孔口封闭灌浆法在祁县子洪水库帷幕灌浆中的应用

张秀芹

（山西省晋中市水利建筑工程总公司，晋中030600）

1 子洪水库灌浆工程概况

子洪水库位于昌源河中下游子洪口，水库枢纽建筑物由大坝、输水洞、泄洪洞三部分组成。原库容2 336万m3，是一座缓洪蓄清兼顾防洪、灌溉和城市供水的中型水库，是昌源河上的一座重要控制性工程。

水库的灌浆工程项目包括：大坝帷幕灌浆、泄洪洞洞身回填与固结灌浆、输水洞洞身回填与固结灌浆。

1）大坝帷幕灌浆

帷幕灌浆轴线位于大坝上游高程约882 m左右马道处，采用双排，排距2 m，孔距2.5 m。灌浆底线深入坝基基岩5 m，灌浆顶线上部伸入坝体l m，左侧与原帷幕灌浆体衔接，右侧伸入滑坡体内130 m。灌浆范围为0+034～0+650，钻灌平台基本布在上游882.74 m高程的马道处。

2）泄洪洞洞身回填与固结灌浆

泄洪洞的改造内容为：在泄洪洞洞身0+100～0+266之间进行回填与固结灌浆。

3）输水洞洞身回填与固结灌浆

输水洞的改造内容为：在输水洞洞身0+100～0+246之间进行回填与固结灌浆。

2 孔口封闭器的构造和工作原理

2.1 孔口封闭器的构造

孔口封闭器是采用Ф91 mm钻头料和Ф110 mm圆钢及接头经加工焊接而成，主要由三部分组成：①孔口封闭器基座；②压盖；③橡胶圈。孔口封闭器高260 mm，上部外径Ф110 mm，下部外径Ф91 mm，压盖外径Ф110 mm，内径Ф55 mm；橡胶圈高度50 mm，外径Ф75 mm，内径Ф50 mm。

2.2 工作原理

孔口封闭器是利用橡胶圈的弹性和韧性在压盖压力作用下膨胀抱紧灌浆管，封闭孔内浆液形成孔内循环，并在钻机动力作用下使灌浆管在孔口封闭器中心灵活转动和升降、且不漏浆。从而使灌浆管像搅拌棒一样搅扰孔内流动浆液，改变浆液流态，缓解浆液凝结速度，达到克服固管的目的。升降灌浆管可以降低浆液的内聚力，刮涮黏附在孔壁和灌浆管壁上的水泥浆，在搅拌作用下迫使其液化分解参与新浆中循环，起到克服固管的作用。孔口封闭器的安装使用很简单：当每灌浆孔段造孔结束后，在灌浆时下入钻具和钻杆，灌浆结束后直接钻进。安装孔口封闭器时，把孔口管护丝冒卸下，再逐个套入孔口封闭器基座、橡胶圈、压盖。基座与孔口管上紧后，钻具提离孔底50 cm，把橡胶圈压入基座，上紧压盖。连接高压胶管，开动钻机对好前车，孔口封闭器安装完毕。连接循环管路，开泵开始灌浆。

2.3 孔口封闭灌浆法适用的范围

孔口封闭灌浆法应采用较小的孔径，采用孔口封闭灌浆法时必须埋设孔口管。由于灌浆压力大，故要求孔口管必须镶铸牢固，绝不允许孔口管四周有漏、冒浆现象。

3 帷幕灌浆

3.1 布孔方式

灌浆试验根据图纸选用与坝基地质情况相近的地段，由监理工程师指定位置进行，布孔采用两排，灌浆孔呈梅花状布置，孔距为2.5 m，排距为2.0 m。检查孔位于两排孔的中间和两孔中间的部位。

3.2 方法及施工顺序

帷幕灌浆采用孔口封闭，自上而下不待凝分段循环灌浆工艺，工艺流程如下：

镶孔口管——钻孔——冲孔——洗缝——压水试验——灌浆——封孔

帷幕灌浆试验分三序施工，先施工一序孔，再施工二序孔，然后施工三序孔，最后进行检查孔的施工。相邻的两个次序孔之间，在岩石中钻孔灌浆的间隔高差不小于15 m。

3.3 程序说明

1）定孔：测量专业人员进行测定轴线和孔位。

2）镶铸孔口管：在孔位处用Φ108 mm钻机向下钻进至基岩0.2～0.5 m，投入黏土球夯实，然后把加工好的孔口管下入孔内，并用重锤将套管下端黏土球夯实，以防灌浆时水泥浆串入套管壁外侧。孔口管上端高出地面20 cm左右。

3）坝基钻孔：采用XU-300型地质钻机或XU-150型地质钻机钻孔，孔径为Φ75 mm.为保证岩基帷幕灌浆的质量采用孔口封闭法进行灌浆，钻孔钻至风化岩顶部时，安设护口管及护壁

4）冲孔：施工段采用5 m，每段孔钻毕后，用钻杆下到孔底，用大流量水进行冲孔，直到回清水后持续10 min，沉淀物不大于20 cm。

5）裂隙冲洗及压水试验：每个灌浆段在压水前要进行裂隙冲冼，冲冼压力为灌浆压力的80%，如该值大于1 MPa时，采用1 MPa。压水稳定标准：在稳定压力下，每5 min测读一次压入水量，连续4次读数中最大值与最小值之差小于最终值的10%，或最大值与最小值之差小于1 L/min时，本阶段压水试验即可结束，取最终值作为计算值。

6）灌浆方法及段长：灌浆方法为孔口封闭、孔内循环法。灌浆段长：一般为5 m，最后一段最长不超过10 m。

孔口安设封闭装置、钻杆兼作灌浆管下入孔段内，每钻一段结束后，即将钻头提离孔底，用钻杆作射浆管，开始灌浆。

7）灌浆材料：强度等级为32.5R普通硅酸盐水泥。

8）灌浆压力，按图纸要求，坝基灌浆最大灌浆压力控制在：一序0.6 MPa、二序0.65 MPa、三序0.7 MPa以内，砂卵石层每加深1 m，压力增加0.02 MPa，基岩层每加深1 m，压力增加0.025 MPa，灌浆时，压力由小到大逐级控制，避免突然增加，当吸浆量很小时，尽快达到设计压力。

灌浆方式采用循环式，射浆管距孔底不大于0.5 m。

9）灌浆方式及灌浆方法：试验采用自上而下分段钻孔、孔口封闭式灌浆法。自上而下分段灌浆时，灌浆塞阻塞在该灌浆段段顶0.5 m处，防止地层外漏。各段灌浆结束后一般不需待凝，即可进行下一段的钻灌。

在灌浆过程中当较长时间灌注浓浆时，灌浆管在孔内容易被水泥浆凝住。防止的主要办法，一是灌浆泵一定要保持良好的工作状态，有足够的排浆量，回浆管回浆量宜在15 L/min以上，以保证孔内浆液很好地循环流动。二是在灌浆过程中要经常转动和上下活动灌浆管，特别是在灌注浓浆期间，应加多转动的次数。转动灌浆管时应降低灌浆压力，而灌浆泵不停。灌浆管顶部必须安装能转动的水龙头。在转动灌浆管时，凭借司钻的经验若发现灌浆管活动有阻碍，应立即放开回浆管阀门，加大泵入量，加速浆液流动，藉以冲洗孔内欲将灌浆管凝住的水泥浆。必要时还可将浆液变稀。待灌浆管能正常活动后，再恢复原先灌浆状态继续灌注。若冲洗无效，应立即停止灌浆进行专门处理或提升灌浆管。

10）浆液变换：浆液浓度由稀到浓，逐级变换。浆液水灰比采用 5∶1、3∶1、2∶1、1∶1、0.8∶1、0.6∶1、0.5∶1 等 7 个比级，开灌水灰比为 5∶1。

灌浆过程中灌浆压力或注入率突然改变较大时，应立即查明原因，采取相应的措施处理。

11）灌浆结束标准：在设计压力下，当注入量不大于0.4 L/min时，继续灌注60 min；或不大于1 L/min时，继续灌注90 min，灌浆可以结束。

12）封孔：灌浆孔封孔采用分段压力灌浆封孔法。每个孔最后一段灌浆完毕后，自下而上分段进行灌浆封孔，每段段长15～20 m，灌注水灰比为0.5∶1的浓浆，当注入率不大于1 L/min时，延续30 min停止，在孔口段延续60 min停止，灌注结束后闭浆24 h。待孔内水泥浆液凝固后，灌浆孔上部空余部分，大于3 m时，采用机械压浆法继续封孔；小于3 m时，可使用更浓的水泥浆或砂浆人工封填密实。对孔口不灌浆的土坝部分，采用人工填泥球捣实的方法封孔。

4 帷幕灌浆检查

帷幕灌浆试验结束后，待凝14天后对灌浆效果进行钻孔取芯和压水试验检查。按试验方案检查孔布置两个。

4.1 取芯

岩样长度15～20 cm，由于机械和金钢石钻头的研磨压缩，砂卵石和基岩接触部分的岩体以挤压成砂状。但被灌入裂隙中水泥浆结石成碎片同时取出其最大长度2 cm，厚度3 cm，可推断该岩层裂隙发育，洗孔良好，裂隙灌浆效果好。

4.2 压水试验

压水试验采用五点法进行，透水率值灌浆前三序孔平均值9 Lu，灌浆后透水率平均值为1.68 Lu，满足设计要求。

5 结束语

1）孔口封闭灌浆法克服了用卡栓塞灌浆法的许多缺点:

（1）防止灌浆时绕渗发生掩埋栓塞的施工事故，避免了经济浪费和工期延误；例如：1997年任庄水库除险加固工程中，采用栓塞卡位进行帷幕灌浆，由于上部岩石严重风化破碎，在右坝肩下游排45号孔第一段灌浆时发生浇渗，埋住了栓塞，不得不进行向设计院打报告，请求重新布孔，造成了工期的延误，而且灌浆管和栓塞在孔内无法取出，造成了经济浪费。

（2）避免了漏灌现象。采用栓塞卡位进行帷幕灌浆，遇到岩石严重风化破碎，必然卡不住，这就不得不进行上下移动，也许会造成漏灌。孔口封闭法不会漏灌。

（3）对砂卵石灌浆特别适用，因为砂卵石中不能用卡栓塞灌浆法。

（4）孔口封闭灌浆法使整孔灌浆进行多次重复进行，提高了灌浆质量。

（5）每段灌浆结束后，不需待凝，即可开始下一段的钻进，加快了进度。

（6）可以使用大的灌浆压力。

2）灌浆压力是提高灌浆质量的重要因素之一，一般地层结构良好的情况下，使用较高压力是有利的，但是灌浆压力的选择必须结合地层实际情况，使用压力过大会产生如下问题：

（1）使岩石裂隙扩宽、甚至产生新的裂隙。

（2）使原来的地质条件恶化或使岩石抬动变形。

（3）扩大灌浆范围，使浆液在高压作用下延伸到扩散区域以外，形成浪费。

因此，提出不同深度的岩层在灌浆时采用与此相匹配的压力值。

3）特殊问题的处理

在灌浆过程中，在下游排43号第一段灌浆和第二段灌浆都出现了低压开灌时注入量很大的情况，为做到尽快达到灌浆压力的灌浆原则，我们采取了低压、浓浆、限量、间歇灌浆的方法进行处理，从而减少了工程造价。