控制灌漿方式方法、灌漿設(shè)備、灌漿壓力、灌漿段長等施工工藝參數(shù)，提出了合適的檢測方法及粗粒土控制灌漿設(shè)計(jì)指標(biāo)。

4.1 粗粒土控制灌漿造孔技術(shù)

粗粒土組成復(fù)雜多變，選擇合適的鉆孔工藝可以達(dá)到加快施工進(jìn)度、縮短工期，節(jié)省投資等目的，鉆孔方式的選擇應(yīng)根據(jù)施工環(huán)境、地層性質(zhì)、鉆孔深度、鉆孔方向、鉆孔直徑和灌漿方法等因素選擇。

就鉆機(jī)的選擇，主要有回轉(zhuǎn)式鉆機(jī)和沖擊回轉(zhuǎn)式鉆機(jī)兩大類，回轉(zhuǎn)式鉆進(jìn)是目前使用最多的一種鉆孔方式，該種方法可獲得巖芯，其中的立軸式液壓鉆機(jī)是我國帷幕灌漿鉆孔的主要設(shè)備。沖擊回轉(zhuǎn)式鉆機(jī)給鉆頭以沖擊力，并在兩次沖擊之間旋轉(zhuǎn)一個角度，使巖粉脫落，達(dá)到全斷面鉆進(jìn)的目的，與回轉(zhuǎn)鉆機(jī)相比，它鉆孔速度快，機(jī)動靈活，鉆孔費(fèi)用較低。

粗粒土孔壁易坍塌，采用沖擊回轉(zhuǎn)式鉆機(jī)鉆孔效率高，可一次成孔，常需要邊沖擊鉆進(jìn)，邊跟入套管；采用回轉(zhuǎn)式鉆機(jī)鉆孔，可采用泥漿固壁，泥漿固壁材料配比根據(jù)受灌地層及灌漿方式和灌漿壓力選定。

4.2 粗粒土控制灌漿漿液選擇

在大量試驗(yàn)研究結(jié)果的基礎(chǔ)上，為滿足穩(wěn)定漿液抗壓強(qiáng)度不大于5 MPa、彈性模量不大于2 GPa的技術(shù)要求，推薦穩(wěn)定漿液試驗(yàn)設(shè)計(jì)配合比見表1。實(shí)際工程中，最終確定砂礫石層是否可灌，用什么樣的材料灌漿效果較好，應(yīng)該采用多大的灌漿壓力來配合才能進(jìn)行有效的灌漿等問題，還是要通過現(xiàn)場灌漿生產(chǎn)性試驗(yàn)來驗(yàn)證。

表1 推薦穩(wěn)定漿液設(shè)計(jì)配合比

4.3 粗粒土控制灌漿方法

砂卵礫石層堤身及堤基可采用孔口封閉法、套閥管法、套管灌漿法和打管灌漿法等灌漿。因套閥管法具有成孔效率高、耗漿量小、施工可控性較好等優(yōu)勢，推薦粗粒土采用預(yù)埋套閥管灌漿工藝，灌漿方法主要是自下而上分段灌漿方法，灌漿方式采用純壓式。

4.4 粗粒土控制灌漿設(shè)計(jì)指標(biāo)與檢測方法

粗粒土灌漿工程的質(zhì)量檢查以檢查孔注水試驗(yàn)和壓水試驗(yàn)成果為主，不同部位的灌漿效果采取不同的檢測手段，土石壩體及壩基覆蓋層采用現(xiàn)場注水試驗(yàn)、室內(nèi)滲透試驗(yàn)進(jìn)行檢測，壩基全風(fēng)化層、強(qiáng)風(fēng)化、弱風(fēng)化基巖灌漿效果采用壓水試驗(yàn)檢測，還可綜合采用鉆孔取芯、彈性波、聲波層析成像、孔內(nèi)電視錄像等檢測手段進(jìn)行檢測，結(jié)合對施工記錄、成果資料的分析，進(jìn)行綜合評價。

5 結(jié)語

根據(jù)粗粒土灌漿漿材室內(nèi)試驗(yàn)及現(xiàn)場灌漿試驗(yàn)成果，系統(tǒng)研究了粗粒土中鉆孔、制漿、灌漿、檢測等，提出適宜粗粒土的成孔工藝與灌漿漿液、確定適宜的控制灌漿方式方法、灌漿設(shè)備、灌漿壓力、灌漿段長等施工工藝參數(shù)、提出合適的檢測方法及粗粒土控制灌漿設(shè)計(jì)指標(biāo)，通過技術(shù)集成，形成了粗粒土控制灌漿關(guān)鍵技術(shù)，可供同類工程參考應(yīng)用。