水利工程施工中帷幕灌浆技术应用

2024-02-18张会君胶州市水利局山东胶州266300

中国房地产业 2024年2期

文／张会君胶州市水利局山东胶州 266300

张皓青岛胶州自来水有限公司山东胶州 266300

引言：

水利工程作为人类社会基础建设的重要组成部分，一直以来都受到广泛关注和研究。在这其中，帷幕灌浆技术因其在强化岩土体、裂隙封堵、防止地下水渗漏等方面的卓越表现，成为了解决复杂地下工程问题的重要工具之一[1]。然而，随着水利工程复杂性的提高，帷幕灌浆施工中的涌水、冒浆、串浆等问题也逐渐凸显出来。为了应对这些挑战，本文将深入探讨帷幕灌浆技术的应用及施工中可能遇到的问题，特别着重于提出系统性的规避策略。

1.帷幕灌浆技术的概述

1.1 定义

帷幕灌浆技术是一种用于水利工程和基础建设的地质加固与渗透控制的先进技术。通过在地下形成坚固的垂直或倾斜浆帷，该技术旨在提高土体的强度、改善地质结构，以及有效地抑制水的渗透，从而增加工程结构的稳定性和安全性。

1.2 基本原理

帷幕灌浆的基本原理是通过在地下形成一系列连接的浆帷，使得地层形成一个整体结构。这通过在地下进行钻孔，并注入特制的浆液来实现。浆液中通常包含水泥、膨胀剂和其他添加剂，以确保浆帷具有足够的强度和抗渗透性。这些浆帷有效地提高了土体的工程性能，使其能够更好地承受外部力和水的影响。

1.3 材料选择与性能要求

选择适当的材料对于帷幕灌浆技术至关重要。水泥作为主要成分，能够提供出色的强度和抗渗透性[2]。同时，膨胀剂和其他添加剂的合理使用可以改善浆液的黏性、流动性和抗渗透性。在选择材料时需要考虑地质条件、工程要求和环境因素，以确保帷幕灌浆的效果和持久性。

2.帷幕灌浆技术的分类

2.1 按照灌浆方式分类

（1）垂直帷幕灌浆：该灌浆方式主要应用于需要在坝基、基坑和隧道等地形成垂直方向的浆帷的工程。通过垂直排列的钻孔，注入浆液，从而增加土体的整体强度，有效防止水平渗透。

（2）水平帷幕灌浆：这种方式广泛应用于需要控制水体渗透的场合，如河床治理和基础工程。通过形成水平方向的浆帷，有效减少地下水位对结构的不利影响。该方式需要在地下进行水平方向的钻孔和注浆。

（3）倾斜帷幕灌浆：是一种将垂直和水平帷幕结合的方式。在一些地质条件较为复杂的情况下，倾斜帷幕可以更好地适应地层的特点，提高地质加固的整体效果[3]。

2.2 按照灌浆材料分类

（1）水泥浆灌浆：使用水泥、水和其他添加剂构成的浆液。水泥浆常用于提高土体的强度，同时具有较好的抗渗透性。这种灌浆方式被广泛应用于各种工程项目。

（2）膨胀土浆灌浆：利用膨胀土（如膨胀土、膨润土等）形成的浆液。这种浆液具有较好的膨胀性，可用于填充土体中的裂缝和孔隙，从而增强土体的稳定性。

（3）化学浆液灌浆：使用特殊化学物质形成的浆液，具有较强的抗渗透性。这种灌浆方式适用于对渗透控制要求较高的工程项目。

2.3 按照施工目的分类

（1）防渗帷幕：该类帷幕主要应用于防止水体渗透的工程，例如水坝、基坑等需要抵御地下水压的场合。这种帷幕的形成有效减少了水的渗透，维护了工程的结构稳定性。

（2）加固帷幕：用于提高土体的整体强度，通常在坝基、边坡等工程中应用。通过形成坚固的浆帷，增加土体的抗力，提高整体结构的稳定性。

（3）渗透控制帷幕：结合了防渗和加固效果，适用于需要同时治理地下水位和土体强度的工程。这种帷幕的形成在一定程度上解决了渗透和强度问题。

3.水利工程施工中帷幕灌浆技术应用

3.1 应用要点

3.1.1 测量放线

在水利工程中，测量放线是帷幕灌浆技术中至关重要的一项工作，它直接影响到钻孔的准确性和帷幕的稳定性。

测量放线是帷幕灌浆技术施工的首个步骤，其目的是确保钻孔的位置、方向和深度符合设计要求，从而形成合理、均匀的帷幕结构[4]。这一过程始于对施工现场的仔细勘察，工程人员必须了解地质情况，包括地层结构、土质特性和水文地质条件。

首先，针对水利工程的具体地形，需要制定详细的放线方案。这包括确定帷幕的起止点、孔距、孔深等关键参数。通常，帷幕的设计需要充分考虑工程的需求，例如防渗、加固或渗透控制。此外，对于水利工程，特别关注水文地质条件的影响，因为地下水位的变化可能对灌浆效果产生重要影响。在实际测量中，工程人员会使用精密的测量仪器，如全站仪、经纬仪等，依据设计方案确定的控制点进行标定。这些控制点通常位于施工现场的固定位置，可以是临时设置的标志物或永久性建筑物。随后，工程人员根据设计方案将控制点之间的测量线标示在地面上。这涉及到临时标记或喷涂，以确保施工人员能够清晰看到并按照设计要求进行操作。在复杂的地质条件下，还需要考虑地下障碍物，以避免对测量线的影响。

3.1.2 钻孔造孔

钻孔造孔是帷幕灌浆技术的关键环节，旨在将注浆材料注入到地下特定位置，以加固土体、增强地层稳定性或实现其他特定工程目标。在水利工程中，包括大坝基础的处理、河床治理、隧道支护等。

首先，根据前期的测量放线结果和设计方案，施工人员确定钻孔的位置和方向。考虑到水利工程的特殊性，需要深入了解地下水位、地质结构和土质条件，以便精确规划钻孔位置。其次，使用专业的钻机，施工人员开始进行钻孔操作。这些钻机可以是旋挖钻机、循环钻机或其他适用于不同地质条件的类型。操作过程中，钻机通过旋转或冲击等方式，将钻头推入地下，逐渐完成整个钻孔深度。在水利工程的帷幕灌浆中，孔径和深度通常是根据设计要求和地质特征而确定的[5]。较大的孔径用于更高流动性的注浆材料，而较小的孔径则可用于更密实的注浆。深度通常根据需要加固的地层而变化，可能需要达到几十米，以确保注浆材料有效地渗透到目标层。再次，在钻孔过程中，施工人员会遭遇地层变化、硬岩或其他困难。在这些情况下，还需要调整钻具类型、钻头规格或使用钻孔液等辅助手段，以确保顺利完成钻孔作业。最后，完成每个钻孔后，施工人员必须及时清理孔内的碎屑和泥浆，以便于后续的注浆工作，确保注浆材料充分填充地层裂隙，提高帷幕的整体效果。

3.1.3 冲洗裂隙

在水利工程的帷幕灌浆技术中，冲洗裂隙是施工过程中至关重要的一步，其目的是清理钻孔中的碎屑和杂质，确保注浆材料能够充分填充地层裂隙，从而增强土体的稳定性和抗渗性。

冲洗裂隙的过程通常在完成钻孔造孔后进行。具体的步骤如下：（1）冲洗设备准备：在施工现场准备专业的冲洗设备，通常包括高压水泵和喷头。这些设备需要足够的水压和流量，以确保有效地冲洗裂隙。（2）喷射高压水流：将冲洗设备的喷头插入已完成的钻孔中，启动高压水泵，将高压水流注入地层。这一过程旨在冲洗掉钻孔中残留的泥浆、碎屑和其他杂质。（3）冲洗方向调整：根据地层情况，可能需要调整冲洗喷头的方向，以确保冲洗液在地层中均匀分布。对于有裂隙或不均匀地层的情况，可能需要采用多方向冲洗。（4）循环冲洗：在一次冲洗完成后，可能需要进行多次冲洗，直至冲洗液清晰透明，表明裂隙和孔隙中的污染物已被有效清除。这确保了注浆材料的良好渗透性。（5）监测与调整：在冲洗的过程中，施工人员应该实时监测冲洗液的排放情况，了解冲洗的效果。根据监测结果，及时调整冲洗参数，确保地层裂隙清洁无阻[6]。（6）清理孔口：冲洗完成后，施工人员需要对孔口进行清理，确保在注浆过程中不会发生阻塞，进而保证注浆材料能够充分填充到地层的目标位置。

3.1.4 压水试验

在水利工程中的帷幕灌浆技术中，进行压水试验是确保地层渗透性和稳定性的关键步骤。这一过程的前期准备包括确认钻孔的清洁度、检查冲洗液的透明度，以及确认冲洗液的排放情况。一旦确认钻孔和地层裂隙清洁，即可着手进行压水试验。

在试验方案的设计上，根据工程设计和前期的地质勘察结果，规划了压水试验的具体方案，包括确定试验的水压、持续时间以及试验的步骤。试验开始前，需要准备用于压水试验的水源，其质量和纯度对于准确评估地下水的渗透性至关重要。试验过程中，通过专业的注水系统将试验水源注入已完成的钻孔中，逐渐增加水压，观察水的渗透情况和地层的反应。施工人员在试验过程中不断监测测试水的渗透情况、注水的压力和地层的反应，实时记录数据，为后续的分析和调整提供基础。

根据试验的结果，工程人员能够评估地下水的渗透性和地层的稳定性。这些数据将用于调整注浆参数，确保后续注浆工作的效果最佳。如果试验结果显示地下水渗透性较大，可能需要调整注浆的类型、浆液的浓度以及注浆的压力，以适应实际地质条件。

3.1.5 灌浆封孔

在水利工程中的帷幕灌浆技术，灌浆封孔是施工过程中至关重要的一步，其目的是将注浆材料有效地灌注到钻孔中，并封堵孔口，从而增强地层的稳定性、抗渗性，以及工程整体的安全性[7]。

灌浆封孔的详细执行包括以下关键步骤：（1）选用合适的灌浆材料：根据工程设计和地质条件，选择适宜的灌浆材料，通常包括水泥浆、聚合物浆或其他专用灌浆材料。灌浆材料的选择应能够满足工程的防渗、加固或渗透控制等特定要求。（2）浆液配制：针对选择的灌浆材料，进行严格的浆液配制。确保浆液的配比精准，以保证其流动性和硬化特性符合设计要求。（3）选择合适的灌浆设备：根据钻孔的直径和深度，选择适当的注浆设备，包括注浆泵、注浆管和喷嘴等专业设备。（4）开始注浆：使用选定的注浆设备，开始将浆液注入钻孔中。注浆的过程需要逐渐提升注浆管，确保浆液在整个孔深范围内均匀分布，形成均匀、连续的帷幕结构。（5）控制注浆参数：施工人员需要严格控制注浆的压力和流量，以确保浆液充分填充孔隙，消除空隙。通过实时监测注浆参数，可以及时调整以保持一致的注浆效果。（6）封堵孔口：在每个孔完成注浆后，对孔口进行封堵，通过注入特定的封堵材料或使用专门的封堵装置完成，防止浆液的溢漏并保护帷幕的完整性。（7）确保帷幕的连续性：在整个灌浆封孔过程中，施工人员需确保帷幕的连续性，避免因注浆中断或不均匀而导致的质量问题，实现帷幕在地层中形成一个稳定、连续的抗渗结构。（8）清理工作：对施工现场进行清理工作，包括清理工作区域和处理浆液残留物，以此符合环保标准。

3.2 应用中存在的问题与规避策略

3.2.1 涌水问题

问题：在水利工程帷幕灌浆技术中，常见的问题之一是涌水。涌水源于地下水位较高或者地质条件复杂，导致在进行钻孔或注浆的过程中，水通过地层裂隙或孔隙迅速涌入钻孔，影响了帷幕灌浆的效果。这会导致灌浆材料无法有效充填到目标位置，进而降低了抗渗性和稳定性。

规避策略：为规避涌水问题，工程人员需要采取一系列综合性的策略，以确保帷幕灌浆的效果和质量。首要的策略是在施工前进行全面而精确的地质勘察，深入了解工程地段的地下水位、地质结构以及土层特性。通过全面了解地质条件，工程人员可以预测可能的涌水风险并制定相应的应对措施。在地质勘察的基础上，选择合适的封堵材料是防范涌水的重要一环。封堵材料的选择应考虑其渗透性、黏度和固化时间等因素，以便在孔口形成坚固而密封的屏障，抑制地下水的涌入。此外，调整注浆参数也是规避涌水问题的关键步骤。在施工过程中，根据实际地质条件和涌水情况，工程人员需要灵活调整注浆的压力和流量。通过实时监测注浆参数，工程人员可以及时调整操作，确保注浆材料能够顺利渗透到目标地层，抵御地下水的涌入。还要采用防涌水的钻孔技术也是重要的规避策略之一，包括使用先进的钻孔设备，如封堵钻头和注浆管，以减小钻孔直径并阻止水的迅速涌入。

3.2.2 冒浆问题

问题：另一个常见问题是冒浆，即在注浆过程中，浆液在地表或孔口冒出。这是由于注浆压力过高、孔隙通道阻塞或者地层松散导致浆液漏失。冒浆问题不仅影响了施工现场的整洁，也导致注浆材料无法充分渗透到目标地层，从而影响了帷幕的均匀性和完整性。

规避策略：首要是通过使用先进且高效的注浆设备，实现对注浆压力和流量的精准控制，从而降低浆液早期固化的风险，减少冒浆可能性。此外，定期清理孔口以清除杂质和残留物，有助于避免浆液在注入孔口时遇到阻碍并发生冒浆。调整浆液的黏度和流动性，使其更符合地层要求，有助于降低浆液在地下过早扩散和冒浆的概率。同时，采用防冒浆技术，如选择具有较好抗冒浆性能的封堵材料，确保注浆时浆液不会过早冒出地表。最后，加强施工人员的培训和管理，使其熟练掌握注浆设备的操作，并提高他们对施工过程的监控和应对能力，有助于及时发现和解决潜在的冒浆问题。

3.2.3 串浆问题

串浆是指在相邻的钻孔之间，浆液在地下层之间串通的情况，这是由于地层裂隙过于密集，或者地质条件导致浆液在地下形成横向连接，从而使得注浆材料不按照设计要求分布，降低了帷幕灌浆的局部效果。

规避策略：合理设置孔距是关键的一步，通过在设计阶段考虑地层裂隙分布，合理设置孔距，降低孔位密集度，从而减少串浆风险。其次，控制注浆压力是防范串浆的关键措施，通过合理控制注浆压力，避免浆液在地下过度扩散，减小相邻孔隙之间的连接概率，从而减少串浆的发生。加强地质勘察工作也是预防串浆问题的有效途径，通过详细的地质勘察，提前了解地下结构细节，有助于预测串浆可能性，采取相应的施工调整措施。最后，使用先进的注浆设备能更好地控制注浆参数，确保浆液在注入过程中均匀分布，减小串浆的风险。

3.2.4 灌浆中断

问题：灌浆中断是指在帷幕灌浆过程中，由于设备故障、工艺问题或其他原因，导致注浆操作暂时中断的情况，进而导致地层中形成不均匀的注浆段，影响帷幕的整体效果。灌浆中断也会导致施工难度增加，需要更多的人工干预。

规避策略：为了防止水利工程帷幕灌浆中的灌浆中断问题，施工人员需采取一系列措施。定期检查和维护注浆设备，及时发现并解决潜在问题，是确保设备稳定运行的重要步骤。此外，备用设备的准备也是关键，可以在主设备故障时迅速切换，维持施工的连续性。对专业人员进行全面培训，使其熟悉设备操作和维护，提高监控和应对能力，有助于防范潜在的设备故障，减少灌浆中断的风险。

3.2.5 钻孔倾斜

问题：在进行钻孔过程中，钻孔偏离了垂直方向，出现钻孔倾斜，是由于地层不均匀、岩石层的存在或者钻机操作不当引起。钻孔的倾斜度不仅会导致帷幕灌浆的设计参数无法准确执行，会影响到帷幕的均匀性和稳定性。

规避策略：为规避水利工程帷幕灌浆中可能发生的钻孔倾斜问题，施工人员应综合运用多项策略。首先，选择使用先进的定向钻机，该设备能够在钻孔过程中更精准地控制方向，减小地层不均匀性对钻孔方向的干扰，有效预防钻孔的偏斜。其次，通过加强现场监测，实时掌握钻孔的状况，及时发现并纠正偏斜情况，以确保钻孔方向的准确性。最后，通过在地质勘察阶段合理安排钻孔位置，根据详细了解的地层结构选择适宜的位置，避免容易发生偏斜的地层，降低钻孔倾斜的风险。