關(guān)于壩基砂卵石地層灌漿施工幾個問題的探討

申請免費(fèi)試用、咨詢電話：400-8352-114

摘   要：對近年來壩基砂卵石層灌漿工程施工中存在的問題和解決的方法進(jìn)行了闡述，并對普遍存在的幾個主要環(huán)節(jié)和問題進(jìn)行了探討，提出了建議。
    關(guān)鍵詞：除險(xiǎn)加固；壩基砂卵石層；帷幕灌漿

    １、前言
    近年來，國家對大批上世紀(jì)５０～６０年代修建的病險(xiǎn)水庫進(jìn)行除險(xiǎn)加固，這批水庫大多為群眾運(yùn)動時土法上馬修建，屬“三邊”工程，受歷史條件限制，對壩基砂卵石層清理不徹底或未進(jìn)行清理，一是形成了水庫增大漏水量；二是滲漏易于使壩體土掏空。產(chǎn)生滲漏破壞對水庫的正常運(yùn)行形成嚴(yán)重威脅。對壩基砂卵石層進(jìn)行帷幕灌漿處理，是除險(xiǎn)加固工程的一項(xiàng)重要內(nèi)容。雖然國內(nèi)也有砂卵石層灌漿的經(jīng)驗(yàn)，但國家尚未有壩基砂卵石層灌漿規(guī)范。給設(shè)計(jì)、施工帶來了許多問題。
    本人根據(jù)在陜西省鳳翔縣白荻溝水庫壩基砂卵石層灌漿實(shí)踐和多年從事大壩灌漿工程施工、監(jiān)理經(jīng)驗(yàn)，對砂卵石層灌漿施工提出個人淺顯的看法，以供探討。
    ２、防滲標(biāo)準(zhǔn)
    目前水庫除險(xiǎn)加固工程，運(yùn)行年代大多在３０～４０年，經(jīng)長年的自然淤積，其淤積厚度往往達(dá)十米，甚至十多米。淤積層的本身就是一種水平鋪蓋，有一定的防滲作用。尤其在壩前，淤積顆粒較細(xì)、滲漏系數(shù)Ｋ值達(dá)到１０－３～１０－４ｃｍ/ｓ數(shù)量級，防滲作用較好。在有些水庫中，雖然壩基砂卵石層透水性較強(qiáng)，但也未出現(xiàn)問題。在對砂卵石灌漿防滲設(shè)計(jì)中，應(yīng)適當(dāng)考慮淤積層的防滲作用，對淤積層較厚的水庫經(jīng)計(jì)算后，可不采取防滲措施或采用局部水平鋪包，而對有些淤積防滲性能較差或厚度不能完全達(dá)到卵石層高度的工程，一般采用垂直防滲，而灌漿就是最常見的一種方式。對中小型工程其設(shè)計(jì)防滲標(biāo)準(zhǔn)可適當(dāng)放寬，建議標(biāo)準(zhǔn)為５～８Ｌｕ，甚至更大；這樣便于施工、節(jié)約投資、亦可達(dá)到防滲之目的。
    ３、先導(dǎo)孔施工問題
    一般要求每單元設(shè)一先導(dǎo)孔，以校核和補(bǔ)充勘探資料。壩基巖石灌漿規(guī)范中對先導(dǎo)孔施工，要取巖石和分段進(jìn)行壓水試驗(yàn)，分段灌漿。有的地方依此認(rèn)為先導(dǎo)孔必須自上而下取巖心和分段做壓水試驗(yàn)。不許中途灌漿，擔(dān)心灌漿會影響下部水文資料的真實(shí)性的可靠性。筆者認(rèn)為：先導(dǎo)孔也是灌漿孔，首先要保證先導(dǎo)孔能安全施工，在施工過程中遇到地層坍塌，掉塊等情況時可在取得該段水文資料后，進(jìn)行灌漿，以保證孔內(nèi)安全。
    ４、鉆孔
    ４．１鉆孔孔徑
    砂卵石壩基帷幕灌漿，上部均覆蓋有壩體填土，下部砂卵石厚度如果較厚，開孔口徑可適當(dāng)大些如?１１０ｍｍ，鉆進(jìn)砂卵石時，可用?９１ｍｍ和?７５ｍｍ，這可為處理孔內(nèi)事故留有技術(shù)孔徑，如砂卵石厚度不大，可以?９１ｍｍ開孔，?７５ｍｍ終孔。
    ４．２關(guān)于套管的使用與選取
    施工中，在壩體填土的非灌段均要下入一定數(shù)量的套管，全孔灌漿結(jié)束需全部提拔。在實(shí)際施工中，下入孔內(nèi)的套管因漿液上串、擴(kuò)散、凝固，起拔套管難于實(shí)施。往往采取割、反套管方法，但大部分套管仍無法起拔。而套管鋼材大部為Ｄ３５、Ｄ４０鋼材，價格昂貴，每米成本在８０元左右。根據(jù)本人施工實(shí)踐，參照國外經(jīng)驗(yàn)，建議對套管工藝進(jìn)行改進(jìn)。首先，用工程塑料取代地質(zhì)管材，如下入優(yōu)質(zhì)ＰＶＣ管材，這既可滿足施工工藝要求，又使得成本大大降低。每米Ф１１０優(yōu)質(zhì)ＰＶＣ管材成本僅１０元左右。其次，套管在灌漿結(jié)束后，保留下來，不起拔，還有如下作用：
    （１）如果經(jīng)檢查，個別單元需補(bǔ)灌，可利用原孔繼續(xù)注漿，以減少土層鉆進(jìn)的工程量。
    （２）若干年后，如防滲帷幕發(fā)生問題，需要處理，原孔仍可利用。
    （３）保留套管的灌漿孔可作為大壩滲流或水位觀測，長期使用。節(jié)省部分滲流觀測和水位觀測網(wǎng)的費(fèi)用。
    經(jīng)過多年運(yùn)行，大壩壩體沉降趨于穩(wěn)定，保留套管，不會對壩體穩(wěn)定、滲流安全諸方面產(chǎn)生不良影響。法國水利專家戴維斯·莫勒先生介紹，國外對此方法已普遍采用，證明是可行的。但要強(qiáng)調(diào)，如不提拔套管則必須對孔口進(jìn)行保護(hù)性處理，確保鉆孔的安全和可繼續(xù)使用。
    ５、灌漿問題
    ５．１灌漿前鉆孔沖洗
    砂卵石地層，本身有一定的孔隙度，地層中充填物同時起到穩(wěn)定地層的作用。如果沖洗鉆孔（尤其是清水沖洗）易使地層塌陷，鉆孔坍塌，不利灌漿施工。另外，砂卵石地層灌漿一般為水泥＋粘土的混合漿液，泥漿鉆進(jìn)時殘留在孔內(nèi)的粘土漿液，一般不會和灌漿介質(zhì)發(fā)生離析，在一定的壓力和流速攪動下，會和漿液混合、凝結(jié)，形成帷幕，不必進(jìn)行鉆孔沖洗。為防止孔內(nèi)泥砂、沉淀密度過大阻礙漿液的充填，可在鉆至段底后，用較稀的新漿，將孔內(nèi)漿液置換出來，并使孔內(nèi)沉積巖屑呈懸浮狀態(tài)，以保證灌漿時混合漿液的充分混合擴(kuò)散。
    ５．２灌漿壓力的確定
    灌漿壓力是保證帷幕質(zhì)量的重要保證。壓力的確定應(yīng)遵循以下原則：
    （１）保證一定濃度的漿液有適當(dāng)?shù)臄U(kuò)散范圍及帷幕的設(shè)計(jì)厚度。
    （２）使地層不發(fā)生壓裂，壩體不被抬動破壞。
    （３）在形成可靠的帷幕的同時，使?jié){液擴(kuò)散要控制在一定的范圍。
    砂卵石層，因其孔隙大都相互貫通，不能形成密閉的空腔，使較大壓力無法建立，不能簡單地套用壩基巖石灌漿的方法。根據(jù)地層平衡的理論，灌漿最大壓力為地層壓裂的臨界壓力值，可用下式表示
    Ｐ＝Ｋ、Ｈ、γ
    式中Ｐ——灌漿最大壓力；
    Ｋ——巖石的內(nèi)聚力；
    Ｈ——地層厚度（即孔口至受灌段距離）；
    γ——地層密度。
    也可用水頭來控制，即灌漿壓力為壩前最大水頭壓力的１．５～２．０倍。施工時可采用分排分序定壓力，如三排孔時，Ⅰ序排（下游排），壓力可取小值；Ⅱ序排（上游排）可適當(dāng)增加，中間排施工時，因上、下游已形成帷幕邊界，可以增大壓力。
    壓力過大，漿液擴(kuò)散范圍過大，不符合經(jīng)濟(jì)灌漿的要求，造成不必要的浪費(fèi)，甚至給工程造成嚴(yán)重危害。
    ５．３漿液濃度和漿液變換
    壩基巖石灌漿中推薦７個比級，即５：１、３：１、２：１、１：１、０．８：１、０．６：１、０．５：１就砂卵石層灌漿而言，應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整、簡化。１：１、０．８、０．６即可，這主要基于兩個方面考慮，其一，砂卵石地層孔隙率大，透水性能良好，過稀的漿液擴(kuò)散過大，造成浪費(fèi)，且灌漿難以結(jié)束，其二，砂卵石灌漿漿液均為水泥＋粘土＋添加劑的混合漿液。經(jīng)現(xiàn)場試驗(yàn)０．６：１摻土量為５０％的漿液，其稠度過大，難以泵送。如加入速凝劑，其流動性能更差，現(xiàn)場根本無法進(jìn)行施工，而一定濃度漿液所形成的帷幕強(qiáng)度和其耐久性會更好一些。
    ＳＬ６２／９４及ＤＬ/５１４８／２００１水工建筑物水泥灌漿施工技術(shù)規(guī)范有關(guān)漿液變換有３條原則，砂卵石層灌漿因其孔隙大，吃漿量大，單耗往往數(shù)百公斤甚至１ｔ以上。開灌時如按規(guī)范６．５、６．２條執(zhí)行，則一個比級灌注僅幾分鐘，注入灰量僅幾十公斤，這對５ｍ長灌段，每米僅十幾～二十幾公斤，幾個比級累計(jì)，單耗亦不到１００ｋｇ。對初次充填地層孔隙，意義不大。一般來說，如地層孔隙大，初次灌漿應(yīng)充填受灌漿范圍孔隙１/２～２/３，那么在一次或兩次續(xù)灌后，即可結(jié)束該段。所以對此要根據(jù)灌漿試驗(yàn)情況確定漿液變換，第一次灌漿，幾個比級相加水泥單耗量應(yīng)在試驗(yàn)值單耗１/２～２/３之間，即每個比級不能局限于３００Ｌ和３０Ｌ/ｍｉｎ，這樣才能盡快地達(dá)到設(shè)計(jì)壓力和盡快結(jié)束。
    ５．４速凝劑的選擇
    灌漿施工中，一般砂卵石層吃漿較大，故要求灌漿時多間歇、待凝、復(fù)灌、摻入適量的速凝劑，如水玻璃、氯化鈣等。待凝時間（２～６ｈ）根據(jù)具體情況而選擇，如注入量６０Ｌ/ｍｉｎ以上且不起壓，可待凝５～６ｈ，如在２０Ｌ/ｍｉｎ左右，且有一定壓力，可縮短至２～２．５ｈ。
    ６、關(guān)于檢查孔的施工
    ６．１檢查孔施工時間
    混合漿液摻入一定比例的粘土，粘土的吸附水分子的能力很強(qiáng)，而釋放水時比較緩慢，尤其在飽水情況下，水泥、粘土漿液形成結(jié)石比較緩慢，經(jīng)我們現(xiàn)場試驗(yàn)，摻入５０％粘土的漿液，比純水泥液終凝時間要延長５～８倍。因此，檢查孔應(yīng)該在該單元完成１個半月至２個月后施工，這樣結(jié)石才有一定的強(qiáng)度和不易被擾動破壞，能真實(shí)反映出其透水性。
    ６．２關(guān)于檢查方法
    砂卵石層灌漿施工方法和壩基巖石灌漿有著極大的區(qū)別，不能簡單套用ＳＬ６２／９４或ＤＬ/Ｔ、５１４８／２００１水工建筑物水泥灌漿施工技術(shù)規(guī)范中的檢查方法，可采用注水試驗(yàn)方法來判定帷幕透水性。
    綜上所提出的幾個問題，供從事水利事業(yè)的同仁們共同探討，以使壩基砂卵石灌漿施工水平有所提高。并期待有關(guān)規(guī)范能夠早日制定。