第三节 岩基处理
岩基处理是指为满足水工建筑物对基础的承载力、整体性、变形、稳定性和防渗等要求，对天然岩基存在的各种缺陷进行处理所采取的工程措施。
岩基处理有多种类型，按目的和要求，可分为提高岩基强度和完整性的加固处理，防止岩基渗流和降低渗透压力(扬压力)的防渗处理，以及喀斯特处理3个方面。目前用得较多的处理方法是灌浆。
一、岩基灌浆概念与类型
岩基灌浆是提高岩基强度、加强岩基整体性和抗渗性的有效措施。岩基灌浆处理是将某种具有流动性和胶凝性的浆液，按一定的配比要求，通过钻孔用灌浆设备压入岩层的空隙中，经过硬化胶结以后，形成结石，以达到改善基岩物理力学性能的目的。
岩基灌浆按目的不同，分为帷幕灌浆、固结灌浆和接触灌浆。
（1）帷幕灌浆是指在靠近上游迎水面的坝基内打一排或几排钻孔，将灌浆溶液压入钻孔中，形成一道连续的防渗幕墙，以减少坝基的渗流量，降低坝底渗透压力，保证基础渗透稳定。
（2）固结灌浆是为了改善节理裂隙发育或有破碎带的岩石的物理力学性能而进行的灌浆工程，其主要作用是：①提高岩体的整体性与均质性;②提高岩体的抗压强度与弹性模量;③减少岩体的变形与不均匀沉陷。
（3）接触灌浆是在岩石上或钢板结构物四周浇筑混凝土时，混凝土干缩后，对混凝土与岩石或钢板之间形成缝隙的灌浆。其主要作用是：填充缝隙，增加锚着力和加强接触面间的密实性，防止漏水。在岩石地基上建造混凝土坝，混凝土收缩后，混凝土与基岩面之间会产生缝隙，这类缝隙就需要进行接触灌浆。在岩石比较平缓的部位，接触灌浆常与岩石中的帷幕灌浆结合进行。
岩基灌浆按灌注材料不同，主要有水泥灌浆、水泥黏土灌浆和化学灌浆。
二、灌浆材料
岩基灌浆以水泥基浆液为主。遇到一些特殊地质条件，如断层、破碎带、微细裂隙等，当使用水泥浆液难以达到预期效果时，采用化学灌浆材料作为补充，而且化学灌浆材料多在水泥灌浆基础上进行。化学灌浆材料一般有环氧树脂、聚氨酯、甲凝等。
灌浆的目的和地基地质条件不同，组成浆液的基本材料和浆液中各种材料的配合比例也有很大变化，常需在浆液中掺用一些外加剂。外加剂主要类别如下：
（1）速凝剂，如水玻璃、氯化钙、三乙醇胺等。
（2）高效减水剂，如萘系减水剂。它可以提高浆液的分散性和流动性，常用的有NF、UNF等。
（3）稳定剂，如膨润土和其他高塑性黏土等。
（4）其他各种外加剂。
所有外加剂凡能溶于水的均以水溶液状态加入。
三、灌浆施工
灌浆施工程序包括灌浆孔位放样、钻孔、钻孔（裂隙）冲洗、压水试验、浆液配制及灌浆，灌浆结束后进行灌浆质量检查。
（一）放样
一般用测量仪器放出建筑物边线或中线后，再根据建筑物中线或边线确定灌浆孔的位置，钻孔的开孔位置与设计位置的偏差不得大于10cm，帷幕灌浆还应测出各孔高程。
（二）钻孔
灌浆孔有铅直孔和斜孔两种。钻孔原则上应尽可能多地和岩石裂隙层理互相交叉。倾角较大的裂隙一般打斜孔，裂隙倾角小于40°的可打直孔，打直孔比打斜孔可提高工效30%~50%，因此，最好多打直孔。
帷幕灌浆的钻孔宜采用回转式钻机和金刚石钻头或硬质合金钻头，其钻进效率较高，不受孔深、孔向、孔径和岩石硬度的限制，还可钻取岩芯。钻孔的孔径一般为75~90mm。固结灌浆则可采用各式合适的钻机与钻头。
钻孔的质量对灌浆效果影响很大。钻孔质量要求包括：①确保孔深、孔向、孔位符合设计要求；②力求孔径上下均一、孔壁平顺；③钻进过程中产生的岩粉细屑较少。
在工程实践中，按钻孔深度不同规定了钻孔偏斜的允许值（表2-2），当深度大于60m时，则允许的偏差不应超过钻孔的间距。钻孔结束后，应对孔深、孔斜和孔底残留物等进行检查，不符合要求的应采取补救处理措施。
表2-2 钻孔孔底最大允许偏差值
（三）钻孔（裂隙）冲洗
钻孔后进行冲洗，冲洗工作通常分为：①钻孔冲洗，将残存在钻孔底和黏滞在孔壁的岩粉铁屑等冲洗出来；②岩层裂隙冲洗，将岩层裂隙中的充填物冲洗出孔外，以便浆液进入到腾出的空间，使浆液结石与基岩胶结成整体。在断层、破碎带和细微裂隙等复杂地层中灌浆，冲洗的质量对灌浆效果影响极大。
图2-25 钻孔冲洗方法
1—压力水进口；2—压缩空气进口；3—出口；4—灌浆孔；5—阻塞器；6—岩层裂隙
一般采用灌浆泵将水压入孔内循环管路进行冲洗，如图2-25所示。将冲洗管插入孔内，用阻塞器将孔口堵紧，用压力水冲洗；也可采用压力水和压缩空气轮换冲洗或压力水和压缩空气混合冲洗的方法。
钻孔冲洗时，将钻杆下到孔底，从钻杆通入压力水进行冲洗。冲孔时流量要大，使孔内回水的流速足以将残留在孔内的岩粉铁末冲出孔外。冲孔一直要进行到回水澄清5~10min才结束。
岩层裂隙冲洗方法分单孔冲洗和群孔冲洗两种。
1.单孔冲洗
在岩层比较完整、裂隙比较少的地方，可采用单孔冲洗。冲洗方法有高压压水冲洗、高压脉动冲洗和扬水冲洗等。
（1）高压压水冲洗。整个冲洗过程均在高压下进行，裂隙中的充填物沿着加压的方向推移和压实。冲洗压力可以采用同段灌浆压力的70%~80%，但当大于1MPa时，采用1MPa。当回水洁净时，流量稳定20min就可停止冲洗。
（2）高压脉动冲洗。即采用高压低压水反复变换冲洗，先用高压水冲洗，冲洗压力为灌浆压力的80%，经5~10min以后，将孔口压力在几秒钟内突然降低到零，形成反向脉冲水流，将裂隙中的碎屑带出。通过不断的升降压循环，对裂隙进行反复冲洗，直到回水洁净，最后延续10~20min后就可结束冲洗。高压脉动的压力差越大，冲洗效果越好。
（3）扬水冲洗。对于地下水位较高、地下水补给条件良好的钻孔，可采用扬水冲洗，冲洗时先将管子下到钻孔底部，上端接风管，通入压缩空气。孔中水气混合以后，由于相对密度减小，在地下水压力作用下，再加压缩空气的释压膨胀与返流作用，挟带着孔内的碎屑杂物喷出孔外。如果孔内水位恢复较慢，则可向孔内补水，间歇地扬水，直到将孔洗净为止。
2.群孔冲洗
群孔冲洗一般适用于岩层破碎、节理裂隙比较发育且在钻孔之间相互串通的地层中。它是将两个或两个以上的钻孔组成一个孔组，轮换地向一个孔或几个孔压进压力水或压力水混合压缩空气，从另外的孔排出污水，这样反复交替冲洗，直到各个孔出水洁净为止，如图2-26所示。
图2-26 群孔冲洗示意图
1—裂隙；2—充填物；3—钻孔
群孔冲洗时，沿孔深方向冲洗段的划分不宜过长；否则冲洗段内钻孔通过的裂隙条数增多，这样不仅分散冲洗压力和冲洗水量，而且一旦有部分裂隙冲通以后，水量将相对集中在这几条裂隙中流动，使其他裂隙得不到有效的冲洗。
为了提高冲洗效果，有时可在冲洗液中加入适量的化学剂，如碳酸钠（Na2CO3）、氢氧化钠（NaOH）或碳酸氢钠（NaHCO3）等，以利于促进泥质充填物的溶解。加入化学剂的品种和掺量，宜通过试验确定。
采用高压水或高压水气冲洗时，要注意观测，防止冲洗范围内岩层的抬动和变形。
（四）压水试验
灌浆施工时的压水试验，使用的压力通常为同段灌浆压力的80%，但一般不大于1MPa。试验时，可在预定压力之下，每隔5min记录一次流量读数，直到流量稳定30~60min，取最后的流量作为计算值，再按式（2-1）计算该地层的透水率q。
透水率是指在单位时间内，通过单位长度试验孔段，在单位压力作用下所压入的水量，试验成果可按式（2-1）计算求得地层的透水率。压水试验也用于灌浆质量的检查。
式中 q——地层的透水率，Lu；
Q——单位时间内试验段的注水总量，L/min；
P——作用于试验段内的全压力，MPa；
L——压水试验段的长度，m。
对有关岩溶泥质充填物和遇水性能恶化的地层,在灌浆前可以不进行裂隙冲洗，也不宜做压水试验。
帐幕灌浆孔压水试验结果符合下列标准之一时，试验工作即可结束，且以最终压入流量读数作为计算流量：
(1)当流量大于5L/min时，连续4次读数的最大值与最小值之差小于最终流量的10%。
(2)当流量小于5L/min时，连续4次读数的最大值与最小值之差小于最终值的20%。
(3)连续4次读数流量均小于0.5L/min。
压水试验应自上而下分段进行，分段的长度一般为5m。对于透水性较强的岩层、构造破碎带、裂隙密集带、岩层接触带以及岩溶洞穴等部位，应根据具体情况确定试段的长度。同一试验段不宜跨越透水性相差悬殊的两种岩层，这样获得的试验资料不具有代表性。如果地层比较单一完整，透水性又较小时，试验段长度可适当延长，但不宜超过10m。
（五）灌浆
灌浆需用的机械主要有灌浆机、灰浆拌和机、输浆管、灌浆塞、压力表及其他附属设备等。
1.钻孔灌浆的次序
基岩的钻孔与灌浆应遵循分序和加密的原则进行，这样既可以提高浆液结石的密实性，又可以通过后灌序孔透水率和单位吸浆量的分析推断先灌序孔的灌浆效果。若经过压水试验，透水率达到设计要求，不仅省去后序孔的灌浆，而且还有利于减少相邻孔串浆现象。
单排帷幕孔的钻灌次序是先钻灌第Ⅰ序孔，然后依次钻灌第Ⅱ、第Ⅲ序孔，如有必要再钻灌第Ⅳ序孔，如图2-27所示。
图2-27 单排帐幕孔的钻灌次序
1—第Ⅰ序孔；2—第Ⅱ序孔；3—第Ⅲ序孔；4—第Ⅳ序孔
双排和多排帷幕孔，在同一排内或排与排之间均应按逐渐加密的次序进行钻灌作业。双排孔帷幕通常是先灌下游排，后灌上游排；多排孔帷幕是先灌下游排，再灌上游排，最后灌中间排。在坝前已经壅水或有地下水活动的情况下，更有必要按照这样的次序进行钻灌作业，以免浆液过多地流失到灌浆区范围以外。
帷幕灌浆各个序孔的孔距视岩层完好程度而定，一般多采用第Ⅰ序孔孔距8~12m，然后内插加密，第Ⅱ序孔孔距4~6m，第Ⅲ序孔孔距2~3m，第Ⅳ序孔孔距1~1.5m。
对于岩层比较完整、孔深5m左右的浅孔固结灌浆，可以采用两序孔进行钻灌作业；孔深5m以上的中深孔固结灌浆，则以采用三孔施工为宜。固结灌浆最后一个序孔的孔距和排距，与基岩地质情况及应力条件等有关，一般在3~6m之间。
2.灌浆方式
按照灌浆时浆液灌注和流动的特点，灌浆方式有纯压式和循环式两种。对于帷幕灌浆，应优先采用循环式。
纯压式灌浆，就是一次将浆液压入钻孔，并扩散到岩层裂隙中。灌注过程中，浆液从灌浆机向钻孔流动，不再返回，如图2-28（a）所示。这种灌注方式设备简单，操作方便，但浆液流动速度较慢，容易沉淀，造成管路与岩层缝隙堵塞，影响浆液扩散。纯压式灌浆多用于吸浆量大、有大裂隙存在、孔深不超过12~15m的情况。
图2-28 纯压式和循环式灌浆示意图
1—水；2—拌浆桶；3—灌浆泵；4—压力表；5—灌浆管；6—灌浆塞；7—回浆管
循环式灌浆，就是用灌浆机把浆液压入钻孔后，浆液一部分被压入岩层缝隙中，另一部分由回浆管返回拌浆筒中，如图2-28（b）所示。这种方法一方面可使浆液保持流动状态，减水浆液沉淀；另一方面可根据进浆和回浆浆液相对密度的差别，来了解岩层吸收情况，并作为判定灌浆结束的一个条件。
3.钻灌方法
按照同一钻孔内的钻灌顺序，有全孔一次钻灌和全孔分段钻灌两种方法。
全孔一次钻灌系将灌浆孔一次钻到设计孔底，并沿全孔进行灌浆。这种方法施工简便，多用于孔深不超过6m、地质条件良好、基岩比较完整的情况。
全孔分段钻灌又分自上而下法、自下而上法、综合灌浆法及孔口封闭法等。
（1）自上而下分段钻灌法。其施工顺序是钻一段，灌一段，待凝一定时间以后，再钻灌下一段，钻孔和灌浆交替进行，直到设计深度，如图2-29所示。这种方法的优点是，随着段深的增加，可以逐段增加灌浆压力，借以提高灌浆质量；由于上部岩层经过灌浆，形成结石，下部岩层灌浆时，不易产生岩层抬动和地面冒浆等现象；分段钻灌，分段进行压水试验，压水试验的成果比较准确，有利于分析灌浆效果，估算灌浆材料的需用量，这种方法的缺点是钻灌一段以后，要待凝一定时间，才能钻灌下一段，钻孔与灌浆须交替进行，设备搬移频繁，影响施工进度。
图2-29 自上而下分段灌浆
（2）自下而上分段钻灌法（图2-30）。一次将孔钻到全深，然后自下而上逐段灌浆。这种方法的优缺点与自上而下分段灌浆刚好相反，一般多用在岩层比较完整或基岩上部已有足够压重不致引起地面抬动的情况。
图2-30 自下而上分段灌浆
（3）综合钻灌法。在实际工程中，通常是接近地表的岩层比较破碎，越往下岩层越完整。因此，在进行深孔灌浆时，可以兼取以上两法的优点，上部孔段采用自上而下法钻灌，下部孔段则用自下而上法钻灌。
（4）孔口封闭灌浆法。其要点是：先在孔口镶铸不小于2m的孔口管，以便安设孔口封闭器；采用小孔径（直径55~60mm）钻头，自上而下逐段钻孔与灌浆；上段灌后不必待凝，进行下段的钻灌，如此循环，直至终孔；可以多次重复灌浆，可以使用较高的灌浆压力。其优点是：工艺简便、成本低、效率高，灌浆效果好。其缺点是：当灌注时间较长时，容易造成灌浆管被水泥浆凝住的现象。该法对孔口封闭器的质量要求较高，以保证灌浆管灵活转动和上下活动。
孔口封闭灌浆法是一种灌浆新技术，在许多工程中相继得到应用。在喀斯特发育的地层，如乌江渡、隔河岩、观音岩等水利电工程，其帐幕灌浆采用孔口封闭灌浆法，均取得了较好的防渗效果。
需要说明的是，灌浆孔段的划分对灌浆质量有一定影响。原则上说，灌浆孔段的长度应该根据裂缝分析情况确定，每一孔段的裂隙分布应大体均匀，以便施工操作和提高灌浆质量。一般情况下，灌浆孔段的长度多控制在5~6m。如果地质条件好，岩层比较完整，段长可适当放长，但也不宜超过10m；在岩层破碎、裂隙发育的部位，段长应适当缩短，可取3~4m；而在破碎带、大裂隙等漏水严重的地段以及坝体与基岩的接触面，应单独分段进行处理。
4.灌浆压力控制
在灌浆过程中根据设计的压力施灌时，应合理、有效地控制灌浆压力，是提高灌浆效果的重要保证。灌浆压力可以通过灌浆管路上的压力表测读，即
式中 P——灌浆压力，MPa；
P1——灌浆管路中压力表的指示压力，MPa；
P2——计入地下水水位影响以后的浆液自重压力，浆液的密度按最大值计算，MPa；
Pf——浆液在管路中流动时的压力损失，MPa。
计算Pf时，如压力表安设在孔口进浆管上（纯压式灌浆），则按浆液在孔内进浆管中流动时的压力损失进行计算，在公式中取负号；当压力表安设在孔口回浆管上（循环式灌浆），则按浆液在孔内环形截面回浆管中流动时的压力损失进行计算，在公式中取正号。
压力控制中的操作通过压力表的指示读数来调整，在计算机自动控制的灌浆作业中，压力可通过压力传感器测得，计算机显示其值。
灌浆过程中灌浆压力的控制基本上有两种类型，即一次升压法和分级升压法。
（1）一次升压法。灌浆开始后，一次将压力升高到预定的压力，并在这个压力作用下，灌注由稀到浓的浆液。当每一级浓度的浆液注入量和灌注时间达到一定限度以后，就变换浆液配比，逐级加浓。随着浆液浓度的增加，裂隙将被逐渐充填，浆液注入率将逐渐减少，当达到结束标准时，就结束灌浆。这种方法适用于透水性不大、裂隙不甚发育、岩层比较坚硬完整的地方。
（2）分级升压法。它是将整个灌浆压力分为几个阶段，逐级升压直到预定的压力。开始时，从最低一级压力起灌，当浆液注入率减少到规定的下限时，将压力升高一级，如此逐级升压，直到预定的灌浆压力。
分级升压法的压力分级不宜过多，一般以三级为限，如可分为0.4P、0.7P及P三级，P为该灌浆段预定的灌浆压力。浆液注入率的上、下限，视岩层的透水性和灌浆部位、灌浆次序而定，通常上限可定为80~100L/min，下限为30~40L/min。在遇到岩层破碎透水性很大或有渗透途径与外界连通的孔段时，常采用分级升压法。如果遇到大的孔洞或裂隙，则应按特殊情况处理，处理的原则是低压浓浆、间歇停灌，直到规定的标准结束灌浆，待浆液凝固以后再重新钻开，进行复灌，以确保灌浆质量。
5.浆液稠度控制
浆体稠度一般以水和干料的重量比表示，如水泥浆即以水灰比表示。灌浆过程中，必须根据灌浆压力或吸浆率的变化情况，适时调整浆液的稠度，使岩层的大小缝隙既能灌饱又不浪费。浆液稠度的变换按先稀后浓的原则控制，这是由于稀浆的流动性较好，宽细裂隙都能进浆，使细小裂隙先灌饱，而后随着浆液稠度逐渐变浓，其他较宽的裂隙也能逐步得到良好的充填。帷幕灌浆的浆液配比即水灰比，所采用水泥浆的稠度一般有8、5、3、2、1.5、1.0、0.8、0.6、0.5等9个比级。
灌浆中，当灌浆压力保持不变、吸浆率均匀减少时，或吸浆率不变、压力均匀升高时，不得改变水灰比。一般情况下，当某一级水灰比浆液的灌入量已超过规定值，而灌浆压力及吸浆率均无改变或改变不明显时，应改为浓一级的水灰比。当其吸浆率大于6L/（min·m·m）时，可根据具体情况适当越级变浓；但越级变浓后，如灌浆压力突增或吸浆率突减，应立即查明原因，并改回到原水灰比进行灌注。
6.灌浆的结束条件与封孔
灌浆结束条件一般用两个指标来控制：一个是残余吸浆量，又称最终吸浆量，即灌到最后的限定吸浆量；另一个是闭浆时间，即在残余吸浆量不变的情况下保持设计规定压力的延续时间。
帷幕灌浆时，在设计规定的压力下，灌浆孔段的浆液注入率小于0.4L/min时，再延续灌注60min（自上而下法）或30min（自下而上法）；或浆液注入率不大于1.0L/min时，继续灌注90min或60min，就可结束灌浆。
对于固结灌浆，其结束标准是浆液注入率不大于0.4L/min，延续时间30min，灌浆可以结束。
灌浆结束以后，应随即将浆孔清理干净，然后进行封孔，对于帷幕灌浆孔，宜采用浓浆灌浆法填实，再用水泥砂浆封孔；对于固结灌浆，孔深小于10m时，可采用机械压浆法进行回填封孔，即通过深入孔底的灌浆管压入浓水泥浆或砂浆，顶出孔内积水，随浆面的上升，缓慢提升灌浆管。当孔深大于10m时，其封孔与帷幕孔相同。
（六）灌浆质量检查
基岩灌浆的质量检查结果，是整个工程验收的重要依据。
灌浆质量检查的方法很多，常用的有：①在已灌地区钻设检查孔，通过压水试验和浆液注入率试验进行检查；②通过检查孔，钻取岩芯进行检查，或进行钻孔照相和孔内电视，观察孔壁的灌浆质量；③开挖平洞、竖井或钻设大口径钻孔，检查人员直接进去观察检查，并在其中进行抗剪强度、弹性模量等方面的试验；利用地球物理勘探技术，测定基岩的弹性模量、弹性波速等，对比这些参数在灌浆前后的变化，借以判断灌浆的质量和效果。