关于国内外帷幕灌浆施工的几点探讨
张开军
(中国水利水电第七工程局成都水电建设工程有限公司)
1 概述
帷幕灌浆是水利工程中常用的防渗方法，近年来国内修建了很多世界级的高坝，帷幕灌浆都是最重要的基础防渗手段之一，国内灌浆理论与实践都获得的巨大的发展，但是与国际上仍然存在差异，了解这些差异对于未来的国际工程帷幕灌浆施工是很有必要的。
美国陆军工程兵团（United States Army Corps of Engineers，USACE）为美国主要水利机构之一，是世界最大的公共工程、设计和建筑管理机构，其水电工程标准体系在水电工程勘察、设计、施工等各方面研究、开发和应用上均处于世界领先水平，在世界范围的水电工程建设中得以广泛应用，工程手册为其标准系统中的一类，本文中手册是指Engineering and Design：GROUTING TECHNOLOGY（Engineer Manual EM 1110-2-3506）（以下简称EM手册）。
Lahmeyer International Gmbh（以下简称Lahmeyer）是德国一家工程公司，其在能源、水电和水资源方面处于世界领先地位，在亚洲、非洲、南美洲和欧洲都有很强的竞争力，本文所涉及的3个国际工程（苏丹Merowe Project、苏丹Upper Atbara Project、巴基斯坦Keyal Khwar Project）均以Lahmeyer为咨询公司，其中Merowe Project已完工，Upper Atbara Project在建，Keyal Khwar Project已中标待建，Merowe Project有苏丹的三峡工程之称，总装机容量125万kW，尼罗河干流第二大水电项目。Upper Atbara Project位于尼罗河上游支流，总装机容量32万kW。Keyal Khwar Project位于印度河上游支流，总装机容量12.8万kW。
《水工建筑物水泥灌浆施工技术规范》（DL/T 5148—2012）（以下简称灌规）是目前国内最新水泥灌浆施工规范，与前一版比起来做了一定修改。灌规是国内水泥灌浆的“圣经”，其重要性不言而喻。
本文以美国陆军工程兵团灌浆技术手册（EM 1110-2-3506）、Lahmeyer公司负责咨询的3个国际项目的技术要求和灌规为主要研究对象，通过对比分析3者在帷幕灌浆上的具体要求，结合工程实际施工经验，参考相关书籍资料，以呈现国际国内在帷幕灌浆上的异同点。
2 灌浆材料与浆液
2.1 灌规对灌浆材料与浆液的要求
灌规3.1.2、3.1.5条款对灌浆水泥提出了要求。
灌规对水泥筛余量给出具体要求，未对比表面积提出具体要求，在条文说明中对此做了说明。灌规推荐使用纯水泥浆液。目前国内灌浆施工基本采用纯水泥浆液，鲜有采用超细水泥或稳定浆液。灌规仅针对水泥灌浆，未涉及化学灌浆。
2.2 Lahmeyer公司在国际项目中的要求
对于Lahmeyer公司咨询的上述3个项目，均对筛余量和比表面积提出具体要求，Merowe Project要求比表面积应为350㎡/kg，80μm方孔筛的筛余量为0；Upper Atbara Project要求比表面积400㎡/kg，80μm方孔筛的筛余量为0、Keyal Khwar Project要求比表面积450㎡/kg，未对筛余量提出具体要求。由此可见，对于具体项目，Lahmeyer公司对灌浆水泥的要求要高于灌规，如果从3个项目的时间顺序看，其对灌浆水泥细度的要求是越来越高。水泥的比表面积越大，颗粒越细，对于灌浆而言肯定是有好处的，但这样高标准的水泥成本高，对于运输和存储都有很高的要求，采购要求也很高，水泥在海运的过程中容易受潮结块而报废。3个项目均要求使用稳定浆液，这点与国内普遍使用纯水泥浆液不同，稳定浆液的制备要求比纯水泥浆液更高，析水率、流变性、稳定性均优于纯水泥浆，但制备工艺复杂。稳定浆液通常采用一个比级，可以简化纯水泥灌浆过程中变浆程序。从使用效果看，使用纯水泥浆液与稳定浆液都能够达到预期目的。
在Merowe Project和Upper Atbara Project，Lahmeyer公司对化学灌浆材料均有明确要求，Keyal Khwar Project则没有列出，Merowe Project曾大量使用化学灌浆，引起工程造价提高，引起业主不满，在Upper Atbara Project建设过程中，施工方多次提议化学灌浆，但咨询工程师均不采纳。
此外，灌规3.1.9条款普通纯水泥浆液可不进行室内试验，而Lahmeyer公司则要求对各类灌浆材料均需按批次进行室内试验，室内试验达到要求方可开始下一步。由于水泥是灌浆的主要材料，水泥质量将直接影响灌浆结果，尽管在生产的时候也进行检测，但水泥在生产、运输、存储等各环节也确有发生变质的可能，进行现场试验也是有必要的。
2.3 EM手册对灌浆材料与浆液的要求
EM手册与灌规和Lahmeyer公司技术要求都不同，手册在灌浆材料一节开篇就提出波特兰水泥浆液使用应考虑两个因素：①单一材料的适用性；②每一种成分的预期目的。通过添加不同材料组成的浆液混合物不仅让使用者拓宽浆液的物理特性，而且可以根据工程情况加以调整。手册中并未对水泥的细度给出明确的数值，除对各类水泥的基本特点进行了介绍外，还详细介绍了可用充填物、外加剂、黏土浆液、硫酸盐浆液和化学浆液，涵盖了灌浆的各类浆液。对于灌浆材料细度的选择，EM手册中提出一个评价可灌性的公式，也就是可灌性比率N
N=D15/D85
式中：N为可灌性比率；D15为被灌介质15%的细颗粒尺寸，这个数值可以通过各类岩土试验获得；D85为浆液85%的细颗粒尺寸，这个数值可以用细度表示。
通常认为N应大于25才具有可灌性，但在某些情况下可以低于15，取决于灌浆材料的物理性质。
这个公式在美国陆军工程兵团的灌浆方法和设备手册GROUTING METHODS AND EQUIPMENT（TM 5-818-6，AFM 88-32）（以下简称GME手册）中也有提及。
EM手册对每一种浆液的特点进行了归纳总结，虽并未规定或要求使用哪一类浆液，但认为在水泥浆液中加入少量的膨润土（2%～4%）对于灌浆是有益的。
从上面的对比看，似乎EM手册对灌浆材料的不够重视，选择的随意性比较大，实则不然，在EM手册中，专门用了一个章节阐述灌浆材料（16页），详细总结了各类灌浆材料浆液特点，其详尽程度堪比教科书。此外，在别的章节中也有部分涉及灌浆材料。这样以来，即便缺乏经验的工程人员也能在EM手册的指导下针对不同的工程情况选择不同的灌浆材料。
在GME手册中，认为压力灌浆的选择应基于工程需要、地下条件、经济、质量监督人员的能力等各种因素综合考虑，从某种程度而言，压力灌浆是一门基于自然和科学的艺术，需要经验和工程判断，对这门艺术无法建立严格的尺度。个人认为这是个对压力灌浆比较客观的评价，从这个角度也更容易理解EM手册中的基本理念。
化学浆液经过多年的发展日趋成熟，面对复杂的地质条件，很多项目在使用水泥浆液的同时也在使用化学浆液，灌规的编纂应该考虑并体现这种趋势，不应只局限于水泥灌浆。
灌浆材料和浆液的选择是灌浆能否达到目的的物质基础，直接关系灌浆成败，与所针对的地质条件息息相关，应有很强的针对性，但是，在实际操作中，灌浆材料和浆液的选择往往受到经济、工期、设备、人员等各种因素影响而缺乏针对性，从而影响最终的灌浆效果。
3 灌浆设备和机具
3.1 灌规对灌浆设备与机具的要求
灌规对制浆机、灌浆泵、灌浆管路、灌浆塞、阀门、压力表、记录仪和集中制浆站在性能上做了基本要求，与《水工建筑物水泥灌浆施工技术规范》（DL/T 5148—2001）基本一致，因施行多年，具体要求在这里不再重述。
尽管新灌规没有对灌浆设备和机具提出更高的要求，但自2001年以来，灌浆设备和机具还是有所发展，市场上满足灌规要求的设备和机具选择比较多。
3.2 Lahmeyer公司在国际项目中的要求
与灌规相比，Lahmeyer公司在国际项目中对灌浆机具和设备的要求则要高得多。如在Upper Atbara Project中，对浆液拌合设备要求如下：①为拌制稳定浆液的浆液搅拌机应是机械式、高速胶体型、有足够的容量、转速在1500～2000r/min以确保拌和完全分散和充分。②搅拌机应配备对于拌和物的重量和体积误差不大于2%的称量设备和水表。
对于灌浆泵有如下要求：①灌浆泵应能在特定压力下保持60～100L/min的浓浆（W/C=1∶1）流量，可以达到并保持7MPa的压力。灌浆泵应能以稳定的压力和流量泵送浆液，没有压力波动。一泵灌一孔。②泵应配备有精确的压力和容量控制阀门，这些阀门可以单独控制压力和流量。当达到预设的压力时，泵应能自动停止，且应保持压力没有脉冲。
除此之外，对于压力表的精度和管路的连接的要求均高于灌规。
国内生产商目前尚无满足上述要求的产品，国际上英国、美国、德国、瑞士等国家均有满足上述要求的设备供应。
3.3 EM手册对灌浆设备与机具的要求
EM手册用了大量篇幅详细介绍各类灌浆设备和机具，并对其使用进行基本描述，包括化学灌浆设备和机具和灌浆监测设备，例如浆液高程探测设备、孔内温度测量、示踪材料、比重计等，但是，手册中并未对这些设备性能提出具体的要求，如转速、压力范围等。
灌浆设备和机具就像人手中的工具，性能更好、能耗更低、更轻便更安全的设备和机具无疑有利于提高灌浆的功效和质量。但是，更先进的设备也意味着更高的售价，价格往往阻碍了人们选择更先进的设备。
4 灌浆试验
4.1 灌规对灌浆试验的要求
灌规与2001年版不同之一就是将灌浆试验单列一章，灌浆试验的重要性得以提高。同时，增加了灌浆试验的任务、灌浆试验选址和生产性灌浆试验的内容。
4.2 Lahmeyer公司在国际项目中的要求
在Merowe Project和Upper Atbara Project技术要求中，均明确要求做生产性灌浆试验，在Upper Atbara Project技术要求中，还规定了试验区的面积和孔的分布，但Keyal Khwar Project则没有要求。在国际项目中，咨询工程师权力较大，可以指令承包商做灌浆试验，这与技术要求并不冲突。
在Upper Atbara Project实施过程中，灌浆试验的选址、孔位布置及各种参数均需经咨询工程师批准，承包商在工程师指令下工作，试验过程受工程师监督。
4.3 EM手册对灌浆试验的要求
EM手册专门用了一章来讨论为灌浆设计而应进行的各类地质考量，灌浆试验作为其中一节专门论述，认为灌浆试验应在详细设计之前进行，灌浆试验视其需要的信息可简可繁，灌浆试验应在负责最终灌浆设计的地质人员的指导下进行。对于灌浆试验的布置（单排、环形、多排）和优缺点进行分析，并对灌浆试验的结果检查和分析提出了具体的办法。此外，灌浆试验还应进行钻孔技术（如回转和冲击）、不同的孔径等对灌浆效果的影响进行评价。
相比而言，EM手册对灌浆试验的论述要比其他两者全面详细，指导性、可操作性更强。
从某种意义上讲，灌浆试验带有一定的研究性质，灌浆试验能够为灌浆设计提供准确的信息，这一点是无可替代的。在条件允许的情况下，每一个灌浆工程都应有针对性的进行灌浆设计前的现场灌浆试验。但是，在实际施工中，经常采用生产性灌浆试验来替代设计前的灌浆试验，而这个时候工程已经开始大规模施工，在工期和费用压力下，生产性灌浆试验往往没有足够的时间去进行各项试验，甚至只是象征性地验证已经设计好的灌浆形式，这样的灌浆试验得到的数据的价值已经大打折扣，鉴于此，应在灌规中增加一些针对灌浆试验的强制性条文。
5 帷幕灌浆的几个参数
5.1 孔口封闭灌浆法
自1982年乌江渡水电站首创使用孔口封闭灌浆法以来，该法在国内得到推广，目前已成为国内帷幕灌浆的主流方法。该法在国内实践中已被多次验证是一种有效、可靠的灌浆方法。但是，在国际工程中该法还没有得以推广，在Merowe Project、Upper Atbara Project和Keyal Khwar Project的技术要求中均未采用此法，在美国陆军工程兵团EM手册和GME手册中也未采用。可见加强国际同业交流任重道远！
5.2 灌浆压力
灌规5.5.1对灌浆压力进行了原则规定。
在国内灌浆施工中，高压灌浆（≥3MPa）的倾向越来越明显，似乎压力不高就不足以保证灌浆质量。当然，不可否认高的灌浆压力有利于浆液扩散，有利于灌注细微裂隙，也有利于提高浆液结石的密度和强度。但是，在国际工程中，并不认为压力越高越好。Merowe Project和Upper Atbara Project最大灌浆压力均不超过1.6MPa（最大孔深超过50m），Keyal Khwar Project最大灌浆压力不超过1.2MPa。EM手册中对灌浆压力过大可能造成抬动、浆液浪费进行了说明。
高压灌浆在国内的流行与孔口封闭灌浆法有一定关系，相比而言，孔口封闭灌浆法比卡塞灌浆能承受更高的灌浆压力而不发生渗漏或绕塞。但是，高压灌浆的害处也是显而易见的，首先是抬动，不仅可能造成地上建筑物的抬动，甚至造成地下岩层抬动，一旦发生，很难处理；其次是浆液浪费，高压灌浆在充填裂隙的同时又打开或者形成新的裂隙，通道形成的状况无法预料，甚至发展到灌浆部位上百米之外；第三就是高压爆裂，形成安全隐患，压力越高对灌浆管路要求越高，管路爆裂伤人的可能性也越大；第四，过高的灌浆压力可能对泥岩、砂岩之类的硬度较低的岩石的整体性有破坏作用。从灌浆实践看，中低灌浆压力是可以满足绝大多数灌浆目的需要的。
5.3 裂隙冲洗
灌规规定冲洗介质为水，冲洗压力可为灌浆压力的80%，并不大于1MPa，冲洗时间至回水清净时止，并不大于20min。
在3个国际项目中，均要求冲洗至回水清净时止，但未对冲洗压力和冲洗时间作出规定。
在EM手册中，也要求冲洗至回水清净，并列明风水联合冲洗，但规定冲洗压力不应大于灌浆压力。
在Upper Atbara Project实施时，曾有钻孔冲洗超过1h仍未回水清净，甚至部分孔段因冲洗时间太长而塌孔。从施工的角度看，灌规的要求是适宜的，太长的冲洗时间对于钻孔是有害的，有些泥岩或页岩具有一定的可溶性，无法冲洗至回水清净。但是，对于孔深较深的孔（例如大于100m），灌规的规定似乎又显得不足。
5.4 浆液变换
本版灌规与前版在浆液比级和变换上仅有微小变化，不再重述。
在3个国际项目中，均采用稳定浆液，实际施工中无需变浆，若咨询工程师认为有变浆需要，则在原浆液用完后，重新配制。
EM手册对于浆液比级和变换则比较灵活，浆液注入由稀到浓，可以根据需要调配浓度，对浆液变换也没有数量上的规定。
灌规推荐使用纯水泥浆液，强调控制，稳定浆液则简化变浆，而EM手册则更强调经验和判断。
5.5 结束标准
本版灌规比前版在结束标准上变化很大，灌规规定，一般情况下，当灌浆段在最大设计压力下，注入率不大于1L/min后，继续灌注30min，即可结束灌浆。
在Upper Atbara Project灌浆技术要求中，帷幕灌浆结束标准为：在设计压力下，灌浆段吸浆量小于2L/min，持续10min即可结束。在Merowe Project灌浆技术要求中，帷幕灌浆结束标准为：在规定的灌浆压力下，孔段持续灌浆每10 min的注入量为30L或更小时，灌浆结束。在Keyal Khwar Project灌浆技术要求中，帷幕灌浆结束标准为：在规定的灌浆压力下，孔段持续灌浆每10min的注入量小于15L时，灌浆结束。
在EM手册中，有两个结束标准，一是当达到设计灌浆压力的3/4时，孔段停止吸浆；二是在10min内（至少5min测一次），吸浆量不大于1ft3（约28.3L），灌浆即可结束。
从以上阐述看，结束标准不尽相同，但从时间上看，灌规要求最高。
6 总结
2012年发布的灌规，除Keyal Khwar Project外，比EM手册、Merowe Project技术要求和Upper Atbara Project技术要求的发布更接近于今天，但是，从上面的论述可以看出，灌规的要求与国际同业之间还存在不少差异，受篇幅所限，本文仅就帷幕灌浆的一些重要参数做分析对比，水平有限，难免不妥之处，以兹分享，仅供参考。