水利工程施工中帷幕灌漿技術應用

文／張會君 膠州市水利局 山東膠州 266300

張皓 青島膠州自來水有限公司 山東膠州 266300

引言：

水利工程作為人類社會基礎建設的重要組成部分，一直以來都受到廣泛關注和研究。在這其中，帷幕灌漿技術因其在強化巖土體、裂隙封堵、防止地下水滲漏等方面的卓越表現，成為了解決復雜地下工程問題的重要工具之一[1]。然而，隨著水利工程復雜性的提高，帷幕灌漿施工中的涌水、冒漿、串漿等問題也逐漸凸顯出來。為了應對這些挑戰，本文將深入探討帷幕灌漿技術的應用及施工中可能遇到的問題，特別著重于提出系統性的規避策略。

1.帷幕灌漿技術的概述

1.1 定義

帷幕灌漿技術是一種用于水利工程和基礎建設的地質加固與滲透控制的先進技術。通過在地下形成堅固的垂直或傾斜漿帷，該技術旨在提高土體的強度、改善地質結構，以及有效地抑制水的滲透，從而增加工程結構的穩定性和安全性。

1.2 基本原理

帷幕灌漿的基本原理是通過在地下形成一系列連接的漿帷，使得地層形成一個整體結構。這通過在地下進行鉆孔，并注入特制的漿液來實現。漿液中通常包含水泥、膨脹劑和其他添加劑，以確保漿帷具有足夠的強度和抗滲透性。這些漿帷有效地提高了土體的工程性能，使其能夠更好地承受外部力和水的影響。

1.3 材料選擇與性能要求

選擇適當的材料對于帷幕灌漿技術至關重要。水泥作為主要成分，能夠提供出色的強度和抗滲透性[2]。同時，膨脹劑和其他添加劑的合理使用可以改善漿液的黏性、流動性和抗滲透性。在選擇材料時需要考慮地質條件、工程要求和環境因素，以確保帷幕灌漿的效果和持久性。

2.帷幕灌漿技術的分類

2.1 按照灌漿方式分類

（1）垂直帷幕灌漿：該灌漿方式主要應用于需要在壩基、基坑和隧道等地形成垂直方向的漿帷的工程。通過垂直排列的鉆孔，注入漿液，從而增加土體的整體強度，有效防止水平滲透。

（2）水平帷幕灌漿：這種方式廣泛應用于需要控制水體滲透的場合，如河床治理和基礎工程。通過形成水平方向的漿帷，有效減少地下水位對結構的不利影響。該方式需要在地下進行水平方向的鉆孔和注漿。

（3）傾斜帷幕灌漿：是一種將垂直和水平帷幕結合的方式。在一些地質條件較為復雜的情況下，傾斜帷幕可以更好地適應地層的特點，提高地質加固的整體效果[3]。

2.2 按照灌漿材料分類

（1）水泥漿灌漿：使用水泥、水和其他添加劑構成的漿液。水泥漿常用于提高土體的強度，同時具有較好的抗滲透性。這種灌漿方式被廣泛應用于各種工程項目。

（2）膨脹土漿灌漿：利用膨脹土（如膨脹土、膨潤土等）形成的漿液。這種漿液具有較好的膨脹性，可用于填充土體中的裂縫和孔隙，從而增強土體的穩定性。

（3）化學漿液灌漿：使用特殊化學物質形成的漿液，具有較強的抗滲透性。這種灌漿方式適用于對滲透控制要求較高的工程項目。

2.3 按照施工目的分類

（1）防滲帷幕：該類帷幕主要應用于防止水體滲透的工程，例如水壩、基坑等需要抵御地下水壓的場合。這種帷幕的形成有效減少了水的滲透，維護了工程的結構穩定性。

（2）加固帷幕：用于提高土體的整體強度，通常在壩基、邊坡等工程中應用。通過形成堅固的漿帷，增加土體的抗力，提高整體結構的穩定性。

（3）滲透控制帷幕：結合了防滲和加固效果，適用于需要同時治理地下水位和土體強度的工程。這種帷幕的形成在一定程度上解決了滲透和強度問題。

3.水利工程施工中帷幕灌漿技術應用

3.1 應用要點

3.1.1 測量放線

在水利工程中，測量放線是帷幕灌漿技術中至關重要的一項工作，它直接影響到鉆孔的準確性和帷幕的穩定性。

測量放線是帷幕灌漿技術施工的首個步驟，其目的是確保鉆孔的位置、方向和深度符合設計要求，從而形成合理、均勻的帷幕結構[4]。這一過程始于對施工現場的仔細勘察，工程人員必須了解地質情況，包括地層結構、土質特性和水文地質條件。

首先，針對水利工程的具體地形，需要制定詳細的放線方案。這包括確定帷幕的起止點、孔距、孔深等關鍵參數。通常，帷幕的設計需要充分考慮工程的需求，例如防滲、加固或滲透控制。此外，對于水利工程，特別關注水文地質條件的影響，因為地下水位的變化可能對灌漿效果產生重要影響。在實際測量中，工程人員會使用精密的測量儀器，如全站儀、經緯儀等，依據設計方案確定的控制點進行標定。這些控制點通常位于施工現場的固定位置，可以是臨時設置的標志物或永久性建筑物。隨后，工程人員根據設計方案將控制點之間的測量線標示在地面上。這涉及到臨時標記或噴涂，以確保施工人員能夠清晰看到并按照設計要求進行操作。在復雜的地質條件下，還需要考慮地下障礙物，以避免對測量線的影響。

3.1.2 鉆孔造孔

鉆孔造孔是帷幕灌漿技術的關鍵環節，旨在將注漿材料注入到地下特定位置，以加固土體、增強地層穩定性或實現其他特定工程目標。在水利工程中，包括大壩基礎的處理、河床治理、隧道支護等。

首先，根據前期的測量放線結果和設計方案，施工人員確定鉆孔的位置和方向。考慮到水利工程的特殊性，需要深入了解地下水位、地質結構和土質條件，以便精確規劃鉆孔位置。其次，使用專業的鉆機，施工人員開始進行鉆孔操作。這些鉆機可以是旋挖鉆機、循環鉆機或其他適用于不同地質條件的類型。操作過程中，鉆機通過旋轉或沖擊等方式，將鉆頭推入地下，逐漸完成整個鉆孔深度。在水利工程的帷幕灌漿中，孔徑和深度通常是根據設計要求和地質特征而確定的[5]。較大的孔徑用于更高流動性的注漿材料，而較小的孔徑則可用于更密實的注漿。深度通常根據需要加固的地層而變化，可能需要達到幾十米，以確保注漿材料有效地滲透到目標層。再次，在鉆孔過程中，施工人員會遭遇地層變化、硬巖或其他困難。在這些情況下，還需要調整鉆具類型、鉆頭規格或使用鉆孔液等輔助手段，以確保順利完成鉆孔作業。最后，完成每個鉆孔后，施工人員必須及時清理孔內的碎屑和泥漿，以便于后續的注漿工作，確保注漿材料充分填充地層裂隙，提高帷幕的整體效果。

3.1.3 沖洗裂隙

在水利工程的帷幕灌漿技術中，沖洗裂隙是施工過程中至關重要的一步，其目的是清理鉆孔中的碎屑和雜質，確保注漿材料能夠充分填充地層裂隙，從而增強土體的穩定性和抗滲性。

沖洗裂隙的過程通常在完成鉆孔造孔后進行。具體的步驟如下：（1）沖洗設備準備：在施工現場準備專業的沖洗設備，通常包括高壓水泵和噴頭。這些設備需要足夠的水壓和流量，以確保有效地沖洗裂隙。（2）噴射高壓水流：將沖洗設備的噴頭插入已完成的鉆孔中，啟動高壓水泵，將高壓水流注入地層。這一過程旨在沖洗掉鉆孔中殘留的泥漿、碎屑和其他雜質。（3）沖洗方向調整：根據地層情況，可能需要調整沖洗噴頭的方向，以確保沖洗液在地層中均勻分布。對于有裂隙或不均勻地層的情況，可能需要采用多方向沖洗。（4）循環沖洗：在一次沖洗完成后，可能需要進行多次沖洗，直至沖洗液清晰透明，表明裂隙和孔隙中的污染物已被有效清除。這確保了注漿材料的良好滲透性。（5）監測與調整：在沖洗的過程中，施工人員應該實時監測沖洗液的排放情況，了解沖洗的效果。根據監測結果，及時調整沖洗參數，確保地層裂隙清潔無阻[6]。（6）清理孔口：沖洗完成后，施工人員需要對孔口進行清理，確保在注漿過程中不會發生阻塞，進而保證注漿材料能夠充分填充到地層的目標位置。

3.1.4 壓水試驗

在水利工程中的帷幕灌漿技術中，進行壓水試驗是確保地層滲透性和穩定性的關鍵步驟。這一過程的前期準備包括確認鉆孔的清潔度、檢查沖洗液的透明度，以及確認沖洗液的排放情況。一旦確認鉆孔和地層裂隙清潔，即可著手進行壓水試驗。

在試驗方案的設計上，根據工程設計和前期的地質勘察結果，規劃了壓水試驗的具體方案，包括確定試驗的水壓、持續時間以及試驗的步驟。試驗開始前，需要準備用于壓水試驗的水源，其質量和純度對于準確評估地下水的滲透性至關重要。試驗過程中，通過專業的注水系統將試驗水源注入已完成的鉆孔中，逐漸增加水壓，觀察水的滲透情況和地層的反應。施工人員在試驗過程中不斷監測測試水的滲透情況、注水的壓力和地層的反應，實時記錄數據，為后續的分析和調整提供基礎。

根據試驗的結果，工程人員能夠評估地下水的滲透性和地層的穩定性。這些數據將用于調整注漿參數，確保后續注漿工作的效果最佳。如果試驗結果顯示地下水滲透性較大，可能需要調整注漿的類型、漿液的濃度以及注漿的壓力，以適應實際地質條件。

3.1.5 灌漿封孔

在水利工程中的帷幕灌漿技術，灌漿封孔是施工過程中至關重要的一步，其目的是將注漿材料有效地灌注到鉆孔中，并封堵孔口，從而增強地層的穩定性、抗滲性，以及工程整體的安全性[7]。

灌漿封孔的詳細執行包括以下關鍵步驟：（1）選用合適的灌漿材料：根據工程設計和地質條件，選擇適宜的灌漿材料，通常包括水泥漿、聚合物漿或其他專用灌漿材料。灌漿材料的選擇應能夠滿足工程的防滲、加固或滲透控制等特定要求。（2）漿液配制：針對選擇的灌漿材料，進行嚴格的漿液配制。確保漿液的配比精準，以保證其流動性和硬化特性符合設計要求。（3）選擇合適的灌漿設備：根據鉆孔的直徑和深度，選擇適當的注漿設備，包括注漿泵、注漿管和噴嘴等專業設備。（4）開始注漿：使用選定的注漿設備，開始將漿液注入鉆孔中。注漿的過程需要逐漸提升注漿管，確保漿液在整個孔深范圍內均勻分布，形成均勻、連續的帷幕結構。（5）控制注漿參數：施工人員需要嚴格控制注漿的壓力和流量，以確保漿液充分填充孔隙，消除空隙。通過實時監測注漿參數，可以及時調整以保持一致的注漿效果。（6）封堵孔口：在每個孔完成注漿后，對孔口進行封堵，通過注入特定的封堵材料或使用專門的封堵裝置完成，防止漿液的溢漏并保護帷幕的完整性。（7）確保帷幕的連續性：在整個灌漿封孔過程中，施工人員需確保帷幕的連續性，避免因注漿中斷或不均勻而導致的質量問題，實現帷幕在地層中形成一個穩定、連續的抗滲結構。（8）清理工作：對施工現場進行清理工作，包括清理工作區域和處理漿液殘留物，以此符合環保標準。

3.2 應用中存在的問題與規避策略

3.2.1 涌水問題

問題：在水利工程帷幕灌漿技術中，常見的問題之一是涌水。涌水源于地下水位較高或者地質條件復雜，導致在進行鉆孔或注漿的過程中，水通過地層裂隙或孔隙迅速涌入鉆孔，影響了帷幕灌漿的效果。這會導致灌漿材料無法有效充填到目標位置，進而降低了抗滲性和穩定性。

規避策略：為規避涌水問題，工程人員需要采取一系列綜合性的策略，以確保帷幕灌漿的效果和質量。首要的策略是在施工前進行全面而精確的地質勘察，深入了解工程地段的地下水位、地質結構以及土層特性。通過全面了解地質條件，工程人員可以預測可能的涌水風險并制定相應的應對措施。在地質勘察的基礎上，選擇合適的封堵材料是防范涌水的重要一環。封堵材料的選擇應考慮其滲透性、黏度和固化時間等因素，以便在孔口形成堅固而密封的屏障，抑制地下水的涌入。此外，調整注漿參數也是規避涌水問題的關鍵步驟。在施工過程中，根據實際地質條件和涌水情況，工程人員需要靈活調整注漿的壓力和流量。通過實時監測注漿參數，工程人員可以及時調整操作，確保注漿材料能夠順利滲透到目標地層，抵御地下水的涌入。還要采用防涌水的鉆孔技術也是重要的規避策略之一，包括使用先進的鉆孔設備，如封堵鉆頭和注漿管，以減小鉆孔直徑并阻止水的迅速涌入。

3.2.2 冒漿問題

問題：另一個常見問題是冒漿，即在注漿過程中，漿液在地表或孔口冒出。這是由于注漿壓力過高、孔隙通道阻塞或者地層松散導致漿液漏失。冒漿問題不僅影響了施工現場的整潔，也導致注漿材料無法充分滲透到目標地層，從而影響了帷幕的均勻性和完整性。

規避策略：首要是通過使用先進且高效的注漿設備，實現對注漿壓力和流量的精準控制，從而降低漿液早期固化的風險，減少冒漿可能性。此外，定期清理孔口以清除雜質和殘留物，有助于避免漿液在注入孔口時遇到阻礙并發生冒漿。調整漿液的黏度和流動性，使其更符合地層要求，有助于降低漿液在地下過早擴散和冒漿的概率。同時，采用防冒漿技術，如選擇具有較好抗冒漿性能的封堵材料，確保注漿時漿液不會過早冒出地表。最后，加強施工人員的培訓和管理，使其熟練掌握注漿設備的操作，并提高他們對施工過程的監控和應對能力，有助于及時發現和解決潛在的冒漿問題。

3.2.3 串漿問題

串漿是指在相鄰的鉆孔之間，漿液在地下層之間串通的情況，這是由于地層裂隙過于密集，或者地質條件導致漿液在地下形成橫向連接，從而使得注漿材料不按照設計要求分布，降低了帷幕灌漿的局部效果。

規避策略：合理設置孔距是關鍵的一步，通過在設計階段考慮地層裂隙分布，合理設置孔距，降低孔位密集度，從而減少串漿風險。其次，控制注漿壓力是防范串漿的關鍵措施，通過合理控制注漿壓力，避免漿液在地下過度擴散，減小相鄰孔隙之間的連接概率，從而減少串漿的發生。加強地質勘察工作也是預防串漿問題的有效途徑，通過詳細的地質勘察，提前了解地下結構細節，有助于預測串漿可能性，采取相應的施工調整措施。最后，使用先進的注漿設備能更好地控制注漿參數，確保漿液在注入過程中均勻分布，減小串漿的風險。

3.2.4 灌漿中斷

問題：灌漿中斷是指在帷幕灌漿過程中，由于設備故障、工藝問題或其他原因，導致注漿操作暫時中斷的情況，進而導致地層中形成不均勻的注漿段，影響帷幕的整體效果。灌漿中斷也會導致施工難度增加，需要更多的人工干預。

規避策略：為了防止水利工程帷幕灌漿中的灌漿中斷問題，施工人員需采取一系列措施。定期檢查和維護注漿設備，及時發現并解決潛在問題，是確保設備穩定運行的重要步驟。此外，備用設備的準備也是關鍵，可以在主設備故障時迅速切換，維持施工的連續性。對專業人員進行全面培訓，使其熟悉設備操作和維護，提高監控和應對能力，有助于防范潛在的設備故障，減少灌漿中斷的風險。

3.2.5 鉆孔傾斜

問題：在進行鉆孔過程中，鉆孔偏離了垂直方向，出現鉆孔傾斜，是由于地層不均勻、巖石層的存在或者鉆機操作不當引起。鉆孔的傾斜度不僅會導致帷幕灌漿的設計參數無法準確執行，會影響到帷幕的均勻性和穩定性。

規避策略：為規避水利工程帷幕灌漿中可能發生的鉆孔傾斜問題，施工人員應綜合運用多項策略。首先，選擇使用先進的定向鉆機，該設備能夠在鉆孔過程中更精準地控制方向，減小地層不均勻性對鉆孔方向的干擾，有效預防鉆孔的偏斜。其次，通過加強現場監測，實時掌握鉆孔的狀況，及時發現并糾正偏斜情況，以確保鉆孔方向的準確性。最后，通過在地質勘察階段合理安排鉆孔位置，根據詳細了解的地層結構選擇適宜的位置，避免容易發生偏斜的地層，降低鉆孔傾斜的風險。

結語：

水利工程中的帷幕灌漿技術因其在強化巖土體和裂隙封堵方面的獨特作用而備受關注。在實際應用中，對涌水、冒漿、串漿、灌漿中斷等問題提出了一系列有效的規避策略。同時，通過合理的地質勘察、先進設備的運用、專業人員的培訓等手段，能夠更好地保障帷幕灌漿工程的順利進行。