一種新帷幕灌漿方法在深古河槽中的應用

郝永志

(新疆水利水電勘測設計研究院有限責任公司，新疆 烏魯木齊 830000)

大石門水庫工程是國務院確定的172項節水供水重大水利工程和2015年國家新開工的27項重點水利工程之一[1]，工程位于新疆且末縣境內的車爾臣河上，壩址位于車爾臣河與托其里薩依河匯合口下游300m處。在左岸古河槽內沉積了深厚的砂卵礫石層，為中等透水地層。下部地層架空結構占該地層15%，為強透水地層。從類似工程灌漿施工經驗看，一般部位雖具有一定的透水性，但采用常規工藝進行灌漿，可灌性較差，常常存在吃水不吃漿的現象，難以達到防滲設計標準，致使防滲帷幕遺留抗滲透薄弱環節，取得適宜的灌漿效果存在較大的技術難度[2]。為了摸索出一套適合于大石門水庫工程古河槽238m深厚砂卵礫石層的灌漿施工工藝，2016年10月15日至2016年12月25日進行了現場帷幕灌漿試驗[3]。

1 試驗區工程地質條件

地面上部出露的巖性為第四系上更新統砂卵礫石，厚34～38m，根據地勘資料，上更新統的沖積砂礫石層的天然密度平均值為2.25g/cm3，干密度平均值為2.21g/cm3，結構密實，原位注水試驗平均值為1.0×10-3cm/s，為中等透水地層；下部為深厚層中更新統的沖積砂礫石層，泥質半膠結，此段層厚20～254m，天然密度為2.14g/cm3，干密度為2.12g/cm3，含水率1.0%，根據原位滲透試驗，滲透系數為3.73×10-3cm/s，為中等透水地層[4]。架空結構占該地層15%，架空結構滲透系數為1×10-2cm/s，為強透水地層[5]。

2 帷幕灌漿施工工藝研究

SL 62—2020《水工建筑物水泥灌漿施工技術規范》[6-8]中推薦的灌漿方法主要有孔口封閉灌漿法、套閥管灌漿法、沉管灌漿法、打管灌漿法、套管灌漿法等[9]。沉管灌漿法、打管灌漿法、套管灌漿法適用于覆蓋層較淺的地層，孔口封閉灌漿法[10]、套閥管灌漿法適用于覆蓋層較深的地層。

本工程覆蓋層較厚，因此灌漿試驗采用孔口封閉灌漿法、套閥管法及在兩種方法的基礎上研制出的新的灌漿方法—填料護壁孔口封閉灌漿法[11]。以期通過3種灌漿方法的現場灌漿試驗結果找出一種適宜于大石門水庫工程238m深厚砂卵礫石層的灌漿方法。

2.1 孔口封閉灌漿法

采用XY-42地質鉆機配Φ50mm鉆桿、Φ73mm加長鉆具(4.7m)以膨潤土泥漿護壁方式進行分段鉆孔、灌漿。當孔深鉆灌至70m以后，或在灌漿過程中灌漿管活動困難時，以1～1.5寸聚乙烯軟管替代鉆桿作為灌漿管進行孔口封閉法灌漿，直至終孔；當孔內注入率大于30L/min時，每隔40min打開回漿閘閥并將灌漿泵的排漿量調大后，對孔內漿液通道進行大流量循環沖洗，防止孔道內沉淀漿液而造成孔內鑄管事故。

2.2 套閥管灌漿法

(1)鉆孔：采用KR806-3D型跟管鉆機配Φ146mm套管跟進造孔技術，最大鉆孔深度達100m。

(2)套閥管制作：采用Φ89mm焊縫管制作單根長6m的鋼花管，各節鋼花管上、下端分別焊接采用Φ89mm地質管加工成的螺紋連接頭，通過螺紋連接組成套閥管。

(3)灌注填料及埋管：鉆孔終孔后，分別采用了先下設套閥管后灌注填料、先灌注填料后下設套閥管兩種埋管方式；灌注填料分別采用了1∶2∶5、1∶2.2∶4.5(水泥：膨潤土：水)兩種配合比。

(4)開環、灌漿：填料待凝3d以上后，以2～4環出漿孔作為一個灌漿段長，采用長1.5m的單灌漿塞阻塞、純壓方式進行自下而上分段開環、灌漿。第一段灌漿結束后將單灌漿塞向上起抜一段，用清水沖洗灌漿管道至孔口返清水，再通過手搖泵加壓將單灌漿塞阻塞密實后，進行第二段開環、灌漿，如此循環，直至最后一段灌漿完成。

2.3 填料護壁孔口封閉灌漿法

本方法為灌漿試驗中的一種創新的灌漿方法，采用“一鉆成孔+全孔灌注填料+待凝后分段掃孔、孔口封閉灌漿”的鉆灌方式，將套閥管灌漿法與孔口封閉灌漿法的優點進行有機結合，消除了深厚覆蓋層鉆探灌漿現有施工技術存在的弊端，解決了鉆灌施工中易發生卡鉆、鑄管等孔內事故的施工技術難題，有效地提高了灌漿效果和施工工效。該方法包括以下步驟：

(1)跟管鉆機采用Φ89mm鉆桿配Φ146mm套管護壁鉆進至最大跟管深度；

(2)改用Φ115mm牙輪鉆頭采用泥漿護壁的方式續鉆至終孔深度；

(3)鉆孔清孔后向孔內灌注配合比為1∶2∶5(水泥：膨潤土：水)的填料至孔口；

(4)起抜套管和向孔內補充填料交替進行，直至套管起抜完畢；

(5)向孔內補注填料至孔口后待凝2d；

(6)鉆灌孔口管段后埋設Φ110mm孔口管，并待凝3d；

(7)回轉式鉆機采用Φ50mm外平接頭鉆桿配Φ60mm金剛石鉆頭掃孔至下一灌漿段段底，在沖孔后不提鉆以鉆桿作為灌漿管進行孔口封閉法灌漿；

(8)分段掃孔、灌漿至100m以后，或在灌漿過程中灌漿管存有鑄管風險時，以1寸聚乙烯軟管替代鉆桿作為灌漿管進行孔口封閉法灌漿，直至終孔。

3 現場灌漿試驗成果分析

3.1 灌漿試驗區布置

試驗I區布設3個灌漿孔，孔距分別為2.0、2.5m，孔深設計：G-Ⅰ-1、G-Ⅰ-3均為75m，G-Ⅱ-2為180m(各孔上部50m均為非灌漿孔段)。采用孔口封閉灌漿法施工。

試驗Ⅱ區布設4個灌漿孔，孔距分別為2.0、2.5、3.0m，孔深設計：G-Ⅰ-4、G-Ⅰ-6、G-Ⅱ-7均為75m，G-Ⅱ-5為180m(各孔上部50m均為非灌漿孔段)。其中，G-Ⅱ-7為后續增補試驗孔。采用套閥管灌漿法、填料護壁孔口封閉灌漿法、綜合灌漿法施工。如圖1所示。

圖1 一期灌漿試驗區孔位布置圖

3.2 鉆孔情況統計分析

孔口封閉灌漿法G-Ⅰ-1、G-Ⅱ-2、G-Ⅰ-3等3個試驗孔均采用73mm金剛石鉆頭泥漿護壁鉆進，鉆進過程中出現了不同程度的失漿情況(見表1)。3個試驗段(1—3號)在鉆進50～75m孔深段時的護壁泥漿耗灰量分別為3005、3562、5250kg。3個試驗孔的鉆孔失漿分布層次多，且隨著孔深的增加，失漿情況呈現層次增多的趨勢。從3個孔在鉆進50～75m孔深段時的護壁泥漿耗灰量分析，隨著灌漿孔按序依次進行，并未顯示出護壁泥漿漏失量有減小的趨勢，表明前序孔的漿液擴散半徑有限，未對后序孔灌漿范圍形成影響。

表1 鉆孔情況統計表

套閥管灌漿法(G-Ⅱ-5，139～180m)和填料護壁孔口封閉灌漿法G-Ⅱ-7孔深段地層鉆孔護壁泥漿漏失量大于0～76m孔深段，表明深孔段地層的可灌性大于淺孔段地層。

3.3 灌漿水泥、膨潤土注入量統計分析

(1)采用孔口封閉灌漿法的灌漿試驗Ⅰ區的水泥、膨潤土注入情況統計見表2。從統計表可見：Ⅰ序孔的單位注入量分布頻率最高的是<300kg/m區段(58.8%)，Ⅱ序孔則是300～1000區段(61.1%)，表明灌漿壓力的提升對灌漿單位注入量有一定的影響。1號、3號、2號各孔在50～75m灌漿段的單位注入量分別為270.57、317.39、428.13kg/m，隨著灌漿孔按序依次進行，并未顯示出灌漿單位注入量有減小的趨勢，而是隨著灌漿壓力的增大單位注入量呈現增大的趨勢，表明前序孔的漿液擴散半徑有限，未擴散進入后序孔的灌漿范圍而形成相鄰孔間的有效搭接。

表2 試驗Ⅰ區漿液單位注入量統計表

(2)采用套閥管法灌漿法的灌漿試驗Ⅱ區的水泥、膨潤土注入情況統計見表3。從統計表可見：4號、5號、6號單位注入量分布頻率最高的均是<300kg/m區段，而采用填料護壁孔口封閉灌漿法的7號孔則是300～1000kg/m區段，表明在該地層條件下，采用孔口封閉灌漿法較套閥管灌漿法的灌注效果要好。

表3 試驗Ⅱ區漿液單位注入量統計表

4號、6號、5號、7號各孔在50～75m灌漿段的單位注入量分別為187.6、132.6、123.22、496.66kg/m，隨著灌漿孔按序依次進行，灌漿單位注入量的變化不明顯，而采用填料護壁孔口封閉法灌漿的7號孔較之前灌漿的3個孔的單位注入量顯著增加，表明前序孔的漿液擴散半徑有限。同時，在50～75m灌漿段，灌漿段套閥管灌漿法單位注入量為155kg/m，孔口封閉灌漿法單位注入量為496.7kg/m，也表明在該地層條件下，采用填料護壁孔口封閉灌漿法較套閥管灌漿法的灌注效果要好。

3.4 漿液水固比分級統計分析

(1)采用孔口封閉灌漿法的灌漿試驗Ⅰ區灌漿結束按漿液水固比統計頻率見表4。從表4中可見，Ⅰ序孔灌漿結束漿液水固比濃度大于2∶1的段次占總段次的41.2%，Ⅱ序孔占50%；采用水泥漿液灌漿結束漿液水固比濃度大于2∶1的段次占總段次的28.6%，采用水泥膨潤土漿液占總段次的50%；隨著灌漿依次進行，并未顯示出灌漿從寬大空隙至細小空隙的漸進過程，表明采用水泥膨潤土漿液的灌注效果好于水泥漿液，同時漿液擴散范圍有限。

表4 試驗Ⅰ區灌漿結束漿液水固比分布統計頻率表

(2)采用套閥管法灌漿法的灌漿試驗Ⅱ區灌漿結束漿液水固比統計頻率見表5。從表5中可見：Ⅰ序孔灌漿結束漿液水固比濃度大于2∶1的段次占總段次的1.7%，Ⅱ序孔占33%(其中95%為填料護壁孔口封閉灌漿法鉆灌段)；套閥管灌漿法灌漿結束漿液水固比濃度大于2∶1的段次占總段次的2%，填料護壁孔口封閉灌漿法占83%；隨著灌漿依次進行，并未顯示出灌漿從寬大空隙至細小空隙的漸進過程，表明漿液擴散范圍有限。同時，表明在該地層條件下，采用填料護壁孔口封閉灌漿法較套閥管灌漿法的灌注效果要好。

表5 試驗Ⅱ區灌漿結束漿液水固比分布統計頻率表

4 結語

在試驗段地層中，分別采用孔口封閉灌漿法、套閥管灌漿法、填料護壁孔口封閉灌漿法等灌漿方法均取得了一定的成效，最終認為填料護壁孔口封閉灌漿法這種新的灌漿方法對該地層的灌漿效果最為有效。填料護壁孔口封閉灌漿法是在有效地結合孔口封閉灌漿法與套閥管灌漿法優點的基礎上創新而成，施工工藝簡單、便捷，鉆孔工效較高，灌漿工效高，施工成本適中，且在深孔段采用聚乙烯軟管作為灌漿管的措施后，能有效降低鑄管事故風險，較好地達到了灌漿試驗的期望目標，該灌漿法適合用于該地層帷幕灌漿施工。