水利工程中灌浆技术的应用

2021-01-06高大鹏

黑龙江水利科技 2021年9期

高大鹏

(阜新市水利局，辽宁阜新 123000)

1 灌浆的分类

灌浆技术是指向地基和结构物缝隙、裂隙、孔洞内注入一定量的能够凝固的浆液，从而改善地基承载力或结构防渗性能的工程技术[1-2]。截至现今，灌浆技术已有近两百年的发展历史，而国内的有关研究相对较晚，我国最早于1950s初才逐渐掌握该工程技术。目前，在水利工程领域灌浆技术的应用日趋成熟，能够有效解决地基、结构等许多无法满足工程要求的问题[3]。

1)按材料分类。依据不同的性能要求有多种可供选择的灌浆材料，结合工程实际合理的选择灌浆材料对预期目标的实现非常重要。目前，水泥粉煤灰浆、水泥黏土浆、黏土浆和水泥浆等为常用的固结灌浆材料。

2)按地层分类。按照不同的地质条件，可以将灌浆体划分成上部土层灌浆、砂砾石基灌浆和岩石基灌浆。

3)按压力分类。考虑所施加的压力情况，将灌浆分为常压和高压两种灌浆类型，前者的灌浆泵所施加压力不超过3MPa，后者的施压力在3MPa以下。

4)按目的分类。根据功能作用和灌浆目的，水利工程中比较常见的灌浆方法有接缝、接触、回填、固结、帷幕等灌浆，依次为坝式、结合式、密实性、面式和线形灌浆。

2 灌浆方式与方法

2.1 灌浆方式

1)纯压式灌浆。这种单向流动灌注形式主要是利用灌浆泵压，将浆液从灌浆桶灌注至裂隙、孔隙、岩层或者土层内，并且能够有效防止回流。纯压式灌浆具有技术难度低、施工操作简便、所需设备简易的优点，但随着时间的推移浆液的流动速度不断变缓，易出现沉淀堵塞灌浆管的情况[4]。因此，这种灌注形式一般适用于灌浆深度不超过15m且裂隙发育完整、吸浆量大的部位。

2)循环式灌浆。循环式灌浆相对于纯压式灌浆所需的压力较小，经灌浆管一部分浆液灌至裂隙、孔隙内，由此可实现灌浆的作用；通过回浆管其它多余浆液则回流至储浆桶，经灌浆泵输送至灌浆孔形成灌浆循环流动系统。循环式灌浆能够保持浆液始终处于流动状态，明显提高灌浆效率，并大大降低浆液的沉淀以及堵管的发生概率。此外，通过对回流与送浆浆液相对密度的深入分析，能够及时有效的判断浆液吸收状况。

2.2 灌浆方法

以不同的灌浆顺序对同一灌浆孔施工时，将全孔一次灌注法又称为全段一次性灌浆完成法，而分层灌注法是指对同一灌浆孔分层分时间灌注的方法。其中，分层灌注法进一步分为自下而上或自上而下分段灌浆法、封口灌注法、综合灌注法等，具体如下：

1)全孔一次灌注。该灌浆方法一般适用于灌浆深度不超过6m、灌浆场地基岩较为完整且施工地质条件良好的工程，具有操作简便、施工简单、技术要求低等优点。

2)自下而上分段灌注法。这种灌浆方法也称为由下至上分层灌注法，这种方式的灌注深度往往较大。若施工质量难以得到有效控制且选用全孔一次灌注难度较大，可以先一次性开挖灌浆孔并符合要求，然后在孔底放置灌浆管道，逐层灌浆施工时必须每隔6m设置一道灌浆塞，直至达到最外层孔口。

3)自上而下分段灌注法。这种灌浆方法也称为由上至下分层灌注法，其主要施工流程与以上方法完全相反，每隔6m自孔口逐层封口灌浆直至孔底。

4)封口灌注法。该施工方法主要是逐层灌浆逐层钻孔，每完成一层钻孔要及时的安装孔口管，按照从上到下的顺序分段钻孔、灌浆，并保证孔口封闭器及时准确的安装到位。

5)综合灌浆法。综合灌浆法是一种全面考虑所有灌浆孔的方法，结合不同的地质条件灌浆孔密度、设置的深度存在差异，在复杂地带必须选择合适的灌浆施工方式。此外，灌浆过程中部分孔还会应用到自下而上或自上而下分层灌注的方法，所以综合灌浆法是一种交叉的施工方法。

3 灌浆施工

3.1 帷幕灌浆

帷幕灌浆的施工流程主要有质量检查、浆液灌注、孔洞清洗、压水试验、开孔布设等，具体如下：

1)灌浆孔开孔与布设。工程中，硬度强的合金或者金刚石钻头加回转式钻机属于灌浆孔开孔与布设常用的施工设备，孔径一般不大。灌浆孔布设时要符合相应的质量要求，控制设计孔位与实际布孔偏差不超过10cm；开孔深度、灌浆孔孔壁要符合设计标准，孔向准确且孔壁平整。

2)灌注前压水试验。正式开工前灌浆体裂缝或已布设的灌浆孔可能会出现塌陷、堵塞的现象，灌注之前通常需要利用水流冲洗清理，并保证灌浆时灌浆孔沉积的杂物厚度不超过0.2m。清洗灌注体裂隙时需用压力水冲洗，控制压力不超过1MPa，一般为灌浆压力的80%，清洗至回水清澈。

3)灌浆方法。帷幕灌浆施工时一般利用循环式灌浆，为了确保帷幕灌浆质量较少选用纯压式灌浆，合理控制每层灌浆长度≤5m，施工过程中可以结合实际情况适当的调整，调整幅度不超过±5m；控制孔底与射浆管距离≤0.5m，以保证上层孔壁不受射浆破坏。采用从上至下分段灌浆法时需要先灌注至层底高程0.5m以上，并将其作为灌浆塞封塞位置，以减少漏灌发生概率。帷幕灌浆必须按照加密内插的灌注程序，单排灌注时要先布设导孔P，然后在两个导孔中间按分序加密内插的方式内插1个Ⅰ序灌注孔；同理，在Ⅰ序孔与先导孔P中间内插一道Ⅱ序孔，在Ⅱ序孔、Ⅰ序孔、先导孔P中间内插一道Ⅲ序孔[5]。若选用三排或两排灌注法，应遵循先两边后中间、先下游后上游的灌注原则。

4)灌浆压力。工程中，可以利用以下几种方法确定帷幕灌浆压力。①通过现场打设检查孔、灌浆孔和定水头灌水试验来确定，以每分钟注水量、水表读数、压水时间间隔、钻孔直径、试验段长等参数确定；②引入流量Q、试验段长度L、透水率Lu、灌浆压力P，利用公式P=Lu×L/Q确定；③结合施工经验经适当的调整，确定符合工程实际的灌浆压力。

遵循先稀后浓的原则合理设计灌浆浆液浓度，以5∶1作为初始浆液水灰比，水灰比浓度随灌浆过程的持续不断增加至0.5∶1。然而，在压力不断增加入浆率不变或入浆率不断减少灌浆压滤不变的情况下，应保持水灰比不变；若某浓度浆液灌注时长超过1h或者入浆量超过300L，但入渗率与灌浆压力无明显变化时要增加浆液浓度；入浆率>30L/min时可适当增加浆液浓度。以细水泥将制作灌注浆液时，调整浆液浓度时不宜出现过大的变化幅度。

5)封孔方法。在试水试验确定灌浆压力以及自上而下分段帷幕灌浆时，维持灌浆作业1h且入浆率0.4L/min以下的情况下可停止灌浆；此外，维持灌注作业1.5h且入浆率1L/min以下的情况下也可停止灌浆。

在试水试验确定灌浆压力以及自下而上分段帷幕灌浆时，维持灌注作业0.5h且入渗率在0.4L/min以下的情况下可停止灌浆；同时，维持灌注作业1h且入渗率在1L/min以下的情况下可停止灌浆。

6)质量检查。总体上，可以从两个方面入手检验检测灌浆施工质量。①依据施工过程数据记录分析施工分序、时间控制、灌注量、灌浆压力值情况，合理判断是否达到停灌标准；②采取压水试验检查施工质量，以总灌浆孔的10%作为布设的检查孔数，将检查孔设置在非正常地带、地质条件复杂的断层或破碎带、帷幕灌浆的中心线上。在完成灌浆施工的15d后按照规范流程开展检查孔压水试验，有五点法或单点法两种形式[6]。

3.2 化学灌浆

1)化学灌浆的特点。化学灌浆的浆液相对于其他灌浆材料其浆液存在一定的特点。①浆液的凝聚时间可通过配比调整有效地控制，所以具有较好的控制性；②浆液黏度低、混合均匀，其较好的流动性比较适用于微小缝隙的灌浆，化学灌浆可以适用于0.1mm以下的缝隙；③凝聚后的化学浆液可以形成渗透系数小、耐久性强、稳定性高、有机花合体强大的结构，具有明显的防渗效果，比较适用于较高防渗要求的工程。然而，以高分子有机化合物为主要成分的化学浆液存在一定的毒性，一般适于环保要求的区域。

2)化学浆液类型。一般地，常见的化学浆液有MMA类、EP类、PU类、XT类、C3H5NO类、Na2SiO3·9H2O类等类型。

3)灌浆工序。总体上，帷幕灌浆施工工序与化学灌浆基本相同，具体如下：合理布设压水试验所需的试验孔，然后结合设计要求布设灌浆孔，干燥处理裂缝并清理存在的渣土，最后埋设回浆与灌浆管道，完成灌浆口注水以及封口操作。

4)灌浆方法。根据不同的配置方式，可把化学灌浆划分成纯液和混合液两种灌浆方式。其中，纯液灌浆是指分开存放、单独运输、按设计配比分别泵送两种浆液，并在灌浆孔孔口均匀混合后泵送至预定灌浆孔段的方法。该方法具有复杂的施工过程，但能够对浆液比例实时调整，所以具有较强的适应性。混合灌浆是指按预先设定的配比，在储浆桶内均匀混合并泵送至设定灌浆孔段的方法。该方法具有浆液配比准确、施工操作方便等优点，但要及时的输送已调配好的浆液，否则时间过长就会形成聚合导致无法灌浆。此外，对浆液比例进行调整时，该方法利用余浆调整难度较大。

5)压送方式。由于具有一定的聚合时间，化学灌浆不宜选用循环式灌浆，工程中大多选用纯压式灌浆，一般有泵压和气压两种输送方式。气压输送比较适于浅孔混合液灌浆，其压力相对较稳但压力整体较低；与气压输送相比，泵压输送存在较大的浆液压力，对于深孔混合液灌浆具有较强的适用性。

3.3 固结灌浆

1)施工工艺。一般地，固结灌浆包括纯压式、循环式两种方式，且总体上固结与帷幕灌浆存在相似的工艺流程。

2)技术要求。固结灌浆孔的布设有三序或两序两种方式，布设过程中要符合分序加密内插的原则。分段灌浆或从上至下分段钻进的方法一般适用于有特殊施工要求、地质条件差、压水试验要求灌浆压力≤3MPa或者灌浆孔深超过6m的灌浆，而全孔一次灌浆多适用于灌浆孔基<6m的部位，灌浆孔能够实现一步到位。灌浆前，可用80%的灌浆压力(≤1MPa)冲洗裂隙，压水试验孔数取灌浆总孔数的5%，以灌浆量<0.4L/min并持续灌注0.5h作为灌浆结束的标准。在完成固结灌浆后要严格控制时间，并注重质量检查工作。灌浆结束27d、14d、3-7d时要实施静弹性模量、岩体波速、压水试验，以合格率≥80%作为压水试验质量控制标准，灌浆孔不合格孔段要尽量保持分散，并且不超过设定值的50%。