關于壩基砂卵石地層灌漿施工幾個問題的探討

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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行了闡述，并對普遍存在的幾個主要環(huán)節(jié)和問題進行了探討，提出了建議。
    關鍵詞：除險加固；壩基砂卵石層；帷幕灌漿

    １、前言
    近年來，國家對大批上世紀５０～６０年代修建的病險水庫進行除險加固，這批水庫大多為群眾運動時土法上馬修建，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。產生滲漏破壞對水庫的正常運行形成嚴重威脅。對壩基砂卵石層進行帷幕灌漿處理，是除險加固工程的一項重要內容。雖然國內也有砂卵石層灌漿的經驗，但國家尚未有壩基砂卵石層灌漿規(guī)范。給設計、施工帶來了許多問題。
    本人根據在陜西省鳳翔縣白荻溝水庫壩基砂卵石層灌漿實踐和多年從事大壩灌漿工程施工、監(jiān)理經驗，對砂卵石層灌漿施工提出個人淺顯的看法，以供探討。
    ２、防滲標準
    目前水庫除險加固工程，運行年代大多在３０～４０年，經長年的自然淤積，其淤積厚度往往達十米，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、滲漏系數(shù)Ｋ值達到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，但也未出現(xiàn)問題。在對砂卵石灌漿防滲設計中，應適當考慮淤積層的防滲作用，對淤積層較厚的水庫經計算后，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。對中小型工程其設計防滲標準可適當放寬，建議標準為５～８Ｌｕ，甚至更大；這樣便于施工、節(jié)約投資、亦可達到防滲之目的。
    ３、先導孔施工問題
    一般要求每單元設一先導孔，以校核和補充勘探資料。壩基巖石灌漿規(guī)范中對先導孔施工，要取巖石和分段進行壓水試驗，分段灌漿。有的地方依此認為先導孔必須自上而下取巖心和分段做壓水試驗。不許中途灌漿，擔心灌漿會影響下部水文資料的真實性的可靠性。筆者認為：先導孔也是灌漿孔，首先要保證先導孔能安全施工，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，進行灌漿，以保證孔內安全。
    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，開孔口徑可適當大些如?１１０ｍｍ，鉆進砂卵石時，可用?９１ｍｍ和?７５ｍｍ，這可為處理孔內事故留有技術孔徑，如砂卵石厚度不大，可以?９１ｍｍ開孔，?７５ｍｍ終孔。
    ４．２關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，全孔灌漿結束需全部提拔。在實際施工中，下入孔內的套管因漿液上串、擴散、凝固，起拔套管難于實施。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。根據本人施工實踐，參照國外經驗，建議對套管工藝進行改進。首先，用工程塑料取代地質管材，如下入優(yōu)質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ＰＶＣ管材成本僅１０元左右。其次，套管在灌漿結束后，保留下來，不起拔，還有如下作用：
    （１）如果經檢查，個別單元需補灌，可利用原孔繼續(xù)注漿，以減少土層鉆進的工程量。
    （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的費用。
    經過多年運行，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。但要強調，如不提拔套管則必須對孔口進行保護性處理，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，泥漿鉆進時殘留在孔內的粘土漿液，一般不會和灌漿介質發(fā)生離析，在一定的壓力和流速攪動下，會和漿液混合、凝結，形成帷幕，不必進行鉆孔沖洗。為防止孔內泥砂、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，將孔內漿液置換出來，并使孔內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散。
    ５．２灌漿壓力的確定
    灌漿壓力是保證帷幕質量的重要保證。壓力的確定應遵循以下原則：
    （１）保證一定濃度的漿液有適當?shù)臄U散范圍及帷幕的設計厚度。
    （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，漿液擴散范圍過大，不符合經濟灌漿的要求，造成不必要的浪費，甚至給工程造成嚴重危害。
    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，應進行適當調整、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，過稀的漿液擴散過大，造成浪費，且灌漿難以結束，其二，砂卵石灌漿漿液均為水泥＋粘土＋添加劑的混合漿液。經現(xiàn)場試驗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)場根本無法進行施工，而一定濃度漿液所形成的帷幕強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規(guī)范有關漿液變換有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，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，即可結束該段。所以對此要根據灌漿試驗情況確定漿液變換，第一次灌漿，幾個比級相加水泥單耗量應在試驗值單耗１/２～２/３之間，即每個比級不能局限于３００Ｌ和３０Ｌ/ｍｉｎ，這樣才能盡快地達到設計壓力和盡快結束。
    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，而釋放水時比較緩慢，尤其在飽水情況下，水泥、粘土漿液形成結石比較緩慢，經我們現(xiàn)場試驗，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，檢查孔應該在該單元完成１個半月至２個月后施工，這樣結石才有一定的強度和不易被擾動破壞，能真實反映出其透水性。
    ６．２關于檢查方法
    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規(guī)范中的檢查方法，可采用注水試驗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。并期待有關規(guī)范能夠早日制定。