郝永志

(新疆水利水电勘测设计研究院有限责任公司，新疆 乌鲁木齐 830000)

大石门水库工程是国务院确定的172项节水供水重大水利工程和2015年国家新开工的27项重点水利工程之一[1]，工程位于新疆且末县境内的车尔臣河上，坝址位于车尔臣河与托其里萨依河汇合口下游300m处。在左岸古河槽内沉积了深厚的砂卵砾石层，为中等透水地层。下部地层架空结构占该地层15%，为强透水地层。从类似工程灌浆施工经验看，一般部位虽具有一定的透水性，但采用常规工艺进行灌浆，可灌性较差，常常存在吃水不吃浆的现象，难以达到防渗设计标准，致使防渗帷幕遗留抗渗透薄弱环节，取得适宜的灌浆效果存在较大的技术难度[2]。为了摸索出一套适合于大石门水库工程古河槽238m深厚砂卵砾石层的灌浆施工工艺，2016年10月15日至2016年12月25日进行了现场帷幕灌浆试验[3]。

1 试验区工程地质条件

地面上部出露的岩性为第四系上更新统砂卵砾石，厚34～38m，根据地勘资料，上更新统的冲积砂砾石层的天然密度平均值为2.25g/cm3，干密度平均值为2.21g/cm3，结构密实，原位注水试验平均值为1.0×10-3cm/s，为中等透水地层；下部为深厚层中更新统的冲积砂砾石层，泥质半胶结，此段层厚20～254m，天然密度为2.14g/cm3，干密度为2.12g/cm3，含水率1.0%，根据原位渗透试验，渗透系数为3.73×10-3cm/s，为中等透水地层[4]。架空结构占该地层15%，架空结构渗透系数为1×10-2cm/s，为强透水地层[5]。

2 帷幕灌浆施工工艺研究

SL 62—2020《水工建筑物水泥灌浆施工技术规范》[6-8]中推荐的灌浆方法主要有孔口封闭灌浆法、套阀管灌浆法、沉管灌浆法、打管灌浆法、套管灌浆法等[9]。沉管灌浆法、打管灌浆法、套管灌浆法适用于覆盖层较浅的地层，孔口封闭灌浆法[10]、套阀管灌浆法适用于覆盖层较深的地层。

本工程覆盖层较厚，因此灌浆试验采用孔口封闭灌浆法、套阀管法及在两种方法的基础上研制出的新的灌浆方法—填料护壁孔口封闭灌浆法[11]。以期通过3种灌浆方法的现场灌浆试验结果找出一种适宜于大石门水库工程238m深厚砂卵砾石层的灌浆方法。

2.1 孔口封闭灌浆法

采用XY-42地质钻机配Φ50mm钻杆、Φ73mm加长钻具(4.7m)以膨润土泥浆护壁方式进行分段钻孔、灌浆。当孔深钻灌至70m以后，或在灌浆过程中灌浆管活动困难时，以1～1.5寸聚乙烯软管替代钻杆作为灌浆管进行孔口封闭法灌浆，直至终孔；当孔内注入率大于30L/min时，每隔40min打开回浆闸阀并将灌浆泵的排浆量调大后，对孔内浆液通道进行大流量循环冲洗，防止孔道内沉淀浆液而造成孔内铸管事故。

2.2 套阀管灌浆法

(1)钻孔：采用KR806-3D型跟管钻机配Φ146mm套管跟进造孔技术，最大钻孔深度达100m。

(2)套阀管制作：采用Φ89mm焊缝管制作单根长6m的钢花管，各节钢花管上、下端分别焊接采用Φ89mm地质管加工成的螺纹连接头，通过螺纹连接组成套阀管。

(3)灌注填料及埋管：钻孔终孔后，分别采用了先下设套阀管后灌注填料、先灌注填料后下设套阀管两种埋管方式；灌注填料分别采用了1∶2∶5、1∶2.2∶4.5(水泥：膨润土：水)两种配合比。

(4)开环、灌浆：填料待凝3d以上后，以2～4环出浆孔作为一个灌浆段长，采用长1.5m的单灌浆塞阻塞、纯压方式进行自下而上分段开环、灌浆。第一段灌浆结束后将单灌浆塞向上起抜一段，用清水冲洗灌浆管道至孔口返清水，再通过手摇泵加压将单灌浆塞阻塞密实后，进行第二段开环、灌浆，如此循环，直至最后一段灌浆完成。

2.3 填料护壁孔口封闭灌浆法

本方法为灌浆试验中的一种创新的灌浆方法，采用“一钻成孔+全孔灌注填料+待凝后分段扫孔、孔口封闭灌浆”的钻灌方式，将套阀管灌浆法与孔口封闭灌浆法的优点进行有机结合，消除了深厚覆盖层钻探灌浆现有施工技术存在的弊端，解决了钻灌施工中易发生卡钻、铸管等孔内事故的施工技术难题，有效地提高了灌浆效果和施工工效。该方法包括以下步骤：

(1)跟管钻机采用Φ89mm钻杆配Φ146mm套管护壁钻进至最大跟管深度；

(2)改用Φ115mm牙轮钻头采用泥浆护壁的方式续钻至终孔深度；

(3)钻孔清孔后向孔内灌注配合比为1∶2∶5(水泥：膨润土：水)的填料至孔口；

(4)起抜套管和向孔内补充填料交替进行，直至套管起抜完毕；

(5)向孔内补注填料至孔口后待凝2d；

(6)钻灌孔口管段后埋设Φ110mm孔口管，并待凝3d；

(7)回转式钻机采用Φ50mm外平接头钻杆配Φ60mm金刚石钻头扫孔至下一灌浆段段底，在冲孔后不提钻以钻杆作为灌浆管进行孔口封闭法灌浆；

(8)分段扫孔、灌浆至100m以后，或在灌浆过程中灌浆管存有铸管风险时，以1寸聚乙烯软管替代钻杆作为灌浆管进行孔口封闭法灌浆，直至终孔。

3 现场灌浆试验成果分析

3.1 灌浆试验区布置

试验I区布设3个灌浆孔，孔距分别为2.0、2.5m，孔深设计：G-Ⅰ-1、G-Ⅰ-3均为75m，G-Ⅱ-2为180m(各孔上部50m均为非灌浆孔段)。采用孔口封闭灌浆法施工。

试验Ⅱ区布设4个灌浆孔，孔距分别为2.0、2.5、3.0m，孔深设计：G-Ⅰ-4、G-Ⅰ-6、G-Ⅱ-7均为75m，G-Ⅱ-5为180m(各孔上部50m均为非灌浆孔段)。其中，G-Ⅱ-7为后续增补试验孔。采用套阀管灌浆法、填料护壁孔口封闭灌浆法、综合灌浆法施工。如图1所示。

图1 一期灌浆试验区孔位布置图

3.2 钻孔情况统计分析

孔口封闭灌浆法G-Ⅰ-1、G-Ⅱ-2、G-Ⅰ-3等3个试验孔均采用73mm金刚石钻头泥浆护壁钻进，钻进过程中出现了不同程度的失浆情况(见表1)。3个试验段(1—3号)在钻进50～75m孔深段时的护壁泥浆耗灰量分别为3005、3562、5250kg。3个试验孔的钻孔失浆分布层次多，且随着孔深的增加，失浆情况呈现层次增多的趋势。从3个孔在钻进50～75m孔深段时的护壁泥浆耗灰量分析，随着灌浆孔按序依次进行，并未显示出护壁泥浆漏失量有减小的趋势，表明前序孔的浆液扩散半径有限，未对后序孔灌浆范围形成影响。

表1 钻孔情况统计表

套阀管灌浆法(G-Ⅱ-5，139～180m)和填料护壁孔口封闭灌浆法G-Ⅱ-7孔深段地层钻孔护壁泥浆漏失量大于0～76m孔深段，表明深孔段地层的可灌性大于浅孔段地层。

3.3 灌浆水泥、膨润土注入量统计分析

(1)采用孔口封闭灌浆法的灌浆试验Ⅰ区的水泥、膨润土注入情况统计见表2。从统计表可见：Ⅰ序孔的单位注入量分布频率最高的是<300kg/m区段(58.8%)，Ⅱ序孔则是300～1000区段(61.1%)，表明灌浆压力的提升对灌浆单位注入量有一定的影响。1号、3号、2号各孔在50～75m灌浆段的单位注入量分别为270.57、317.39、428.13kg/m，随着灌浆孔按序依次进行，并未显示出灌浆单位注入量有减小的趋势，而是随着灌浆压力的增大单位注入量呈现增大的趋势，表明前序孔的浆液扩散半径有限，未扩散进入后序孔的灌浆范围而形成相邻孔间的有效搭接。

表2 试验Ⅰ区浆液单位注入量统计表

(2)采用套阀管法灌浆法的灌浆试验Ⅱ区的水泥、膨润土注入情况统计见表3。从统计表可见：4号、5号、6号单位注入量分布频率最高的均是<300kg/m区段，而采用填料护壁孔口封闭灌浆法的7号孔则是300～1000kg/m区段，表明在该地层条件下，采用孔口封闭灌浆法较套阀管灌浆法的灌注效果要好。

表3 试验Ⅱ区浆液单位注入量统计表

4号、6号、5号、7号各孔在50～75m灌浆段的单位注入量分别为187.6、132.6、123.22、496.66kg/m，随着灌浆孔按序依次进行，灌浆单位注入量的变化不明显，而采用填料护壁孔口封闭法灌浆的7号孔较之前灌浆的3个孔的单位注入量显著增加，表明前序孔的浆液扩散半径有限。同时，在50～75m灌浆段，灌浆段套阀管灌浆法单位注入量为155kg/m，孔口封闭灌浆法单位注入量为496.7kg/m，也表明在该地层条件下，采用填料护壁孔口封闭灌浆法较套阀管灌浆法的灌注效果要好。

3.4 浆液水固比分级统计分析

(1)采用孔口封闭灌浆法的灌浆试验Ⅰ区灌浆结束按浆液水固比统计频率见表4。从表4中可见，Ⅰ序孔灌浆结束浆液水固比浓度大于2∶1的段次占总段次的41.2%，Ⅱ序孔占50%；采用水泥浆液灌浆结束浆液水固比浓度大于2∶1的段次占总段次的28.6%，采用水泥膨润土浆液占总段次的50%；随着灌浆依次进行，并未显示出灌浆从宽大空隙至细小空隙的渐进过程，表明采用水泥膨润土浆液的灌注效果好于水泥浆液，同时浆液扩散范围有限。

表4 试验Ⅰ区灌浆结束浆液水固比分布统计频率表

(2)采用套阀管法灌浆法的灌浆试验Ⅱ区灌浆结束浆液水固比统计频率见表5。从表5中可见：Ⅰ序孔灌浆结束浆液水固比浓度大于2∶1的段次占总段次的1.7%，Ⅱ序孔占33%(其中95%为填料护壁孔口封闭灌浆法钻灌段)；套阀管灌浆法灌浆结束浆液水固比浓度大于2∶1的段次占总段次的2%，填料护壁孔口封闭灌浆法占83%；随着灌浆依次进行，并未显示出灌浆从宽大空隙至细小空隙的渐进过程，表明浆液扩散范围有限。同时，表明在该地层条件下，采用填料护壁孔口封闭灌浆法较套阀管灌浆法的灌注效果要好。

表5 试验Ⅱ区灌浆结束浆液水固比分布统计频率表

4 结语

在试验段地层中，分别采用孔口封闭灌浆法、套阀管灌浆法、填料护壁孔口封闭灌浆法等灌浆方法均取得了一定的成效，最终认为填料护壁孔口封闭灌浆法这种新的灌浆方法对该地层的灌浆效果最为有效。填料护壁孔口封闭灌浆法是在有效地结合孔口封闭灌浆法与套阀管灌浆法优点的基础上创新而成，施工工艺简单、便捷，钻孔工效较高，灌浆工效高，施工成本适中，且在深孔段采用聚乙烯软管作为灌浆管的措施后，能有效降低铸管事故风险，较好地达到了灌浆试验的期望目标，该灌浆法适合用于该地层帷幕灌浆施工。