中国葛洲坝集团市政工程有限公司 湖北宜昌 443000
摘要：本文对古河槽深厚砂卵砾石层防渗处理进行了探索和研究，通过对不同机型的钻孔试验及套阀管与普通灌浆法的对比分析，确定了合适的灌浆材料、钻灌设备与施工工艺。
关键词：大石门水库；深厚砂卵砾石层；灌浆试验；套阀管灌浆法
1.概况
新疆大石门水利枢纽工程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。为此，设计在左岸坝顶高程沿坝轴线方向设570m长灌浆平洞，对古0+000m~古0+570m段砂卵砾石地层采用布设2排帷幕灌浆孔进行防渗处理，孔距为3m，排距为2m，梅花形布置，最大帷幕灌浆深度近200米。孔深按入岩以下5m控制，注浆后透水率q≤3 Lu。
从类似工程灌浆施工经验看，采用常规水泥浆材和工艺进行灌浆，可灌性较差，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。特别是在近200米深砂卵砾石层中进行帷幕灌浆，国内设计与施工经验很少。有很多问题，例如灌浆压力、灌浆方法、灌浆浆材、钻灌工艺等均需要研究解决，所以在主体帷幕灌浆施工前进行现场灌浆试验十分必要。
2.试验的目的
（1）研究深厚砂卵砾石地层的渗透性、可灌性，探求深厚砂卵砾石地层、强渗地层合适的灌浆材料、钻灌设备与施工工艺。
（2）探求合理的施工程序、良好的钻孔孔斜控制工艺、合适的灌浆材料和最优的浆液配合比，对施工中的特殊情况提出合理有效的处理措施等。
（3）开展单孔扩散试验、相邻孔之间的搭接试验，验证设计灌浆参数的合理性，探求合理的布置方式（孔距、排距）、灌浆压力、灌浆分段、浆液配比等技术参数及施工方法，为二期灌浆试验方案的完善提供依据。
（4）测试施工设备在本工程施工中的适应性，测试施工机组配置及工效。
3.试验方案
灌浆试验区分为试验I区、II区，浇筑长20.2m、宽4.2m、厚0.4m的钢筋混凝土施工作业平台，在施工作业平台上设置试验I区（孔口封闭法灌浆试验）、试验Ⅱ区（套阀灌法灌浆试验），沿施工作业平台轴线布设一排灌浆试验孔。
试验I区布设3个灌浆孔，孔距分别为2.0m、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。
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图3-1 灌浆试验区孔位布置图
试验Ⅱ区布设4个灌浆孔，孔距分别为2.0m、2.5m、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。其主要目的为验证套阀管灌浆法、填料护壁循环钻灌法的单孔扩散半径、相邻孔之间的搭接效果、成孔质量。试验孔孔位布置见图3-1。
在试验区上游侧布置2个深4m的套阀管灌浆的开环试验孔，套阀管环距34cm，分别采用配比为1：2：5、1：2.2：4.5的水泥膨润土浆液进行填料灌注，待凝后分别进行单塞、双塞的开环试验。其主要目的是验证套阀管灌浆的填料配比、开环阻塞方式、开环段长及压力。
4.灌浆试验
4.1 套阀管灌浆法开环试验
采用KR806-3D型跟管钻机跟进146mm套管钻孔，在灌浆试验区的上游侧布置2个套阀管灌浆法开环试验孔，孔深4m、孔距2.5m，分别进行单塞开环试验、双塞开环试验。成孔后下设套阀管灌注填料，1：2：5的水泥膨润土混合填料从孔底向上灌注。待凝15天后分别采用液压式灌浆1#试验孔双塞、2#试验孔单塞进行孔内阻塞，通过灌浆泵采用2MPa～6MPa压力，按34cm（单环）、68cm（双环）、102cm（三环）段长划分，将5：1稀浆压入孔内进行开环试验。试验结束之后待凝10天之后，采用机械辅助人工方式，在上游侧进行开环灌后单侧开挖，以便观测、记录填料充填及套阀管开环出浆情况。共计完成套阀管灌浆法钻孔2个、填料灌注及套阀管下设8m，正常开环共计11段次、15环。
4.2 现场灌浆试验
灌浆试验现场施工始于10月5日至12月22日，灌浆试验Ⅰ区完成帷幕灌浆孔3个，共计钻孔348m，灌浆35 段、144米；灌浆试验Ⅱ区完成帷幕灌浆孔4个，共计钻孔407.18m，灌浆122段、226.8米，其中套阀管灌浆98段、孔口封闭灌浆24段。
4.2.1 施工方法
（1）试验Ⅰ区
工艺流程：孔位放样→固定校正钻机→跟管护壁钻孔（跟踪测斜）至50m→埋设孔口管→第一段地质钻机泥浆护壁钻孔→下管阻塞→灌浆→跟踪测斜→下一段钻孔、下管阻塞、灌浆→……直至终孔→验收→封孔。
（2）试验Ⅱ区
工艺流程：
①套阀管灌浆法：孔位放样→固定校正钻机→跟管护壁钻孔（跟踪测斜）至终孔、清孔→终孔验收→灌注填料→套阀管验收后下至孔底→起拔套管、补灌注填料交替进行直至孔口→待凝→逐段开环、逐段灌浆→……终孔验收→封孔。
②综合灌浆法：孔位放样→固定校正钻机→跟管护壁钻孔（跟踪测斜）至100m、清孔→钻孔验收→灌注填料→套阀管验收后下至孔底→起拔套管、孔内补充填料交替进行直至孔口→待凝→逐段开环、逐段灌浆至最后一段→地质钻机泥浆护壁续钻至终孔→灌注填料→待凝并在套阀管管口上焊接法兰盘→逐段扫孔、阻塞、灌浆至终孔……终孔验收→封孔。其中，试验孔G-Ⅱ-5采用此灌浆法。
③填料护壁孔口封闭灌浆法：孔位放样→固定校正钻机→地质钻机泥浆护壁钻孔（跟踪测斜）至终孔、清孔→钻孔验收→灌注填料→待凝并埋设孔口管→逐段扫孔、阻塞、灌浆至终孔……终孔验收→封孔。其中，试验孔G-Ⅲ-7采用此灌浆法。
4.2.2 压力控制
现场灌浆试验进行了岩体劈裂试验，当试验孔段的回浆管口压力达到3MPa时，未出现岩体劈裂现象，结合前期试验按照计入浆柱压力后确定的灌浆压力进行灌浆时可灌性较差的情况，调整并确定了帷幕灌浆试验压力。孔口封闭灌浆法灌浆压力试验参数见表4-1；套阀管灌浆法灌浆压力试验参数见表4-2。
表4-1 孔口封闭灌浆法帷幕灌浆试验压力表（Mpa）
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表4-2 套阀管灌浆法帷幕灌浆试验压力表（Mpa）
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灌浆试验中采用了HT-Ｉ型二参数自动记录仪，由成都中大华瑞科技有限公司研制。
4.2.3 灌浆试验效果检查
为检查灌浆效果，验证设计和施工参数的合理性，以及施工工艺的合适性，在试验孔灌浆结束后，对位于灌浆平洞开挖范围内的灌浆段地层进行灌后开挖、观测。
5、灌浆试验综合成果分析
5.1 套阀管灌浆法开环试验分析
从试验孔开环情况统计表结合开挖后观测的填料充填、套阀管开环出浆情况可见：
（1）采用配合比为1：2：5的膨润土水泥混合填料充填均匀密实，结石具有一定的强度，开环压力在1～3MPa之间，开环流量大于30L/min，满足开环的要求。
（2）1#孔部分出浆孔上的橡皮箍圈发生了位移情况，影响了正常开环，需对橡皮箍圈采取限位保护措施。
（3）2#孔对橡皮箍圈采取了定位环箍限位保护，进行单塞开环情况较好，能达到充分开环的要求，单塞开环是可行的。
（4）采用单塞或双塞方式进行2环同时开环，能达到充分开环的要求。
（5）采用水固比为5：1的稀浆进行开环，能满足充分开环的要求。
5.2 现场灌浆试验分析
5.2.1灌浆试验工程量及完成情况
灌浆试验项目与工程量表
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灌浆试验工程量完成情况表
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5.2.2灌浆试验Ⅰ区分析
（1）钻孔情况统计分析
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。
从具体钻孔情况可见：3个孔的失浆分布深度相近，表明砂卵砾石地层具有的成层性特点。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。
（2）灌浆水泥、膨润土注入量统计分析
1）Ⅰ序孔的单位注入量分布频率最高的是<300kg/m区段，Ⅱ序孔则是300～1000区段，表明灌浆单位注入量跟灌浆压力密切相关。
2）1#、3#、2#各孔在50～75m灌浆段的单位注入量分别为270.57kg/m、317.39kg/m、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。
（3）浆液水固比分级统计分析
从浆液水固比统计中可见，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可灌性好于水泥浆液，同时浆液扩散范围有限。
5.2.2灌浆试验Ⅱ区分析
（1）钻孔情况统计分析
G-Ⅱ-5（139m～180m段）、G-Ⅱ-7等2个试验孔均采用XY-42型地质钻机泥浆护壁钻进，钻进过程中出现了不同程度的失浆情况，从具体钻孔情况可见：139m～180m孔深段地层钻孔护壁泥浆漏失量大于0m～76m孔深段，表明深孔段地层的可灌比大于浅孔段地层。
（2）开环、灌浆压力统计分析
按排序统计，开环压力无明显变化，其中Ⅰ序孔在2.5～6.0MPa之间，Ⅱ序孔在2.5～5.3MPa之间。各孔序灌段灌浆压力均能达到设计压力。
（3）灌浆水泥、膨润土注入量统计分析
1）采用套阀管法灌浆的4#、6#、5#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#孔则是300kg/m～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法更具有可灌性。
2）4#、6#、5#、7#各孔在50～75m灌浆段的单位注入量分别为187.6kg/m、132.6kg/m、123.22kg/m、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，而采用孔口封闭法灌浆的7#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50m～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孔口封闭灌浆法较套阀管法更具有可灌性
（4）浆液水固比分级统计分析
从灌浆结束浆液水固比频率统计中可见：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更具有可灌性。
5.2.3试验Ⅰ、Ⅱ区灌浆资料对比分析
（1）由试验Ⅰ、Ⅱ区的施工成果对比分析可见：在50m～75m的同一灌浆深度，套阀管灌浆法、孔口封闭灌浆法、填料护壁孔口封闭灌浆法的单位注入量分别为155kg/m、308kg/m、496.7kg/m，填料护壁孔口封闭灌浆法较套阀管灌浆法的单位注入量高220%，表明在该地层相同条件下，采用填料护壁孔口封闭灌浆法较套阀管灌浆法更具有可灌性。
（2）由灌浆结束浆液水固比分布统计对比分析可见：采用套阀管灌浆法、孔口封闭灌浆法、填料护壁孔口封闭灌浆法灌浆结束浆液水固比浓度大于2：1的段次占总段次的百分比分别为2%、45.7%、83%，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更具有可灌性。
5.2.4灌后开挖资料统计分析
（1）浆液扩散统计图表
通过对1#～7#试验孔开挖剖面进行观测、记录浆液扩散情况，统计整理形成各孔浆液扩散曲线图进行对比。
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图5-1 1#～7#试验孔浆液扩散曲线对比图
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图5-2 1#～7#试验孔浆液扩散纵剖面示意图
由浆液扩散统计图表结合灌浆试验施工成果分序统计表可见：
1）各试验孔开挖剖面浆液扩散均呈现出明显的分层性，即浆液主要在孔隙率大的地层沿层向（水平方向）扩散，表明受灌地层具有成层性的特点。
2）试验孔在不同高程地层中的浆液扩散范围呈现出较大的差异性，即在孔隙率大的地层浆液扩散半径明显大于孔隙率小的地层，表明受灌地层具有不均匀性的特点。
3）试验孔在同一高程地层中浆液在各个方向上的扩散距离大小不一，即相同高程地层中在不同的方向上可灌性呈现出一定的差异，表明受灌地层具有各向异性的特点。
4）试验孔在59m～67m灌段内，大部分地层中浆液未能形成有效扩散，而使相邻试验孔形成搭接，仅在孔隙率大的局部地层中浆液形成有效扩散（距离大于2m），在相邻灌浆试验孔间局部出现搭接情况。
5）在本工程左岸古河槽砂卵砾石地层中，孔口封闭灌浆法试验孔较套阀管灌浆法试验孔的浆液扩散范围大，且对细小孔隙地层的压密作用更显著。
6）后灌孔相对于先灌孔，上、下灌浆段的浆液扩散相对匀称。
6．结论
6.1 套阀管灌浆开环试验
试验资料表明，当开环进浆压力达到1.0～2.6Mpa时，套阀管能有效进行开环，开环效果较好。采用配比为1：2：5（水泥：膨润土：水）的填料，套阀管可正常开环，但填料待凝时间较长，收缩率较大。采用单塞或双塞方式进行2环同时开环，套阀管可有效开环。采用Φ89mm焊缝管、出浆孔环向间距34cm、每环钻设4个10.5mm的出浆孔、宽8cm弹性良好的橡皮箍圈、在橡皮箍圈两侧分别焊接一个限位环箍的套阀管制作方案，可确保套阀管灌浆的正常施工。开环灌后开挖的观测情况证明，在确保橡皮箍圈不发生位移的情况下，采用单塞或双塞方式进行开环，可达到充分开环的效果。
6.2 现场灌浆试验
试验表明，在该试验段地层中，分别采用“孔口封闭灌浆法、套阀管灌浆法、综合灌浆法、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，可用于本项目帷幕灌浆施工。从灌浆成果资料及灌后开挖资料统计分析，所采用的试验参数（除孔距外）是基本合理的，但在施工工效、施工成本、地层适应性等方面存在一定的差异。
灌后开挖观测资料表明，在孔隙率大的地层中，浆液扩散范围较大、充填较密实，与砂卵砾石胶结较好，但在孔隙率小、含砂量高的地层中，浆液扩散范围小、充填效果差，甚至无浆液充填。
参考文献：
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