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1、1砂卵石地基帷幕灌浆试验研究沙湾水电站项目部摘要：沙湾水电站通过现场生产性试验，初步解决了砂砂卵石地基帷幕灌浆施工成孔难、浆液扩散范围不易控制等技术难题，为砂卵石地基帷幕灌浆推广应用创造了条件。关键词：沙卵石 地基 灌浆试验 花管法1工程概况大渡河沙湾水电站位于四川省乐山市沙湾区，坝址填距葫芦镇上游约 1.0km。沙湾水电站以发电为主，是大渡河干流梯级开发的第一级，电站装机容量 480MW，年发电量 24.07 亿 kWh。沙湾电站采用混合开发方式，即建坝壅高水位 15.5m，厂后接长 9015 m 的尾水渠，尾水渠利用落差14.5m，电站设计引用流量 2203.2m3/s。为利用施工期防渗墙
2、作为永久防渗设施，降低工程造价，尾水渠左堤混凝土挡墙与施工期防渗墙之间砂卵石地基采用水平灌浆帷幕防渗（见图 1） 。为验证灌浆设计参数的合理性，并获得经济、合理的施工参数，先期在灌浆区内进行帷幕灌浆生产性试验（试验布孔见图 2） 。帷 幕 灌 浆图 12防 渗 墙一 序 孔 二 序 孔 套 管 法 花 管 法 膨 润 浆 花 管 法图 例 说 明 :检 查 孔图 2：帷幕灌浆试验孔平面布置图2地基特性及可灌性尾水渠渐变段灌浆区地基以漂卵石结构为主， 高程 416418m 出露一层纯细砂，其它地基中细砂含量少。需灌注的地基位于高程 404409m ，地基结构呈中密密实状，孔隙率大、渗透系数大，在
3、一序孔冲洗压水时，大多呈无压状态，无法计算地基的渗透系数。为进一步了解地基颗粒的组成与可灌性，在灌浆区附近相应高程对地基取样筛分，筛分成果表明地基颗粒的组成具有离散性，含量 15%的颗粒粒径 D15=4.55.3mm。普通硅酸盐水泥含量 85%的颗粒粒径 d15=0.075mm，地基可灌比M=4.9/0.075=65.315，说明地基有较好的可灌性，可以灌注水泥浆。3试验采用的施工工艺31 钻孔方法渐变段基础漂卵石含量高、漂石直径大，地基透水性强，为提高造孔效率，采用 127mm 厚壁套管护壁、XY-2BG 型地质钻机配潜孔锤冲击钻进、中风压排碴成孔，钻孔孔斜由 JJX-3A 型井斜仪监测。试
4、验证明，该造孔方法孔斜能够保证，造孔进尺 24m/台班，造孔速度比金刚石钻头清水冲洗回转钻进快34 倍，适宜砂卵石地基施工。32 灌浆工艺渐变段防渗幕体为水平防渗帷幕，高程位于为 404409m，水平厚度 5m，404m 以下及 409m 以上314m 均为非灌浆段。要确保灌浆段形成密实的水平防渗帷幕，同时要防止浆液扩散范围过大，造成无效的浪费，是本次试验重点解决的技术难题。试验选择了套管法与花管法两种工艺进行对比，灌浆采用循环式工艺施工。三排试验孔先施工外侧两排、后施工中间排孔，排内分两序进行。3.2.1 套管灌浆法套管灌浆法是一次钻孔至终孔，然后自下而上提起护壁套管，分段灌浆，5m 灌浆孔
5、分两段灌注，灌浆段长 2.5m。套管灌浆法施工程序：套管护壁钻孔下入灌浆管提起套管 2.5m安装孔口封闭器灌浆提起拔套管及灌浆管 2.5m安装孔口封闭器 灌注上段至结束。套管灌浆法实施过程中，12 个孔没有出现过地表冒浆或沿套管外壁冒浆的现象，灌浆压力可以达到设计压力。由于采用较长的灌浆段长，施工进度很快。但在吸浆大、灌浆时间过长的孔段出现铸管现象，试验孔中有 50%的孔段产生铸管现象，影响施工进度，增大了施工成本。3.2.2 预埋花管法利用套管护壁成孔，一次钻至终孔，然后将配制好的填料注入孔内、下花管至孔底，拔出套管，填料待凝到一定强度后，在花管内安装双灌浆塞分段进行灌浆。由于地基孔隙率大，
6、随着套管的提起、孔内填料产生一定的流失，因此在拔套管的同时需注入适量填料。预埋花管法施工程序：套管护壁成孔下填料下花管 边拔套管边加填料待凝 35 天开环灌浆。（1）花管材料选择试验最初选择 PVC-U 型给水管制作花管，孔外压力试验 PVC-U 型给水管强度最大值为 1.0Mpa，用于孔内灌浆试验可以顺利开环，灌浆施工完成一段后，灌浆塞无法提起，表明花管变形严重、环刚度达不到要求，PVC-U 型给水管不宜用于砂卵石地基灌浆施工。用 89mm 无缝钢管制作花管进行试验，各环孔灌浆均能成功开环、灌浆完成后双灌浆塞在孔内自由起下。无缝钢管强度、环刚度满足施工要求，但无缝钢管单价高、大规模推广应用不
7、经济。最后采用 80mm 厚壁聚氯乙烯管制作花管，氯乙烯管在孔外压力试验，压力达到 3.8MPa 不变形、不脆裂；用于孔内灌浆试验，也未出现灌浆塞提不起、下不去的现象，聚氯乙烯管强度、环刚度满足施工要求。氯乙烯管单价较低，适宜于在砂卵石地基推广应用。（2）填料配方试验为获得填料的最佳配方，前后进行了十多次试验。最初填料水泥与粘土按 1：58 的比例、水与干料按 1：1 的比例进行配制，该配方早期凝固缓慢、后期强度不高，不能满足要求。之后对配方进行改4进，填料中掺入适量粉煤灰，并加大水泥用量，改进配方后的填料具有早期凝固快，后期强度增加缓慢的特点，用于孔内填充、35 天开环压力为 0.30.5M
8、Pa，但在灌浆时出现环间填料被击穿、造成孔内串浆现象，说明填料强度偏低或待凝时间不够。为提高效率、提前开环灌浆，对填料配方再次进行改进，最终填料配方（见表 3-1）在 35 天内采用 0.51.2Mpa 的压力成功开环，又能保证环间填料不被击穿，确保孔内各段灌浆顺利进行。表 3-1 填料配方表序号 水泥（kg ） 膨润土(kg) 粉煤灰(kg) 水(kg) 比重 (g/cm3)1 50 25 25 62.5 1.421.46（3）花管制作花管分五环五段制作，花管孔眼从下至上距管底长度分别为 0.5m、1.5m 、2.5m、3.5m、4.5m，每环开孔眼 4 个，孔眼用橡皮套紧，下端用细铁丝绑扎
9、牢固。早期制作的花管，孔眼直径 68mm ，灌注浓浆时出现堵管现象，加大孔眼直径至 10mm 后，堵管现象消失，表明孔眼直径不宜小于 10mm。3.2.3 灌浆材料及浆液变换原则灌浆材料采用峨胜牌 P.O32.5 普通硅酸盐水泥。纯水泥浆灌注，采用 2：1、1：1、0.5：1 三个比级水灰比，起灌水灰比为 2:1。灌浆过程中浆液变换原则为：（1）当灌浆压力保持不变，注入率持续减少，或注入率不变、灌浆压力持续升高，不得改变水灰比；（2）当某比级浆液注入量已达 300L 以上，或灌浆时间已超过 30min 而灌浆压力和注入率均无改变或改变不显著时，应改浓一级水灰比灌注；（3）当注入率大于 30L/
10、min 时，可根据具体情况越级变浓。3.2.4 灌浆压力与结束标准纯水泥浆灌注，一序孔灌浆压力 0.30.4Mpa ，二序孔灌浆压力 0.30.5Mpa 。结束标准：在设计压力下，单位吸浆量不大于 1.0L/min，继续灌注 30min，可结束灌浆。3.2.5 特殊情况处理（1）在强透水层地段灌浆，浆液可控性、减少浆液无效扩散范围是试验的难点与重点。对吸浆量大的孔段，试验采用了低压力浓浆起灌、降压限流和间歇灌注或待凝等方式处理，基本解决了强透水地基灌浆可控性问题。（2）钻孔过程中发生串浆现象，应立即停止钻进并将套管拔起、用细砂将钻孔封堵，然后对灌浆孔采取降压限流或间歇灌浆的方式进行处理，待灌浆
11、孔灌结束后，才能继续串浆孔的钻进。3.3 灌浆材料试验5先期 28 个试验孔采用纯水泥浆灌注，为了比较纯水泥浆与膨润土水泥浆在沙砾石地基的可灌性与可控性，后期增加 5 个试验孔，增加的试验孔采用花管法膨润土水泥浆进行灌注，一序孔灌浆压力0.50.6MPa、二序孔灌浆压力 0.550.7MPa。膨润土掺量为水泥重量的 6%，水灰比采用5：1、3：1、2：1、1：1、0.5：1 五个比级，起灌水灰比为 5：1。从灌浆成果表看，花管法纯水泥浆灌注一序孔平均注入量 1400.28/m 、二序孔平均注入量1001.38/m，一、二序孔平均注入量 1229.33/m；而花管法膨润土水泥浆灌注一序孔平均注入
12、量2632.28/m、二序孔平均注入量 1891.52/m，一、二平均注入量 2335.98/m。膨润土水泥浆平均注入量每米比纯水泥浆增加 1106.65，表明加大灌浆压力、采用稳定浆液灌注，加大了浆液在地基的无效扩散范围，不利于成本的控制。4试验成果综合评述4.1. 水泥注入量灌浆试验成果详见表 4-1、表 4-2、表 4-3，试验孔各次序单位注灰频率曲线见图 3。成果表与各次序单位注灰频率曲线都表明，随着灌浆次序加密，单位注入量出现不同程度递减，符合灌浆的一般规律。其中套管法纯水泥灌注递减规律最为显著，套管法一序孔平均注入量 1043.19/m、二序孔平均注入量 315.71/m，二序孔平
13、均注入量仅为一序孔的 30.3%。但检查孔压水试验成果表明套管法灌浆帷幕防渗效果不如相同条件下花管法的灌浆帷幕（相同的灌浆压力与孔排距） ，这种反常现象与套管法采用较长的灌浆段长有关。试验采用 127mm 灌浆孔径，大于一般岩石灌浆孔径（60mm） ，大孔径灌浆造成浆液在孔内循环流速缓慢、极易产生沉淀现象。套管法较长的灌浆段长由于浆液沉淀，细小孔隙得不到有效灌注与填充。从各排孔注入量看，套管法外侧两排孔平均注入量 785.14/m 、中间一排孔平均注入量 468.07/m；花管法纯水泥浆灌注外侧两排孔平均注入量 1388.68/m 、中间一排孔平均注入量 830.94/m；中间排孔平均注入量均
14、小于外排孔，表明随灌浆孔加密，地基得到逐步加压或填充挤密作用、渗透性得到了改善。6说 明 : -花 管 法 膨 润 土 浆 二 序 孔 ； 花 管 法 膨 润 土 浆 一 序 孔 ； -花 管 法 纯 水 泥 浆 一 序 孔 ； 花 管 法 纯 水 泥 浆 二 序 孔 ； 套 管 法 纯 水 泥 浆 二 序 孔 ； -套 管 法 纯 水 泥 浆 一 序 孔 ； 图 3 各 次 序 孔 单 位 注 灰 量 频 率 曲 线 图单 位 注 灰 量 （ 10）频率（%）7表 4-1 套管法纯水泥灌浆成果汇总表排号 序号 孔数 灌浆进尺 (m) 灌浆段数 灌浆压力 (Mpa) 起灌水灰比 注入水泥 (k
15、g) 单位注入量 （kg/m）I 2 10 4 0.30.4 2:1 22810.87 2281.09II 2 10 4 0.40.5 2:1 2325.11 232.51第 1 排小计 4 20 8 25135.98 1256.8I 2 10 4 0.30.4 2:1 4325.71 432.57II 2 10 4 0.40.5 2:1 5035.75 503.58第 2 排小计 4 20 8 9361.46 468.07I 2 10 4 0.30.4 2:1 4159.22 415.92II 2 10 4 0.40.5 2:1 2110.42 211.04第 3 排小计 4 20 8 6269.64 313.48I 6 30 12 0.30.4 2:1 31295.8 1043.19II 6 30 12 0.40.5 2:1 9471.28 315.71合计小计 12 60 24 40767.08 679.45表 4-2 花管法纯水泥灌浆成果汇总表排号 序号 孔数 灌浆进尺 (m) 灌浆段数 灌浆压力 (Mpa) 起灌水灰比 注入水泥 (kg) 单位注入量 （kg/m）I 3 15 15 0.30.4 2:1 15258.1 1017.207II 2 10 10 0.40.5 2:1 15700.11 1570.011第 1 排小计 5 25 25 309
