水利水电工程施工手册：水泥灌浆之砂砾灌浆

1第八节砂砾石地基灌浆砂砾石层是冲积层（覆盖层）的一种，因其透水性大，在作为水工建筑物地基时常常需要进行防渗处理。水泥（主要是水泥黏土浆液）灌浆是在砂砾石地基建造防渗帷幕的一项有效措施。我国在二十世纪五、六十年代就在一些砂砾石地基上的重要工程成功地建造了灌浆防渗帷幕。后来由于混凝土防渗墙技术的快速发展，使得灌浆帷幕的使用逐渐减少，但近年来由于技术的进步和工程建设的需要，在江河堤防、病险水库的防渗加固和围堰防渗中帷幕灌浆渐多应用。我国在1963年由原水利电力部水利水电建设总局主持制定了《水工建筑物砂砾石基础帷幕灌浆工程施工技术试行规范》，但后来没有修订和重印。本节根据以往和近年的经验阐述该项技术的要点。1地层的可灌性1.1砂砾石地层可灌性的判别方法分析砂砾石地层的可灌性首先应当了解地层的组成、性质、紧密程度、胶结情况、不同特性的土层分布、渗透性及颗粒级配等。根据颗粒级配曲线，可以用以下指标初步分析地层的可灌性。1.1.1可灌比值可灌比值是砂砾石地层能否接受某种灌浆材料进行有效灌浆的一种指标通常用下式表示：M=D15（2-8-1）d85式中M—可灌比值；D15—砂砾石地层中含量为15%的颗粒粒径，mm；d85—灌浆材料中含量为85%的颗粒的粒径，mm。常见灌浆材料的d85值参见表2-8-1。在一般情况下，当M≥10时可灌注水泥黏土浆；当M≥15时可以灌注水泥浆。实践经验证明，所用灌浆材料满足上述条件时，一般可使砂砾层的渗透系数降低至10-4～10-5cm/s的水平。2表2-8-1各种灌浆材料的d85值灌浆材料42.5水泥32.5水泥磨细水泥膨润土黏土水泥黏土浆粉煤灰d85(mm)0.060.0750.0250.00150.02~0.0260.05~0.060.0471.1.2小于0.1mm颗粒含量由于水泥颗粒的最大粒径接近0.1mm，一些工程的实践表明，对于小于0.1mm颗粒含量少于5%的砂砾石地层都可接受水泥黏土浆的有效灌注。1.1.3冲积层的颗粒级配曲线我国曾根据一些工程的经验整理出若干特征曲线作为地基对不同灌浆材料可灌性的界限，如图2-8-1，当被灌地层的颗粒曲线位于A线左侧时，该地层容易接受水泥灌浆；当地层埋藏较浅（如5m～10m），其颗粒曲线位于B线和A线之间时也可以接受水泥黏土灌浆；当地层颗粒曲线位于C线和B线之间时，该地层容易接受一般的水泥黏土灌浆；当地层颗粒曲线位于D线和C线之间时，需使用膨润土和磨细水泥灌注。图2-8-1判别冲积层可灌性的颗粒级配曲线1.1.4地层渗透系数的大小渗透系数的大小可以间接地反映地层孔隙的大小，因而也可用渗透系数判别砂砾石地层的可灌性。根据勘探试验资料统计，不同性质的冲积层的渗透系数范围见表2-8-2，不同灌浆材料可适用地层的渗透系数见表2-8-3。3表2-8-2不同土质的渗透系数土的分类渗透系数范围cm/sm/d砂卵石10-180～120砂砾石6×10-2～10-150～80粗砂3×10-2～6×10-225～80中砂10-2～3×10-215～25细砂10-28～15粉细砂6×10-3～10-25～8粉砂10-5～6×10-31～5表2-8-3不同灌浆材料可适用地层的渗透系数灌浆材料可灌地层的最小渗透系数cm/sm/d水泥砂浆（细砂）1.0800普通水泥浆0.2170掺有减水剂的水泥浆0.1100水泥黏土浆5×10-240黏土浆5×10-240磨细水泥黏土浆2×10-220膨润土浆10-210硅酸钠10-210经验表明，地层的渗透系数愈大，灌浆效果愈好，灌浆后渗透系数降低愈多。反之，地层的渗透系数愈小，灌浆后渗透系数降低也少。国内外若干砂砾石地基灌浆工程的情况如表2-8-4。总之，砂砾石地层结构复杂，确定砂砾石层是否可灌，选择何种浆液适宜，最好采用上述多种判别方法进行综合分析。对于地基中存在不同分层的情况，就要选用不同的灌注材料。4表2-8-4国内外若干砂砾石地基灌浆工程的情况工程名国别建成年分坝高或水头（m）帷幕面积（m）帷幕最大深度（m）帷幕孔布置灌浆孔总长（m）最大灌浆压力（MPa）单位注入量平均渗透系数（cm/s）排数排距（m）孔距（m）t/mt/m2灌浆前灌浆后西尔文斯坦德国1959465200120732～38000(0.3~0.6)H1.32.55×10-1(1～3)×10-4谢尔庞桑法国196012042000115192～2.52.5～4162000.6H＜6～81.56.73×10-19×10-22×10-5米松·太沙基加拿大1960606200150533～4.58000(0.3~0.6)H2.13.12×10-14×10-4马特马克瑞士1967115210001101033.5490002～2.51.43.210-2～10-46×10-5阿斯旺高坝埃及197111154700250152.5～52.53350003～61.46.110-1～10-33×10-4船明日本197715601420042.52.5173500.8～1.0H1.371.6710-1～10-210-4只见日本198819.8铺盖灌浆深5m22.51735湿磨水泥260kg/m1.7×10-22.3×10-32.3×10-5密云水库中国196066274004433.542.5(4～10)×10-16×10-5～7×10-4岳城水库*中国196151.523234、51.7～3.36177901.8左岸637右岸2340kg/m7×10-3～5×10-210-4～10-3小南海地震堆积坝*中国20021008031.5～21.5～3.5481240.2～1.40.457(5～22)×10-2(0.8~7.6)×10-21～11.2Lu冶勒灌浆试验*中国2002125.59630.75～1.2524733.50.19220～100Lu1～4.6Lu下坂地灌浆试验*中国20037815833.03.016652.50．64110-2～10-11.7×10-6～1.8×10-4*采用循环钻灌法施工，其余均采用预埋花管法施工。51.2浆液的渗透距离由于浆液和地层的性质都十分复杂，为了研究浆液在地层中的流动状态，学者们建立了各种模型，推导了许多公式。通过它们可以近似地估算出有关的参数。对于由颗粒材料组成的悬浊浆液，渗透距离可用下面公式估算：R=γghre＋r(2.8.2)2s式中：R－浆液的渗透距离，cm；γ—水的密度，g/cm3；g—重力加速度，9.81cm/s2；h—注入压力，以水头表示，cm；re—孔隙的等值半径，cm；s—浆液的屈服强度，达因/cm2；r—灌浆孔半径，cm。re值与地基的渗透系数有关，可按表2-8-5选取。ν值参考图2-8-2取用。表2-8-5孔隙等值半径k（cm/s）re（cm）备注10.019孔隙比等于0.310-10.005910-20.001910-30.00059图2-8-2水泥浆液的屈服强度61.3砂砾石地层注浆量估算在覆盖层没发生明显抬动的情况下，每一灌段的总注浆量可以用下式估算：Q=πR2Lnαβ（2-8-3）式中Q—灌浆段总注浆量，m3；R—预计灌浆渗透半径，m；L—灌浆段长度，m；n—地层孔隙率，%；α—灌浆的充填率，取0.8～1.0；β—富裕系数，取1.5。2砂砾石地基灌浆的一般要求（1）做好灌浆试验灌浆试验对于砂砾石地层的灌浆十分重要，进行灌浆之前，应仔细调查分析地质情况，选择灌浆方法和浆液材料，拟定灌浆参数，之后应选择有代表性的地点进行必要的现场试验，根据试验的成果最后确定施工方案及灌浆参数。（2）设置盖重和制定表层处理措施砂砾石地层一般比较松散，灌浆时往往发生冒浆、串浆现象，压力不易提升。因此预先在砂砾石表面建造一层盖重（混凝土或粘性土铺盖）是十分必要的。表层处理也可采用开挖置换或进行加密孔灌浆，灌浆时应增加浆液中水泥含量，采用自上而下灌浆法。（3）进行浆液配比设计和浆液试验砂砾石灌浆一般注入量很大，对浆液的要求也更为严格和多样化，浆液的质量对灌浆工程的质量和造价的影响很大。因此，预先要认真进行浆液的成分和配比设计。砂砾石地基多灌注水泥黏土浆，各地黏土性能差别很大，因此各种浆液配比还要经过室内试验和现场试验调整确定。（4）施工次序砂砾石灌浆的施工次序应遵照分排分序逐渐加密的原则进行：先灌注下游排，再灌注上游排，后灌注中间排孔。同一排孔中分2～3个次序灌注，先施工Ⅰ序孔，后施工Ⅱ序孔、Ⅲ序孔。相邻两个不同次序孔的灌浆原则上应待先序孔灌完后，后序孔方可开始施工，但当采用自上而下灌浆法时，后序孔可在滞后先序孔10m的条件下随后施工。73灌浆方法砂砾石地层灌浆的方法很多，我国常用的有循环钻灌法、预埋花管法、套管灌浆法和打管灌浆法。3.1循环钻灌法循环钻灌法是我国独创的一种灌浆方法，也称边钻边灌法。这种方法是在冲积层中自上而下逐段进行钻孔和灌浆，各段灌浆都在孔口封闭。循环钻灌法后来被扩展到岩石地基灌浆施工中，并加以改进，发展成为目前普遍采用的孔口封闭灌浆法。3.1.1循环钻灌法的特点（1）适宜于砂卵砾石中灌注水泥黏土浆或水泥浆；（2）在钻孔的过程中，也利用循环泥浆对地层进行灌浆；（3）由于每段灌浆都是在孔口封闭，各个灌浆段可以得到多次复灌，因而灌浆质量好；（4）与预埋花管法相比，可以节省大量的管材；（5）工序相对比较简单，操作容易。循环钻灌法的缺点是：由于钻灌工序交替进行，因此工效相对较低；各段灌浆均在孔口封闭，因而灌浆时地表常常冒浆严重，既使进行深部灌浆时，也不能使用很高的灌浆压力；当覆盖层由多种地层组成，需要灌注不同类型浆液时，难以施工。3.1.2循环钻灌法的施工程序及技术要点循环钻灌法的主要施工程序有：建造盖重层或灌浆盖板→孔口管段钻孔→孔口段灌浆→镶铸孔口管→待凝→第二段钻孔→第二段灌浆→第三、四段钻孔、灌浆……直至终孔→封孔。图2-8-3为循环钻灌法灌浆示意图。采用循环钻灌法应注意以下施工技术要点。（1）建造灌浆盖板为了使灌浆达到一定的压力，防止和减少冒浆，确保灌浆效果，一般需要在砂砾石表面构筑一个盖重层，它可以是黏土铺盖，也可以是混凝土板。例如埃及阿斯旺高坝砂砾石帷幕灌浆建造了厚达22～40m黏土铺盖，密云水库和岳城水库的黏土铺盖厚达8m。采用混凝土盖板的厚度应根据地层结构和灌浆压力进行选择，宜以地面允许抬动不得超过砂砾石灌浆深度的1%～2%，宽度可超出边排孔1.5m，混凝土的强度等级为C15。8图2-8-3循环钻灌法灌浆图示1－灌浆管（Φ42mm钻杆）；2－防浆环；3－孔口管；4－封闭器；5－黏土铺盖；6－混凝土或砂浆；7－孔口管下部的花管；8－压力表；9－进浆管；10－回浆管；11－阀门；12－孔壁；13－盖板灌浆段；14－砂砾石层；15－钻机立轴；16－孔内灌浆管；17－射浆花管（2）孔口管段钻孔与灌浆在混凝土灌浆盖板浇筑完成并达到70%强度以后，就可以开始钻进孔口管段。钻孔直径比孔口管直径大一级即可，深度以穿透混凝土盖板深入被灌的冲积层1.0～1.5m为宜。然后在混凝土盖板内安装灌浆塞进行灌浆，直至达到结束条件。（3）镶铸孔口管在循环钻灌法工艺中，每一个灌浆孔都要镶铸一根孔口管。孔口管的作用很重要，它钻孔时保护孔口，灌浆时用于安设孔口封闭器，实现全孔的压力灌浆。当灌浆是在已经浇筑了混凝土盖板的条件下进行时，其孔口管的施工方法可参见本章第六节1.3。当灌浆需在土层中设置灌浆帽时，灌浆帽的结构见图2-8-3。施工方法为先挖一个面积0.8m×1.0m、深0.8m的浅坑，在浅坑中央用Φ130～150mm钻头钻进1.5～2.0m，再换小一级钻头钻至砂砾石层内1m，之后，在全孔内下设底部带有孔眼的孔口管。浅坑底部孔口管四周缠绕麻绳或草绳作为防浆环，浅坑内浇筑混凝土。孔口管管口高出地面10cm，加工有螺纹可与孔口封闭器联接。（4）自上而下逐段钻孔与灌浆9钻孔按本章第三节6.2所述进行。一般使用最稀一级水泥黏土浆（如水泥：黏土：水=1：1：12）作为冲洗和护壁的循环泥浆，遇到孔壁坍塌掉块的孔段，可酌情换用浓一级或二级的浆液护壁，严重时可