半经验固结灌浆的优化设计方案

这里发育的结构面所形成的浆径都是陡倾角的，如用传统的铅直孔进行固结灌浆，显而易见，铅直孔与浆径相交的几率是很低的，当然其固结灌浆效果也不会好，因而我们采用了与主要浆径有大交角的半经验的固结灌浆设计方法。

（一）固结灌浆目的

为改善地基岩体的力学性质，加强塔基下岩体的整体性，提高其强度和变形模量，减少基础的不均匀沉陷，使塔基的应力均匀地传递到岩体中，需对进水塔地基及前沿的岩体进行全面的水泥固结灌浆。

（二）固结灌浆参数

在招标设计阶段，由于著者研究的裂隙透水性的课题尚在进行之中，当时仅认识到高倾角裂隙分布地区用铅直孔灌浆的效果是不好的，应改为斜孔灌浆，但斜孔的产状怎么确定，当时尚无程序可供计算。为了尽快提出施工图，按经验分析判断，暂把斜孔产状定为倾向SE112°58′，倾角60°（表13-1）。斜孔倾向与水流方向一致。

（三）固结灌浆施工技术要求

1.孔序

必须按图13-1 所示的Ⅰ序、Ⅱ序、Ⅲ序孔的布置图进行固结灌浆施工。根据灌浆检查情况，如果需要Ⅳ序孔的话，应在已灌浆的周围间隔布置4个Ⅳ序孔，甚至再相应布置4个Ⅴ序孔，直至达到要求为止。

表13-1　固结灌浆斜孔参数表

2.孔径与孔距

孔径为75mm，孔距为3.0m×3.0m。

3.灌浆材料

所有灌浆材料都应妥善地管理、储存、保护，变质和污染的材料不得使用。

钻孔、取心、试验、洗孔及拌和用水要新鲜、干净，水中不得含有油、土、有机物、碱、酸及其他杂质。

灌浆用的水泥为425 号普通硅酸盐水泥，应符合GB—175 中国标准。

加入混合料中的沙，应由清洁的坚硬的颗粒组成，不能含有机质、粘土块及其他杂质，含水量应小于其干密度的3% ，细度模数应小于2。

图13-1　固结灌浆孔序次图

○—Ⅰ序孔；—Ⅱ序孔；⊕—Ⅲ序孔；+ —变形观测装置

浆液中拟掺的外加剂，如减水剂（缓凝）、氯化钙和着色剂等，应购买于同一厂家，以确保它们的相容性。

浆液中掺入的膨润土要采用易溶于水的类型，应符合API13A《油井钻探流体材料标准》的要求。

用于灌浆的浆液一般由水泥、膨润土、水和外加剂组成。浆液混合料中各种材料的比例可视现场具体情况进行调整。在开始灌浆80d 以前，应对工程使用的灌浆材料在试验室进行试验，以确定浆液的稠度、初凝和终凝时间、各种混合料的最优配比、各种外加剂的相容性以及可能影响浆液质量的其他因素。常用的膨润土含量是水泥重量的1% ～3%。浆液试验项目应包括掺和料的细度和颗分；稳定性、流动性或粘度；析水率、沉淀速度；凝结时间和结石强度；结石的透水性等。

4.灌浆压力

根据地质条件，应在0.2～0.4MPa 之间选择。

5.灌浆压重

固结灌浆应在不小于1.3m 厚的混凝土压重层上进行。

6.钻孔

所有的钻孔都应按顺序、方位布置，钻到要求的深度。在灌浆或已灌完浆但未超过24h 的孔周围10m 范围内，不能钻孔灌浆。

应在设计固结灌浆孔点的20cm 范围内布置灌浆孔。

每一钻孔的倾角和方位都要进行测量，所有偏离规定倾角和方位大于5°的灌浆孔都要废弃掉。这些废弃孔都要从孔底起用灌浆填死，然后重新钻替代孔。

所有钻孔通过风化岩层时应加套管。所有钻孔钻探时，不需进行覆盖层取样，但钻探孔及某些灌浆孔应在基岩中取心。

钻孔只能用清水冲洗。钻孔内不能使用任何其他泥浆。不能在钻杆上使用油脂、钻杆涂料、钻孔泥浆或其他润滑剂来帮助钻进。

钻孔之后，每个孔都要在孔口上盖上临时压盖，以免被阻塞或封堵。

取心期间，打开岩心管的方式，应不使岩心受到扰动。岩心要放在PVC 管中，以便检查。在地质工程师鉴定记录后，岩心要按照取出的顺序，放在岩心盒子里，按照从孔中取出岩心的测量长度，分隔放置于贴有标签的岩心箱中。孔号和高程都要注明在岩心箱上。

7.冲洗钻孔及压水试验

固结灌浆孔和勘探孔在钻孔完成之后，除要求做压水试验外，都要马上进行冲洗。对要做压水试验的一些孔，要在试验之前压水冲洗。钻孔要用通过插到孔底的清洗管压出的水气混合物进行清洗，直到清水返回地面为止，然后再用清水冲洗10min。每一孔周围20m 内，若有灌浆孔灌完时间没有超过24h，不能对该孔做压水试验。

当试验压力上升至要求的数值后，要每10min测一次流入量，直至达到下列的条件之一为止：

（1）4次连续读数的流入量都大于5L/min，其四次连续读数的最大值和最小值之差，小于最后读数的10% ；

（2）4 次连续读数的灌入量都小于5L/min，其最大值与最小值之差小于最终值的20 % 。

（3）4次连续读出的流入量都小于0.5L/min。

清洗和压水试验用的水压力，一般来说应不大于规定灌浆压力的80%。

8.灌浆

所有灌浆区内都应保持没有水、泥浆、淤泥、油或任何污染材料，以使它们不会排到完工或施工区的任何部位。

孔周围30m半径范围内所有爆破结束之前不能对该孔进行灌浆。

每一个灌浆孔完成后，如不超过24h，距该孔小于20m的其他钻孔不能进行灌浆。

岩体表面温度在1℃以下时，不能向岩体中压注浆液。浆液的温度低于5℃或高于20℃时也不能注浆。

浆液所用水的温度不得超过40℃。

拌和、搅拌直至注浆时，浆液的温度不超过25℃。

灌浆之前，浆液至少要拌和3min；所有拌和好的浆液，如果1h内尚未压注入孔的浆液，一律不能使用。(www.xing528.com)

拌和时，灌浆中的水温要低于25℃、高于5℃；加入拌和的水泥温度应在0℃以上。

孔内的分段灌浆是一个连续的操作过程，直到所有段都达到“不再吸浆的标准”且灌浆孔被回填为止。在灌浆设备出现故障的情况下，应马上用水冲洗钻孔一直到返回清水为止。

如果浆液的吸收率持续降低，就连续使用开始时的浆液，直到达到“不再吸浆标准”为止。

固结灌浆宜在有混凝土重盖情况下进行，钻孔灌浆必须在相应部位的混凝土达到50%设计强度后方可施工。当其孔的基岩段长度大于8m者，应分段灌浆。

在灌浆地区，应安设变形观测装置，灌浆过程中应随时观测，发现地基抬动或有异常情况时，应立即降压并报告有关人员，且作好详细记录。

9.检查孔数量

在灌浆14d之后，钻孔取心检查结石充填裂隙的情况；灌后钻孔进行压水试验，检查灌前、灌后岩体透水率的变化；用超声波法检查灌前、灌后钻孔围岩纵波速度的变化。任一区内，用于检查质量的钻孔数量，应不少于该区固结灌浆孔总数的5%。

10.固结灌浆质量检查标准及要求

（1）固结灌浆质量检查标准。固结灌浆质量检查，宜采用直接测量岩体弹性模量的方法，检查工作宜在该部位灌浆结束14d后进行；也可采取压水试验方法，检查工作宜在该部位灌浆结束3d后进行。检查孔的数量应为灌浆孔总数的5%左右，其孔段合格率应在80%以上。

（2）不再吸浆的标准。灌浆时，按规定的压力，测定吸浆率小于0.4L/min，持续30min后，灌浆工作即可结束。

（3）固结灌浆质量要求。要求灌浆后岩体纵波速度vP ≥4200m/s；灌浆后与灌浆前纵波速度比值应达到1.1，当达不到此要求时，则必须经有关人员共同研究，决定是否再采取措施；灌浆后要求其单位吸水量q＜3Lu。

11.质量控制

（1）所有的灌浆都应该在有监理工程师（或工程师）在场的情况下进行，操作钻机、压水试验及灌浆的人员都是有经验的。

（2）应认真保存好钻孔、取心、压水试验、灌浆的记录资料。它们应包括：钻孔编号、位置、方向、倾角、孔深；钻孔、灌浆、重钻、重灌的日期；压水试验结果及观测资料或报告。

灌浆种类、配合比、注浆量、所用压力、灌浆的次数及历时、灌浆孔的相互结合、表面渗漏情况和周围温度；每个作业班为测量、记录、质量控制目的所做的任何其他资料。

（3）试验。只要工程师需要，承包商都要提供试验用的灌浆样品，以检验工程的灌浆质量。

（4）位移指示器。位移指示器应安装在工程师认为会因灌浆引起岩体隆起的基础部位，位移指示器应在该区灌浆前安装；无论何时，当位移指示器显示岩体开始隆起时，灌浆压力应立即降低。

对每一个位移指示器，应安装一低摩阻力的百分表，以准确测量岩面对参考标杆的隆起值。百分表的测量范围为25mm，刻度为0.01mm；灌浆结束后，位移指示器应拆除，并用浓浆封填标杆孔。

（四）固结灌浆施工

进水口开挖支护工作按施工计划应在1995年10月底全部结束，1995年6月中旬应浇筑塔体结构混凝土，并要求在1997年10月截流之前塔体全部上升至195m高程。由于多种原因，造成施工滞后，直至1996年7月下旬施工才进入塔群基础处理阶段。

为保证按期截流，现场施工改变了标书规定的在1.3m 混凝土压重上钻孔的施工方案。

在进水塔群基础固结灌浆施工之前两个多月，承包商向工程师递交了一份“进口区固结灌浆的建议施工方法说明书”，并在2 号发电塔上游左侧做了24m×14m 共计40 个孔的试验块。

固结灌浆压力采用0.2～0.4MPa，采用自上而下纯压式灌注方法钻灌。基础开挖后，只浇筑了0.2～0.5m厚的混凝土垫层。固结灌浆分3 个工序钻孔，孔距、排距均为3m，孔深7～15m，灌浆孔向下游倾斜，倾角为60°。

按工序，先灌注孔口以下3m，形成灌浆盖重后，按工序钻灌3m以下的部位，直至终孔。最大灌浆段长度不超过8m，一般钻灌孔段长度4～6m。为防止基岩抬动，在钻灌地段相应地布置安装变形观测装置。在F240、F241断层破碎带上，下挖破碎岩体，采用钢筋混凝土置换措施，并加密破碎带地段的灌浆孔（预埋PVC 灌浆管，孔距、排距2m×2m）共计增加114孔。为检查固结灌浆效果，在灌浆后布置约占总孔数5%的检查孔。在检查孔内进行压水试验和超声波检查。

1.钻斜孔

确定钻孔位置后，开钻前钻臂的角度使用气泡水平仪核对检查，用于钻孔测量的装置为西安石油勘探十八仪器总厂生产的DU2—D 磁性多点仪。

对于基础平坦部位，采用66kW 桅杆4～6m 的Deutz F6L912 型或与此相当的履带钻机。

对于边坡部位，采用DIAMEC 250/251 型放在支架台上的小型钻机。所有灌浆孔采用旋转冲击钻钻孔成型，正常钻孔直径为75mm，钻孔和冲洗一般采用清水，如钻孔孔壁出现不稳定的情况，在钻孔循环水中加入FORAMOUSSED2型聚合稳定剂。

2.特殊情况处理

（1）钻孔。所有偏离规定倾角和方位大于5°的灌浆孔都要废弃掉，这些废弃的孔都要从孔底起用浆液填死，然后按要求重新钻替代孔。

钻孔时如钻杆或钻头断掉，应采用适当的钩拉工具捞出后恢复钻孔工作，以保证连续钻孔，如操作失败，采取其他措施需经工程师同意。

（2）灌浆。若测得浆液的浓度、粘度、温度等超出规定的范围，应从搅拌机中除去这批浆液，在下一批配料之前应调查出失败的原因。

灌浆时若灌浆设备出现故障，应立即拆除坏的部件更换新部件，要保证灌浆工作的连续性。

（五）固结灌浆资料分析

1.固结灌浆分区

整个进水塔群地基固结灌浆孔在南北方向共分（-1）～（102）列，其桩号为0-031.95～0+277.05，0+000.00设在3号明流塔以北10.5m即灌溉塔北侧边上；顺水流向共分（A）～（AD）排，其桩号为0-021.02～0+0071.00，进水塔上部进口前沿为0+000.00。施工中将整个进水塔群基础分为5 个大的区域（表13-2）49 个施工区块。

表13-2　进水塔基固结灌浆分区表

2.二、三、四区塔基固结灌浆的注灰量

除1号明流塔、3号明流塔、灌溉塔和F28断层以外，二区、三区、四区包含了所有的塔基。各区的塔基固结灌浆的注灰量如表13-3所示。从13-3所列灌浆分序注灰量可知，单位注灰量随着序次的增加，注灰量有逐渐减少以及塔群基础从北到南注灰量逐渐增加的规律；在四区内，由于适当加大了灌浆压力，而使其单位注灰量有所增加。就整个二区、三区、四区固结灌浆单位注灰量而言，由于T13-2岩组裂隙不发育和灌浆压力较低（未有混凝土盖重），使单位注灰量都比较低。

表13-3　二、三、四区塔基固结灌浆的注灰量表

3.施工质量检查

（1）压水试验检查。固结灌浆前后的钻孔均进行了压水试验（岩体阻水性的增大与否或透水率变小与否标志着固结灌浆效果的好坏），现将岩体透水率的变化情况列表13-4予以说明。

表13-4　固结灌浆前后岩体透水率表

表13-4 列举了224 组为检查固结灌浆质量而做的压水试验资料。灌前55 段的透水率（占试验总段数132段的40%）超过设计要求值（＞3Lu）；灌后仅有7 段的透水率超过设计要求值，说明灌浆效果是良好的，从灌后小于3Lu 试段增加的百分数来看，20T、2PT 和2FFT 的灌浆效果要好于30T 和3PT 的灌浆效果。

（2）超声波测试检查。测试仪器采用SYC- 2、日本5217A 及SD-1 型超声波测试仪，超声波换能器采用了湘潭电子仪器厂生产的30KC单发双收、单发单收探头。

超声波测试在钻孔中进行，单孔测试点距20cm，跨孔测试点距50cm，跨孔距3～5m，孔深6～15m不等，共完成单孔测试157 个，累计测点7061 点；跨孔测试118 组，累计测点2143个。

灌浆前超声波纵波速集中在3400～4200m/s，灌浆后超声波纵波速集中在4000～4400m/s。在岩体完整性较好的地段，经固结灌浆后岩体的超声波速度、横波速度、动弹性模量增长比值较小，纵波速度的增长比值在2%～7.3%之间，在岩体相对破碎的1 号发电塔地段，经固结灌浆后岩体的超声纵波速度、横波速度、动弹性模量增长是明显的，纵波速度的增长比值在12%～37%之间。