一种复合灌浆补强防渗处理技术

摘要

本发明公开了一种复合灌浆补强防渗处理技术。包括钻孔、钻孔冲洗、压水实验、水泥灌浆、非灌段隔离、排水、化学灌浆、闭浆、置换和封孔步骤；当灌前透水率大于1lu，进行湿磨细水泥灌浆；当灌前透水率小于1Lu，进行化学灌浆；或、当灌前透水率大于1Lu，湿磨细水泥灌浆结束、扫孔完成后进行化学灌浆，化学灌浆采用双组分环氧树脂灌浆材料。本发明采用水泥和化学复合灌浆组合、控制灌浆流程、改进灌浆技术，特别是控制保持浆液操作时间和灌浆材料温度，使其具有高渗透性，在工程实际应用中满足了设计需要，实现了经济、快速、可靠、稳定的技术要求，同时，大大的缩短后期浆液的凝固时间，采用本发明技术复合灌浆28天内达到设计力学性能指标要求。

说明书

技术领域

本发明属于建筑基础补强防渗技术领域，尤其属于水利水电大坝地质 基础补强防渗技术领域，特别涉及一种复合灌浆补强防渗处理技术。

背景技术

随着中国经济建设的持续快速发展，特别是中国西部大开发战略的不 断推进，一批重大水电工程项目已全面进入实施阶段。由于拱坝优良的力 学性能和造价的经济性，中国目前在建、拟建的重大水电工程中有很大一 批是高拱坝，势必遇到一系列高拱坝坝肩抗力体或地质缺陷部位的补强防 渗处理技术难题。

常规水泥灌浆受水泥颗粒粒径及胶凝时间等因素的影响，对岩体内细 微裂隙是难以充填的，同时据相关资料显示，在断层处理中，用其处理难 以实现预期效果。

化学灌浆是目前补强防渗处理技术中快速发展的方向，但化学灌浆有 其局限，成本高，同时对不同地质情况使用处理技术不同等，特别是灌浆 控制是实现补强防渗处理的技术难点。

发明内容

本发明根据现有技术的不足公开了一种复合灌浆补强防渗处理技术。 本发明要解决的问题是提供一种复合灌浆技术，通过采用水泥和化学复合 灌浆组合、控制灌浆流程、改进灌浆技术实现经济、可靠、稳定、符合要 求，适应大规模水利水电大坝地质基础的补强防渗处理技术。

本发明通过以下技术方案实现：

复合灌浆补强防渗处理技术，包括以下步骤：钻孔、钻孔冲洗、压水 实验、水泥灌浆、非灌段隔离、排水、化学灌浆、闭浆、置换和封孔；

所述水泥灌浆是当灌前压水实验透水率大于1lu，进行湿磨细水泥灌 浆；

所述化学灌浆是当灌前压水实验透水率小于1Lu，进行化学灌浆；或、 当灌前压水透水率大于1Lu，湿磨细水泥灌浆结束、扫孔完成后，进行化学 灌浆，化学灌浆材料是双组分环氧树脂灌浆材料。

进一步所述水泥灌浆是：

水泥灌浆采用自上而下、孔口封闭、孔内循环灌浆；

水泥灌浆水灰比是2～0.5：1；浆液变换条件可按照灌浆行业“B版要 求”执行；所谓B版要求浆液变浆标准是：使用多级水灰比浆液灌浆时应 由稀到浓逐级变换，通常浆液变换原则如下：（1）当灌浆压力保持不变， 注入率持续减少时，或注入率不变而灌浆压力持续升高时，不得改变水灰 比；（2）当某一比级浆液注入量已达300L以上，或灌注时间已达30min， 而灌浆压力和注入率均无显著改变时，应换浓一级水灰比浆液灌注；当注 入率大于30L/min时，可根据具体情况越级变浓。

水泥灌浆段长及灌浆压力：从孔口向下依次分段灌浆，孔口第一段段 长2m灌浆压力1.2～1.5Mpa，第二段段长3m灌浆压力2.5～3.5Mpa，第三 段段长5m灌浆压力3.5～4.5Mpa，第四段及以下段长5m～10m灌浆压力 5.0Mpa；

在灌浆过程中抬动变位控制标准≤0.1mm；

各孔段在最大灌浆压力下，注入率小于1L/min后，继续灌注30min即 可结束灌浆。

进一步所述化学灌浆是：

化学灌浆采用孔口封闭，自上而下分段灌浆；

化学灌浆段长及灌浆压力：从孔口向下依次分段灌浆，孔口第一段段 长2m灌浆压力1.0Mpa，第二段段长3m灌浆压力1.5Mpa，第三段段长5m 灌浆压力2.5Mpa，第四段及以下段长5m～8m灌浆压力3.5Mpa；

注入速率为0.05L/min.m～0.1L/min.m，当注入率≤0.05L/min.m 时，可升高灌浆压力,但不大于设计灌浆最大压力，当注入率≥0.1L/min.m 时，可降低灌浆压力控制注入量≤0.1L/min.m。

在灌浆过程中抬动变位控制标准≤0.1mm；

化学灌浆材料是双组分环氧树脂灌浆材料，可采用深圳市帕斯卡系统 建材有限公司提供的低粘度的PSI系列灌浆材料，如PSI-501型或PSI-530 型，其中A、B组分配比是A:B=7.0～5.0:1.0。灌浆材料配制利用浆材化学 反应属于吸热反应，预先对原浆材各组分进行冷却，配制浆液坚持“少量 多次”原则，在冷却系统中配制，向称量好的A组分中均匀、缓慢地加入 辅剂B组分并均匀搅拌，搅拌时间0.5～3min，测量浆温，放置在冷却系统 中冷却备用，冷却系统保持灌浆材料温度不大于15℃。

化学灌浆持续35小时后，在设计压力下，每10min测读一次注入率， 1小时内连续4次注入率读数均不大于0.001L/min.m，持续灌注4小时可 结束灌浆；如注入率不满足上述条件，延长灌浆时间至满足上述标准；每 段灌浆时间不超过72小时。

所述钻孔孔径为φ75mm或φ56mm，孔斜偏差不大于孔深的四十分之一。

所述钻孔冲洗采用压力水脉动从孔底向孔外冲洗，冲洗压力为灌浆压 力的80%并不大于1.0MPa。

所述非灌段隔离是对非化学灌浆段采用镶铸孔口管或灌注速凝浆材进 行隔离。

所述封孔是采用水灰比为0.5：1水泥浓浆置换孔内化学浆液，置换结 束后，进行水泥灌浆，封孔压力为该孔最大灌浆压力，灌浆持续时间60min； 灌浆封孔待孔内水泥浆液凝固后，灌浆孔上部空余部分大于3.0m时，采用 机械压浆继续封孔，灌浆孔上部空余部分小于3.0m时，使用水砂泥浆人工 封填密实。

上述方法中，排水是化学灌浆前，应用风排除孔内积水。通常排水方 法采用卡塞的方法冲净孔内的水，射浆管伸入孔底，回浆管进风，进浆管 排水。

上述方法中，闭浆是当灌浆段化学灌浆结束以后，立即关闭进（回） 浆阀门进行闭浆，待压力表指针自然回零。置换是采用0.5：1水泥浆置换 孔内化学浆液。闭浆待凝12h后，再进行扫孔及其下一段钻孔及灌浆工作。

本发明有益性：本发明采用水泥和化学复合灌浆组合、控制灌浆流程、 改进灌浆技术，特别是控制保持浆液操作时间和灌浆材料温度，使其具有 高渗透性，在工程实际应用中满足了设计需要，实现了经济、快速、可靠、 稳定的技术要求，同时，大大的缩短后期浆液的凝固时间，采用本发明技 术复合灌浆28天内达到设计力学性能指标要求。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明进行进一步的描述，本实施例只用于对本发 明进行进一步的说明，但不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的 技术人员可以根据上述本发明的内容作出一些非本质的改进和调整属于本 发明保护的范围。

复合灌浆补强防渗处理技术，包括以下步骤：钻孔、钻孔冲洗、压水 实验、水泥灌浆、非灌段隔离、排水、化学灌浆、闭浆、置换和封孔。

（1）钻孔：固结灌浆孔按照设计图纸布置，孔位偏差不大于10cm。 采用液压回转式地质钻机、配金刚石或硬质合金钻头钻孔，钻孔孔径φ75mm 或φ56mm。固结灌浆孔的孔底偏差按不大于1/40孔深控制，孔深满足设计 要求。水钻孔过程中，对混凝土厚度、岩层、岩性的变化、钻速变化进行 详细的记录。钻孔结束孔口加以妥善保护，防止流进污水和落入异物。钻 孔验收合格后进入下一道工序施工。

（2）钻孔冲洗：钻孔结束分别进行钻孔冲洗（裂隙冲洗）。采用导管 通入大流量水流，从孔底向孔外冲洗，直至回水澄清；裂隙冲洗采用压力 水脉动冲洗，冲洗压力为80%的灌浆压力但不大于1.0MPa，冲洗时间不少 于20min。当邻近有正在灌浆的孔或邻近灌浆孔结束不足24h时，不得进行 裂隙冲洗。灌浆孔（段）裂隙冲洗后，该孔（段）立即连续进行灌浆作业 因故中断时间间隔超过24小时者则在灌浆前重新进行裂隙冲洗。钻孔冲洗 后孔内残留沉淀物厚度不超过20cm。

（3）压水试验：化学灌浆段每一段钻孔冲洗干净后进行单点法压水。 压水试验可结合钻孔冲洗进行。灌前测试孔、灌后检查孔均采用单点法压 水试验。压水试验的压力为施工时该孔段最大灌浆压力的80%，但不超过 1MPa。单点法压水试验压入流量的稳定标准：在稳定的压力下每4min～5min 测读一次压入流量，连续四次读数中最大值与最小值之差小于最终值的 10％，或最大值与最小值之差小于1L/min时，本灌浆段的压水试验结束， 取最终值作为计算值。即压水试验采用自上而下分段钻孔，分段压水的方 法进行，分段段长与灌浆段长相同。

（4）湿磨细水泥灌浆

①灌浆条件：当灌前透水率大于1Lu,则先进行湿磨细水泥灌浆。

②湿磨细水泥细度检测：湿磨细水泥浆液按每20t采用NSKC-1型光透 射式粒度测定仪检测一次，同时定期检查调整湿磨机磨片间隙，对磨片磨 损严重的及时更换。

③灌浆方法采用：“自上而下、孔口封闭、孔内循环”灌浆法。

④灌浆水灰比及浆液变换条件：采用四级水灰比灌注，即2∶1、1：1、0.7： 1、0.5：1。浆液变换严格按照行业灌浆“B版要求”执行。

⑤灌浆段长及压力：段号/灌浆段长/压力：001/2m/1.2～1.5Mpa、 002/3m/2.5～3.5Mpa、003/5m/3.5～4.5Mpa、004及以下/5m/5.0Mpa，特殊 部位根据地层情况划分段长，但不应超过10m。

⑥抬动观测：每个单元内埋设不少于一支抬动观测仪器（千分表）。在 裂隙冲洗、压水试验及灌浆过程中派专人进行抬动观测，抬动变位控制标 准≤0.1mm，当变形值接近变形允许值或变形值上升较快时，则及时采取降 低压力措施，防止发生抬动破坏。

⑦灌浆结束标准：采用孔口封闭灌浆法，各孔段在最大灌浆压力下， 注入率不大于1L/min，继续灌注30min即可结束灌浆。

⑧非灌段隔离：对非化学灌浆段采用镶铸孔口管或灌注速凝浆材以降 低成本，提高功效，保证质量。孔口管镶铸：采用直径φ73mm孔口管，有 非灌段的灌浆孔从孔口镶铸至非灌段底部，并外露20cm，无非灌段的灌浆 孔从孔口镶铸入岩3m，并外露20cm。孔口灌浆镶铸后待凝24h，方可进行 下一道工序。对不连续的非灌段，上部采用镶铸孔口管，下部分的采用速 凝浆灌注的处理方式。速凝浆灌注采用PSI-530型6:1配比浆液，灌注4～ 8h可结束灌浆。

（6）排水：化学灌浆前，应用风排除孔内积水。排水方法：采用卡塞 的方法冲净孔内的水，射浆管伸入孔底，回浆管进风，进浆管排水。

（7）化学灌浆

①开灌条件：当灌前压水透水率不大于1Lu,可直接进行化学灌浆。当 灌前压水透水率大于1Lu，湿磨细水泥灌浆结束后扫孔完成，可进行化学灌 浆。

②灌浆材料：选用深圳市帕斯卡系统建材有限公司生产的低粘度的PSI 系列灌浆材料，本例选用材料PSI-501型（A:B=7.0:1.0、6.0:1.0）、PSI-530 型（A:B=7.0:1.0、6.0:1.0、5.0:1.0）

③浆液配制：配浆人员在现场根据所选材料规定比例配置A、B两组份 材料。质量比采用电子称计量，体积比采用量杯计量，并制作标准桶经监 理认证后投入使用。浆液配制由专人进行按量配制，应遵循“少配、勤配” 的原则。同时，现场技术人员应根据不同地质条件、被灌孔的孔容、进浆 量、灌浆压力、灌注时间、以及并串的孔数量等综合因素，适时进行调整 配制。制浆及储浆用桶采用专用容器，为避免浆液发生爆聚：浆液配制应 在冷却桶中拌合A、B液，冷却桶保持灌浆材料温度不大于15℃，且固化剂 （B组份）的加入应以慢速、自落式成线状的加入A液边加入边搅拌，搅拌 时间不得过长，搅拌时间0.5～3min（固化剂加完后约3min）。每次配浆量 要与进浆速度相应，否则容易造成配制浆液停放时间长，粘度增大，灌注 困难，影响灌浆质量。化学浆液每配置一次应有详细记录。

④灌浆方法：采用孔口封闭（孔内卡塞），纯压式，自上而下分段灌浆。

⑤基本原则：射浆管距离孔底均不大于0.5m，化学灌浆应遵循“长历 时、慢速率、尽量达到一定的注入量”的原则，控制好灌浆压力和注入速 率的协调关系，一般情况下注入速率应控制在0.05L/min.m～0.1L/min.m 之间。当注入率≤0.05L/min.m时，应适当升高灌浆压力（以设计灌浆压 力为参考），当注入率≥0.1L/min.m时，需适当降低灌浆压力（以设计灌 浆压力为参考）或控制注入量。

⑥段长/压力：001/2m/1.0Mpa、002/3m/1.5Mpa、003/5m/2.5Mpa、004 及以下/5m/3.5Mpa，特殊部位根据地层情况划分段长，但不应超过8。

⑦抬动观测：每个单元内埋设不少于一支抬动观测仪器（千分表）。在 裂隙冲洗、压水试验及灌浆过程中派专人进行抬动观测，抬动变位控制标 准≤0.1mm，当变形值接近变形允许值或变形值上升较快时，则及时采取降 低压力措施，防止发生抬动破坏。

⑧结束条件：灌浆持续35h后测读注入率，再设计压力下，每10min 测读一次，1h内连续4次读数注入率均不大于0.001L/min.m后，持续灌注 4h可结束灌浆。如注入率不满足上述条件，应延长灌浆时间至满足结束标 准，但每段灌浆时间不宜超过72h。涌水段灌浆历时要求不低于36h。

⑨特殊情况处理：化学灌浆前期过程中常有注入量较大现象。注入量 的处理措施：在化学灌浆过程中，若灌浆单耗量达到80～100kg/m而灌浆 压力达不到设计压力的80%时，换用PSI-530（配比5:1）材料限量灌注， 注入量为孔管容量+L*10kg/m（L=对应段长），然后限量注入PSI-501（配比 6:1）浆材（注入量为对应孔深孔占），待凝24h后采用PSI-501（配比6:1） 恢复灌浆。

（8）闭浆：当灌浆段化学灌浆结束以后，立即关闭进（回）浆阀门进 行闭浆，待压力表指针自然回零。

（9）水泥置换：采用0.5：1水泥浆置换孔内化学浆液。闭浆待凝12h 后，再进行扫孔及其下一段钻孔及灌浆工作。

（10）封孔：封孔采用0.5：1级水泥浓浆置换孔内化学浆液，置换结 束后，进行纯压式灌浆，封孔压力为该孔最大灌浆压力，灌浆持续时间 60min。灌浆封孔待孔内水泥浆液凝固后，灌浆孔上部空余部分，大于3.0m 时，应采用机械压浆法继续封孔，小于3.0m时，使用水砂泥浆人工封填密 实。

施工应用设备包括：

粘度计、密度检测的相应设备、万能试验机、恒温箱、抗渗仪、水泥、 制样模具、无缝钢管、化学灌浆计量泵（DMIX-C300、JD-125/10）水泥灌 浆泵（3SNS）、HT-Ⅳ型灌浆自动记录仪、GSW-Ⅰ型湿磨机、工程用通风机 （16.5*2KW）、XY-2地质钻机、LHE3701测斜仪。

具体施工例

国内某一级水电站大坝工程坝高305m，是世界第一高拱坝。拟建坝型 决定了对两岸受力和防渗的极高要求，而左岸发育复杂的F2断层分布于抗 力体以内，穿过帷幕线与库区相连，其处理效果将直接影响到水电站运行 中大坝稳定安全及经济效益。

F2断层及层间挤压错动带分布于左岸EL1670高程边坡出露延伸至坝 基帷幕底线以下，且与库区相连，F2断层及层间挤压错动带总体产状N20～ 30°E/NW∠40～50°，宽度变化较大，一般20～50cm，局部变宽可达100cm、 变窄仅5～10cm，主要由片状岩、强风化绿片岩及少量糜棱岩组成，天然状 态下挤压紧密，局部碳化呈黑色，渗透性能很低为10-5cm/s左右，且性状 软弱遇水易软化泥化，通过磨细水泥或是一般的环氧树脂灌浆材料难以对 其进行有效的改善。

常规水泥灌浆受水泥颗粒粒径及胶凝时间等因素的影响，对岩体内细 微裂隙是难以充填的，同时据相关资料显示，在断层处理中，用其处理是 难以实现预期效果。而高渗透环氧浆材为真溶液，通过低压漫灌，可有效 填充岩体中的细微裂隙，甚至能渗透至软弱岩体中，从而有效提高岩体性 能。

某一级水电站需化学灌浆处理的F2断层及层间挤压破碎带补强防渗 工程量近2万余米，如此大规模的断层化学灌浆处理在国内外工程中是史 无前例的，对其灌浆工艺、成果分析进行研究，具有前瞻意义。采用本发 明研究选用国内具有优异性能水平的高渗透性环氧浆材作为灌浆基质，分 析并了解拟处理的F2断层及层间挤压破碎带的产状，结合施工过程不断对 施工工艺进行调整和优化，通过改性的环氧树脂灌浆材料具有高渗透性， 应用浸渗理论原理，浆液充填细微裂隙和岩石孔隙内，固结后对F2断层及 层间挤压破碎带改性，达到固结补强及防渗的目的。

施工结果如下：

(1)压水成果：水泥灌浆后平均透水率0.27lu，化学灌浆后平均透水 率0.03lu。

(2)声波检测：根据物探检测对1670m高程4#固结灌浆洞水泥化学复 合灌浆f2断层声波检测成果对比统计，详见下表。

第1单元F₂断层及挤压带水泥灌后声波波速主要分布在4270～ 5160m/s之间，岩体平均声波波速为4717m/s；F₂断层及挤压带Ⅰ序孔灌后 （28d）岩体声波波速主要分布在4440～5260m/s之间，Ⅰ序孔灌后（28d） 岩体平均声波波速为4872m/s。Ⅰ序孔灌后（28d）岩体声波波速低于4200m/s 的测点占10.53%，声波波速≥5000m/s的测点占47.37%。Ⅰ序孔灌后（28d） 相对于灌前平均声波波速提高3.3%。

F2断层声波检测成果对比统计

第2单元F₂断层及挤压带水泥灌后声波波速主要分布在4240～ 5220m/s之间，平均声波波速为4566m/s；Ⅱ序孔灌后（28d）F₂断层及挤 压带灌后声波波速主要分布在4420～5420m/s之间，灌后岩体平均声波波 速为4773m/s。Ⅱ序孔灌后（28d）岩体声波波速低于4200m/s的测点占 11.11%，声波波速≥5000m/s的测点占31.11%。灌后相对于灌前平均声波 波速提高4.5%

(3)变模检测：根据对1670m高程4#固结灌浆洞水泥化学复合灌浆f2 断层变模检测成果。第1单元F₂断层及挤压带Ⅰ序孔灌后（28d）岩体变模 值多分布在6.49～7.74GPa之间，岩体平均变模值为6.9GPa。第2单元Ⅱ 序孔灌后（28d）F₂断层及挤压带岩体钻孔变模值多分布在6.49～9.55GPa 之间，岩体平均变模值为8.02GPa。

(4)四川大学检测Ⅰ序孔灌后28df2断层岩芯性能：岩样1-1的峰值 强度为23.82MPa，岩样2-1的峰值强度为19.32MPa。强风化岩石A的弹性 模量为8.709GPa，泊松比为0.261；强风化岩石B的弹性模量为5.797GPa， 泊松比为0.318。灌前f2断层无成柱状岩样。