对基岩水泥基浆液可灌性的研究应用

邹红烨，何修亮，雷加欣

（黑龙江省水利监督保障中心，哈尔滨 150040）

0 引 言

在基础岩体上修建水利工程，经常要对有缺陷的基岩进行处理，水泥灌浆是改善基岩性能常用而有效的方式，充分把握基岩可灌性是有效灌浆的前提。目前，国内外对基岩透水性研究理论较为成熟，并把岩体透水率Lu 値作为确定基岩灌浆的标准，但基岩的透水性不能代替其可灌性，因此采用基岩透水率作为基岩灌浆标准是不够科学的，应研究基岩透水性与可灌性的关系，统筹考虑影响基岩可灌性的因素，提出基岩可灌性标准，据此确定基岩处理的灌浆参数[1]。

1 基岩可灌性概念提出

基岩可灌性目前还没有统一的物理概念，仅对基岩可灌性含义有各种解释。但从其本质和目的来看，基岩可灌性是指为改善基础岩体的天然地质条件，提高整体性、坚固性和防渗性，基础岩体能够适应进行灌浆的可能性，通俗的说就是地基岩体能够在一定边界条件下吸收某一种浆液或溶液的能力。

基础岩体通常具有不连续性、非均质性、各向异性和存在不同于自重应力的天然应力场。除其本身各种自然性能受岩石性能影响外，更受其中发育的各种结构面及其产状、间距、贯度、粗糙度、张开度和充填情况的控制；还受灌浆材料物理、化学性质的影响。

考虑到灌浆试验和压水试验在工作原理上的一致性，依据透水率来表征岩体透水性，现引入一个新的物理量：耗浆率（g）。耗浆率为在单位时间内，以一定压力，单位段长度所消耗的浆液量。即：

式中：g为试段耗浆率，L /( min m )；L为试段长，m；Q为试段浆液流量，L / min；P为试段压力，MPa。

为便于比较和分析对比以及和压水试验相对应，便于学术交流和理论研究，一般情况下，实验压力选用大的压力，即1MPa。由此可以确定，耗浆率的单位与透水率的单位相同，即 L /( min m )。由此可以知道，岩体的可灌性不仅与岩体本身特性有关，而且还与灌浆所采用的浆液特性有关。这与客观实际是相符的。灌浆试验工作按照现有规范有关规定进行即可。

2 基岩可灌性与透水性的关系

基岩的可灌性与透水性既相联系又有不同，基岩透水性实质是岩体裂隙的透水性，透水性强弱取绝于裂隙的类型、间距、倾向、长度、宽度、形态、水压力及不同裂隙间水力联系等。但因水泥基浆液中固相物质颗粒的存在，岩体可灌性与透水性出现差别。虽然水和水泥浆液都具有流动性，但岩体裂隙对固相物质的流动具有阻止作用，在相同灌浆压力和岩体裂隙条件下，水泥浆液中固相物质颗径越大，其可灌性就越差。试验研究表明，透水性强的岩体一般多表现为较强的可灌性，但岩体的可灌性一定弱于透水性，甚至有的岩体具有透水性，而不具有可灌性。

统计多组工程试验数据发现：①透水率＜5Lu，注浆量＜5kg/m，基岩既不具有透水性，也不具有可灌性；②透水率＜20Lu，注浆量＜5kg/m，基岩有大量毛发状或细窄裂隙，具有一定透水性，但不具有可灌性；③透水率＞30Lu，注浆量＞50kg/m，基岩既具有透水性，又具有可灌性，且灌浆质量容易保证；④透水率＜5Lu，注浆量＞500kg/m，基岩地质结构面发生了浆力劈裂破坏，灌浆失去作用。

3 基岩可灌性因素分析

分析影响基岩可灌性因素，从以下两方面入手：①基础岩体；②灌浆材料。

3.1 基础岩体

基础岩体由结构体和结构面组成，结构体的渗透系数很小，一般在10～14cm/s 左右，不透水也不吸浆。基岩只所以具有可灌性，是因为岩体内结构面的存在，但结构体与可灌性并非无关，结构体的力学性质决定了灌浆最大允许压力（即浆力劈裂压力），灌浆压力大小是影响可灌性的重要因素。

1）岩体结构体：因各类基岩的物理力学性质不同，其临界灌浆压力也各有不同，超过临界灌浆压力，基础岩体就会出现浆力劈裂，发生结构性破坏。由于灌浆的目的是为了改善基础岩体性能，提高基岩的整体性、坚固性和抗渗性，因此，基础岩体的可灌性是指不发生浆力劈裂破坏情况下的可灌性。反过来讲，基础岩体的浆力劈裂压力大小也决定了最大容许灌浆压力值。经验资料表明，常见基础岩石的物理性质如表1 所示。

基础岩体浆力劈裂压力大小与岩体结构体力学性质密切相关。结构体的力学性质包括其在压缩、拉伸和剪切（包括压剪和拉剪）等荷载条件下的变形、强度和破坏特性。结构体变形性质是其在载荷作用下的应力应变（变形）关系，强度性质是其对应于各种载荷条件下的承载能力，破坏特性是岩体超过承受能力后发生大变形或破坏的形式。岩石的力学性质越好，岩体灌浆的容许压力越大，可灌性就越强。因此，掌握结构体的力学性质，可以更好地分析基岩浆力劈裂破坏情形，合理地确定最大容许灌浆压力。

基础岩体浆力劈裂压力大小可以通过现场钻芯取样和力学性质试验分析判定，并通过现场灌浆试验对力学试验分析成果进行核验。在不发生浆力劈裂情况下，灌浆压力越大，浆体结石体更密实，灌浆效果就越好，因此目前帷幕灌浆和固结灌浆通常都采用高压灌浆的施工方法。大量试验表明，最大灌浆压力宜控制在基岩浆力劈裂压力的80%以内。

2）岩体结构面：岩体结构面按规模可分为断层、软弱面和裂隙等，裂隙是岩体最基本的结构面，基岩处理更多的是对岩体内裂隙进行处理。岩体裂隙类型、间距、倾向、长度、宽度、形态以及不同裂隙间的水力联系等特性，对可灌性均有不同影响，但裂隙宽度是影响基础岩体可灌性最重要指标，也是产生基岩透水性和可灌性差别的核心所在。试验表明：在使用相同灌浆材料的条件下，基岩内裂隙越细微，浆液可灌性就越差，而且这种细微的裂隙越致密，基础岩体就越容易发生浆力劈裂破坏，进而会使基础岩体的可灌性更差；基础岩体内裂隙宽度越大，浆液的可灌性就明显增强，可灌性随裂隙宽度变化呈几何倍数变化。

岩体内裂隙宽度与结构面的成因密切相关，在岩石建造过程中形成的原生结构面，如岩浆岩冷却收缩时形成的原生节理、变质岩内的片理、片麻理和沉积岩的层面、层理等，一般这类裂隙极细微，渗透等级为微透水或极微透水，没有可灌性。在岩体改造过程中地质构造应力作用形成的构造结构面，如各种褶皱、断层、裂隙、节理、劈理等，这类地质痕迹几经重叠和复合，一般裂隙透水性和可灌性均较强。因卸荷作用和风化作用形成的次生裂隙，错综复杂，没有规律，一般透水性较强，可灌性较差。岩体内裂隙宽度与岩石自身的力学性质也存在一定的关系，通常岩石越坚硬，强度越大，弹性模量越小，裂隙就会越宽，一般透水性强，可灌性较好，这一点在各类岩石断层带可以得到证实。

在黑龙江省红星水库土坝工程中，对同一坝基的两个坝段进行岩石取芯试验、压水试验和灌浆试验，试验用水为混凝土拌合用水，水泥为42.5 普通硅酸盐水泥，多组试验成果：通过对1#和5#坝段岩芯试样观察，1#坝段基础岩体裂隙9 条，隙宽超过 0.25 ㎜宽6 条，5#坝段基础岩体有数十条毛发状不规则窄裂隙。1#、5#坝段平均透水率分别为21.6 Lu 和 23.1Lu，平均注浆量分別为 10.8 kg/m 和3 .2 kg/m。

3.2 灌浆材料

水泥基灌浆材料主要包括水泥、膨润土、减水剂等。水泥基灌浆材料的物理、化学性质对可灌性均有影响，但对可灌性影响最大的就是浆液中固相物质颗粒粒径大小。通常对于细小的裂隙，由于一般水泥颗粒粒径远大于裂隙宽度而不吃浆；若选用细水泥或超细水泥，其粒径远小于裂隙宽度，同一裂隙的岩体就可能具有良好的可灌性。基础岩体裂隙宽度是相対不变的，水湿細度是可以加工的，因此，应选择合适的水泥细度以适应裂隙宽度，满足岩体灌浆要求。水泥颗粒粒径大小一般选取裂隙宽度的1/3 ～1/5 为宜。

大量实践证明，用一般水泥灌浆，对于＜0.12mm 宽度的细微裂隙，由于水泥颗粒受到裂隙宽度限制，不能顺利填充到基础岩体裂隙内，不具有可灌性。为了达到基础岩体灌浆目的，对小于0.12mm宽度的细微裂隙就要求采用细水泥或超细水泥进行灌浆。细水泥最大粒径Dmax在35μm以下，平均粒径D50为6～10μm，基础岩体中宽度＜0.12mm甚至＜ 0.08 mm的微细裂隙均能较易灌入。而超细水泥,最大水泥粒径Dmax在12μm以下,平均粒径D50为3～6μm，能灌入宽度更小的裂隙。

在小浪底工程中，对3 种不同类型岩体裂隙宽度的可灌性进行研究，反映出不同水泥颗粒粒径大小与岩体裂隙宽度的可灌性一般规律。具体如表2 所示。

表2 三种不同类型岩体裂隙宽度的可灌性

4 可灌性判定标准

通过试验研究，基础岩体的可灌性可以初步定义为在容许灌浆压力下，含适宜大小粒径固相物质的灌浆浆液通过岩体裂隙的能力。可灌性标准可以分为四级：Ⅰ级难灌，Ⅱ级较难灌，Ⅲ级可灌，Ⅳ级易灌。基础岩体可灌标准表如表3 所示：

表3 基础岩体可灌标准表

5 结 论

灌浆是水工建筑物基岩处理的有效手段之一。为作好灌浆工作，保证灌浆质量和效果，首先需要了解、分析和评价岩体的可灌性。目前，对于岩体可灌性的定量评价还没有专用物理量，一般借助钻孔压水试验成果透水率（g）来衡量，但岩体可灌性和岩体透水性、压水试验和灌浆试验、水和浆液都是有明显差别，其实质是不一样的。为此，建议引入一个新的物理量：耗浆率，用以表述岩体可灌性。依据耗浆率对岩体可灌性进行了简单适宜分级，并以此为基础，定量评价岩体可灌性。此外，还可采用灌浆试验在现场测试岩体可灌性，灌浆试验按照规范进行，也可以根据实际情况做必要的、合理的简化。这为灌浆理论和方法、工艺的研究和发展提供了一种有效的途径。