镶嵌碎裂结构岩石中的灌浆研究

史新华

(黄河工程咨询有限责任公司 郑州 450003)

1 工程概况

大西沟水库是乌鲁木齐河的龙头水库，属中型工程，总库容6985万m3，拦河坝为粘土心墙坝，最大坝高90m，属1级建筑物，坝基岩性为镶嵌碎裂结构凝灰岩。基坑地下水丰富。水中含有硫酸根离子，有较浓硫化氢气味体逸出。2008年开工建设，2010年3月，在已完成开挖的右坝肩0+130～0+381段进行了坝基灌浆试验。2010年4月，河床段坝基开挖完成，揭示地质条件与右坝肩有差异，监理部提出了在河床段进行灌浆试验的要求，但因工期紧迫，经业主、设计、监理、施工四方协商在河床段进行生产性坝基灌浆试验。2010年7月，已完成部位河床段坝基固结灌浆，经施工单位自检(监理见证)，固结检查孔压水试验60%合格，40%不合格。2010年8月，由第三方对坝基地质情况及已完成的固结灌浆和帷幕灌浆质量进行了检查，查孔取芯基本没有发现水泥结石，散状岩芯有少量未凝结的水泥浆液，压水试验透水率较大，存在灌后透水率大于灌前的现象。声波测试波速无明显提高，个别孔甚至降低。检查全部不合格。2010年8～9月，邀请国内知名专家张景修、孙钊、杨晓东等召开专题会，结合专家意见，决定采用硫铝酸盐水泥进行帷幕灌浆试验。考虑到工程的复杂性，邀请中国水电基础局进行此次试验。

2 实验材料

水泥采用快硬硫铝酸盐水泥(P.O 42.5)，比表面积不小于350m2/kg，初凝时间不小于25min，终凝时间不小于180min，1天抗压强度可达40MPa，具有抗硫酸根离子和硫化氢气体腐蚀的特点。

膨润土采用二级膨润土。主要性能指标为:细度75μm，筛余量不大于2.5%，粘度计600r/min读数31，含水率9.6%。

硅溶胶是一种无毒、无嗅的水溶性化学灌浆材料，具有造价低、施工方便、凝结迅速的特点，已在国内外水利工程上得到应用。

3 实验方案

3.1 孔位布置

灌浆试验区灌浆孔布置遵循分排分序逐渐加密的原则，采用梅花形布置。试验区Ⅰ序孔孔距2.00m、Ⅱ序孔孔距2.00m，见下图。

3.2 孔深计布置说明

试验区布置15个灌浆孔，孔深20m;灌浆孔G1兼作灌前检查孔，孔深20m;灌后检查孔暂定2个，孔深20m，如果需要可在抬动孔附近增加一个水泥灌浆检查孔;抬动观测孔1个，孔深22m;总计钻孔数量18个。为了验证硅溶胶浆液的灌浆效果，在G6、G7灌浆孔采用硅溶胶浆液灌浆。灌浆孔仅做简易压水试验;灌浆孔G1作为灌前检查孔进行分段单点压水试验，灌后检查孔分段进行五点压水试验。灌浆采用自上而下、孔口封闭、循环灌浆方式。

3.3 浆液配比

大西沟水库帷幕灌浆试验布孔图

灌浆以掺加膨润土的快硬硫铝酸盐水泥混合浆液为主。浆液比级初始选定为 10∶1、5∶1、3∶1、0.5∶1 四个比级，后在上游排和中间排地施工中为了更好地充填裂隙又增加了7∶1的比级。膨润土的掺量初期根据透水率的大小确定为10%、30%、50%，透水率大的选用10%，小的选用50%，适中的选用30%，后根据试验情况统一调整为50%。

3.4 灌浆压力设置

灌浆压力为岩石不产生劈裂破坏的最大压力，试验开始灌浆压力按表1控制。

表1 灌浆压力值参考值

3.5 浆液变换

试验中当累计注入量大于600L时变浓一级。并根据情况，如注入率过大，不能正常结束，就待凝一天再复灌;对于透水率大而注入量很小的孔，也进行复灌处理，尽可能地充填岩石的细小裂隙。灌浆过程中灌浆压力和注入率相适应;控制注入率在10～30L/min之间，小流量缓慢达到最大压力，避免对岩石的劈裂，以避免抬动。

4 施工工艺

4.1 裂隙冲洗及压水试验

各孔段在灌浆前均结合压水试验进行了裂隙冲洗，直至回水清净为止。在灌前进行简易压水，试验压水压力为该段次灌浆压力的80%，并不大于1MPa。压水时间20min，每3～5min测读一次压入流量，以终值作为计算流量。

灌浆孔每段钻孔结束后，均采用大水量进行钻孔冲洗，直至孔口回水澄清。灌后压水试验压力为该段次灌浆压力的80%，并不大于1MPa;检查孔1～2段压水压力为0.3MPa。压入流量的稳定标准:在稳定的压力下每3～5min测读一次流量，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1L/min时，本阶段试验即可结束，取最终值作为计算流量，按透水率q=压入流量Q/(作用于试段内的全压力P×试段长度L)计算透水率。

检查孔第二段以下的孔段采用三级压力五点法压水试验，三级压力为 0.2 MPa、0.4MPa、0.6MPa。

4.2 膨润土水泥浆灌注

采用自动集中制浆站制备浆液，水泥、膨润土等固相材料及加水量均采用称重法称量，称量误差小于5%。浆液在施工前过筛，自制备至用完时间不应大于4h。

灌浆分段和灌浆压力先按表1执行。灌浆过程中根据灌浆抬动情况进行了调整，最终确定为见表2。

表2 灌浆压力值

注浆液由稀到浓逐渐变换，先灌注水固比10∶1的膨润土水泥浆液，当浆液注入量达到600L以上，或灌浆时间已达1h，而灌浆压力和注浆率均无改变或改变不显著时，改浓至7∶1的浆液灌注。

灌浆结束条件:在最大设计压力下，孔段注入率不大于1L/min时继续灌注60min。

全孔灌浆结束后采用压力灌浆法封孔，封孔压力采用该孔首段灌浆压力，封孔时间30min。

4.3 特殊情况处理

灌浆过程中，每隔15～30min测记一次浆液浓度。当发生回浆变浓时，应换用相同水灰比的新浆进行灌注，若效果不明显，延续灌注30min，可停止灌注或按监理工程师的指示执行。

帷幕灌浆过程中如发生串浆时，采用以下方法处理:如被串孔正在钻进，要立即停钻;串浆量不大于1L/min时，可在被串孔内通入水流;串浆量较大，在串浆孔具备灌浆条件时，尽可能与被串孔同时进行灌浆，应一泵灌一孔，但应注意控制灌浆压力，防止岩体抬动或衬砌变形。否则应将串浆孔塞住，待灌浆孔灌浆结束后，应立即扫开串浆孔冲洗，而后再行灌注。

灌浆工作必须连续进行，若因故中断，可按照下述原则进行处理:尽可能缩短中断时间，及早恢复灌浆;若中断时间超过30min，则要冲洗钻孔，如无法冲洗或冲洗无效，则应进行扫孔，而后恢复灌浆;恢复灌浆后，开始应使用中断前的水灰比，如吸浆量相似或略有减少，则应逐渐加浓浆液，直至灌浆结束。如吸浆量较中断前减少很多，且在很短时间内停止吸浆，则认为该灌浆段不合格，应采取补救措施。

4.4 完成工程量

灌浆实验从2010年12月27日开始，至2011年1月30日结束，历时44天。施工机组2个，2台XY—2型地质钻机，1台3SNS灌浆泵，一台2JZ计量泵，一套集中制浆系统。完成钻孔253m，灌浆225m。

本次施工共布置了2个检查孔，检查孔均分段做五点法压水试验。共完成压水试验8段，合格8段，透水率均小于5Lu，结石全孔可见，合格率100%，满足设计要求。

5 成果分析

5.1 灌浆成果分析

下游排Ⅰ序灌浆孔的单位注灰量为109.92kg/m，Ⅱ序灌浆孔的单位注灰量为94.85kg/m，其中Ⅱ序孔比Ⅰ序孔递减了13.71%，孔序之间逐序递减。

上游排Ⅰ序灌浆孔的单位注灰量为148.06kg/m，Ⅱ序灌浆孔的单位注灰量为94.35kg/m，其中Ⅱ序孔比Ⅰ序孔递减了36.3%，孔序之间逐序递减。

中间排Ⅰ序灌浆孔的单位注灰量为65.29kg/m，Ⅱ序灌浆孔的单位注灰量为14.95kg/m，其中Ⅱ序孔比Ⅰ序孔递减了77.10%，孔序之间逐序递减。整个试验区Ⅰ序灌浆孔的单位注灰量为112.73kg/m，Ⅱ序灌浆孔的单位注灰量为78.67kg/m，Ⅱ序孔比Ⅰ序孔递减了30.21%。

下游排灌浆孔的单位注灰量为103.35kg/m，上游排灌浆孔的单位注灰量为126.57kg/m，中间排灌浆孔的单位注灰量为48.51kg/m，上游排比下游排灌浆孔单位注灰量递减18.35%，中间排比下游排灌浆孔单位注灰量递减53.06%，中间排比上游排灌浆孔单位注灰量递减61.67%。灌浆段共60段，其中20段灌前压水透水率小于5Lu，占总段数的1/3。从统计数据中看，透水率和注入率并不成正比，透水率大的注入率并一定大。吃水不吃浆的现象普遍存在，达到劈裂压力后(岩石劈裂以后)注入率明显变大。但各孔的劈裂压力并不一致，大致在1.8～2.5MPa之间。试验区各次序孔的平均单位注灰量均遵循逐序递减的规律，I序孔灌浆II序孔平均透水率逐序递减规律明显。同时中间排和上下游排之间也遵循逐排递减的规律，说明随着灌浆次序及排序的增进，岩体逐渐被灌注密实。而且随孔序的增加，低透水率灌浆段频率增加，较大透水率的孔段频率明显减少。其中上游排、下游排灌浆孔没有遵循逐序递减的规律，主要由试验区曾用高抗硫水泥3MPa高压灌过，地层复杂，岩石可灌性较差，内部裂隙连通性较差，少数孔注入量的不均匀性所致。灌浆孔各次序孔的平均单位注灰量虽然有反常情况，但基本还是遵循逐序、逐排递减的规律，说明随着灌浆次序的增进，岩体逐渐被灌注密实。而且随孔序的增加，低透水率灌浆段频率增加，特别是中间排。较大透水率的孔段频率明显减少。

5.2 检查孔情况

2月10日检查孔J1、J2开始钻孔取芯，2月12结束。J1为硅溶胶灌浆检查孔，J2为膨润土灌浆检查孔。两孔取芯较为完整，采用分段压水。成果见表3。

表3 大西沟水库冬季帷幕灌浆试验检查孔取芯压水统计结果

从检查孔情况看，硅溶胶灌浆效果明显好于膨润土混合浆液，说明硅溶胶灌浆合格保证率更高。

6 经验与建议

从试验结果来看，3排1m×1m梅花形的帷幕孔孔排距是合适的，由于河床基岩基础节理裂隙发育，无大的贯通性裂隙岩石岩块间结合紧密，间隙较小，颗粒性材料不易灌入，容易产生吸水不吸浆现象，试验选用小压力、限流、不劈裂的灌浆方法决定了浆液的扩散半径不会很大。因此帷幕灌浆的孔排距不宜过大。膨润土水泥浆液是适合大西沟水库地质条件的，灌浆过程中，吃水不吃浆现象普遍存在，分析原因主要是地层复杂，岩石可灌性较差，内部裂隙连通性较差，膨润土的颗粒比水泥细、可灌性较好，具有良好的流动性和可控性，有利于地层内微细裂隙的浆液灌注。试验结果也说明了这一点。灌浆过程中，流量稍大就会造成抬动，原因是地质特征极不均匀，各孔的岩石劈裂压力不一致，总结试验数据，试验区找到的岩石劈裂临界压力范围为1.8—2.5MPa。试验区的岩石劈裂压力，不一定适用坝基的所有地段，下一步施工过程中还要不断总结试验数据，寻找各个地段的岩石劈裂临界压力，在不抬动的情况下多灌浆液。灌浆试验场地坝基地质条件属中等偏好水平，具有较好的代表性，但以前用3MPa的压力高抗硫水泥灌过，透水率有明显改善，这一点从灌前压水的透水率可以看出，但坝基地质特征极不均匀，在地质条件更为复杂的右岸和未灌过的地段水泥膨润土浆液也不一定能满足设计要求，建议辅以硅溶胶灌浆补灌。

7 实验成果

设计单位最终确定采用硫铝酸盐水泥和膨润土混合浆液辅以硅溶胶进行帷幕灌浆的坝基处理方案，于2011年5月下发设计变更通知。完全采用了本次实验确定的孔排距和灌浆参数。