云南省开远市水利勘测设计队 云南省开远市 661699
摘要：为使泸江水库大坝帷幕灌浆设计和施工更符合实际情况，在初拟定的坝基帷幕灌浆设计的基础上进行灌浆试验，进一步确定帷幕底界，钻孔孔排距、灌浆工艺和技术参数，以指导帷幕灌浆施工。
关键词：帷幕灌浆；帷幕底界；孔排距；灌浆工艺；技术参数
1工程简介
泸江水库位于开远市境内的南盘江右岸一级支流老李冲河上。坝址控制流域面积47.4km2，河道长8.8km，河道平均比降42.1‰，流域最高点2204m。是一座以农村生活供水、农业灌溉为主的综合利用的中型水利工程。泸江水库坝顶高程1442.00m，坝顶长度223.74m，坝顶宽度10.00m，坝高82.8m。总库容1155.7m3。
坝址区主要分布岩体为中生界三叠系细砂岩夹板岩层，其弱下～微风化层为相对隔水岩组，坝区地下水主要为基岩裂隙水。根据钻孔及地表地质测绘资料，坝址区两岸坡地下水位均高于河水位。强风化及弱风化上部岩体中，节理、裂隙发育，岩体透水性较强（透水率＞5Lu）。进入弱风化岩体下部，透水率逐渐减弱（透水率＜5Lu）。
坝址区的防渗工作应针对上述水文地质条件来布置，坝基帷幕下限深入q≤3Lu的相对隔水层，两坝肩帷幕与地下水位线相交。
2 现场帷幕灌浆试验
2.1试验目的与任务
为使泸江水库大坝帷幕灌浆设计和施工更符合实际情况，在初拟定的坝基帷幕灌浆设计的基础上进行灌浆试验，进一步确定帷幕底界，钻孔孔排距、灌浆工艺和技术参数，以指导帷幕灌浆施工。
1、验证各试验区坝基的可灌性、灌浆效果，在正常运用条件下，帷幕防渗标准必须达到透水率q≤5Lu的相应措施。
2、确定合理的施工方法、施工程序和施工工艺，试验区基岩灌注纯水泥浆的可靠性，最优的浆液配合比，钻孔冲洗，灌浆材料以及灌浆孔深度。
3、提出合理的排孔距，浆液的扩散半径和有关灌浆施工定额数据，选定适宜的灌浆压力。
2.2灌浆试验区的布置
根据相关设计文件要求，泸江水库大坝帷幕灌浆试验沿帷幕轴线选择里程0+109.50m～0+118.00m作为试验区。
3 灌浆试验施工
3.1灌浆试验孔布置
试验区灌浆孔按双排孔布置，排距为1.0m，共布置10个灌浆孔，灌浆孔分别布置在坝轴线上下各0.5m处。下游排孔号为160～164，孔距为2.5m、2m、1.5m；上游排孔号为26～30，孔距为2.5m、2m、1.5m；检查孔布置4个，孔号为检7、检8、检9、备检3，检查孔位于位于两排帷幕灌浆孔之间，即坝轴线上。试区主要验证在设计给定的灌浆参数下，大坝左岸、右岸及河床段双排帷幕灌浆是否能形成连续有效的防渗帷幕，达到防渗的目的。
3.2灌浆工艺
3.2.1灌浆方法
试验区采用“自上而下分段钻孔、分段灌浆”的灌浆方法施工，其中第1、2段采用纯压式灌浆，自第3段以后采用孔口封闭、孔内循环式灌浆。
3.2.2段长划分
根据《开远市泸江水库工程帷幕灌浆试验任务书》及《帷幕灌浆试验大纲》要求，灌浆段第1段（接触段）为3m，第2段及以下各段为5m，地质缺陷部位经监理人批准可适当缩短段长；终孔段根据实际情况，适当加长段长，但最大段长均未大于8m。
采用孔口封闭法灌浆，各段灌浆时射浆管必须深入灌浆段底部，管口距离段底不大于50cm。灌浆施工过程中应经常活动灌浆管，防止孔内发生“铸管”（即孔内灌浆管被孔内水泥浆凝固住）。
3.3 灌浆材料、浆液配比及其使用
3.3.1灌浆材料
水泥：采用开远华新水泥42.5普通硅酸盐水泥，强度等级为P.O42.5。细度要求通过80μm方孔筛筛余量≤5%。按照出厂水泥质量检验报告以及抽检报告，该水泥满足《水工建筑物水泥灌浆施工技术规范》（SL62-14）帷幕灌浆所用水泥要求。
水：灌浆用水应符合拌制混凝土用水的标准。
3.3.2浆液配比
根据《开远市泸江水库工程帷幕灌浆试验任务书》及《帷幕灌浆试验大纲》要求，水泥浆液水灰比采用5：1、3：1、2：1、1：1、0.7：1和0.5：1等六个比级。浆液浓度按规范由稀到浓，逐级试验，开灌前及灌浆过程中定时对浆液密度进行人工检测，并填写浆液检测记录。
3.3.3浆液使用及浆液变换原则
（1）浆液使用：浆液采用高速制浆机拌制，搅拌时间均大于30s，浆液在使用前过筛，从开始制备至用完的时间不大于4h。
（2）浆液变换原则
浆液变换按照《水工建筑物水泥灌浆施工技术规范》（SL62-2014）要求执行：
① 当灌浆压力保持不变，注入率持续减少，或当注入率不变而压力持续升高时，不得改变浆液水灰比；
② 当某一级水灰比浆液的注入量已达300L以上，或灌注时间已达30min，而灌浆压力及注入率无改变或改变不显著时，改浓一级灌注。
③ 当注入率大于30L/min时，可根据具体情况越级变浆。
但根据试区先导孔第1段灌浆情况分析，该地层灌浆过程中应尽量避免采用越级变浆。主要原因：试区先导孔160号孔第1段灌浆时，采用5：1浆液进行开灌，由于灌浆注入率较大，越级变浆至2：1，但注入率仍无明显变化，达到变浆条件后，再次越级变浆至0.7：1时，注入率出现骤降，灌浆结束待凝4h后进行扫孔压水检查，压水不合格，随后进行复灌。复灌过程中，当2：1越级至0.7：1时，再次出现类似问题，现场立即采取注水冲洗灌浆孔，并采用2：1浆液灌注，直至灌浆结束，灌后压水检查合格。
4 灌浆试验成果资料分析与评述
4.1灌浆试验工程量
试验区实际施工灌浆孔10个，布置检查孔4个，在施工完成了2.5m孔距和2.0m孔距检查孔后，由于检查结果均满足q≤5.0Lu的设计防渗标准。
由于试区帷幕灌浆孔上部覆盖层较厚，且灌浆段第1、2段部分孔段仍处于强风化层内，为了防止因灌浆孔下部压力较大而造成地表劈裂破坏，下游排帷幕灌浆第1～2段采用纯压式灌浆，自第3段开始采用孔口封闭，孔内循环式灌浆，孔口灌浆埋设深度为第1～2段。由于上游排施工时下游排已施工完成，部分裂隙已填充了水泥结石，并具有一定的强度，因此上游排第1段采用纯压式灌浆，自第2段开始采用孔口封闭，孔内循环式灌浆，孔口灌浆埋设深度为第1段。
5 灌浆效果检查
5.1 常规压水试验
灌浆试验结束后，每个试验段按照规范规定待凝14天后进行单点法压水试验检查，试验区共布置检查孔4个，在施工完成了2.5m孔距和2.0m孔距检查孔后，由于检查结果均满足q≤5.0Lu的设计防渗标准，按照会议要求，取消剩余2个检查孔施工。压水试验检查的主要目的是检查双排孔设计和灌浆工艺的灌浆效果，帷幕形成情况。
检查孔压水检查方法采用自上而下分段卡塞，段长与相邻灌浆孔段长一致，压水试验采用单点法进行。“单点法”压水试验压力按灌浆压力的80%控制，灌浆压力第一段为0.20Mpa，第二段为0.30Mpa，第三段及以下段次灌浆压力按公式P=P0+MD计算，式中P0=0.05MPa，M=0.025MPa，D为孔段埋深（m），埋深D按各段的段中心深度计算，但最终计算最大灌浆压力不得超过2倍水头压力。
压水压力大于1MPa的孔段取1MPa。各试区检查孔压水压力，根据各区段设计、监理、业主驻施工现场代表确定的灌浆压力而定。
5.2 检查孔钻孔结石情况检查
试验区布置检查孔4个，但由于试验区检查孔施工2个均合格，按照会议要求，取消剩余2个检查孔施工。检查孔在灌浆结束14天后进行钻孔取芯、单点法压水试验，从钻孔取出的岩芯中试区少量芯样含水泥结石或薄膜。
6 施工工效
本次帷幕灌浆现场试验自2019年9月开工，试验区于2019年9月13日开工，11月12日完成钻孔灌浆施工，于12月13日完成检查孔施工，钻孔灌浆时间为92天，其中检查孔待凝为14天。
6.1钻孔工效统计
试验区钻孔、灌浆工效统计如表6.1-1所示。
表 6.1-1 试验区工效统计表
6.2 工效分析
根据表6.1-1工效统计表可知，试验区共配置2台地质钻机和1台灌浆泵进行钻孔和灌浆施工，钻孔平均工效约为5.35m/台/天，灌浆平均工效约为9.29m/台/天，其施工工效较低，钻孔到达正常施工工效的46.5%，灌浆到达正常施工工效的53.6%。
其主要原因：首先地质条件复杂，帷幕灌浆孔普遍耗灰量大；其次先导孔根据相关要求灌浆结束后必须待凝4h，且必须进行灌后单点法压水试验。试验区共34段次进行每次待凝4h，并灌后压水34段次。反复待凝、压水造成工效降低，同时造成施工成本急剧增加。
7 结论和建议
在参建单位的大力支持和通力合作下，试验区试验得以顺利完成。经过帷幕灌浆试验和灌后取得的资料分析，得出如下结论和建议：
（1）灌浆材料：试验材料采用开远“华新”P.O 42.5普通硅酸盐水泥，能够满足基岩灌浆设计要求。
（2）孔排距：通过试验区得出，双排孔距采用2.5m、2.0m，排距采用1.0m时，河床段帷幕灌浆均能满足防渗标准q≤5.0Lu。但结合岸坡岩层破碎、裂隙较发育等地质条件复杂的情况，同时结合河床部位水库蓄水后，水头较高，水压力较大的特点，建议后期河床段灌浆孔排距采用1m，孔距采用2.0m。若遇特殊地质条件时增设加密孔，最终满足q≤5.0Lu的防渗标准。
（3）帷幕底界：通过试验区得出，河床段帷幕灌浆底界与设计帷幕底界吻合，灌浆孔深建议按设计孔深控制，若遇到局部终孔段灌前透水率大于5.0Lu时，应进行加深处理，确保最终满足q≤5.0Lu的防渗标准。
（4）灌浆方法和施工工艺：建议生产孔施工采用“孔口封闭、自上而下分段、孔内循环”灌浆方法进行施工。
本次帷幕灌浆试验采用纯压式及循环式结合的综合灌浆方式，即第1、2段采用纯压式灌浆，第3段及以下孔段采用“孔口封闭、自上而下分段、孔内循环”灌浆方法进行施工。采用纯压式分段卡塞灌浆方法施工虽然简便，可有效避免劈裂破坏。但由于该地层岩层破碎，裂隙较发育，容易出现卡塞漏浆，无法按照规定位置安装而不得不上提，从而造成灌浆段长延长。同时纯压式灌浆容易造成浆液沉淀，导致部分裂隙无法得到有效灌注，需要经过多次扫孔、复灌处理，灌浆施工成本较高，进度缓慢。采用循环式灌浆工艺操作复杂，全孔重复灌浆有利于保证灌浆质量，可能存在劈裂破坏。但通过埋设孔口管可有效避免劈裂破坏，且本项目岩层承受荷载能力相对较强，在本试区试验过程中均未出现劈裂破坏（随着压力增大，未出现注入率突增）。
（5）孔口管埋设：本次帷幕灌浆试验采用纯压式（第1、2段）及循环式（第3段及以下）结合的综合灌浆方式，每孔均埋设φ91mm孔口管，下游排孔口管埋设穿过覆盖层（厚度11m）延伸至灌浆段第2段（长度8m），孔口管总长约为19m；上游排埋设至第1段，孔口管总长约为14m，灌浆施工过程中均未出现劈裂破坏。节约孔口管，控制投资，同时有效避免了卡塞困难和因下段大压力灌浆而对上部已灌段产生的劈裂破坏现象，建议生产孔每孔埋设φ91mm孔口管，埋设深度按深入基岩2～3m控制，若灌浆孔有强风化岩层，孔口管埋深适当加长。
（6）灌浆分段：本次灌浆试验分段按照第1段3m，第2段及以下5m的原则划分。根据工程地质及现场试验效果看，该分段方式合理，建议后续施工采用该分段方式。
（7）灌浆压力：根据灌浆试验压力可以看出，第1段采用0.2MPa，第2段采用0.3MPa，第3段及以下段次灌浆压力按公式P=P0+MD计算，式中P0=0.05MPa，M=0.025MPa，D为孔段埋深（m），埋深（D）按各段的段顶深度计算，但最终计算最大灌浆压力不得超过2倍水头压力，即不超过1.6MPa。试验过程中为出现劈裂破坏，且灌浆质量能达到设计防渗标准q≤5.0Lu。建议生产采用此灌浆压力。
（8）浆液配比：试区试验开灌水灰比为5：1，通过灌浆试验，灌区岩层裂隙发育，灌前透水率和灌浆耗灰量均偏大，为了节约水泥、降低水泥耗量、控制投资，同时提高施工速度，建议后期灌浆施工开灌水灰比采用3：1，单位注灰量可降低14kg/m，约降低了6%。针对钻孔无返水的孔段建议水灰比采用1：1开灌，越级变浆至0.5：1后，同时采用低压、限流、间歇等方法处理后，且灌浆单位注灰量达到特别大时，仍注入率无明显变化的孔段，采用砂浆灌注。对于灌前透水率较小的孔段可采用5：1水泥浆开灌。
（9）设备：灌浆试验钻孔采用XY-2型地质钻机，金刚石及合金钻头钻进，3SNS型、SGB6-10型灌浆泵均可以满足施工要求。根据地质情况，设备配置按照“两钻一灌一仪”形式配置满足灌浆试验施工要求。同时长江科学院生产的GJY-6型自动记录仪性能稳定，故障率较低，计量准确可靠，灌浆过程真实，采用的数字化管理系统便于监理和业主单位的管理。建议后续施工继续推广使用。
（10）从工效分析可以看出，地质钻钻孔平均工效约为5.72m/台•天，灌浆泵灌浆平均工效约为7.76m/台•天，其施工工效较低，钻孔到达正常施工工效的57.2%，灌浆到达正常施工工效的38.8%。其主要原因为：地层情况复杂，需要重复灌浆，灌后待凝、压水造成工效降低，同时造成施工成本急剧增加。建议后期灌浆施工时，对于钻孔无返水、吸浆量较大的孔段多采用低压、浓浆、间歇灌浆、掺砂、加外加剂等方式进行处理，同时建议设计、监理及业主单位充分考虑施工成本及施工方法。
8 推荐方案
通过试验区施工过程及成果数据分析，针对河床段帷幕灌浆生产推荐方案如下：
（1）施工设备：采用XY-2型地质钻钻孔，采用高速搅拌机集中制浆，采用中低压灌浆泵灌浆，采用三参数灌浆自动记录仪记录施工数据。
（2）灌浆材料：采用开远“华新”P.O 42.5普通硅酸盐水泥。
（3）灌浆方式：除第1、2段采用纯压式灌浆，其余孔段采用孔口封闭、孔内循环、自上而下分段灌浆。
（4）灌浆参数
1）孔位布置：河床段设置双排孔，孔距为2.0m，排距为1.0m；
2）孔深及孔径：灌浆孔孔深按达到帷幕底界控制，钻孔终孔径不小于φ56mm；
3）孔口管：孔口管长度按深入基岩2～3m，管径为φ91mm；
4）分段：灌浆分段第1段段长为3m，第2段及以下按每段5m控制；
5）灌浆压力：第1段采用0.2MPa，第2段采用0.3MPa，第3段及以下段次按公式P=P0+MD计算，但最大灌浆压力不大于1.60MPa；
6）灌浆水灰比采用5：1、3：1、2：1、1：1、0.7：1和0.5：1，灌前透水率较小孔段采用5：1开灌，其余孔段采用3：1水灰比开灌，若遇到钻孔无返水情况，应根据现场情况调整开灌水灰比。
（5）检查孔：灌浆结束14天后进行钻孔取芯检查，压水方式为单点法压水，压水压力为相应孔段灌浆压力的80%；采用全孔灌浆封孔法封孔，0.5：1新鲜水泥浆液进行置换，封孔压力为全孔最大灌浆压力，封孔时间为1小时。
参考文献：
[1]王军，王强生，魏玉红.帷幕灌浆试验在基础处理中的作用[J].云南水利发电，2017，8（16）：28-29.
[2]高燕芳.帷幕灌浆施工质量过程控制[J].山西水利，2017，8（16）：28-29.
[3]李宏伟.水库大坝帷幕灌浆施工工艺分析[J].湖南水利水电，2015，4（10）：28-29+35.
[4]谭海峰.甘溪水轮泵水电站枢纽工程帷幕灌浆防渗处理[J].建筑知识，2017，7（14）：113.