水利水电工程施工手册：水泥灌浆之冲洗与压水.doc

第五节钻孔冲洗、裂隙冲洗及压水试验1钻孔冲洗钻孔冲洗（简称洗孔、冲孔）是指使用清水或压缩空气与水将钻孔孔底沉淀的岩屑和孔壁上粘附的岩粉等污物冲出孔口以外，以使与钻孔相交的岩石裂隙口不被泥渣堵塞，达到便于浆液注入的目的。灌浆工程对钻孔冲洗的要求是冲洗后孔底沉积厚度不大于20cm。严格地说，冲孔是钻孔工序的一部分，钻孔（全孔或一个孔段）完成以后就应当及时地将钻孔冲洗干净，并保护好孔口，防止污水流进或异物落入。冲孔是灌浆工程中不可缺少的一个环节。灌浆孔的冲洗通常采用水冲法，即在钻孔完成后，取出岩芯，再下入钻具（或仅下入钻杆），开大水流，使孔内钻渣随循环水流悬浮带出孔外。冲孔水量要尽可能地大一些，直至回水清净，肉眼观察无岩粉为止。如果这样不能冲洗干净，不能达到孔底沉积小于20cm的要求，那就要采取捞砂取粉等措施。如果孔壁有很多黏着物，或有特殊的冲洗要求，可能还应当专门对孔壁进行侧向冲洗。孔深较浅的灌浆孔和使用风动钻孔机械钻进的灌浆孔也可使用压缩空气与水作冲洗介质。冲孔的特点是，孔口不封闭，冲洗水流的水量大，但压力不一定大。冲洗时间以回水变清为原则，施工中有的要求回水变清后持续多少时间的，这种做法实际上并无必要。2裂隙冲洗2.1裂隙冲洗的目的裂隙冲洗（简称洗缝）是指采用水或压缩空气等介质对钻孔周围的岩体的裂隙或孔隙进行的冲洗。其目的是：（1）希望将缝隙中的软弱充填物冲出孔口外，或推移至灌浆区域的一定范围之外；（2）使被灌裂隙变得畅通，以扩大灌注范围和注入量；7 （3）使被灌裂隙变得干净，以利于浆液注入后与裂隙两面的岩石黏结紧密，增强灌浆效果。以前工程界对裂隙冲洗的必要性和有效性尚存争议，通过许多试验和工程实践，特别乌江渡水电站帷幕灌浆取得成功以后，认识趋于一致：除非采取特别的冲洗方法和付出大的代价，裂隙冲洗难以取得明显的效果；对于帷幕灌浆，裂隙冲洗并非是完全必要的，一些软弱物质可以通过提高灌浆压力来灌注或挤压密实，使抗渗能力满足要求；固结灌浆的目的主要是提高岩体的变形模量，因而对裂隙冲洗的要求高于帷幕灌浆。在《水工建筑物水泥灌浆施工技术规范》中，一般情况下的裂隙冲洗均规定采用比较简单的压水冲洗法，并可与简易压水试验结合进行。对需要重点加固的部位应按设计要求强化裂隙冲洗。对遇水易软化的地层不宜进行裂隙冲洗，也应当不做或少做压水试验。2.2裂隙冲洗的方法裂隙冲洗常用的方法是压水冲洗，有特殊要求时应采用强力冲洗，即高压压水冲洗、脉动冲洗、风水联合冲洗或高压喷射冲洗。灌浆工程岩体的裂隙冲洗应当使用清水，除非工程有特殊需要，方可使用化学剂。裂隙冲洗应该在钻孔冲洗以后进行。各种洗缝方法及其适用条件见表2-5-1。表列各种冲洗方法可以单独使用，也可以几种方法结合使用，其中以压水冲洗使用最多，强力冲洗的方法在一些工程有特殊要求的部位也有应用。我国乌江渡水电站帷幕灌浆采用了不进行专门的裂隙冲洗的施工方法。铜街子水电站坝基固结灌浆工程中C5层间错动带、F3及F3-1断层破碎带采用了高压喷射冲洗置换灌浆的加固方法。表2-5-1裂隙冲洗方法冲洗方式作业要点冲洗原理适用条件及冲洗效果压水冲洗安装灌浆塞隔离被灌浆孔段，使用灌浆泵向孔段内压入循环水流，压水压力由回水管阀门调节，通常为灌浆压力的80%，至返出的水洁净，或持续一段时间为止。裂隙缝口的一部分充填物被压力水冲刷挟带流出孔外，不能从孔口冲洗出的充填物被压力水推移至离钻孔较远的位置。适用除不需冲洗以外的各种地层。施工简便但冲洗效果一般较差。7 高压压水冲洗压水压力通常大于1MPa，但不超过灌浆压力的80%。其余同上。同上不适宜缓倾角和易抬动地层。效果尚好。脉动冲洗按照压水冲洗的方法，先使用较大的压力冲洗数分钟，接着完全放开回水阀门，低压大流量冲洗，如此反复脉动，直至返出的水洁净或持续一段时间为止。高压时类似压水冲洗机理，低压时裂隙内水压力高于孔内压力，形成反向水流将充填物带出。适宜于断层破碎带，但孔壁稳定的地层。效果较好。风水联合冲洗在孔段中下入风管和水管，或在水管中通入风，使风、水在孔中混合膨胀，并喷出孔外。注意风压应大于满孔时的水柱压力，可以反复多次。直至返出的水洁净或持续一段时间为止。压缩空气的能量在孔内释放，形成紊动、震荡水流，对裂隙中的充填物质起到松动、剥离、抽吸的作用。适宜于断层破碎带，但孔壁稳定的地层。施工稍复杂，效果较好。高压喷射冲洗通过钻孔找准需要加固的部位，下入喷射管，通入高压水（25～50MPa），或者伴以压缩空气，强力冲刷和击碎裂隙或夹层内的软弱物质，使其剥离，冲出孔外。可反复进行，直至返出清水。利用高压水束的巨大能量，将软弱充填物切割破坏冲出，而后以水泥浆液灌注置换填补其空间。适宜于断层及软弱夹层的局部加固。冲洗效果好，但施工复杂，仅用于个别重要部位。群孔冲洗将被冲洗孔和相邻孔同时钻出，通常以3～5孔为一组，各孔轮番进水、进气和排水、排气、排泥渣。利用邻孔提供的空间，增加了裂隙内充填物的排泄通道，增大了冲洗液的水力梯度。适宜于有串通条件的群孔固结灌浆。冲洗效果好，但施工复杂，打乱灌浆次序。3压水试验压水试验，即钻孔压水试验，它是一种在钻孔内进行的岩体原位渗透试验。它的主要任务是测定岩体的透水性，为灌浆工程的设计、施工和质量检验提供基本资料。灌浆工程的先导孔和灌浆后的检查孔的压水试验按照《水工建筑物水泥灌浆施工技术规范》附录A进行。3.1压水试验的方法3.1.1压水试验的准备压水试验的钻孔孔径可为56mm～150mm。钻孔宜用金刚石或合金钻进，禁止使用泥浆钻进。试段长度一般为5m，遇强漏失带时应单独划分试段。7 3.1.2压水试验的设备（1）止水栓塞止水栓塞有多种类型，如气压或水压胶囊塞、螺杆顶压胶球塞，以及可对试段上下两端同时隔离的双联栓塞，施工中可酌情采用。通常希望与灌浆工艺及所使用的灌浆塞一致起来，以充分发挥设备效用和提高工效。为了止水可靠，止水栓塞的长度不宜小于7倍钻孔直径。（2）供水设备通常的灌浆泵可作为供水设备，但要求其最大流量能达到100L/min以上，压力稳定，工作可靠，泵的出口安装容积大于5L的空气室。在有条件的地方宜采用自流供水进行试验。（3）量测设备主要有压力表、流量计。试验压力应保持在压力表最大标值的1/3至3/4之间。灌浆用的大量程压力表不能用作压水试验。可以使用水表作为流量计，但应能在最大压水压力下正常工作；也可以使用量水标尺测量耗水量。使用能同时测量压力和流量的灌浆自动记录仪是最好的设备。3.1.3压水试验的程序压水试验的操作程序包括洗孔，地下水位测量，安装管路、栓塞和仪表，试通水，压力控制和流量观测等。洗孔的方法和要求已于前述。洗孔之后压水试验之前，是否进行裂隙冲洗应视压水试验的目的而定，灌浆孔段（包括先导孔）灌浆前的压水试验或简易压水通常在裂隙冲洗后进行，或将裂隙冲洗与简易压水合并进行。地下水位是压水试验压力的起算零点，可利用先导孔测定。测量时向孔中注满清水，观测水位下降速度，每5min测记一次，当连续2次测得下降速度均小于5cm/min时，即以最后一次观测水位作为该地段的地下水位。当灌浆施工完成后，进行检查孔压水试验时，由于地层经过灌浆渗透性已经很小，所以这时也可取地下水位与孔口齐平。当孔口有涌水时，应当测定涌水压力和涌水量。为施工简便起见，压水试验管路和仪表安装通常都与灌浆的管路安装方式一致，如本书第六节图2-6-9。各项准备工作做好以后就可以开始进行压水试验。试验前应当先通水试压，确认管路充满了水，管路系统和栓塞在最大试验压力下不渗、不漏、不堵，压力表或记录仪工作正常，否则应当重新安装试验系统。7 试验通过调节阀门控制保持稳定压力，每3min～5min测读一次流量，当连续4次观测值中最大值与最小值之差小于最终值的10%，或小于1L/min时，本阶段试验完成，取最终值为计算流量。3.1.4试验压力的计算试验压力是指作用在试段内的实际平均压力（全压力）。当地下水位在试段以上时，试验压力等于压力表指示压力与由压力表中心至地下水水位的水柱压力的代数和；当地下水位在试段以下时，试验压力等于压力表指示压力与由压力表中心至试段中点的水柱压力的代数和；当地下水位在试段以内时，试验压力等于由压力表中心至地下水位以上的试段的中点的水柱压力的代数和。此外严格地说，还应当加上（循环式灌浆管路）或减去（纯压式灌浆管路）管路压力损失，但因此项数值较小，在灌浆工程中一般忽略不计。3.3单点法压水试验及透水率的计算灌浆工程普遍使用单点法压水试验，即只使用一个压力阶段的压水试验方法。单点法压水试验的成果按公式2-5-1计算。q＝Q/PL（2-5-1）式中q—透水率，Lu；Q—压入流量，L/min；P—作用于试段内的全压力，MPa；L—试段长度，m。透水率单位吕容（Lu）的意义是，当试验压力为1MPa，每米试段的压入流量为1L/min时，该试段透水率为1Lu。试段透水率取两位有效数字。以前我国沿用前苏联的技术标准，压水试验的成果使用单位吸水量(ω)表示。其涵义是在每米水头作用下，每米试段内的流量，单位为L/（min.m.m）。由此可见透水率q和单位吸水量ω的关系是：q＝100ω（2-5-2）3.4五点法压水试验五点法压水试验是采用三级压力进行升压和降压共五个阶段的压水试验方法，即P1—P2—P3—P2—P1（P1＜P2＜P3＝。三级压力一般为0.3、0.6、1.0MPa。7 根据五个阶段的压水试验资料绘制P—Q曲线，参照表2-5-2确定P—Q曲线类型。以三级压力中的最大压力值（P3）及相应的压入流量（Q3）及公式2-5-1求算透水率。每一试段的压水试验成果用透水率和P—Q曲线类型表示，如0.58（A）,8.5(D)等。表2-5-2五点法压水试验的P—Q曲线类型及特点表3.5简易压水灌浆工程施工过程中，常常需要了解随着各排、各序孔灌浆的进行，岩体透水率变化的趋势，以评估灌浆设计和施工参数的正确性，同时预测灌浆效果。简易压水就是为满足这一要求而进行的简化和粗略的压水试验。简易压水压力采用灌浆压力的80%，并不大于1MPa，压水时间20min，每5min测读一次压入流量，取最后的流量值计算透水率。简易压水由于其精确度要求不高，所以通常假设地下水位与孔口齐平。压水压力也不采用全压力，而采用表压力。即按压力表（或记录仪）指示的压力记读，忽略孔内水柱压力和管路损失的影响。当对裂隙冲洗没有专门要求时，简易压水可与裂隙冲洗结合进行。3.6用压水试验成果计算渗透系数透水率q和渗透系数K之间不是简单的对应关系，各种条件下通过q计算k的公式也很多。《水利水电工程钻孔压水试验规程》SL-1992推荐：当试段位于地下水位以下，透水率在10Lu以下，P-Q曲线为A型（层流型）时，可用2-5-3式求算渗透系数7 K=QlnL(2-5-3)2πHLr式中K—地层渗透系数，m/d；Q—压水流量，m3/d；H—试验压力，以水头表示，m；L—试验段长度，m；r—钻孔半径，m。也可以用图2-5-1中的曲线查找，该图给出了不同地方的研究成果，可以提供大致合理的近似值。图2-5-1渗透系数K与透水率q的关系曲线按照2-5-3式，如假定压水试验的压力为1MPa（即100m水头），每米试段的压入流量为1L/min（即1.44m3/d），试段长度为5m。即在透水率为1Lu的条件下，以孔径为Φ56mm~150mm计算得的渗透系数分别为（1.37～1.11）×10-5cm/s。由此可见，作为近似关系，1Lu相当于渗透系数为10-5cm/s。7