刘兵正

（内蒙古水利水电勘测设计院，010000，呼和浩特）

大孔隙地层控制性套阀管帷幕灌浆法的设计与应用

刘兵正

（内蒙古水利水电勘测设计院，010000，呼和浩特）

传统套阀管法对于级配良好的天然覆盖层效果很好，但在大孔隙或孔隙存在一定流速动水时，灌浆稀释效果变差。简述了将高触变抗水膏浆引入套阀管中，对套阀管法进行了改进，形成了大孔隙地层控制性套阀管法施工技术，同时对大坝应用大孔隙地层控制性套阀管法帷幕灌浆进行防渗处理，并取得了良好效果。

大孔隙地层；套阀管法；高触变抗水膏浆

大孔隙地层(覆盖层强渗失地层、基岩大裂隙地层、断层破碎带、岩溶地层等)的灌浆是基础工程施工中经常遇到的一个难题。通常使用水泥—水玻璃浆液灌浆、膏状浆液灌浆、模袋灌浆等主要方式。

套阀管法又称花管法、预埋花管法、袖阀管法或索列丹斯（Soletanche）法，是覆盖层帷幕灌浆和软基加固中常用的方法之一。其通常的做法是首先钻出灌浆孔，在孔内下入特制的带有孔眼的灌浆管（花管），灌浆管与孔壁之间填入特制的“填料”，然后在灌浆管里安装双灌浆塞分段进行灌浆。

工程实践证明，套阀管法对于级配良好的天然覆盖层效果很好。但是，当地层中存在大孔隙或孔隙中存在一定流速的动水时，套阀管法易受稀释而效果变差。为此，我们借鉴某工程的实践，将其进行改进，通过将高触变抗水膏浆引入套阀管法中，形成了大孔隙地层控制性套阀管法施工技术，并在工程中取得较好效果，本文对此进行了简述。

一、套阀管法简介

1.套阀管法的实施步骤

套阀管法实施过程可分为四个步骤（见图1）：一是跟管钻进钻孔，在跟管内下入特制的带有孔眼的灌浆管（花管）；二是在花管与跟管之间灌入特制的“填料”（亦称“夹圈料”），并同步起拔跟管，使夹圈料在花管周边一定范围的地层内凝结，固定花管并防止灌浆过程中浆液上窜；四是在花管内安装双灌浆塞分段进行灌浆，浆液首先突破花眼外部的橡胶环，而后穿透夹圈料，对周边地层进行灌浆。

2.套阀管法的特点

套阀管法主要有两个特点，一是精准定位，二是两道限制。

（1）精准定位

套阀管法灌浆在花管内进行，无塌孔之忧，在采用双液塞下可任意选择自下而上或自上而下灌浆方式，也可以先灌全孔中的任何一段，或对某一段进行多次复灌，具有很强的针对性和灵活性，并利于保证灌浆质量。

（2）两道限制

套阀管法灌浆时，浆液需要突破止浆环和夹圈料两道防线后才能进入原始地层，因此在开灌时往往首先用清水或稀浆进行开环，而后再灌注水泥浆或水泥黏土浆。为保证浆液能够顺利进入原始地层并进行有效充填，很少使用流动性较差的膏状浆液和凝结速度较快的水泥—水玻璃双液进行灌注。

图1 套阀管灌浆实施步骤

二、大孔隙地层控制性套阀管法灌浆技术的提出

从本质上说，套阀管法是一种控制性灌浆，其控制方式是使浆液通过花管和夹圈料进入原始地层之中。在这种认识下，套阀管法下只使用普通水泥浆或普通黏土浆已形成了技术设计中的定势。如果地层级配不好，存在较大空隙时，特别是其中还存在动水时，则灌入的水泥浆和水泥黏土浆极易被稀释而流失过远，既降低了效果，又增大了工程成本，甚至因无法实现有效填充而导致灌浆失败。

与套阀管法相对应的覆盖层灌浆法是孔口封闭法 （或称循环钻灌法）。该方法的主要特点是钻一段、灌一段、扫一段，再钻灌下一段，针对施工中存在的塌孔多、效率低、耗浆量大等固有缺陷，广泛采用了水泥膏浆或水泥—水玻璃双液浆等控制性较好的浆液，一定程度上缓解了上述问题，降低了工程成本，最终取得良好效果。

显然，如果能将内聚力较大或凝结时间较短的特殊浆液引入套阀管法工艺中，将可利用套阀管法钻灌分开，精准定位，两道屏障的控制性灌浆工艺和控制性灌浆材料结合到一起，形成完整的大孔隙地层灌浆系统解决方案和技术体系。高触变抗水膏浆则有效地解决了这一问题。

图2 高触变抗水膏浆的“盖帽”效果

三、高触变抗水膏浆简介

高触变抗水膏浆是一种特殊的水泥基浆材，具有“一搅就稀，一停就稠”的高触变特性，且可在0.2m/s的动水流速下保持整体性，具有一定的抗水能力。其基本情况如下：

1.材料构成和典型配比

高触变抗水膏浆由两种组分构成，一是普通水泥浆，水灰比0.6∶1～ 0.8∶1；二是高触变抗水膏浆外加剂，掺量0.5%～1%（水泥重量比）。

2.性能指标（20℃标准条件）

一是浆液密度，在1.71g/cm3左右。

二是流动性。初始搅拌与成浆，在搅拌状态下，高触变抗水膏浆的流动性变化有稀—稠—稀的特征，一旦停止搅拌，其流动性迅速减小，直至成为一个稠度很高的整体；后续搅拌，再次启动搅拌时很快变稀，停机后流动性下降，整体性提高，但二次搅拌后，抗水性和整体性明显减弱，即抗水性随搅拌时间延长呈螺旋式下降趋势；由于触变性很强，高触变抗水膏浆的流动性随时间变化加快，用常规的漏斗黏度、流动度和旋转黏度计均难以准确表征。

三是稳定性。高触变抗水膏浆不是稳定性浆液，在静止状态下会缓慢泌水，泌水率多在3%～6%，水灰比率高者可达10%。

四是抗水性。在无压抗冲法（2 000 mL量筒法）下，高触变抗水膏浆的抗动水流速可达0.2～0.5 m/s，甚至可以达到盖帽的效果（见图2）。

五是失流与凝结时间。高触变抗水膏浆的失流时间为0.5～4min，初凝和终凝时间分别为8∶27和10∶10。

六是结石性能。3d和28d抗压强度分别为11.8 MPa和22.7MPa，无收缩性，耐久性良好。

3.适用条件

当裂隙或孔隙比较宽大，采用0.5∶1和普通膏浆结束不了，地下水流速又比较小时（0.2 cm/s以内）时，高触变抗水膏浆的作用最为明显；当地下水流速较高时（0.2～0.5 m/s）时，通过适当加大抗水膏浆的注入率，也可以取得较好效果。

4.工艺措施

（1）制浆工艺

高触变抗水膏浆应当采用低速制浆，转速不得超过200 r/min，最好控制在100 r/min以内。工程中有两种方式，一是像普通膏浆一样设置专用搅浆设备，二是采用慢速双桶搅拌机直接制浆。

从工程实践看，无论采用哪种方式，高触变抗水膏浆的制浆时间均在10min左右。由于浆液的抗水性随搅拌时间延长而螺旋形下降，因此浆液应就近配制，尽快灌浆。

（2）灌浆设备

高触变抗水膏浆可用普通双缸或三缸柱塞泵直接灌浆，无须另外增加设备。

（3）灌浆工艺

高触变抗水膏浆宜采用纯压式灌浆，亦可采用循环式。由于高触变抗水膏浆不是稳定性浆液，因此不能以高触变抗水膏浆直接结束灌浆，而应以普通水泥浆结束。

四、大孔隙地层控制性套阀管法帷幕灌浆要点

大孔隙地层中套阀管法帷幕灌浆技术的核心是将套阀管灌浆技术与高触变抗水膏浆技术进行对接。灌浆孔宜至少布置三排，孔排距不宜大于2 m。单一孔段实施要点如下。

钻孔：大孔隙地层很不均一，跟管钻进须按工程实际情况，有针对性地使用偏心钻具和同心钻具，并对管靴、跟管连接等薄弱部位进行强化措施，以减少事故率，提高工效。

花管系统：高触变抗水膏浆虽然流动性比普通水泥浆好得多，但仍比0.5∶1水泥浆稍稠一些，因此需要对花管进行调整，如扩大花眼和灌浆塞出浆口直径等。

夹圈料：高触变抗水膏浆的穿透能力弱于水泥浆，因此应对夹圈料的范围进行限制，避免夹圈料在大孔隙中扩散太远而影响灌浆效果。

浆液：高触变抗水膏浆为首选，并以其为基础进行工艺设计。

灌浆工艺：首先采用清水或稀浆开环，而后开始灌浆；灌浆以普通水泥浆为主，水灰比自2∶1或3∶1起步，而后按规定进行变浆，直至水灰比降至0.5∶1；在0.5∶1灌入一定量后，可灌性系数未见明显变化，即压力不见明显增加、流量不见明显减少时，可采用高触变抗水膏浆；高触变抗水膏浆的灌注可分为两级，两者的外加剂加量均为0.6%，但水灰比不同，一级可采用0.8∶1，二级可采用0.65∶1。

结束标准：灌浆段必须以普通水泥浆结束并达到设计规定，不得以高触变抗水膏浆结束。

五、大孔隙地层控制性套阀管法帷幕灌浆法在实际工程中的应用

1.工程概况

某水库是某核电厂的水源工程，对保证核电工程的稳定运行具有重要影响。该水库为沥青混凝土心墙堆石坝，心墙位于坝轴线上，心墙上下游侧为含有少量细砂的碎石过渡层，过渡层两侧则为碾压碎石料。2007年8月大坝建成开始蓄水，随即河床段大坝后脚普遍出现渗漏，且随库水位缓慢抬高，渗漏量不断缓慢增大。目前坝后脚沿干砌块石缝隙间普遍出现流水，并出现翻水现象，局部具有承压性。针对大坝当前渗漏情况，为有效解决大坝长期带病运行的现状，对大坝应用大孔隙地层控制性套阀管法帷幕灌浆进行防渗处理。

2.处理范围和工艺选择

大坝渗漏处理范围为坝体坝基一体化灌浆防渗，即在坝顶原沥青混凝土心墙上游侧布置3排垂直灌浆孔，孔距、排距均为1.0 m，梅花型布孔。

该项目覆盖层深厚，坝体堆积料以砂砾为主，颗粒呈不均匀分布，采用传统钻灌施工，钻孔成孔率低，钻孔材料在砂砾层中，磨损严重，导致施工成本增加，进度缓慢，加之浆液灌入量难以控制，很难精准分辨出渗漏部位，每次灌浆重复劈裂灌注上部地层，容易引起地表发生抬动，质量难以得到有效控制。因此覆盖层中采用套阀管法施工工艺，对局部渗漏较大地层则采用高触变抗水膏浆进行灌注，基岩中则进行常规的纯压式灌浆。

3.变浆条件及结束标准

变浆条件：水泥浆的变浆条件参照规范执行。当0.5∶1水泥浆灌注达300 L以上，且压力流量均不见明显改变时改用高触变抗水膏浆（一级），灌注300 L以上仍无明显改变时灌注二级，二级灌注量达600 L仍无明显变化时冲管待凝4 h后复灌。

结束标准：一是高触变抗水膏浆，在规定压力下，单位吸浆量小于2L/min时，继续灌注30 min；二是水泥浆液灌浆，在规定压力下，当注入率不大于1 L/min时，继续灌注30 min。

六、结论

从坝后量水堰的观测数据来看，灌浆前漏水量在700 L/s以上，灌后降至50 L/s以下，下降幅度达90%以上，远低于150 L/s的设计运行要求。

将套阀管法和高触变抗水膏浆结合，形成了大孔隙地层控制性套阀管法灌浆技术，大幅度提高了套阀管法的性价比，值得推广。

大孔隙地层套阀管法灌浆系统性强，为发挥其作用，施工单位的经验十分关键。

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[2]邹德兵，徐年丰，施华堂，等.控制性复合灌浆技术试验研究与应用——以亭子口水利枢纽风化卸荷泡砂岩地层处理为例 [J].人民长江，2012(21).

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责任编辑 轩 玮

Design and application of curtain grouting method with controlling sleeve valve pipe for large-cavity strata

Liu Bingzheng

Sleeve valve pipe method has a well effect in natural cover with good gradation，which is not so satisfied in large-cavity strata as grout dilution.An introduction is made on how to improve method of sleeve valve pipe by introducing high thixotropic water-resistant plaster.Then the construction technology with controlling sleeve valve pipe for large-cavity strata can be applied to grouting engineering which has achieved a good result.

large-cavity strata;method of sleeve valve pipe;high thixotropic water-resistant plaster

TV523

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1000-1123（2016）02-0036-03

2015-04-07

刘兵正，高级工程师。