提升灌浆质量的分析和改进方法

在⑨、⑪、⑱和⑲坝段的灌浆过程中，出现了Ⅲ序孔单位注灰量大于Ⅱ序孔单位注灰量的反常现象。现场灌浆者认为，主要是灌浆操作上存在问题以及串、冒浆影响。

上述的固结灌浆与防渗帷幕灌浆方法，按理说都是国内常采用的方法，那么为什么在灌后取样检查灌浆效果时，仅有2.27%的岩样上见有水泥迹象，著者以为有深究的必要。

1.灌浆方法与灌浆工程水文地质条件不相适应

大家知道，岩体吃浆最主要的是指岩体裂隙吃浆，而岩块是不吃浆的。采用何种灌浆方法，必须先调查岩体的裂隙情况：

（1）决定铅直灌浆孔间排距的理论根据不足。大坝及厂房地基的地质编录中，共编录了267条裂隙，其中产状齐全者有49 条（表12-4），根据裂隙产状可将其分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ组，其出现频率分别为30.6%、55.1%、6.1%和8.1%。不同组别的出现频率有极其明显的差别。

这里的防渗帷幕轴线为NE86°，各组裂隙在防渗帷幕轴线上的水平长度有长有短，裂隙倾向与防渗帷幕轴线的交角愈大，裂隙在防渗帷幕轴线上的水平分布长度愈长，钻孔与其相交的几率就大，反之则愈小。

用此方法计算，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ组裂隙与铅直孔相交几率分别为100%、31.7%、8.9%和13.2%。由表12-4所示裂隙出现频率与铅直孔遇到裂隙的几率资料分析，我们很容易得出，与铅直孔相交几率大者，是出现频率较高的裂隙，而相交几率小者，恰是出现频率较低裂隙的结论。也就是说，用常规方法分析，在防渗帷幕轴线上有可能被水泥封堵的裂隙是比较多的，而出现频率较低的裂隙，被水泥封堵的好坏，似乎是无碍大局的。然而需要强调说明的是，出现频率较低的第Ⅲ组、第Ⅳ组裂隙是贯通大坝上、下游的裂隙，其数量不大，但其作用是不容忽视的。该工程的防渗帷幕灌浆孔的孔距为3m，而第Ⅲ组、第Ⅳ组裂隙防渗帷幕轴线上的水平长度仅有0.89m 和1.32m，而原设计的孔距使91.1%和86.8%的几率遇不到必须要封堵的第Ⅲ组、第Ⅳ组裂隙。

表12-4　防渗帷幕轴线上各组裂隙出现几率计算表

（2）防渗帷幕剖面与裂隙的相交几率极低，我们在267 条编录裂隙中，选择了49 条测量了裂隙倾向与倾角的裂隙，其平均倾角为83.5°，该类裂隙与铅直灌浆孔在剖面上的交角，仅有6.5°，与剖面相交几率只有7.2%。

（3）在坝基及厂房基础内普遍有层间剪切软弱带。在⑮坝段甲块右侧，⑯、⑰坝段甲块及⑱、⑲坝段内，分布有SCJ01层间剪切带（简称SCJ01层，下同）；在河床右侧坝基⑫～⑲坝段内分布有SCJ07 层；在河床坝基内分布有SCJ08 层；在主坝坝基的④～⑥坝段内分布有SCJ09层；在河床左侧④～⑪坝段内分布有SCJ11层。

在含有上述层间剪切软弱夹层的地层中进行灌浆时，软弱夹层等软弱结构面，在约大于0.7MPa的灌浆压力作用下极可能发生浆力劈裂，使灌浆压力急剧下降到0.7MPa压力以下，被灌石灰岩在这样低的灌浆压力作用下是很少吃浆的，因而将造成整个浆力劈裂段的灌浆失败，若劈裂段位于孔口附近，将造成整个灌浆孔的灌浆失败。

2.改进灌浆方法

图12-2　大坝及厂房基岩构造裂隙极点图

（1）改进现行的防渗帷幕灌浆方法。如前所述，Ⅰ组、Ⅱ组、Ⅲ组和Ⅳ组裂隙在防渗帷幕轴线上，在10m 深度内，各组裂隙在水平方向上的分布长度分别为10m、3.17m、0.89m 和1.32m。用孔距3m 去进行铅直孔灌浆，Ⅰ组、Ⅱ组的每条裂隙都可能遇到灌浆孔；而Ⅲ组、Ⅳ组的每条裂隙，由于水平分布长度远小于3m，因而，Ⅲ组、Ⅳ组的每条裂隙，遇到灌浆孔的几率分别只有8.9%和13.2 %。

为了确保防渗帷幕的灌浆质量，理应把灌浆孔间距加密到0.89m以下。实事上，国内外的防渗帷幕灌浆孔距大都在1m 以上。为了封堵贯通大坝上下游的透水裂隙，还得从灌浆钻孔的方向上想办法。此外，还要必须强调的是，无论采用铅直孔灌浆，还是以下建议的倾斜孔灌浆，在发育有层间剪切软弱夹层的地层内进行灌浆时，都不宜采用孔口封闭方法的高压灌浆。如若掌握了软弱层的确切位置，可采用本书介绍的灌浆方法进行适当的灌浆。

（2）采用倾向防渗帷幕轴线一端的斜孔灌浆方法。

1）大坝及厂房基岩构造裂隙分布特点。在大坝及厂房的基础开挖区内，对267条较大的裂隙中的49条产状齐全的裂隙，著者进行了统计（表12-5）和极点图分析。从统计表和极点图上都可以看出，该区的构造裂隙分为4组，几乎全为陡于80°倾角的陡倾角裂隙，他们的倾向集中而且分于4 个区，约90%的裂隙倾角陡于80°。正如本书基本理论所阐述的那样，即构造裂隙倾角愈陡，铅直灌浆孔与裂隙相交的几率就愈低，当然其灌浆效果就愈差。

表12-5　灌浆孔遇到裂隙情况的统计表

注　√— 遇到裂隙；△— 遇不到裂隙。

为了说明采用倾斜孔灌浆的必要性，我们在坝址区选取了18m长、宽约6m的地质编录图（图12-3），并沿防渗帷幕灌浆轴线切取了如图12-4所示的剖面图。从图上可以看出，在10m深度的铅直灌浆孔内，G01、G02两个孔内，任何裂隙都未有遇到，其余4 个孔，总共与各组裂隙的交割点有5 个（表12-5）。如果按每5m一个试段来计算，将有58.4%的试段，任何裂隙也遇不到，特别是贯通大坝上下游的第Ⅲ组与第Ⅳ组裂隙，几乎所有铅直灌浆孔都遇不到它们。

图12-3　裂隙分布及灌浆孔布置平面示意图

①— 裂隙及其编号；∠85°— 裂隙产状；— ·— · — 防渗帷幕轴线；
○—铅直灌浆孔；—斜孔灌浆孔倾向；G03—灌浆孔编号；
--- — 10.6m 斜孔斜深度所涉及的范围(www.xing528.com)

图12-4　铅直与倾斜灌浆孔穿越裂隙情况防渗帷幕轴线部分剖面图

●—裂隙；Ⅱ-③—第Ⅱ组第③条裂陈；
▲—铅直孔与裂隙交割点；G01—铅直灌浆孔编号；
C02—倾斜灌浆孔编号

2）采用向铅直防渗帷幕轴线一端倾斜的灌浆孔。利用表12-5所列的裂隙统计资料，采用著者创制的软件包，对斜钻倾角70°和60°的各倾斜方位，进行了一系列计算，并得出了如表12-6、表12-7、图12-5 和图12-6 所示的成果。

表12-6　大坝及厂房基岩构造裂隙统计

表12-7　斜钻孔倾角70°时各倾斜方位的效益系数表

表12-8　斜钻孔倾角60°时各倾斜方位的效益系数表

本工程的防渗帷幕轴线的方向，为NE86°～SW266°方向。但令人遗憾的是，工程采用铅直灌浆孔进行了灌浆，由于这种方法无法对贯通上下游的第Ⅲ组、第Ⅳ组裂隙进行封堵，对高倾角的第Ⅰ组、第Ⅱ组裂隙，封堵也甚少，因而从取岩样检查的灌浆效果来看，防渗收效微乎其微。著者以为，如以后遇到类似工程，仍可采用铅直的防渗帷幕，不过这类帷幕可用向防渗帷幕一端倾斜的灌浆孔进行灌浆。也就是说，灌浆孔的倾向，由倾向266°或倾向86°两个方案来选定。

从表12-6和图12-5所示计算成果来看，倾向86°的斜孔，采用倾角70°时，其效益系数为2.35；若采用倾向266°的斜孔，其效益系数仅有1.34。从两种不同的效益系数来看，以选用倾向86°、倾角70°的灌浆斜孔为好。

同时，根据上述计算成果，我们又编制了如图12-4 所示的剖面图。从剖面图上的铅直孔、倾斜孔与各组裂隙交割情况来看，铅直灌浆孔的12 个试段内有可能遇到5 次裂隙，还有58.33%的试段根本是在岩块中灌浆，而且更重要的是漏掉了与轴线近于直交的所有裂隙。如果采用本书介绍的斜孔，它不仅可以使在岩块中灌浆的试段减少16.67% ，而且可以使与轴线近于直交的裂隙，都有可能得到浆液的封堵。

3）采用向上游或向下游倾斜的防渗斜帷幕。采用向铅直防渗帷幕一端倾斜的灌浆钻孔，这种方法只能在两种方向中选择一个方向，其自由度（可供选择方向）仅有两个，因而所得效益系数，在一般情况下是比较低的，若采用向上游或向下游倾斜的防渗斜帷幕，其倾斜灌浆孔可在180°或在360°方向内选择，其自由度比前者要大得多。

根据表12-6和图12-7所示的计算成果，若采用倾向NE10°、倾角70°的斜孔灌浆，效益系数竟达6.52；若采用倾向190°的斜孔，其斜孔灌浆的效益系数比铅直孔灌浆效益系数，可提高4.27 倍。

同时，我们编制了图12-7所示的倾斜孔剖面图，可从图上明显地发现，铅直灌浆遇到5次裂隙，只占倾斜灌浆孔遇到15 次裂隙的1/3，可见铅直灌浆孔的效益系数比倾斜灌浆孔的效益系数相差甚远，也就是后者要比前者优越得多！

由本节所述资料看出，铅直灌浆孔的防渗效果是差的，这主要是防渗帷幕设计时，没有充分考虑这里的灌浆工程水文地质条件（在含有软弱夹层的地层内发育有4组高倾角的透水裂隙）造成的，采用向铅直帷幕一端倾斜的灌浆孔，可使每条裂隙都有与灌浆孔相交的高几率。在防渗帷幕不深（50m以内）的情况下，采用倾斜防渗帷幕，其防渗质量之高，效益之大，是任何其他防渗方法所无法比拟的。

图12-5　斜钻孔倾角70°时各倾斜方位的效益系数图

图12-6　斜钻孔倾角60°时各倾斜方位的效益系数图

图12-7　铅直与倾斜灌浆孔穿越裂隙情况倾斜孔剖面图

Ⅱ-④—裂隙分组及编号；▲—铅直孔穿越裂隙点；●—倾斜孔穿越裂隙点

表12-8 和图12-7 所示的研究资料还表明，固结灌浆时，采取倾向NE10°、倾角60°的斜孔灌浆，其效益系数竟高达9.19倍，这是该区特殊的灌浆条件所决定的。也就是说，如果固结灌浆前，采用本书的研究成果，既可以提高灌浆质量，又可节省大量的固结灌浆投资。