帷幕灌浆施工技术在砂砾石地层应用

2011-12-31钱天寿

中国新技术新产品 2011年2期

钱天寿

（重庆市基础工程有限公司，重庆 401120）

前语。砂砾石地层在我国分布十分广泛。是水电工程中常常遇见的复杂地层。砂砾石地层因其颗粒间胶结性差。渗透性强，且渗透孔隙分布不均等复杂特征带来了容易垮塌、透水、管涌等一系列对工程不利的问题。帷幕灌浆技术由于工期短、见效快、适用面广、设备简单、占地面积小、对环境影响小、易于控制等优点。在大坝坝基防渗处理中得到广泛应用。过去有许多水电工程就是因为不能解决深厚砂砾石层的垂直防渗问题而迟迟不能上马.具体体现在垂直防渗的深度和厚度.以及技术的保证率和施工手段与设备能力、材料性能等方面。近年，帷幕灌浆的深度已达到超过100m、甚至200m的技术水平.

随着水电开发向西南山区转移,在深厚砂砾石地层上建坝现象越来越多.需要防渗处理的难度越来越大，也越来越复杂。采用帷幕灌浆的方法对砂砾层进行防渗处理.虽然有一些成功的工程实践，但无论在理论

研究上还是在应用实践上都还存在很多问题.有待进一步完善和发展。

1、技术难点

近年.对于深厚砂砾石层防渗帷幕灌浆施工技术一直处于摸索阶段，有很多难题有待解决。主要体现在以下几方面：

①钻孔深度。坝基砂砾石层深厚，粒径不均。结构松散，造成钻孔时易塌孔，难于钻进，经常会遇到大的漂石、孤石或块石，孔斜难以控制，这也给钻孔机械带来极大的挑战，一方面要保证钻孔质量.另一方面要加快施工进度。保证工期要求。

②灌浆方法。由于深厚砂砾石层的复杂性.现有灌浆方法很难适合。灌浆质量无法保证，而且容易出现"抱管"现象。同时。难以确定合适的灌浆参数.如灌浆压力、灌浆段长划分以及浆液变换和结束标准等。

③灌浆材料及浆液配比。由于结构松散、粒径不均，孔隙率变化大。很难选择一种适合的材料以及合适的浆液配比满足灌浆的质量要求。

④质量检测。在深厚砂砾石层中，为满足防渗要求一般布置多排帷幕灌浆孔，多采用在墙内埋管中进行灌浆(墙幕结合形式)，上部往往是空钻段，现行基岩帷幕灌浆的检查方法难以满足，需要一种适宜的检测方法。

2、钻孔工艺

砂砾石层一般都很松散，钻孔时孔壁不稳定，易坍塌，通常采用护壁(泥浆固壁或套管护壁)钻进的方法。对于深厚砂砾石层，普通的护壁钻进难以奏效。在新疆下坂地工程中，最初拟采用传统的泥浆固壁和套管护壁的钻进方法.结果无法满足深孔钻灌的快速、安全要求.根据复杂坝基的实际地质情况.经过不断试验研究，摸索出了一种综合钻孔工艺：即采用SM一400型跟管钻机钻进至孔深35m.以下地层采用XY一42型岩芯钻机配金刚石钻头、泥浆护壁钻进。空钻段钻孔以岩芯管作为护壁套管.穿过严重失浆地层时，结合掏芯钻进法、堵漏式灌浆等工艺，变径钻进。以最后一级岩芯管(管径不小于91mm)作为下部灌浆段护壁管；灌浆段钻进采用西76金剐石钻头、泥浆固壁钻进，孔口不返浆时，则立即停止钻进.先进行灌浆，再往下钻进。这种方法极大地提高了钻孔速度和成孔率，充分发挥了各种设备的优势。可见，进行合理组合是解决深厚覆盖层钻孔的有效方法。

同一种钻孔方法可以适应多种地层。如全断面牙轮钻头钻进多用于深度较小的固结灌浆、回填灌浆、接触灌浆等的钻孔.在较深的帷幕钻孔中较少采用。然而在四川冶勒工程中.在采用常规金刚石钻头清水钻进无法满足工程进度要求的情况下.大胆地选用了此方法。经过现场实践发现，牙轮钻非常适合在该地层帷幕灌浆施工中使用.而且钻灌施工的效率相当高。据统计资料表明，牙轮钻头的施工效率平均可比金刚石钻头提高1～2倍。钻孔方法的选择要根据实际地层特点和砂砾石性质而确定，不能拘泥于固有方法和经验。通过以上两个工程实例。不难发现现有钻孔技术在经过优化组合、综合利用后完全能够满足目前深厚砂砾石层钻孔的需要。

3、灌浆方法

3.1 自上而下分段、循环灌浆

过去，在砂砾石层中帷幕灌浆一般都采用循环钻灌法、预埋花管法、套管法等，这些方法对于深厚砂砾石层.特别是复杂的深厚砂砾石层而言。要么成本太高。要么很难实施。在新疆下坂地工程防渗帷幕灌浆试验中，在比选了"袖阀管灌浆法""循环钻灌法''"孔口封闭、孔内循环灌浆法"之后，根据试验地层的地质条件。研发了一种"自上而下分段、循环灌浆"的灌浆方法。采用这种方法不仅可以解决成孔问题和灌浆的质量问题。更重要的是基本解决了灌浆过程中经常出现的"抱管"现象。减少了孔内事故，提高了施工效率。

3.2 控制性灌浆

控制性灌浆法是一种新兴的灌浆工艺，它立足于灌浆可控性，结合流体和固体的受力特征。利用水泥浆液加化学外加剂后能使水泥浆液迅速失去流动而变成凝固体的特性。形成了一种新的灌浆工艺和施工措施.成功地解决了常规灌浆过程中串浆、冒浆及不易升高灌浆压力等问题。为帷幕灌浆技术提供了新的思路。控制性帷幕灌浆是利用双液--水泥浆液和化学浆液分别从孔内灌人加固处理的基础中，使两浆液产生速凝化学作用从而达到防渗的目的。其原理与常规水工建筑物水泥灌浆相同.差别主要在施工工艺和浆液配合比上。主要的优点是在相同的条件下.控制性灌浆较高压喷射灌浆更易于掌握和操作，更易于施工资源的投入。更易于保证围堰的防渗质量、加快施工进度，更能节约工程施工成本。

此项技术在贵州洪家渡围堰防渗工程中也得到成功应用，上、下游一期围堰防渗面积l916m2，仅用18天即全部完成。围堰自2001年年底投入使用以来，基本无大的漏水，运行情况良好。

3.3 膏状浆液灌浆

水泥膏浆通常指的是在水泥浆中掺入大量的黏土、膨润土、粉煤灰等掺和料及少量外加剂而构成的低水灰比的膏状浆液，其基本特征是浆液的初始剪切屈服强度值可以克服其本身重力的影响。具有抗水流冲释性能和自堆积性能.可以用于有中等开度(如10～20em)渗漏通道的一定流速、大流量的堆石体渗漏地层(如人工土石围堰、河床砂卵石层等)。用水泥膏浆灌浆时。则形成明显的扩散前沿，在其后面的孔隙就会被膏浆完全填满，在水泥凝固以后，膏浆就形成坚硬而密实的水泥结石。通

过速凝剂调节水泥膏浆的凝结时间.在普通水泥膏浆的基础上研究出速凝水泥膏浆.速凝水泥膏浆不仅具有较好的抗冲特性，而且可在数分钟至数小时内控制其凝结时间，早期强度高。同时在压力下膏浆具有良好的流动性.可以很好地解决普通水泥在水下凝结时间长、不利于水下堵漏施工的难题。

4、质量检测方法

砂砾石地层帷幕灌浆工程的质量检查一般以检查孔压水试验成果为主，结合对施工记录、成果资料的分析。进行综合评价。然而在深厚砂砾石层中，由于帷幕灌浆的深度非常深。检查孔采用清水钻进难度大，大部分孔段仍需要用泥浆钻进，加之深厚砂砾石层中往往都要布置多排帷幕灌浆。又多采用墙幕结合的方式布置帷幕灌浆，上部往往是空孔段，采用常规检查方法存在局限性。在下坂地工程中为了寻求多种手段，以便对检查结果进行比较.从而做出客观评价。也为其摸索积累经验和技术资料.进行了声波测试试验。从检测结果来看，最大波速为l538m/s，最小波速为l228m/s，平均波速约为1400m/s.同一地层的波速值相差较大。分析原因.砂砾石层成分较复杂，且极不均匀，导致实测的声波测试值变化较大。可见，声波测试的方法不适合用来评价深厚砂砾石层的灌浆效果。

针对此种情况.在下坂地深厚砂砾石层帷幕灌浆工程中进行了新的探索.提出了一种适合深厚砂砾石层帷幕灌浆质量检查的方法。即用后灌浆的排(序)灌浆孔的灌浆情况初步判断先灌孔的灌浆效果，最终结合总帷幕厚度布置综合检查孔，采用静水头压水方法.检验帷幕灌浆效果。这种检查方法，具有直观、效果明显等优点，结合分排、分序孔的平均单位注入量成果.可作为帷幕灌浆实施效果检查的首选评价方法。