如何避免GIN法水泥灌浆中的浆力劈裂？

小浪底工程的帷幕灌浆工程开工之前，并未对灌浆压力选择进行过专门研究，只是根据世行外国专家推荐的用“灌浆强度值”方法文献资料和当地的常规灌浆试验资料，从中选择了强度值、限制压力、限制浆量和灌浆限制包络线之后就开展了生产性灌浆试验。由于GIN法并未把“浆力劈裂”这个重要因素考虑在内，因而使生产性试验的20%的试段发生了浆力劈裂。现将这些浆力劈裂情况分析介绍于后，以期从中得到启发，进而改进GIN 灌浆方法。

（一）未劈裂岩体的承压与吃浆特性

经过对80 个未发生过浆力劈裂试段资料的分析，可将其分为以下两类。

1.灌浆压力小于岩体的浆力劈裂压力

通常，随着灌浆压力的增加，岩体注入率随之增加，但不是按比例增加，而是浆液快要达到一定扩散半径之前，注入率就逐渐变小，达到最大扩散半径时，注入率减少到零。如果灌浆压力没有达到劈裂压力之前就把压力降了下来，p（灌浆压力）与注入率V 的关系曲系基本上是可逆的（图6-6）。

该灌浆段的地层是岩组的厚至巨厚的砂岩。从图6-6可以看出：p=26×105Pa时，注入率V 为19.9L/min；p =53×105Pa 时，V为21.6L/min；当p 降低到20×105Pa 时，V 为18.4L/min；当压力继续降低到11×105Pa时，注入率急剧降低到1.1L/min。从该图可以看出，该灌浆段并未发生劈裂。其浆力劈裂压力应大于53×105Pa。应属于孤立裂隙膨胀型。

图6-6　C2—4灌浆段的p-V关系图

2.浆液注入率小于岩体的最大容许注入率

当被灌岩体具有宽大裂隙时，注入量很大也不能使灌浆压力抬高到某一定值。这一类的情况多发生在岩体有变位的破碎带和强烈风化卸荷的地段内。

（二）坚硬岩体浆力劈裂的5 种类型

在小浪底工地，最后决定采用的灌浆压力参数为：孔深50m以下，pmax为35×105Pa，与Vmax为57L/m相对应（pmax、Vmax=2000×105Pa·L/m）；孔深25m以上，pmax为15×105Pa，与Vmax为33.3L/m相对应；孔深25～50m之间，pmax为31×105Pa，与Vmax为48.3L/m相当。有效压力为孔口回浆管压力加上浆柱压力（按0.75∶1 浆液计算）。在灌浆过程中，利用微机在现场监控，根据需要选用和调整压力，最终达到灌前拟定的灌浆强度值。由于GIN法未考虑岩体的可劈裂性这个重要因素，因而在试验中引起了许多浆力劈裂。归纳起来，这些劈裂在监控资料中有以下6种表现形式。

1.灌浆压力突然降低

在p-t 的监控曲线上，可以明显地看出，当压力升高到某一定值时，尽管人工并未使其降低，但突然发生了降压。这就是“劈裂降压”现象。在纯坚硬岩体灌段内，由于岩体抗劈裂强度高，人为灌浆升压慢，“劈裂降压”历经时段较长，这种现象易于察觉［图6-7（a）］。在较软岩灌段内，岩体抗劈裂强度低，人为灌浆升压相对比较快，劈裂降压现象历经时段较短，在p-t 曲线上表现为深跌的窄谷。尽管窄谷出现以后压力仍有震荡，但降压的趋势是非常明显的。

2.吃浆量突然增大

在Q-t 的监控曲线上，与劈裂降压相对应的时段上，可以明显地看出，Q 值突然增大的现象。在纯坚硬岩体灌段内的注入浆量增大历经时段要比较软岩的浆量增大历经时段长得多［图6-7（b）］。

3.注入率陡然增加

在V-t 的监控曲线上，与前两图相对应的劈裂时段上，单位长度浆液注入量斜率突然增大。纯坚硬岩体注入率增大量和历经时段都比较软岩的大得多。坚硬岩体的V-t 曲线，都有反“Z”形的表现形式［图6-7（c）］。在100min之前或在压力小于18×105Pa之前，岩体是不吸浆的。

图6-7　岩体浆力劈裂时的6种关系曲线图

4.可灌性突然增大

在Q/p-t 曲线上，与前3个图的劈裂时段相对应的时段上，可灌性指标突然增大。纯坚硬岩体的突然增大的历经时段比较软岩的要长得多［图6-6（d 1）］。

5.Q/p 值突然增大

在（Q/p）- V曲线上［图6-7（d2）］，当灌段为纯坚硬岩体时Q/p 峰值出现在曲线的中部或偏前部；在较软岩的灌段内，峰值出现在前部。

6.单位时间浆液注入量（注入率）（V）突然增加

灌浆过程中，当劈裂压力出现后，尽管灌浆压力降低，但单位时间浆液注入量继续增加。在V-p曲线上，劈裂压力为曲线拐点压力，过拐点后，继续劈裂岩体的曲线向左拐［图6-7（e）］。劈裂时段太短的较软岩，V量很小，若测量时段拟定的太长，则在V-p等曲线上表现的就不明显。如果测量时段拟定得短些（3～5min），劈裂后曲线向左拐的趋势是明显的。

前述劈裂的5种类型（6种典型曲线）中，较软岩体的表现形式并不典型，乍看起来很难判断。如果事先对劈裂压力大致掌握，当升压将近劈裂压力前，采取增加测点和慢升压力的办法，劈裂压力也会明显地测出来。著者认为，浆力劈裂在p-V曲线上表现得最为明显，只要曲线向左拐，即可定为发生了浆力劈裂现象。(www.xing528.com)

（三）砂、页（粘土）岩地层的浆力劈裂

在砂页岩地层中进行水泥灌浆时，由于灌浆压力选择不当常常引起劈裂。尽管浆力劈裂与许多因素有关，但最本质的影响（决定）因素是地层岩性。根据地层岩性，被灌地层可分为纯砂岩类和砂页岩互层类。后者，根据其含粘土岩地层的厚薄可再分为两个亚类，即砂岩夹较薄（厚度小于56cm）粘土岩亚类；砂岩夹较厚（厚度大小56cm）粘土岩亚类（表6-2）。

表6-2　砂、页岩灌浆劈裂压力等参数的统计与计算成果表

1.砂岩夹较薄粉砂质粘土岩（Ⅰ1）

在该亚类的砂岩中，夹有较薄层的粉砂质粘土岩，其粉砂质粘土岩厚度变化于3～56cm 间。由于粘土岩占比例较小，所以灌前的透水率Lu 值都比较大，其平均值为21.83Lu，可见透水性较好。在灌浆过程中易发生劈裂，而且发生劈裂后仅靠降低约63%灌浆压力还不能堵漏，还需待凝复灌才可达到堵漏的作用，该亚类中的粉砂质粘土岩，一旦承受的灌浆压力超过劈裂压力，发生劈裂的时段非常短，大都在3～5min后结束。该亚类的平均劈裂压力为9.73。

例如该亚类中的灌浆段，当压力由零升到点即4.5×105Pa时（图6-8c），注入流量V=25.6L/（min·5m）（图6-7b）；可灌性Q/p 指标骤然上升至点（图6-8d）。根据灌浆原始记录作图6-8（e）。当第一次灌浆时，发生了浆力劈裂，因此决定7h 后进行复灌；当压力小于23×105Pa前，岩体按比例吃浆，当超过23×105Pa以后，岩体再次劈裂，吃浆量超过第一次劈裂时的吃浆量。随着逐渐降低压力，吃浆量愈来愈小，直至零时结束复灌。由图6-8各点可以看出，该亚类薄层粘土岩夹层的劈裂时段仅有几分钟，若稍不注意，就很难捕捉这类的劈裂现象。

2.砂岩夹较厚粉砂质粘土岩（Ⅰ2）

该亚类的砂岩中，夹有较厚的粉砂质粘土岩，其粘土岩厚度变化于56～140cm 之间。由于粘土岩厚度占比例较大，所以灌前灌段岩体的透水性较小，其平均值为4.4Lu。其实有80%的灌段都是弱透水的。如果灌浆过程中不考虑该亚类岩体的易劈裂性，灌浆时将常常引起劈裂现象的发生。发生劈裂的时段较Ⅰ1 的时段有所延长，平均经历12min左右才能结束，它的平均劈裂压力为13.4×105Pa。

例如该亚类的灌段，当压力由零升至16.8×105Pa时，岩体发生劈裂［图6-9（c）］，当灌浆压力降低到9×105Pa时，注入流量仍骤增至32L/（min·5m）［图6-9（b）］。可灌性指标也急剧升至最大值。根据原始记录资料作出图6-9（e）。由于首灌的最后一个点的吃浆量偏大，对该灌段停灌15h后又进行灌浆。当灌浆压力小于37×105Pa以前，吃浆量很小；当达到37×105Pa 时，灌浆压力骤降，注入浆量、可灌性指标均大增，经过40min 充分吃浆后，其吃浆量才逐步降低到零。

3.不含粘土岩的砂岩类（Ⅱ）

该类岩体不含粉砂质粘土岩，层面裂隙宽度远比Ⅰ类岩体宽得多，但它比砂岩的构造裂隙宽度要明显的小。在灌浆过程中，如果发生劈裂，大都是在构造裂隙终端“岩桥”部位。检查孔的岩心资料表明，层面没有结石层。构造裂隙岩桥、潜在裂隙的劈裂强度比粘土岩的层面劈裂强度要大得多。因此，砂岩体的浆力劈裂压力大，变化于41～51×105Pa之间，平均值为45×105Pa。在各类监测曲线上都可以看出，砂岩的劈裂时间比较长，历经23～51min，平均值为41.3min。

另外，从A'-9灌段（图6-10）可以看出，当灌浆压力由零升高到27×105Pa，经历13min以后，尽管灌浆压力降低到8×105Pa（点），注入量（点）和可灌性指标（点）都骤然增大。这样的高可灌性，连续延至64min以后才降了下来，但注入率仍然偏高。于是停灌12h 后复灌。两次劈裂压力几乎相当，但复灌注入量反而比首灌注入量还大。由此可见，如果复灌与首灌相隔时间太短，复灌的效果是相当差的。

图6-8　灌浆段浆力劈裂图

（a）灌浆段地质柱状图；（b）Q-t 关系图；（c）p-t 关系图；（d）Q/p-t 关系图；（e）V-p 关系图（e）图中·—第一次灌浆时的测点；×—复灌时测点；pc—劈裂灌浆压力

（四）GIN原理没有考虑岩体的可劈裂性质

1993年Lombardi和Deere曾提出“坝址岩石灌浆的GIN原理”一文，后被小浪底水利枢纽的“世行特咨团”推荐给黄委会勘测设计研究院，希望在小浪底现场进行试验后投入生产。由于该原理的一个组成部分——采用水灰比（以重量计）约为0.7的稳定水泥浆液，浆液中需掺入高效塑化剂，因而降低了浆液的凝聚力和粘滞性，使用较低的灌浆压力即可获得较大的浆液扩散半径，这种浆液改善了实际灌浆工作和灌浆结果。同时，该原理又推荐用计算机控制灌浆过程。实践表明。用计算机来进行监制，可以使灌浆操作更加容易，也就可较好地了解灌浆过程，还可避免人为因素的干扰。由于该原理具有以上最明显的两个优点，因而在我国大有迅速推广开来之势。

图6-9　灌浆段浆力劈裂图

（a）灌浆段地质柱状图；（b）Q-t 关系图；（c）p-t 关系图；（d）Q/p-t 关系图；（e）V-p 关系图（e）图中·— 第一次灌浆时的测点；× —复灌时测点

图6-10　A'1—9 灌浆段浆力劈裂图

（a）灌浆段地质柱状图；（b）Q-t 关系图；（c）p-t 关系图；（d）Q/p-t 关系图；（e）V-p 关系图（e）图中·— 第一次灌浆时的测点；× — 复灌时测点；pC1—首次劈裂灌浆压力；pc2—再次劈裂灌浆压力

著者接触到GIN 原理以后，在心里产生了挥之不去的“该法主要考虑浆液的流变性质，而未充分考虑岩体的主要特性，能行吗？”的疑虑。著者从资料室借来了约500 个现场灌浆试验曲线，对每条曲线进行了详细分析，发现GIN原理不适合砂页（粘土）岩地层内的灌浆，同时也发现它在其他地质条件下进行灌浆时，仍旧存在着极为严重的把岩体都视为有可灌性的错误。在压力灌浆中，决定能否通过灌浆降低渗透性以及灌浆计划能否成功，其关键问题是岩体的可灌性。当把一切有关的因素都考虑到时，灌浆工程计划才能得出最佳的成果——以最小的造价达到最大的不透水率。然而该原理的表达式为GIN=pV=常数，p代表灌浆压力，V表示灌入量。如果吸浆量很小，则需施加很高的压力；反之则需要很低的压力。一般来说，“浆液的最大运移距离和施加的灌浆压力、裂隙隙宽成正比，和浆液的凝聚力成反比”。因此，为了加大对微细岩体裂缝的灌入，因降低凝聚力是有限的，所以只有增大灌浆压力。任何岩体都有自身的临界灌浆压力，超过临界压力，势必造成岩体浆力劈裂，不仅流失大量浆液，而且使不劈裂的其余灌段也吃不到浆液而使该灌段灌浆失败。

GIN法对“很高的灌浆强度”提出的限量为300L/m 是不切合实际的。许多宽裂缝（不包括喀斯特管道），虽然用浓浆，也需要很多的浆量。埃瓦特灌浆专家曾进行过砂岩灌浆，三排灌浆孔，一序孔和二序孔灌浆的极限吸浆量为1500kg/m。为避免敏感岩体的浆力劈裂，压力限制在一定区间（0.2～0.9MPa）也难以达到。当压力小于0.2MPa时，三序孔吸浆量仍超过1500kg/m。

由此可以认为这个原理，对含有软弱结构面的岩体灌浆是不适合的；即使对有可灌性的强透浆岩体也是不适合的。它的最大问题就在于对绝大多数岩体类型而言，经常出现有害的浆力劈裂现象。