基于砂砾石地基灌浆的设计与施工

刘铁银

(黑龙江省水利水电勘测设计研究院，哈尔滨 150080)



基于砂砾石地基灌浆的设计与施工

刘铁银

(黑龙江省水利水电勘测设计研究院，哈尔滨 150080)

摘要：目前许多水库大坝的基础都是砂砾石层，而作为坝体的砂砾石层基础，需要具有可靠的防渗性、足够的耐压性和一定程度的均质性。但天然的砂砾石层大都是松散的，其颗粒间的绝对空隙尺寸大，孔隙率高，这些砂砾石层若作为坝体基础，必然是透水的，并且基础的力学性能也不能满足其稳定的要求，所以作为坝体基础必须对其进行处理，改善它的各项性能。目前使用最广泛的手段是灌浆方法，其主要特点是：效果好，适用性强，施工较简单并且比较经济。

关键词：砂砾石岩层；地基灌浆；设计；施工方法；灌浆试验

0前言

天然的砂砾石层是比较松散的岩层，它的空隙大，孔隙率高，因而渗透性较强，在这种岩层上修建大坝，为了减少库水的渗漏损失，保证坝体稳定与安全，必须采取有效的防渗措施。防渗措施主要是根据地质条件和工程具体情况而定，比较常用的有：开挖砂砾石层，修筑截水槽，水平铺盖，混凝土防渗墙和灌浆帷幕，其中进行帷幕灌浆最为普遍。作为大坝基础的砂砾石层，如果采用灌浆帷幕设置，为保证坝体安全，其设计和施工尤为重要。为了得到合理的设计、施工方案，应该在工作区内选择适宜的地段进行灌浆试验，并结合以下几方面进行综合分析确定。

1砂砾石地基的可灌性

1.1根据可灌比

按照反滤层设计原理，用地基的颗粒级配曲线上含量为15%的粒径D15(mm)与灌浆材料级配曲线上含量为85%的粒径d85(mm)之比值来衡量地基的可灌性，此比值为可灌比M:。

M=D15/ d85

(1)

1)当M<5，一般认为砂砾石地层接受灌浆的可能性很小。2) 当M=5-10，有黏土水泥浆液不一定能灌好。3)当M>5-10，可灌注黏土水泥浆。4)当M>15，可灌注水泥浆。

1.2根据粒径<0.1mm的颗粒含量

砂砾石地基中粒径<0.1mm的颗粒含量<5%时，一般易接受水泥黏土浆液的有效灌注。但较均匀的砂，即使<0.1mm的颗粒含量仅占3%时，因M<5，仍不能接受水泥黏土浆液的有效灌注。

1.3灌浆材料的选择

根据地层渗透系数k(m/d)的大小，选择不同的灌浆材料：当k≥800，水泥浆液中可加入细砂。k>150，可灌注纯水泥浆液。k=100-120，可灌注加塑化剂的水泥浆液。k=80-100，可灌注加2～5种活性掺合体的水泥浆液。k≤80，可灌注水泥黏土浆液。

1.4根据颗粒级配曲线

砂砾石的颗粒级配曲线比较平缓时，其不均匀系数较大；比较陡斜时，不均匀系数比较小。它能反映出砂砾石层中颗粒大小的均匀程度，结合砂砾石层的具体情况，可以作为判定其可灌性依据。

2帷幕设计原则

2.1帷幕的位置

1)与心墙连接。帷幕设置在心墙的下面，与防渗心墙相连。采用此种帷幕，须先进行灌浆，而后填筑坝体，或者设置专门的灌浆廊道，在廊道中灌浆。

2)与斜墙连接。帷幕设置在斜墙或斜墙向上游延伸的短铺盖下面，与防渗墙相连，采用此种帷幕，与坝体填筑施工相互干扰较少。

3)与防渗铺盖连接。灌浆帷幕设置在防渗铺盖下面，与防渗铺盖相连。采取此种帷幕，可延长渗径，并可减少坝体填筑与灌浆施工的相互干扰。

2.2帷幕的形式

1)均厚式帷幕：在砂砾石层厚度不大的情况下，帷幕各排孔的深度相同。

2)阶梯式帷幕：在深厚的砂砾石层中，渗流比降随砂砾石层的加深而逐渐减小，设置帷幕时，多采用上宽下窄阶梯状帷幕。

2.3帷幕的深度

1)全封闭式帷幕：帷幕穿过砂砾石层达到基岩，可以全部封闭渗流通道，深入基岩深度，应该根据地质条件与工程具体情况确定，一般≥5 m。

2)悬挂式帷幕：帷幕没有穿过整个砂砾石透水层或与相对不透水层相连接，若需采取此种帷幕形式，应该对砂砾石层坝基及坝体的渗透稳定、渗透流量、是否控制在容许范围内进行论证。一般情况下尽量少用此种形式的帷幕。

2.4帷幕孔的孔距

灌浆孔距主要取决于砂砾石层的渗透性、灌浆压力、灌浆材料以及浆液的浓度等因素，灌浆孔距通常是通过灌浆试验来确定的，一般多为2～4 m，以3 m居多。

2.5帷幕的厚度

帷幕的厚度主要根据幕体的容许渗透比降值确定，同时应保证帷幕本身不会发生机械管涌和化学管涌。在长期水流作用下，能够抵抗渗透水的侵蚀，对于一般水泥黏土浆，容许渗透比降值可采用3～4。当帷幕较厚时，选用的容许渗透比降值较小，当帷幕较薄时，选用的容许渗透比降值较大，国内一些大坝的砂砾石层基础的灌浆帷幕，大都是由3排孔构成的。

帷幕厚度计算公式如下：

T=H/J

(2)

式中：T为帷幕厚度，m；H为最大设计水头，m；J为帷幕的容许渗透比降。

3钻孔方法与灌浆方法

3.1钻孔方法

砂砾石中的灌浆孔都是铅直方向的钻孔，除了打管灌浆法外，就造孔的方式来分，主要有冲击和回转钻进两大类；就使用的冲洗液来分，有清水冲洗钻进和泥浆固壁钻进。

3.2灌浆方法

3.2.1打管灌浆法

将带有花管的钻管直接打入砂砾石层中，再将管内於砂冲洗后进行灌浆。该法使打孔与灌浆在工序上紧密结合，操作上简单易行，多用于灌浆深度不深的工程。施工程序为打管→冲洗→灌浆。

3.2.2套管灌浆法

一边钻进造孔，一边下入护壁套管(或者随打入护壁套管，随掏取砂砾料)，直到套管下达到最终孔深为止。然后下入灌浆管，逐段上拔套管进行灌浆。采用这种方法施工，在钻进方面，几乎不受操作方法的限制。由于跟入护壁套管，则完全消除了塌孔及埋钻事故，这是有利的一面，但在灌浆过程中，浆液容易沿着套管外壁向上流动，甚至地表冒浆。如果灌注的时间较长，灌注的又是水泥含量较高的浓浆，就会胶结住套管，造成起拔困难，影响施工进度，这是不利的一面。

3.2.3循环钻灌法

在地面预埋孔口管，下入灌浆管，自上而下，钻一段灌一段。施工程序为开挖浅坑→钻孔口管段→下孔口管→绑扎防浆环→浅坑回填→孔口管段灌浆→待凝→钻进→灌浆→钻下一段→灌浆。

3.2.4预埋花管法

在砂砾石层中，每隔一定距离埋设一段带花眼的花管，孔眼外包橡皮箍，在花管与孔壁间填入强度低的黏土水泥填料，灌浆管放入花管后，压力灌浆顶开橡皮箍，通过开裂的填料进入砂砾石层，该方法运用较广，优点是一次成孔，孔内埋设花管不会塌孔，灌浆管在花管中能上下移动，可以灌任何一段，还可以重复灌浆，施工方便，缺点是花管不能回收利用，成本高。施工程序为钻孔(下入套管护壁)→清孔→下花管→边下填料边起套管→待凝→在花管内下入双塞式灌浆塞→用压力水→灌浆。

4灌浆材料

灌浆材料主要为水泥、黏土或膨润土，应该满足细度、稳定性和胶结能力、胶结强度等要求，在强透水层中灌浆，可掺入砂子、磨细矿渣、粉煤灰等掺合料。为了改善灌浆性能，还可以加入促凝剂、塑化剂等外加剂。水泥强度等级不低于32.5号，对于永久性防渗帷幕，水泥含量占总干料的20%-50%(重量)，临时性防渗帷幕可以适当降低浆液中水泥含量。水泥黏土浆的一般配比及性能见附表。

附表　水泥黏土浆的一般配比及性能

注：1)黏度不能>60s；2)原浆(泥浆)密度控制在14.0kN/m3；3)浓浆用于吸浆率>100L/min，稀浆用于吸浆率<50 L/min。

5灌浆试验

5.1试验的目的

砂砾石地基的孔隙大，空隙率高，渗透性强，如果采用帷幕灌浆防渗，在设计和正式施工前，应先在现场选择适宜的地段进行灌浆试验。通过灌浆试验论证大坝砂砾石基础采用灌浆方法处理在技术上的可行性，效果上的可靠性，经济上的合理性。从而落实灌浆的施工方法、选定合适的浆液、推荐合理的施工程序、施工工艺和灌浆压；确定灌浆孔的排数，排距，孔距、孔深等；提出对钻孔及灌浆机械以及其他的机械设备的要求建议。

5.2场地地质条件调查

灌浆试验前，应实地勘察并细致地分析砂砾石层的分布、组成、性质、胶结、各地层的渗透性和颗粒级配等有关地质资料。

5.3确定灌浆试验区

选择具有代表性的地层，确定灌浆试验区。

孔位的布置形式可以是三角形、矩形、六角形、多排形(三排以上)，同心圆环状等，孔距可在2～4 m范围内选择，总体布置原则：能够逐步加密、对称，最后形成包围封闭，便于在中心打孔或挖坑进行取样、抽水检查。

5.4灌浆试验

1)初选适宜的钻孔方法、灌浆方法、浆液种类及配比，在试验过程实时进行调整。

2)初期灌浆压力可由以下公式进行估算，在试验过程中调整至适宜的灌浆压力。

P=(1/1000)βαT+(1/10)Cαλh

(3)

式中：P为灌浆压力；β为系数，在1-3范围内选用；T为盖重层厚度，m，C为与灌浆次序有关的系数，一序孔，C=1，二序孔，C=1.25，三序孔，C=1.5；α为与灌浆方式有关的系数，自下而上灌浆=0.6，自上而下灌浆，=0.8；λ为与地层结构有关的系数，如颗粒组成，渗透性等，值可在0.5-1.5范围内选用，结构疏松，渗透性强的，取低值，结构紧密，渗透性弱，取高值；h为盖重层底板至灌浆段顶部的深度，m,当无盖重时，则自砂砾石表面算起。

5.5地表变形观测

在灌浆试验区布置观测桩，组成观测网，灌浆前后，分别测量各观测桩的标高，根据各桩标高的变化测出地表的抬动变形情况。

6结论

天然的砂砾石层是比较松散的岩层，它的空隙大，孔隙率高，因而渗透性较强，在这种岩层上修建大坝，为了减少库水的渗漏损失，保证坝体稳定与安全，必须采取有效的防渗措施。作为大坝基础的砂砾石层，如果采用灌浆帷幕设置，为保证坝体安全，其设计和施工尤为重要。为了得到合理的设计方案和施工方法，应该在工作区内选择适宜的地段进行灌浆试验，通过灌浆试验论证大坝砂砾石基础采用灌浆方法处理在技术上的可行性，效果上的可靠性，经济上的合理性。砂砾石地层灌浆的设计依据及施工方法，对于工程来讲，设计方案尤为重要，是施工的依据，同时施工也可为设计方案的逐步完善具有现实的指导作用，设计与施工完美结合，从而造就出一项优质工程的诞生。

参考文献：

[1]索丽生，刘宁，水工设计手册(第2版)[M].北京：中国水利水电出版社，2014.

[2]李茂芳，孙钊，大坝基础灌浆(第二版)[M].北京：水利电力出版社，1994.

文章编号：1007-7596(2016)04-0178-03

[收稿日期]2016-03-21

[作者简介]刘铁银(1965-)，男，黑龙江富锦人，高级工程师，现任勘测院基础工程处处长。

中图分类号：TV697.3+2

文献标识码：B