采用固结灌浆技术处理回填砂砾石基础

摘要：某水电站安装间基础为回填砂砾石地层，在施工期间基础发生了变形，安装间整体结构产生了位移。现采用潜孔钻套管跟进成孔，固结灌浆加固回填砂砾石基础，达到提高地基承载力、制止沉陷等目的，取得了良好的效果。

关键词：砂砾石层；潜孔钻跟管钻进；固结灌浆

中图分类号：C35文献标识码： A

1、工程概况

某水电站位于甘肃省白龙江干流上游，是甘肃省白龙江尼什峡至沙川坝河段梯级水电规划调整的第十二级电站（自上而下），为一低坝径流无调节引水式电站。电站工程由引水枢纽、引水系统（无压箱涵、压力隧洞、调压井、压力管道）、主副厂房和尾水渠等组成。

电站厂房位于白龙江Ⅱ级阶地之上，地形向白龙江倾斜。上部为含砾低液限粉土（Si），黄褐色，土质不均一，结构稍密-中密，含植物根系，厚约2~13m。下部卵石混合土(SICb)，厚度大于20m，卵砾石岩性主要为砂岩及硅质岩等，青灰色，磨园度较好，分选性一般，浑圆~次圆状，中密，渗透系数约k=6.5×10-2cm/s，属强透水层。底部为中上志留系千枚岩（S2~3Ph），其强风化层厚约3~5m。

2、存在的问题

该水电站安装间位于主厂房左岸，长19.5m，宽17.15m。安装间基础坐落在高填方砂砾石（最大回填深度22m）和天然砂砾石不均匀基础上。基础回填料采用天然砂砾石，挖掘机平仓，25t振动碾碾压，松铺厚度为50cm，每层碾压6~8次。

由于工期较紧，安装间基础回填完毕，就立即进行了安装间混凝土的浇筑。2012年7月10日，管理人员发现安装间整体结构发生了变形位移，据18天变形观测记录，安装间下游侧地基梁顶部水平向下游位移量为16mm，安装间下游侧牛腿顶部水平向下游位移量为32mm，垂直深陷量为30mm。

为防止安装间地基进一步沉降，经多方讨论和研究，决定对安装间回填基础进行固结灌浆。

3、砂砾石固结灌浆机理

以水泥为介质，用灌浆泵采用循环渗入式压力灌浆对砂砾石层进行加固，其效果与砂砾石地基的渗透性、颗粒级配、孔隙大小及连通性、砂砾石层的埋深、地下水埋藏条件（水流向和流速等）都有着密切的关系。

在砂砾石层灌浆过程中不仅要求水泥浆液能够充填孔隙，还要保证地层的结构得到改善，并控制其抬动量；水泥浆液通过孔隙向外渗流扩散，颗粒表面及结合部位的浆液流速会随着扩散半径的扩大而越来越低，最终引起浆液的滞留。当灌浆终止时，孔隙中的浆液会依靠重力向下渗透，并沿途离析、沉淀。水泥浆液在地下水位以下时，由于地下水的稀释与渗移的影响，使砂砾石中的孔隙得不到完全充填，导致砂砾石的固结强度降低，或者固结范围达不到要求。因而，只有进行多次灌浆才能达到预期的灌浆效果。

只有当注入砂砾石的浆液充填饱和时，才会使砂砾石层的原始结构发生质的变化。水泥浆液对砾石颗粒进行胶结包裹后，其不断固化可形成一种完全新型的刚性支撑体，这种砂砾石固结体的力学性质就取决于水泥浆液固结后所产生的结构特征，而这种特征又依赖于水泥的质量与灌浆的参数和方法。

4、砂砾石层固结灌浆的设计

由于安装间基础主要为回填砂砾石，地层孔隙率大，可灌性好，注浆量相对较大。为保证灌浆效果，同时防止出现抬动变形，一方面选择2~3孔作为灌浆试验孔（得出各种灌浆参数），另一方面在安装间顶部设置变形观测点。

4.1加固范围：安装间上游侧基础外边线外扩10m，安装间左侧及下游侧基础外边线外扩15m。

4.2加固深度：钻孔深度至安装间基础开挖深度， 孔底高程1404.037m。灌浆深度由孔口至孔底高程。

5、施工方法

5.1先导孔的施工

先导孔也是灌浆孔，其目的是在灌浆前了解该地层的工程地质与水文地质情况，以便确定灌

浆参数。所以，先导孔要求取芯、做简易压水试验。

5.2施工工艺流程：测量、布置孔位钻孔、套管护壁分段起套管堵塞器安装灌浆复灌（吸浆量大、待凝）全孔复灌封孔。

5.3技术要求

5.3.1孔位：按设计要求测放孔位，统一编号，孔位偏差不得大于20cm。

5.3.2钻孔：采用潜孔钻套管跟进护壁成孔，钻机型号KY-100。

5.3.3孔径、孔深：钻孔孔径ø110mm；孔深至安装间基础开挖深度， 孔底高程1404.037m。

5.3.4压水试验：在灌浆前进行，采用“简易压水”、“单点法”进行压水试验。

5.4灌浆孔布置

固结灌浆应按分序加密的原则施工，灌浆区应分排序、孔序，先边排、后中排，（先外后内），排间和排内分二序加密，这样的施工次序有利施工布置，也有利于提高灌浆效果。安装间地基梁外侧灌浆次序采取由外向内，安装间地基梁内由中间向周边。钻孔按间距3m，排距3m，梅花形布孔。

同一排孔分两序孔施工,先Ⅰ序孔，再Ⅱ序孔。同一孔分段灌浆，自下而上进行，段长为3m。

5.5灌浆浆液

采用Po42.5级水泥灌注。灌浆浆液使用高速搅拌机制备，从开始至使用完不得超过2h。由于砂砾石层孔隙率大，空隙大又相互连通，稀浆会使浆液的扩散范围变得很大，消耗大量水泥。所以水灰比应选用0.8:1，0.6:1和0.5:1。只在少数情况下（中间排孔、吸浆量较小时），采用1:1的水灰比。特殊情况（吸浆量特大时）可加入5%~8%（按体积比）的水玻璃。

5.6灌浆压力：下部灌浆压力为0.3~0.5MPa；中部灌浆压力为0.2~0.3MPa；上部灌浆压力为0.2MPa。

5.7灌浆结束标准及封孔：在规定压力下，注入量不大于1L/min时，继续30min后灌浆可以结束。灌浆结束后，用机械压浆法封孔，并用水泥砂浆抹平孔口。

6、质量控制措施

6.1控制地下水位

因为水泥浆液在地下水位以下时，由于地下水的稀释与渗移的影响，使砂砾石中的孔隙得不到完全充填，导致砂砾石的固结强度降低，或者固结范围达不到要求。所以为保证灌浆效果，施工过程中尽量控制地下水位在最低值。

6.2控制钻孔速度

由于灌浆层为砂砾石层，开孔时，为保证钻孔垂直度，必须控制钻进速度，防止钻孔偏斜超过设计值。造孔过程中，同样要控制速度，防止管靴断裂，影响施工进度。

6.3套管护壁

由于安装间基础为回填砂砾石层，若采用泥浆护壁成孔，孔壁形成的泥皮很难清洗，从而影响灌浆质量。所以为保证灌浆效果，钻孔时采取潜孔钻套管跟进成孔。

6.4控制灌浆量

由于砂砾石层孔隙率大，透水性强，吸浆量大，为保证灌浆质量的同时控制水泥用量，故采用间歇灌浆的办法。遇大吸浆量时，水泥用量按800~1200kg/m控制，待凝后再进行复灌，直至达到结束标准。

7、效果检查

7.1灌浆资料分析

此次固结灌浆工程共完成造孔198个，灌浆进尺3820m，消耗水泥1452t，平均水泥用量380kg/m。灌浆注入量统计显示，Ⅰ序孔的平均注入量（509.42kg/m）大于Ⅱ序孔（250.08kg/m），这说明每一序孔的灌浆均有效果，也符合随着灌浆孔的加密单位注入量递减的规律。

7.2钻孔取芯检查

一般情况下，回填砂砾石钻孔的岩芯采取率是很低的，但经过固结灌浆处理后，检查孔岩芯采取率平均在87%以上，大部分芯样为柱状，共发现水泥结石93 处（8个检查孔）。从充填胶结情况看，充填于砾砾石间隙之间的水泥胶结较好，强度高。另外压水试验统计显示，检查孔的平均透水率为13.6Lu，比先导孔的平均透水率77.3Lu减少了82.4%。

7.3位移观测资料分析

灌浆施工初期，安装间地基的沉降仍在继续。施工末期，地基不再沉降。根据24天变形观测记录，安装间下游侧地基梁顶部水平向下游累计位移量为28mm，安装间下游侧牛腿顶部水平向下游位累计移量为45mm，垂直累计深陷量为38mm。故经过此次固结灌浆施工，安装间地基沉降稳定，达到了预期目的。

8、经验和建议

8.1 钻孔机械选择

为保证灌浆质量，造孔最好不要采用泥浆护壁成孔（泥浆护壁很难成孔，即使成孔，孔壁形成的泥皮也很难清洗，从而影响灌浆质量）。项目部采用潜孔钻造孔，套管跟进护壁，钻孔速度快（砂砾石层3~5m/h），灌浆效果好，成本低。

8.2灌浆顺序

固结灌浆按分序加密的原则进行。灌浆分排序、孔序，先边排、后中排，（先外后内），排内分二序加密，这样有利于提高灌浆效果。安装间地基梁外侧灌浆次序采取由外向内，地基梁内采取由中间向周边。

8.3灌浆量控制

由于砂砾石层孔隙率大，透水性强，吸浆量大，为保证灌浆质量的同时控制水泥用量，很多孔段采用了间歇灌浆的办法（部分孔段复灌了3~5次）。遇大吸浆量时，每次控制800~1200kg/m，待凝后再进行复灌，直至达到结束标准。

8.4加强观测

安排专人每天进行位移观测，以判定灌浆效果，同时防止出现抬动现象。

总之，此次采用固结灌浆技术加固安装间回填砂砾石基础，达到了提高地基承载力、制止沉陷的目的。同时砂砾石层灌浆由于地层差异性较大，具体施工工艺和参数建议根据地层情况和试验孔来综合确定，以获取更好的灌浆效果。

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