劉鐵銀

(黑龍江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，哈爾濱 150080)

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基于砂礫石地基灌漿的設(shè)計(jì)與施工

劉鐵銀

(黑龍江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，哈爾濱 150080)

摘要：目前許多水庫(kù)大壩的基礎(chǔ)都是砂礫石層，而作為壩體的砂礫石層基礎(chǔ)，需要具有可靠的防滲性、足夠的耐壓性和一定程度的均質(zhì)性。但天然的砂礫石層大都是松散的，其顆粒間的絕對(duì)空隙尺寸大，孔隙率高，這些砂礫石層若作為壩體基礎(chǔ)，必然是透水的，并且基礎(chǔ)的力學(xué)性能也不能滿足其穩(wěn)定的要求，所以作為壩體基礎(chǔ)必須對(duì)其進(jìn)行處理，改善它的各項(xiàng)性能。目前使用最廣泛的手段是灌漿方法，其主要特點(diǎn)是：效果好，適用性強(qiáng)，施工較簡(jiǎn)單并且比較經(jīng)濟(jì)。

關(guān)鍵詞：砂礫石巖層；地基灌漿；設(shè)計(jì)；施工方法；灌漿試驗(yàn)

0前言

天然的砂礫石層是比較松散的巖層，它的空隙大，孔隙率高，因而滲透性較強(qiáng)，在這種巖層上修建大壩，為了減少庫(kù)水的滲漏損失，保證壩體穩(wěn)定與安全，必須采取有效的防滲措施。防滲措施主要是根據(jù)地質(zhì)條件和工程具體情況而定，比較常用的有：開挖砂礫石層，修筑截水槽，水平鋪蓋，混凝土防滲墻和灌漿帷幕，其中進(jìn)行帷幕灌漿最為普遍。作為大壩基礎(chǔ)的砂礫石層，如果采用灌漿帷幕設(shè)置，為保證壩體安全，其設(shè)計(jì)和施工尤為重要。為了得到合理的設(shè)計(jì)、施工方案，應(yīng)該在工作區(qū)內(nèi)選擇適宜的地段進(jìn)行灌漿試驗(yàn)，并結(jié)合以下幾方面進(jìn)行綜合分析確定。

1砂礫石地基的可灌性

1.1根據(jù)可灌比

按照反濾層設(shè)計(jì)原理，用地基的顆粒級(jí)配曲線上含量為15%的粒徑D15(mm)與灌漿材料級(jí)配曲線上含量為85%的粒徑d85(mm)之比值來(lái)衡量地基的可灌性，此比值為可灌比M:。

M=D15/ d85

(1)

1)當(dāng)M<5，一般認(rèn)為砂礫石地層接受灌漿的可能性很小。2) 當(dāng)M=5-10，有黏土水泥漿液不一定能灌好。3)當(dāng)M>5-10，可灌注黏土水泥漿。4)當(dāng)M>15，可灌注水泥漿。

1.2根據(jù)粒徑<0.1mm的顆粒含量

砂礫石地基中粒徑<0.1mm的顆粒含量<5%時(shí)，一般易接受水泥黏土漿液的有效灌注。但較均勻的砂，即使<0.1mm的顆粒含量?jī)H占3%時(shí)，因M<5，仍不能接受水泥黏土漿液的有效灌注。

1.3灌漿材料的選擇

根據(jù)地層滲透系數(shù)k(m/d)的大小，選擇不同的灌漿材料：當(dāng)k≥800，水泥漿液中可加入細(xì)砂。k>150，可灌注純水泥漿液。k=100-120，可灌注加塑化劑的水泥漿液。k=80-100，可灌注加2～5種活性摻合體的水泥漿液。k≤80，可灌注水泥黏土漿液。

1.4根據(jù)顆粒級(jí)配曲線

砂礫石的顆粒級(jí)配曲線比較平緩時(shí)，其不均勻系數(shù)較大；比較陡斜時(shí)，不均勻系數(shù)比較小。它能反映出砂礫石層中顆粒大小的均勻程度，結(jié)合砂礫石層的具體情況，可以作為判定其可灌性依據(jù)。

2帷幕設(shè)計(jì)原則

2.1帷幕的位置

1)與心墻連接。帷幕設(shè)置在心墻的下面，與防滲心墻相連。采用此種帷幕，須先進(jìn)行灌漿，而后填筑壩體，或者設(shè)置專門的灌漿廊道，在廊道中灌漿。

2)與斜墻連接。帷幕設(shè)置在斜墻或斜墻向上游延伸的短鋪蓋下面，與防滲墻相連，采用此種帷幕，與壩體填筑施工相互干擾較少。

3)與防滲鋪蓋連接。灌漿帷幕設(shè)置在防滲鋪蓋下面，與防滲鋪蓋相連。采取此種帷幕，可延長(zhǎng)滲徑，并可減少壩體填筑與灌漿施工的相互干擾。

2.2帷幕的形式

1)均厚式帷幕：在砂礫石層厚度不大的情況下，帷幕各排孔的深度相同。

2)階梯式帷幕：在深厚的砂礫石層中，滲流比降隨砂礫石層的加深而逐漸減小，設(shè)置帷幕時(shí)，多采用上寬下窄階梯狀帷幕。

2.3帷幕的深度

1)全封閉式帷幕：帷幕穿過(guò)砂礫石層達(dá)到基巖，可以全部封閉滲流通道，深入基巖深度，應(yīng)該根據(jù)地質(zhì)條件與工程具體情況確定，一般≥5 m。

2)懸掛式帷幕：帷幕沒(méi)有穿過(guò)整個(gè)砂礫石透水層或與相對(duì)不透水層相連接，若需采取此種帷幕形式，應(yīng)該對(duì)砂礫石層壩基及壩體的滲透穩(wěn)定、滲透流量、是否控制在容許范圍內(nèi)進(jìn)行論證。一般情況下盡量少用此種形式的帷幕。

2.4帷幕孔的孔距

灌漿孔距主要取決于砂礫石層的滲透性、灌漿壓力、灌漿材料以及漿液的濃度等因素，灌漿孔距通常是通過(guò)灌漿試驗(yàn)來(lái)確定的，一般多為2～4 m，以3 m居多。

2.5帷幕的厚度

帷幕的厚度主要根據(jù)幕體的容許滲透比降值確定，同時(shí)應(yīng)保證帷幕本身不會(huì)發(fā)生機(jī)械管涌和化學(xué)管涌。在長(zhǎng)期水流作用下，能夠抵抗?jié)B透水的侵蝕，對(duì)于一般水泥黏土漿，容許滲透比降值可采用3～4。當(dāng)帷幕較厚時(shí)，選用的容許滲透比降值較小，當(dāng)帷幕較薄時(shí)，選用的容許滲透比降值較大，國(guó)內(nèi)一些大壩的砂礫石層基礎(chǔ)的灌漿帷幕，大都是由3排孔構(gòu)成的。

帷幕厚度計(jì)算公式如下：

T=H/J

(2)

式中：T為帷幕厚度，m；H為最大設(shè)計(jì)水頭，m；J為帷幕的容許滲透比降。

3鉆孔方法與灌漿方法

3.1鉆孔方法

砂礫石中的灌漿孔都是鉛直方向的鉆孔，除了打管灌漿法外，就造孔的方式來(lái)分，主要有沖擊和回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)兩大類；就使用的沖洗液來(lái)分，有清水沖洗鉆進(jìn)和泥漿固壁鉆進(jìn)。

3.2灌漿方法

3.2.1打管灌漿法

將帶有花管的鉆管直接打入砂礫石層中，再將管內(nèi)於砂沖洗后進(jìn)行灌漿。該法使打孔與灌漿在工序上緊密結(jié)合，操作上簡(jiǎn)單易行，多用于灌漿深度不深的工程。施工程序?yàn)榇蚬堋鷽_洗→灌漿。

3.2.2套管灌漿法

一邊鉆進(jìn)造孔，一邊下入護(hù)壁套管(或者隨打入護(hù)壁套管，隨掏取砂礫料)，直到套管下達(dá)到最終孔深為止。然后下入灌漿管，逐段上拔套管進(jìn)行灌漿。采用這種方法施工，在鉆進(jìn)方面，幾乎不受操作方法的限制。由于跟入護(hù)壁套管，則完全消除了塌孔及埋鉆事故，這是有利的一面，但在灌漿過(guò)程中，漿液容易沿著套管外壁向上流動(dòng)，甚至地表冒漿。如果灌注的時(shí)間較長(zhǎng)，灌注的又是水泥含量較高的濃漿，就會(huì)膠結(jié)住套管，造成起拔困難，影響施工進(jìn)度，這是不利的一面。

3.2.3循環(huán)鉆灌法

在地面預(yù)埋孔口管，下入灌漿管，自上而下，鉆一段灌一段。施工程序?yàn)殚_挖淺坑→鉆孔口管段→下孔口管→綁扎防漿環(huán)→淺坑回填→孔口管段灌漿→待凝→鉆進(jìn)→灌漿→鉆下一段→灌漿。

3.2.4預(yù)埋花管法

在砂礫石層中，每隔一定距離埋設(shè)一段帶花眼的花管，孔眼外包橡皮箍，在花管與孔壁間填入強(qiáng)度低的黏土水泥填料，灌漿管放入花管后，壓力灌漿頂開橡皮箍，通過(guò)開裂的填料進(jìn)入砂礫石層，該方法運(yùn)用較廣，優(yōu)點(diǎn)是一次成孔，孔內(nèi)埋設(shè)花管不會(huì)塌孔，灌漿管在花管中能上下移動(dòng)，可以灌任何一段，還可以重復(fù)灌漿，施工方便，缺點(diǎn)是花管不能回收利用，成本高。施工程序?yàn)殂@孔(下入套管護(hù)壁)→清孔→下花管→邊下填料邊起套管→待凝→在花管內(nèi)下入雙塞式灌漿塞→用壓力水→灌漿。

4灌漿材料

灌漿材料主要為水泥、黏土或膨潤(rùn)土，應(yīng)該滿足細(xì)度、穩(wěn)定性和膠結(jié)能力、膠結(jié)強(qiáng)度等要求，在強(qiáng)透水層中灌漿，可摻入砂子、磨細(xì)礦渣、粉煤灰等摻合料。為了改善灌漿性能，還可以加入促凝劑、塑化劑等外加劑。水泥強(qiáng)度等級(jí)不低于32.5號(hào)，對(duì)于永久性防滲帷幕，水泥含量占總干料的20%-50%(重量)，臨時(shí)性防滲帷幕可以適當(dāng)降低漿液中水泥含量。水泥黏土漿的一般配比及性能見附表。

附表　水泥黏土漿的一般配比及性能

注：1)黏度不能>60s；2)原漿(泥漿)密度控制在14.0kN/m3；3)濃漿用于吸漿率>100L/min，稀漿用于吸漿率<50 L/min。

5灌漿試驗(yàn)

5.1試驗(yàn)的目的

砂礫石地基的孔隙大，空隙率高，滲透性強(qiáng)，如果采用帷幕灌漿防滲，在設(shè)計(jì)和正式施工前，應(yīng)先在現(xiàn)場(chǎng)選擇適宜的地段進(jìn)行灌漿試驗(yàn)。通過(guò)灌漿試驗(yàn)論證大壩砂礫石基礎(chǔ)采用灌漿方法處理在技術(shù)上的可行性，效果上的可靠性，經(jīng)濟(jì)上的合理性。從而落實(shí)灌漿的施工方法、選定合適的漿液、推薦合理的施工程序、施工工藝和灌漿壓；確定灌漿孔的排數(shù)，排距，孔距、孔深等；提出對(duì)鉆孔及灌漿機(jī)械以及其他的機(jī)械設(shè)備的要求建議。

5.2場(chǎng)地地質(zhì)條件調(diào)查

灌漿試驗(yàn)前，應(yīng)實(shí)地勘察并細(xì)致地分析砂礫石層的分布、組成、性質(zhì)、膠結(jié)、各地層的滲透性和顆粒級(jí)配等有關(guān)地質(zhì)資料。

5.3確定灌漿試驗(yàn)區(qū)

選擇具有代表性的地層，確定灌漿試驗(yàn)區(qū)。

孔位的布置形式可以是三角形、矩形、六角形、多排形(三排以上)，同心圓環(huán)狀等，孔距可在2～4 m范圍內(nèi)選擇，總體布置原則：能夠逐步加密、對(duì)稱，最后形成包圍封閉，便于在中心打孔或挖坑進(jìn)行取樣、抽水檢查。

5.4灌漿試驗(yàn)

1)初選適宜的鉆孔方法、灌漿方法、漿液種類及配比，在試驗(yàn)過(guò)程實(shí)時(shí)進(jìn)行調(diào)整。

2)初期灌漿壓力可由以下公式進(jìn)行估算，在試驗(yàn)過(guò)程中調(diào)整至適宜的灌漿壓力。

P=(1/1000)βαT+(1/10)Cαλh

(3)

式中：P為灌漿壓力；β為系數(shù)，在1-3范圍內(nèi)選用；T為蓋重層厚度，m，C為與灌漿次序有關(guān)的系數(shù)，一序孔，C=1，二序孔，C=1.25，三序孔，C=1.5；α為與灌漿方式有關(guān)的系數(shù)，自下而上灌漿=0.6，自上而下灌漿，=0.8；λ為與地層結(jié)構(gòu)有關(guān)的系數(shù)，如顆粒組成，滲透性等，值可在0.5-1.5范圍內(nèi)選用，結(jié)構(gòu)疏松，滲透性強(qiáng)的，取低值，結(jié)構(gòu)緊密，滲透性弱，取高值；h為蓋重層底板至灌漿段頂部的深度，m,當(dāng)無(wú)蓋重時(shí)，則自砂礫石表面算起。

5.5地表變形觀測(cè)

在灌漿試驗(yàn)區(qū)布置觀測(cè)樁，組成觀測(cè)網(wǎng)，灌漿前后，分別測(cè)量各觀測(cè)樁的標(biāo)高，根據(jù)各樁標(biāo)高的變化測(cè)出地表的抬動(dòng)變形情況。

6結(jié)論

天然的砂礫石層是比較松散的巖層，它的空隙大，孔隙率高，因而滲透性較強(qiáng)，在這種巖層上修建大壩，為了減少庫(kù)水的滲漏損失，保證壩體穩(wěn)定與安全，必須采取有效的防滲措施。作為大壩基礎(chǔ)的砂礫石層，如果采用灌漿帷幕設(shè)置，為保證壩體安全，其設(shè)計(jì)和施工尤為重要。為了得到合理的設(shè)計(jì)方案和施工方法，應(yīng)該在工作區(qū)內(nèi)選擇適宜的地段進(jìn)行灌漿試驗(yàn)，通過(guò)灌漿試驗(yàn)論證大壩砂礫石基礎(chǔ)采用灌漿方法處理在技術(shù)上的可行性，效果上的可靠性，經(jīng)濟(jì)上的合理性。砂礫石地層灌漿的設(shè)計(jì)依據(jù)及施工方法，對(duì)于工程來(lái)講，設(shè)計(jì)方案尤為重要，是施工的依據(jù)，同時(shí)施工也可為設(shè)計(jì)方案的逐步完善具有現(xiàn)實(shí)的指導(dǎo)作用，設(shè)計(jì)與施工完美結(jié)合，從而造就出一項(xiàng)優(yōu)質(zhì)工程的誕生。

參考文獻(xiàn)：

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[2]李茂芳，孫釗，大壩基礎(chǔ)灌漿(第二版)[M].北京：水利電力出版社，1994.

文章編號(hào)：1007-7596(2016)04-0178-03

[收稿日期]2016-03-21

[作者簡(jiǎn)介]劉鐵銀(1965-)，男，黑龍江富錦人，高級(jí)工程師，現(xiàn)任勘測(cè)院基礎(chǔ)工程處處長(zhǎng)。

中圖分類號(hào)：TV697.3+2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B