劉兵正

（內(nèi)蒙古水利水電勘測設(shè)計院，010000，呼和浩特）

大孔隙地層控制性套閥管帷幕灌漿法的設(shè)計與應(yīng)用

劉兵正

（內(nèi)蒙古水利水電勘測設(shè)計院，010000，呼和浩特）

傳統(tǒng)套閥管法對于級配良好的天然覆蓋層效果很好，但在大孔隙或孔隙存在一定流速動水時，灌漿稀釋效果變差。簡述了將高觸變抗水膏漿引入套閥管中，對套閥管法進(jìn)行了改進(jìn)，形成了大孔隙地層控制性套閥管法施工技術(shù)，同時對大壩應(yīng)用大孔隙地層控制性套閥管法帷幕灌漿進(jìn)行防滲處理，并取得了良好效果。

大孔隙地層；套閥管法；高觸變抗水膏漿

大孔隙地層(覆蓋層強(qiáng)滲失地層、基巖大裂隙地層、斷層破碎帶、巖溶地層等)的灌漿是基礎(chǔ)工程施工中經(jīng)常遇到的一個難題。通常使用水泥—水玻璃漿液灌漿、膏狀漿液灌漿、模袋灌漿等主要方式。

套閥管法又稱花管法、預(yù)埋花管法、袖閥管法或索列丹斯（Soletanche）法，是覆蓋層帷幕灌漿和軟基加固中常用的方法之一。其通常的做法是首先鉆出灌漿孔，在孔內(nèi)下入特制的帶有孔眼的灌漿管（花管），灌漿管與孔壁之間填入特制的“填料”，然后在灌漿管里安裝雙灌漿塞分段進(jìn)行灌漿。

工程實踐證明，套閥管法對于級配良好的天然覆蓋層效果很好。但是，當(dāng)?shù)貙又写嬖诖罂紫痘蚩紫吨写嬖谝欢魉俚膭铀畷r，套閥管法易受稀釋而效果變差。為此，我們借鑒某工程的實踐，將其進(jìn)行改進(jìn)，通過將高觸變抗水膏漿引入套閥管法中，形成了大孔隙地層控制性套閥管法施工技術(shù)，并在工程中取得較好效果，本文對此進(jìn)行了簡述。

一、套閥管法簡介

1.套閥管法的實施步驟

套閥管法實施過程可分為四個步驟（見圖1）：一是跟管鉆進(jìn)鉆孔，在跟管內(nèi)下入特制的帶有孔眼的灌漿管（花管）；二是在花管與跟管之間灌入特制的“填料”（亦稱“夾圈料”），并同步起拔跟管，使夾圈料在花管周邊一定范圍的地層內(nèi)凝結(jié)，固定花管并防止灌漿過程中漿液上竄；四是在花管內(nèi)安裝雙灌漿塞分段進(jìn)行灌漿，漿液首先突破花眼外部的橡膠環(huán)，而后穿透夾圈料，對周邊地層進(jìn)行灌漿。

2.套閥管法的特點

套閥管法主要有兩個特點，一是精準(zhǔn)定位，二是兩道限制。

（1）精準(zhǔn)定位

套閥管法灌漿在花管內(nèi)進(jìn)行，無塌孔之憂，在采用雙液塞下可任意選擇自下而上或自上而下灌漿方式，也可以先灌全孔中的任何一段，或?qū)δ骋欢芜M(jìn)行多次復(fù)灌，具有很強(qiáng)的針對性和靈活性，并利于保證灌漿質(zhì)量。

（2）兩道限制

套閥管法灌漿時，漿液需要突破止?jié){環(huán)和夾圈料兩道防線后才能進(jìn)入原始地層，因此在開灌時往往首先用清水或稀漿進(jìn)行開環(huán)，而后再灌注水泥漿或水泥黏土漿。為保證漿液能夠順利進(jìn)入原始地層并進(jìn)行有效充填，很少使用流動性較差的膏狀漿液和凝結(jié)速度較快的水泥—水玻璃雙液進(jìn)行灌注。

圖1 套閥管灌漿實施步驟

二、大孔隙地層控制性套閥管法灌漿技術(shù)的提出

從本質(zhì)上說，套閥管法是一種控制性灌漿，其控制方式是使?jié){液通過花管和夾圈料進(jìn)入原始地層之中。在這種認(rèn)識下，套閥管法下只使用普通水泥漿或普通黏土漿已形成了技術(shù)設(shè)計中的定勢。如果地層級配不好，存在較大空隙時，特別是其中還存在動水時，則灌入的水泥漿和水泥黏土漿極易被稀釋而流失過遠(yuǎn)，既降低了效果，又增大了工程成本，甚至因無法實現(xiàn)有效填充而導(dǎo)致灌漿失敗。

與套閥管法相對應(yīng)的覆蓋層灌漿法是孔口封閉法 （或稱循環(huán)鉆灌法）。該方法的主要特點是鉆一段、灌一段、掃一段，再鉆灌下一段，針對施工中存在的塌孔多、效率低、耗漿量大等固有缺陷，廣泛采用了水泥膏漿或水泥—水玻璃雙液漿等控制性較好的漿液，一定程度上緩解了上述問題，降低了工程成本，最終取得良好效果。

顯然，如果能將內(nèi)聚力較大或凝結(jié)時間較短的特殊漿液引入套閥管法工藝中，將可利用套閥管法鉆灌分開，精準(zhǔn)定位，兩道屏障的控制性灌漿工藝和控制性灌漿材料結(jié)合到一起，形成完整的大孔隙地層灌漿系統(tǒng)解決方案和技術(shù)體系。高觸變抗水膏漿則有效地解決了這一問題。

圖2 高觸變抗水膏漿的“蓋帽”效果

三、高觸變抗水膏漿簡介

高觸變抗水膏漿是一種特殊的水泥基漿材，具有“一攪就稀，一停就稠”的高觸變特性，且可在0.2m/s的動水流速下保持整體性，具有一定的抗水能力。其基本情況如下：

1.材料構(gòu)成和典型配比

高觸變抗水膏漿由兩種組分構(gòu)成，一是普通水泥漿，水灰比0.6∶1～ 0.8∶1；二是高觸變抗水膏漿外加劑，摻量0.5%～1%（水泥重量比）。

2.性能指標(biāo)（20℃標(biāo)準(zhǔn)條件）

一是漿液密度，在1.71g/cm3左右。

二是流動性。初始攪拌與成漿，在攪拌狀態(tài)下，高觸變抗水膏漿的流動性變化有稀—稠—稀的特征，一旦停止攪拌，其流動性迅速減小，直至成為一個稠度很高的整體；后續(xù)攪拌，再次啟動攪拌時很快變稀，停機(jī)后流動性下降，整體性提高，但二次攪拌后，抗水性和整體性明顯減弱，即抗水性隨攪拌時間延長呈螺旋式下降趨勢；由于觸變性很強(qiáng)，高觸變抗水膏漿的流動性隨時間變化加快，用常規(guī)的漏斗黏度、流動度和旋轉(zhuǎn)黏度計均難以準(zhǔn)確表征。

三是穩(wěn)定性。高觸變抗水膏漿不是穩(wěn)定性漿液，在靜止?fàn)顟B(tài)下會緩慢泌水，泌水率多在3%～6%，水灰比率高者可達(dá)10%。

四是抗水性。在無壓抗沖法（2 000 mL量筒法）下，高觸變抗水膏漿的抗動水流速可達(dá)0.2～0.5 m/s，甚至可以達(dá)到蓋帽的效果（見圖2）。

五是失流與凝結(jié)時間。高觸變抗水膏漿的失流時間為0.5～4min，初凝和終凝時間分別為8∶27和10∶10。

六是結(jié)石性能。3d和28d抗壓強(qiáng)度分別為11.8 MPa和22.7MPa，無收縮性，耐久性良好。

3.適用條件

當(dāng)裂隙或孔隙比較寬大，采用0.5∶1和普通膏漿結(jié)束不了，地下水流速又比較小時（0.2 cm/s以內(nèi)）時，高觸變抗水膏漿的作用最為明顯；當(dāng)?shù)叵滤魉佥^高時（0.2～0.5 m/s）時，通過適當(dāng)加大抗水膏漿的注入率，也可以取得較好效果。

4.工藝措施

（1）制漿工藝

高觸變抗水膏漿應(yīng)當(dāng)采用低速制漿，轉(zhuǎn)速不得超過200 r/min，最好控制在100 r/min以內(nèi)。工程中有兩種方式，一是像普通膏漿一樣設(shè)置專用攪漿設(shè)備，二是采用慢速雙桶攪拌機(jī)直接制漿。

從工程實踐看，無論采用哪種方式，高觸變抗水膏漿的制漿時間均在10min左右。由于漿液的抗水性隨攪拌時間延長而螺旋形下降，因此漿液應(yīng)就近配制，盡快灌漿。

（2）灌漿設(shè)備

高觸變抗水膏漿可用普通雙缸或三缸柱塞泵直接灌漿，無須另外增加設(shè)備。

（3）灌漿工藝

高觸變抗水膏漿宜采用純壓式灌漿，亦可采用循環(huán)式。由于高觸變抗水膏漿不是穩(wěn)定性漿液，因此不能以高觸變抗水膏漿直接結(jié)束灌漿，而應(yīng)以普通水泥漿結(jié)束。

四、大孔隙地層控制性套閥管法帷幕灌漿要點

大孔隙地層中套閥管法帷幕灌漿技術(shù)的核心是將套閥管灌漿技術(shù)與高觸變抗水膏漿技術(shù)進(jìn)行對接。灌漿孔宜至少布置三排，孔排距不宜大于2 m。單一孔段實施要點如下。

鉆孔：大孔隙地層很不均一，跟管鉆進(jìn)須按工程實際情況，有針對性地使用偏心鉆具和同心鉆具，并對管靴、跟管連接等薄弱部位進(jìn)行強(qiáng)化措施，以減少事故率，提高工效。

花管系統(tǒng)：高觸變抗水膏漿雖然流動性比普通水泥漿好得多，但仍比0.5∶1水泥漿稍稠一些，因此需要對花管進(jìn)行調(diào)整，如擴(kuò)大花眼和灌漿塞出漿口直徑等。

夾圈料：高觸變抗水膏漿的穿透能力弱于水泥漿，因此應(yīng)對夾圈料的范圍進(jìn)行限制，避免夾圈料在大孔隙中擴(kuò)散太遠(yuǎn)而影響灌漿效果。

漿液：高觸變抗水膏漿為首選，并以其為基礎(chǔ)進(jìn)行工藝設(shè)計。

灌漿工藝：首先采用清水或稀漿開環(huán)，而后開始灌漿；灌漿以普通水泥漿為主，水灰比自2∶1或3∶1起步，而后按規(guī)定進(jìn)行變漿，直至水灰比降至0.5∶1；在0.5∶1灌入一定量后，可灌性系數(shù)未見明顯變化，即壓力不見明顯增加、流量不見明顯減少時，可采用高觸變抗水膏漿；高觸變抗水膏漿的灌注可分為兩級，兩者的外加劑加量均為0.6%，但水灰比不同，一級可采用0.8∶1，二級可采用0.65∶1。

結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)：灌漿段必須以普通水泥漿結(jié)束并達(dá)到設(shè)計規(guī)定，不得以高觸變抗水膏漿結(jié)束。

五、大孔隙地層控制性套閥管法帷幕灌漿法在實際工程中的應(yīng)用

1.工程概況

某水庫是某核電廠的水源工程，對保證核電工程的穩(wěn)定運行具有重要影響。該水庫為瀝青混凝土心墻堆石壩，心墻位于壩軸線上，心墻上下游側(cè)為含有少量細(xì)砂的碎石過渡層，過渡層兩側(cè)則為碾壓碎石料。2007年8月大壩建成開始蓄水，隨即河床段大壩后腳普遍出現(xiàn)滲漏，且隨庫水位緩慢抬高，滲漏量不斷緩慢增大。目前壩后腳沿干砌塊石縫隙間普遍出現(xiàn)流水，并出現(xiàn)翻水現(xiàn)象，局部具有承壓性。針對大壩當(dāng)前滲漏情況，為有效解決大壩長期帶病運行的現(xiàn)狀，對大壩應(yīng)用大孔隙地層控制性套閥管法帷幕灌漿進(jìn)行防滲處理。

2.處理范圍和工藝選擇

大壩滲漏處理范圍為壩體壩基一體化灌漿防滲，即在壩頂原瀝青混凝土心墻上游側(cè)布置3排垂直灌漿孔，孔距、排距均為1.0 m，梅花型布孔。

該項目覆蓋層深厚，壩體堆積料以砂礫為主，顆粒呈不均勻分布，采用傳統(tǒng)鉆灌施工，鉆孔成孔率低，鉆孔材料在砂礫層中，磨損嚴(yán)重，導(dǎo)致施工成本增加，進(jìn)度緩慢，加之漿液灌入量難以控制，很難精準(zhǔn)分辨出滲漏部位，每次灌漿重復(fù)劈裂灌注上部地層，容易引起地表發(fā)生抬動，質(zhì)量難以得到有效控制。因此覆蓋層中采用套閥管法施工工藝，對局部滲漏較大地層則采用高觸變抗水膏漿進(jìn)行灌注，基巖中則進(jìn)行常規(guī)的純壓式灌漿。

3.變漿條件及結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)

變漿條件：水泥漿的變漿條件參照規(guī)范執(zhí)行。當(dāng)0.5∶1水泥漿灌注達(dá)300 L以上，且壓力流量均不見明顯改變時改用高觸變抗水膏漿（一級），灌注300 L以上仍無明顯改變時灌注二級，二級灌注量達(dá)600 L仍無明顯變化時沖管待凝4 h后復(fù)灌。

結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)：一是高觸變抗水膏漿，在規(guī)定壓力下，單位吸漿量小于2L/min時，繼續(xù)灌注30 min；二是水泥漿液灌漿，在規(guī)定壓力下，當(dāng)注入率不大于1 L/min時，繼續(xù)灌注30 min。

六、結(jié)論

從壩后量水堰的觀測數(shù)據(jù)來看，灌漿前漏水量在700 L/s以上，灌后降至50 L/s以下，下降幅度達(dá)90%以上，遠(yuǎn)低于150 L/s的設(shè)計運行要求。

將套閥管法和高觸變抗水膏漿結(jié)合，形成了大孔隙地層控制性套閥管法灌漿技術(shù)，大幅度提高了套閥管法的性價比，值得推廣。

大孔隙地層套閥管法灌漿系統(tǒng)性強(qiáng)，為發(fā)揮其作用，施工單位的經(jīng)驗十分關(guān)鍵。

[1]肖恩尚，歐陽幸，袁梅.控制性灌漿技術(shù)述評[J]//地基基礎(chǔ)工程與錨固注漿技術(shù)：2009年地基基礎(chǔ)工程與錨固注漿技術(shù)研討會論文集[C].中國水利水電地基與基礎(chǔ)工程專業(yè)委員會、中國巖石力學(xué)與工程學(xué)會錨固與注漿分會,2009.

[2]鄒德兵，徐年豐，施華堂，等.控制性復(fù)合灌漿技術(shù)試驗研究與應(yīng)用——以亭子口水利樞紐風(fēng)化卸荷泡砂巖地層處理為例 [J].人民長江，2012(21).

[3]夏可風(fēng)，等.地基與基礎(chǔ)工程（水利水電工程施工手冊第一卷）[M].北京：中國水利水電出版社，2004.

[4]孫亮，夏可風(fēng).灌漿材料及應(yīng)用[M].北京：中國電力出版社，2013.

責(zé)任編輯 軒 瑋

Design and application of curtain grouting method with controlling sleeve valve pipe for large-cavity strata

Liu Bingzheng

Sleeve valve pipe method has a well effect in natural cover with good gradation，which is not so satisfied in large-cavity strata as grout dilution.An introduction is made on how to improve method of sleeve valve pipe by introducing high thixotropic water-resistant plaster.Then the construction technology with controlling sleeve valve pipe for large-cavity strata can be applied to grouting engineering which has achieved a good result.

large-cavity strata;method of sleeve valve pipe;high thixotropic water-resistant plaster

TV523

B

1000-1123（2016）02-0036-03

2015-04-07

劉兵正，高級工程師。