向家坝水电站右岸运输道路岸坡防护锚杆注浆试验

向家坝水电站右岸运输道路岸坡防护锚杆注浆试验

龚木金 龚晗

中国水电基础局有限公司 天津 301700

[摘 要] 向家坝水电站右岸运输道路岸坡为含有大量漂石和孤石的覆盖层，设计拟采用15m长的注浆锚杆支护。为解决在大孔隙架空地层中的漏浆、跑浆问题，决定先进行锚杆注浆方法和浆液比选生产性试验。本文介绍了本次试验所采用的常规孔口封闭注浆、全孔套土工布注浆、部分套土工布注浆、膏状灰浆注浆及膏状砂浆注浆共5种注浆方法的试验情况和试验成果。试验结果表明：膏浆砂浆锚杆的密实度满足设计要求，且其抗拔力最大可以达到240kN。

[关键词] 水电站 岸坡防护 锚杆 注浆试验

1 工程概述

向 家坝水电站右岸重件运输道路路面以下覆盖层边坡拟采用非预应力注浆锚杆进行支护（见图1）。设计锚杆间排距为2m×2m和3m×3m，钻孔直径110mm，锚杆为直径36mmⅡ级钢筋，长度为16.3m，入坡深度为15.0m，外露1.3m，倾角10°，水泥砂浆的设计强度等级为30MPa，设计锚杆合格标准为注浆密实度不小于80%，并为设计提供该地层所承受的抗拔力。

图1 向家坝水电站重件道路岸坡锚杆支护布置图

锚杆施工范围内均为架空严重的砂卵砾石层，且含有一定数量直径超过1m的孤石。松散覆盖层的锚杆支护完全不同于岩石的锚杆支护，存在的主要问题是浆液可能大量漏失，从而造成材料和工时的浪费，同时影响锚杆的承载力。为验证本工程覆盖层锚杆支护施工技术的可行性、锚固效果的可靠性和经济上的合理性，需进行本次生产性试验，以便为选择成孔方法、注浆材料、注浆参数等提供依据，试验重点为注浆材料和方法的选择。

2 试验布置及内容

根据现场情况，试验区域选在具有代表性的0+343～0+385m段边坡上；此段挡墙顶部标高为272m～274m，以上的边坡上按口字形和2×2m间距可布置锚杆9层，试验施工自下而上逐层进行。

业主、设计、监理、施工四方商定，采用常规孔口封闭注浆、全孔套土工布注浆、部分孔套土工布注浆、膏状灰浆注浆及膏状砂浆注浆等五种注浆方法和常规水泥砂浆、膏状灰浆和膏状砂浆三种浆液分别进行试验，试验施工工艺流程见图2。

3 钻孔施工

钻孔要求为：直径不小于110mm，孔位偏差不大于20cm，钻孔方向偏差不超过3%，孔深偏差不超过100mm。

钻孔采用锚杆钻机、风动潜孔锤跟管钻进的方法，套管直径不小于110mm，采用专用锚杆量角器量测套管方向。控制孔斜的措施主要有：采用合理的钻进方法和工艺参数，稳固钻机，准确定向，控制钻速，不使用弯曲的套管等。钻进中经常测斜，及时了解钻孔轨迹；一旦发现偏差过大及时采取措施处理，直至满足要求。

4 锚杆制作与安装

锚杆钢筋连接采用直径36mm直螺纹钢套筒；孔内对中定位采用直径6mm钢筋制成的船型支架，呈品字形与锚杆焊接成一体，每隔2.0m设置一道，最大外径80mm。锚杆外露L型弯钩阻碍套管起拔，故留在后期施工贴坡混凝土时再用钢套筒与孔内锚杆连接。

首先将加工好的锚杆运至施工作业平台上，校核锚杆长度并在锚杆上标明外露部分位置，绑扎好注浆管；然后再进行锚杆下设。注浆管采用外径30mm、内径25mmPE管，绑扎位置为距离锚杆底部不大于10cm～20cm处，不同的注浆方法略有不同。

5 套管起拔

起拔套管采用75t液压拔管机。当采用水泥砂浆注浆时，要求在锚杆和注浆管下入孔内后将套管全部拔出后再注浆。当采用膏状浆液注浆时，要求边注浆边拔管，即锚杆安装后不立即拔除全部套管。管靴的内径比外径小30mm，为防止内径较小的管靴将锚杆带离孔底，起拔套管时由专人负责检查锚筋是否活动。

6 锚杆注浆试验

6.1 水泥砂浆注浆

6.1.1注浆材料

水泥采用华新牌P.O42.5的普通硅酸盐水泥，砂采用最大粒径小于2.5mm的天然中细砂，外加剂为NOF-1C干粉减水剂。试验室提供的M30砂浆施工配合比见表1。

表1 M30水泥砂浆配合比表

常规注浆试验施工时采用四个不同配合比进行现场浆液搅拌试验后，选择便于施工的3、4、5号配合比（水灰比为0.45:1，掺砂量不同）浆液进行注浆试验；其中4、5号配合比通过现场逐级增加砂量来调整。

6.1.2浆液拌制与注浆设备

水泥砂浆采用双层低速2×100L型灰浆搅拌机拌制，按配合比将水泥浆搅拌好后再加入配合比规定的天然砂；搅拌均匀后再用3SNS型灌浆泵灌注。

6.1.3注浆方法

（1）常规孔口封闭注浆试验

采用0.5MPa、1.0MPa和1.5MPa三种灌浆压力进行孔口封闭常规注浆试验。试验在274m、286m、290m三个不同高程各选取1孔进行。锚杆下设后将孔口封闭，通过注浆管向钻孔内注浆，灌注流量均为30L/min～35L/min。注浆时按逐级增加压力的方式进行。由于孔内漏浆严重，孔口回浆管无回浆，无法正常升压。

（2）全孔套土工布注浆试验

土工布套直径为150mm，锚杆安装时土工布套随锚杆下至孔底；在距孔底不大于10cm处的锚杆上绑扎1根注浆管，在距孔口2m处帮扎1根排气管。注浆时将孔口外露土工布套绑扎密封，采用0.45:1:1水泥砂浆灌注，灌注流量均为20～36L/min。注浆前对布套进行压水试验，当压力为0.06MPa时土工布套被压破；因此注浆只能在0.06MPa以下压力进行。

根据设计、监理要求，后来又增加了长度为2m和4m的拉拔试验孔，孔数分别为4个和2个，布置在第S3排以上0.5m处，水泥砂浆配合比为0.45:1:1。

（3）部分孔套土工布注浆试验

锚杆下部6m为锚固段，不套土工布；上部9m自由段采用土工布套住锚杆，土工布套直径为150mm。土工布套在距锚杆底部6m处及孔口处分别用6～8道铁丝绕绑扎，注浆时绑扎头不得漏浆。锚固段和自由段的锚杆上绑扎注浆管和排气管各1根。锚固段注浆管绑扎在离孔底不大于20cm处，排气管绑扎在距孔底6m处的布袋外；上部布袋内注浆管绑扎在离布袋底部不大于50cm处，布袋内排气管绑扎在距孔口0.5～1m处。

采用0.45:1:1水泥砂浆灌注。先对布套内灌注，布套内注浆至排气管回浆后升高压力至0.2MPa，当流量为小于4L/min，屏浆10min～15min后再灌注布套外的锚固段(后调整为注满布套后适当增加压力即可结束注浆)。当布套外的排气管回浆，注浆压力不小于0.3MPa(平均压力为0.38MPa)，注浆流量小于4L/min时，屏浆10min～15min即可结束注浆。

6.2 膏状浆液注浆试验

6.2.1注浆材料

灌注膏状浆液在块石架空的复杂地层中的扩散范围易于控制，浆液流失量较小，有利于以最少浆量较好地充填和胶结锚杆周围的地层，提高锚杆的承载力。

水泥采用华新牌P.O42.5的普通硅酸盐水泥；砂采用最大粒径小于1.5mm的天然细砂，掺量为水泥用量的10%～15%；粉煤灰采用华能珞璜牌一级粉煤灰，掺量为水泥用量的20%～30%；膨润土采用湖南澧县生产的Ⅰ级膨润土，掺量为水泥用量的3%～5%；外加剂为NOF-1C干粉减水剂，掺量为水泥用量的1%。

采用0.43:1:0.34、0.47:1:0.44、0.43:1:0.41、0.41:1:0.45(水:水泥:粉煤灰+膨润土+砂)四个配合比进行浆液搅拌试验后，选择最稠且强度满足要求的0.41:1:0.45浆作注浆试验（表2）。

表2 膏状浆液配合比表

6.2.2浆液制备与灌注设备

制浆设备为专用膏浆搅拌机，转速为200r/min～500r/min，浆液搅拌时间不少于3min。搅拌时先加水，再加水泥，待水泥浆完全搅拌均匀后加入其它材料。灌注设备为3SNS灌浆泵及CE50型膏浆泵。

6.2.3注浆方法

由于膏状浆液注浆工艺要求边注浆边拔管，故套管即为注浆管。注浆时先将套管内填满浆液，再通过升高压力向孔内注浆，注浆压力为0.3MPa，当注浆流量为小于4L/min时，屏浆10min～15min即可起拔一根套管，重复上述注浆过程直至孔口即可结束全孔注浆。

试验先采用3SNS灌浆泵按表2配合比进行了膏状灰浆(不掺砂)边拔套管边注浆、膏状砂浆(掺砂10%)边拔套管边注浆、膏状砂浆(掺砂15%)先拔管后注浆三种工艺试验各2个孔。前者注浆平均压力为0.43MPa，平均单位注浆量为57.63L/m；次者注浆平均压力为0.4MPa，平均单位注浆量为44.1L/m；后者注浆平均压力为0.24MPa，平均单位注浆量为96.63L/m。

后来又采用专用的CE50型膏浆泵按表2配合比(掺砂10%)进行了边拔管边注浆试验，注浆平均压力为0.48MPa。

根据设计、监理要求，增加了施工长度2m的拉拔试验孔4个。拉拔试验孔布置在第S2排以上0.5m处，也按表2配合比(掺砂10%)膏状砂浆采用边拔管边注浆的方法进行施工。

6.3 各注浆试验成果

边坡锚杆生产性试验成果统计见表3。

表3 边坡锚杆生产性试验统计表

7 试验检测

7.1 拉拔试验检测

套土工布水泥砂浆锚杆拉拔试验检测成果见表4；膏状浆注浆锚杆拉拔试验检测成果见表5。

表4 水泥砂浆注浆拉拔试验检测成果表

表5 膏浆注浆锚杆拉拔试验检测成果表

7.2 密实度无损检测

全孔套土工布注浆共10孔，检测2孔，检测率为20%，合格率为100%；常规孔口封闭注浆9孔，检测3孔，检测率为33.3%，合格率为0%；膏浆注浆16孔，检测16孔，检测率为100%，合格率为66.6%；部分孔套土工布注浆16孔，检测14孔，检测率为87.5%，合格率为85.7%。

8 结论

（1）常规孔口封闭注浆的流量较大，难以达到灌浆结束标准，灌浆过程中不能升压，单孔灌浆时间较长达3～4h/孔，灌浆量达3.925m³/孔；且密实度检测结果不能满足设计要求。

（2）全孔套土工布注浆压力受土工布承受能力限制，注浆压力稍有增加或不稳定土工布套即破裂；虽然检测结果表明锚杆杆体密实度较好，但仅在土工布套内的注浆不能形成锚筋与周围土层的良好粘结，影响锚固作用的发挥。

（3）部分套土工布注浆，在布套内注浆的性质和效果与全孔套土工布注浆相同；布套外注浆的性质和效果与常规孔口封闭注浆相同，在孔隙较大的部位灌浆范围难以控制，无损检测成果表明密实度的缺陷分布在该6m段上。

（4）膏状砂浆的粘聚性较好，在压力的作用下既能较好地充填、粘结锚杆四周的松散、架空地层，又不会大量流失。膏浆砂浆锚杆单根(长15m)注浆量仅为843.26L，密实度检测合格率平均为93.8%，满足设计要求；锚杆的抗拔力最大可以达到240kN。

（5）灌注膏状砂浆虽单价较高，但单位注入量较小，且不需采用土工布袋和注浆管，因此其综合成本较低，具有较好的技术经济效果，适合本工程的具体情况。

作者简介：龚木金，男，汉，1964年10月生，高级工程师，从事水利水电施工与管理。

龚晗，男，汉，1992年1月生，助理工程师，从事水利水电施工与管理。

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