论灌浆压力及其运用

【摘　要】　灌浆压力是水泥灌浆中最重要、最复杂、影响因素最多、最不容易准确把握和最具有争议性的设计和施工参数。在工程实践中，既存在着盲目追求高灌浆压力导致浪费大量浆材，甚至破坏地基和建筑物的过量灌浆的现象，也存在着害怕使用高压灌浆，导致灌浆不足的情况。本文对灌浆压力的作用及影响因素、初始灌浆压力和最大灌浆压力的区别、灌浆压力的估算和拟定、施工过程中灌浆压力的控制方法、灌浆压力与岩体劈裂的关系、对灌浆压力认识的若干误区等进行讨论。作者认为，对于一项灌浆工程来说，确定一个适宜的最大灌浆压力是重要的，但如何控制灌浆压力过程有时是更重要的。鉴此，作者提出了灌浆功率的概念，在灌浆过程中保持灌浆功率大致不变，可以有效防止过量灌浆和灌浆不足。文章还对隆巴迪的抬动力公式提出了质疑，认为该公式不符合工程实际情况。

【关键词】　灌浆压力　灌浆阶段　压力估算与拟定　灌浆力度　灌浆压力的误区　隆巴迪公式

1　问题的提出

灌浆压力及其运用是水泥灌浆施工中最重要、最复杂、影响因素最多、对灌浆质量影响最大，同时也是显著影响工程造价和工程进度的设计参数和工艺参数。但是它又是针对性最强、差异性最大、对操作者经验和思想倾向的依赖性最大、最难以制定规范性定量标准（操作规程）的施工参数。行业技术标准中对于怎样确定灌浆压力，怎样使用灌浆压力，规定一直比较模糊。在学界对于灌浆压力在理论上的争议也一直没有停歇，至今未有服人的定论。

随着水利水电建设的快速发展和众多工程项目的施工，水泥灌浆工程和灌浆技术的应用已经十分普遍，但是在不少的项目上怎样选择灌浆压力和如何正确使用灌浆压力的问题解决得并不好，或陷入了误区。比如有的工程设计人员为获得好的灌浆效果，不看地基承受能力，不适当地追求高灌浆压力；有的承包商为追求大注入量，不适当地使用高压力，导致浆液严重浪费，甚至发生大面积地层抬动，结构物破裂；有的工程则害怕使用较高的灌浆压力，谈“抬（动）”色变。

为此，本文以岩石地基帷幕灌浆为主要对象，以工程实践为主要依据，针对灌浆压力的有关问题进行讨论。

2　灌浆压力的定义

2.1　定义

灌浆压力，顾名思义，灌浆使用的压力。但这是一个很概略的提法，准确地说，至少有以下三方面的含义。

（1）从压力的作用点定义：在一个由灌浆泵、循环管路、灌浆塞和灌浆孔组成的封闭系统中，灌浆浆液在灌浆泵施加的压力作用下流动、渗入岩层裂隙，系统中各处都承受着压力，其压力值大小不等，所谓灌浆压力应是灌浆时浆液作用在灌浆孔段中点的压力。

（2）从灌浆区域空间位置定义：在不同灌浆部位使用压力是不同的，即使在同一灌浆孔中，一般而言灌浆压力也是自上而下逐渐增加的，直到某一深度达到最大灌浆压力。在技术文件中所指的通常是最大灌浆压力。

（3）从灌浆过程阶段定义：一个孔段在灌浆过程中，灌浆压力并不是一个定值，它是时间的函数，基本上从低到高，有时起伏多变，开始灌注时的较低压力称为初始压力，最后升至最大压力。在施工中，这个过程基本上凭操作者的经验和思想倾向掌握。我们通常所讲的灌浆压力是技术文件中指明的固定的参数，有时也称为设计灌浆压力、允许灌浆压力等，它就是上述灌浆过程中达到的最大值，即最大灌浆压力。

2.2　灌浆压力的构成

如图1所示，灌浆压力由灌浆泵输出压力（由压力表指示）、浆液自重压力、地下水压力和浆液流动损失压力的代数和。

对于纯压式灌浆，压力表安装在灌浆孔口进浆管上［图1（a）］

对于循环式灌浆，压力表安装在灌浆孔口回浆管上［图1（b）］

hw——地下水位至灌浆段中心的高度；

γg——浆液的重度；

γw——水的重度。

浆液在灌浆管和钻孔中流动的压力损失P4包括沿程损失和局部损失。此项数值与管路长度、管径、管壁糙率、连接弯头的多少与形式、灌浆孔径、浆液黏度、温度、流动速度等有关，可以通过计算或试验得出，但由于计算比较复杂，试验也不易作得准确，且每一灌浆段该数值都不相同，在灌浆过程中变化不定。在大多数情况下，这项数值相对灌浆压力很小，因此为简便起见一般予以忽略。

在灌浆施工作业中，特别是现今多采用的高压灌浆施工中，由于灌浆压力很大（大于3MPa），浆柱压力、地下水压力、管路损失都相对较小，因此除有特别精确要求外，施工中常常就采用表压力作为灌浆压力。

2.3　灌浆压力的检测和记录

关于灌浆压力的检测和记录，灌浆规范中有明确规定：“采用循环式灌浆时，灌浆压力表或记录仪的压力变送器应安装在灌浆孔孔口处的回浆管路上；采用纯压式灌浆时，压力表或压力变送器应安装在孔口处的进浆管上；压力表或压力变送器与灌浆孔孔口的距离不宜大于5m。灌浆压力应保持平稳，宜测读压力波动的平均值，最大值也应予以记录。”［1］国外工程有的技术规程要求压力表与孔口距离不大于3英尺。

由于大多数灌浆泵都是柱塞泵或活塞泵，它们输出浆液的压力是波动的，压力表或记录仪指示的压力也是波动的，有时波动还很大。为了减少压力的波动，灌浆泵或管路上应安设空气蓄能装置。我国早期高压灌浆如乌江渡和龙羊峡等工程的帷幕灌浆曾以压力波动的峰值作为压力控制的标准，并予以记录；现在使用灌浆记录仪可以更准确地记录灌浆压力波动的平均值，以此作为控制灌浆压力的主要依据，同时也记录最大值作为备查，因为灌浆压力的瞬间冲高很可能是导致基岩劈裂或建筑物抬动的肇事者。在工程实践中，灌浆压力峰值和中值通常相差20%，如果灌浆泵的状况不良，差值还要大。这是问题的一方面。另一方面，也有的专家指出，灌浆压力的波动对于浆液的渗流扩散有益［2］，压力的脉动可以保持浆液的流动性，从而增大渗流的距离。但可想而知，脉动的幅度太大还是有害的。

压力表或压力变送器（传感器）之所以要安装在灌浆孔口是为了使测量地点尽可能地靠近灌浆孔段。笔者在许多工地看到，这方面实际做得不好，作业班组为节省人力，又图操作方便，常常把回浆阀门（连带压力表和压力变送器）安装在远离灌浆孔的记录仪旁边，一般都有30m距离（管道长），这有两个害处：一是增加了压力的沿程损失，特别是在使用“大循环”灌浆记录仪，小水灰比浆液（如稳定性浆液）灌浆，达到结束阶段时，浆液在灌浆孔和管路系统中高速流动，这个压力损失是很大的，相当于增大了1～2MPa，甚至更大的灌浆压力，是很危险的。二是压力表离孔口、离灌浆段远了，其所反映的压力值滞后于实际发生时间，这对及时捕捉水力劈裂信息，防止大的劈裂发生极为不利。即使为改善操作条件，退一步而言，也应把压力传感器留在孔口，把压力表移到记录仪旁，记录仪记录值以传感器为准，压力表显示值做操作人员参考，这样记录下来的压力值准确一点。国外灌浆技术规程一般要求在灌浆泵上和灌浆孔口两处都要安设压力表，这是有好处的。

当然，也可以通过在灌浆塞底下安装压力传感器直接测量孔段的灌浆压力，那就不必进行换算，不必考虑误差问题了，但这样做将增大施工操作的复杂性，成本也会相应提高，对于一般灌浆工程的精确性而言，现在还没有必要。

3　灌浆压力的作用与影响因素

3.1　灌浆压力的作用

（1）灌浆压力是浆液流动的能源。灌浆压力是驱动浆液渗入岩体裂隙的动力，是灌浆工作得以进行的能源。当岩体裂隙连通性好，灌浆浆液流动比较通畅时，灌浆压力越大，浆液渗流的距离越远，加固岩体的范围越大。在这种情况下，灌浆压力也是确定灌浆孔距的因素，在一定范围内当加大灌浆压力时，灌浆孔距也可以适当加大，从而节省钻孔工程量，降低工程成本。但是当岩体裂隙连通性不好时，灌浆孔距与灌浆压力关系不大。

当灌浆压力越大，浆液在岩石裂隙中扩散渗流的流量愈大，流速愈快，流程愈远。也就是说，在其他条件相同的情况下，较高的压力灌浆可以注入量更大，或者注入范围更大，或者灌浆时间更短。这都是有助于提高灌浆质量或降低施工成本的。

（2）灌浆压力是提高浆液结石密实度的重要条件。对于灌浆处理的地层，注入浆液较多，达到注浆饱满而不浪费是灌浆质量好的基本要求；注入浆液凝固后结石密实则是另一项基本要求，只有浆液结石的密实度更高，其抗压、抗剪强度，与岩石的黏结强度和抗渗性能才会更好，更高灌浆压力是确保浆液结石密实的重要条件。

有些学者将灌注浆液的水灰比说成是决定浆液结石密实度的前提条件，这只是试验室内的情况，在岩体裂隙里的浆液，在灌浆压力下泌水固结是使其结石体密实的最重要条件，在较大的灌浆压力下含水量多（水灰比较大）的浆液同样可以获得密实的结石。相反，即使很稠的浆液如果不进行压力泌水，结石也达不到理想的密实度。

（3）灌浆压力是控制灌浆过程的要素。在灌浆作业中，灌浆压力是一个动态过程。一项灌浆工程的成败，是否质量最优或者一般，是否成本最低或者大大超出预算，施工时间是否较短或者长时间不能结束，很大程度上取决于灌浆过程的控制，特别是灌浆压力的控制。灌浆压力是各项灌浆施工工艺参数中最重要、变化最活跃、控制难度最大、对灌浆质量和工程成本影响最大的因素。通过灌浆压力的合理运用，可以对许多灌浆参数如孔距、浆液水灰比变换、注入率等进行配合，可以对某些缺陷（包括设计灌浆压力定得偏大或偏小）予以补偿。

（4）灌浆压力的大小和变化趋势是反映地层状况、灌浆进行程度和灌浆效果信息的载体。灌浆是勘探与施工平行进行的一种作业，所谓勘探就是不断地、超前地获得信息，灌浆压力就是施工过程中不断发生的、由灌浆孔段和岩体裂隙中反馈回来的、同时被记录仪记录的重要信息，通过它和伴生的其他信息，可以判别或大致判别灌浆孔段所处部位的许多情况，如岩体的类别、裂隙的发育情况、灌浆进行的程度（岩体裂隙被浆液充填饱和的程度）、是否发生了劈裂或抬动、灌浆是否应当结束等等。

（5）虽然灌浆压力是灌浆进行的必要条件，但凡事有度，过高的灌浆压力也会起到负作用：如可能造成过量灌浆，使浆液灌注到预定的范围以外，浪费财力；可能使岩石裂隙扩宽、断裂，甚至导致岩体变位，恶化地质条件；或使坝体或其他结构物发生抬动变形、裂缝等。

（6）灌浆压力虽然重要，但它独自不能发挥作用，它必须与注入率结合在一起方能体现出各种作用来。

3.2　影响灌浆压力的因素

影响灌浆压力的因素很多，主要有：

（1）建筑物的要求。这里主要指对帷幕防渗能力的要求，如防渗标准透水率是多少；如是进行不良岩体的高压固结灌浆，对灌后岩体力学指标、弹性波速的要求。通常高坝的水头高，对帷幕或基础岩体的要求就高，灌浆压力随之也要求高。

我国灌浆专家孙钊提出：考虑大坝承受水头的因素，一般情况下坝高100～150m时，帷幕灌浆压力不宜大于4倍坝前水深；坝高150～200m，不宜大于3倍坝前水深；坝高200～250m，不宜大于2.5倍坝前水深。200m或250m以上的高坝，在某些部位需要采用大于6MPa的灌浆压力，例如8MPa时，务必先做灌浆试验，探索灌浆工艺并论证其必要性后再行实施。在岩溶发育地区修高坝，为了使溶洞内的充填物固结、密实，常常使用高压。根据实践经验，一般情况下灌浆压力为5～6MPa就够了，大于6MPa的灌浆压力似无必要。与帷幕的防渗标准一样，一座高坝的基岩帷幕灌浆也可由于各部位承受坝前水头的不同，而采用两种或三种灌浆压力［3］。

（2）地质条件，即基岩的岩性、构造。通常岩石坚硬、岩体完整、构造简单，灌浆压力可以高一些，反之灌浆压力应当小一些；软弱松散岩体、缓倾角薄层状的岩体，不宜使用过高压力。

（3）上部建筑物的情况。当帷幕灌浆在已有建筑物的地基施工时，灌浆压力的选择应十分慎重。原则上任何灌浆压力都不应引起基岩面或混凝土结构物的抬动，或抬动不超过允许值。切实防止由于上抬而使混凝土结构产生裂缝，影响水工建筑物的整体性。

（4）灌浆浆液性质。通常浆液水灰比小，内聚力和稠度大，灌浆压力可以提高，相反浆液水灰比较大，内聚力和稠度较小，灌浆压力的提高应慎重。稳定性浆液、膏状浆液可以使用较高的灌浆压力。

图2为学者Feder提出的灌浆初始压力与浆液水灰比、岩体裂隙宽度关系图［4］，从图中可以看出在同样的裂隙宽度下，浆液的水灰比越小使用的灌浆压力应越高。

（5）使用的灌浆方法、灌浆的次序。灌浆方法、灌浆次序也是选择灌浆压力的重要因素，采用自上而下灌浆法由于上部的岩体先期得到了加固，所以同样深度的灌浆段使用灌浆压力可以比自下而上灌浆法时大一些；同样的道理后序孔灌浆压力可以比前序孔大一些。

（6）压力测记方法、工程量计量与支付方法。如前所述，当在施工中测量与记录灌浆压力波动的峰值时，灌浆压力可以大一些；测量和记录平均压力时，灌浆压力值不宜定得过大；灌浆压力越大，波动值也越大。

在同样的地质条件下，灌浆压力的大小，特别是压力过程的控制，会导致灌浆单位注入量的较大差异，因此灌浆工程量采用何种计量与支付方法也支配着灌浆作业人员对灌浆压力的选定及其控制运用。

4　初始灌浆压力与最大灌浆压力

4.1　灌浆阶段与灌浆压力

灌浆是一个过程，灌浆孔内和岩体裂隙的情况时刻都在变化。大体可分为“充填”和“压实”（或饱和）两个阶段，见图3。对应于我国的灌浆规范，充填阶段属于灌浆的前大半段，压实阶段基本对应于结束阶段，中间还有一个过渡段，就不细分了。充填阶段主要任务是输送、充满浆液，注入流量大，灌浆压力较低，但岩体受到的抬动力不小（图3中充填阶段压力分布曲线下的面积）；压实阶段主要任务是压迫泌水，增大浆液结石密度，此时注入率已经很小，灌浆压力达到最大P max，但抬动岩体的力并不很大（图3中饱和阶段压力分布曲线下的面积）。

4.2　初始灌浆压力与最大灌浆压力

在灌浆工程的技术文件中，灌浆压力是一个确定的数值，它就是设计压力或最大灌浆压力，如图3中的P max。但是，在施工操作过程中，多数情况都不可能从始至终一直使用最大灌浆压力，通常都应当根据注入率的大小，以适宜的速度从低到高逐渐增大压力。这样开始阶段使用的那个压力值就是初始灌浆压力，如图4中的P1。P1的意义是最低的可能进行有效注浆的压力，奥地利学者1993年曾经提出过这个概念（图2）。在施工操作中，初始灌浆压力非常重要。我国水布垭水电站趾板帷幕灌浆就制订了初始灌浆压力和目标灌浆压力（即最大灌浆压力）［5］。天荒坪抽水蓄能电站高压引水隧洞围岩固结灌浆施工时，灌浆压力按1MPa一个等级逐渐提升，至注入率小于2.5L/min后升至9MPa，持续20min结束［6］。

我国灌浆规范中没有对于初始灌浆压力的明确要求，所以大部分工程中都没有给出这个数值，施工中一般从零开始快速而逐渐提高压力，至某一压力可达到相当注入率时，保持稳压灌注，这个压力也可以说是初始压力。在有条件的情况下，宜在灌浆试验时同时确定最大灌浆压力和初始灌浆压力，更有利于施工中操作。

5　最大灌浆压力的估算与选定

如何正确地定量地确定最大灌浆压力，是一个比较复杂、比较困难的事情，通常采用经验公式初步计算、使用岩体力学的公式分析、查图表对照、类比已建工程、进行现场试验探求和验证等方法进行估算和拟定。

5.1　用经验公式估算灌浆压力

灌浆工程界提出和曾经用过的经验公式很多，用得较多一些的有：

5.1.1　考虑基岩条件和灌浆方式的经验公式［7］

P0和α由表1查得，当考虑灌浆方法和灌浆次序因素时由表2查得。

5.1.2　考虑基岩以上有覆盖层情况的经验公式［8］

5.2　采用岩石力学公式分析灌浆压力

一些学者运用岩石力学的原理和浆液的流动性能，推导出若干灌浆压力和浆液渗流半径等关系的公式。

5.2.1　牛顿型浆液流动公式

5.2.1.1　刘嘉材公式［8］

5.2.1.2　贝克（Baker）公式［8］

其余符号意义同式（5）。

5.2.2　宾汉姆浆液扩散公式

5.2.2.1　维特科（Wittke）和沃尔尼（Wallner）公式［8］

式中　τ0——浆液屈服强度；

其余符号意义同式（6）。

5.2.2.2　H.B加宾公式［8］

式中符号意义同式（6）。

5.2.2.3　隆巴迪（G.Lombadi）公式［8］

式中符号意义同式（6）、式（7）。

5.3　查图表选择灌浆压力

图5、图6和图7分别为美国、欧洲和日本推荐的灌浆压力范围。

图8为笔者总结的我国近20年来高坝岩基帷幕灌浆使用灌浆压力的大致范围。

5.4　通过现场灌浆试验选择灌浆压力

由于灌浆技术理论上不成熟，以及各种计算式模型和所依据的边界条件的局限性，包括各种经验公式和图表，常常难以提供工程所需要的灌浆压力值。因此灌浆试验是探求或者验证预定灌浆压力的一个重要手段。试验通常包括两种情况。

其一，确定临界压力。在灌浆试验区进行压水试验，选择1～2个钻孔，分段进行压水试验，逐步提高压水压力，求得压水压力与注入流量关系曲线，试验初期注入流量与压水压力略呈直线关系变化，当压力升到某一数值时，压入水量突然增大，曲线出现拐点，说明岩石中的裂隙被扩宽或完全裂开，此时的压力值，即为临界压力。压水试验的临界压力不等于灌浆压力，它只是选择灌浆压力的重要参考。

其二，验证预定压力。一般先按照估算或查表预定一个灌浆压力值进行灌浆，对灌浆过程中岩层的吸浆情况、地表串冒浆情况、地表抬动变形情况等进行观察分析，对灌浆后岩层渗透性的改善效果进行检查分析，据此对预设压力进行调整。

图9为我国某高坝坝基灌浆前一孔段压水试验成果曲线，所在部位为灰白色细晶大理岩，岩芯完整，裂隙不发育，少量陡倾角裂隙，个别中倾角裂隙。岩体的劈裂压力即临界压力为3.3MPa。

5.5　采用工程类比法选择灌浆压力

一个大型的灌浆工程是一个最好的原型试验，已经施工完成的灌浆工程常常是后来工程最好的参照物。表4、表5分别列出了国内外部分灌浆工程所采用的最大灌浆压力。

5.6　灌浆压力的最终确定

由于工程和地质条件的差异性，灌浆区域裂隙的参数不易确定；即使进行压水试验，各部位、各孔、各试验段临界压力也不相同。因此，仅仅采用上述任何一种方法都难以准确确定某个工程的灌浆压力，一般应在获得上述多方面信息后进行综合分析，最后拟定一个或几个灌浆压力提供进行灌浆试验，或在施工中检验调整。现举例说明。

假定某高坝灌浆地段基岩为块状花岗岩，上面无覆盖层，灌浆段深度20m，地下水位低于灌浆段深度，灌注浆液水灰比1∶1，黏度6mPa·s，屈服强度2Pa，吸浆率30L/min，灌浆孔孔径60mm，浆液扩散边沿浆液压力为0。求算岩体裂隙开度分别为0.5mm和1mm，浆液扩散半径分别为3m和5m四种情况的灌浆压力，只考虑Ⅰ序孔。

首先，可采用经验公式和查图表估算，按Ⅰ类岩体，最大系数考虑。经计算和查图得10m、20m深灌浆段的灌浆压力分别如表6所示，最小和最大压力分别为10m深处0.05～2.7MPa，20m深处为0.1～6.0MPa。

其次，试用岩体力学有关公式分析，所用浆液兼具牛顿体和宾汉体特征，所以两类公式都进行计算。虽然按公式说仅是一条裂缝的灌浆压力，但假定的浆液注入率确是通常5m灌浆段的中等水平，也就是说如果岩石裂隙加多，则裂隙中的平均流量也会减少，其结果是相同的。各公式的分析计算结果如表7所示，从表中可见，最大数据仅为294.4kPa，最小为12kPa，与实际相差甚远。

如果进行灌浆试验，因试验区通常选择在地质条件稍偏差的地段，该类地层灌浆前压水试验岩体劈裂临界压力很可能在3～4MPa之间，浅表段的临界压力只有1～2MPa。

针对上述情况简要分析如下。

经验公式（4）基本按照静水压力的原理估算灌浆压力，没有考虑岩体的结构强度，对于软弱破碎岩体可能有一些参考意义，本处完全不适用。

图5、图6、图7推荐灌浆压力适用于上世纪欧美日，通常采用压力较低，我国现多不采用了。

式（5）～式（9）基于“平缝模型”推导而来，没有考虑地质条件，几何条件也是高度的概化，因而所得数据远离实际。我国地质专家马国彦以小浪底工程的实际条件使用隆巴迪公式进行过演算，结果也相去甚远，无法应用［12］。

根据表4类比我国大量已建成工程，本假设案例属于块状花岗岩基岩，帷幕灌浆最大压力为6.0～6.5MPa。笔者建议的图8，10m深灌浆段灌浆压力为2.7MPa，20m深灌浆段灌浆压力为6.0MPa。

综合各种情况，本例灌浆工程最大灌浆压力应初步定为5～6MPa，如坝高在100～200m，可为5MPa，如坝高大于200m最大灌浆压力宜为6MPa。以此初选值进行灌浆试验，根据试验成果最后确定之。除非有特殊情况，如地应力特别大，地下水压力非常高等，笔者也认为不需要使用比6MPa更高的压力。

有的专家认为最大灌浆压力不要超过压水试验临界压力，以临界压力除以大于1的安全系数作为最大灌浆压力［12］。但在实际工程中并不好操作，因为岩体的不均一性，各孔段的临界压力都不相同，如果以最大的临界压力为依据确定灌浆压力，则临界压力小的部位就可能发生劈裂，这仍然与“劈裂有害论”是相悖的。如果以最小的临界压力为依据确定灌浆压力，则大多数部位就无法取得灌浆效果了。

长江三峡水利枢纽坝基闪云斜长花岗岩，帷幕灌浆施工前进行了一系列灌浆试验，求得强风化带（孔深7m以下）卸荷、爆破裂隙带临界压力一般为1.0MPa；弱风化带（孔深7～15m）临界压力一般为2.0～3.5MPa；微风化带（孔深15～30m）临界压力一般为6～7MPa；新鲜岩石（孔深30m以下）临界压力可达到10～15MPa［13］。确定最大灌浆压力6MPa。

6　灌浆过程中的压力调节和控制

6.1　正确进行灌浆压力调控的目的和作用

如果说确定最大灌浆压力是灌浆工程设计和施工的重要问题，那么在确定了设计压力以后，施工操作中如何调节和控制灌浆压力是更大的问题，所谓灌浆是艺术，其实主要就体现如此。值得忧虑的是，这个环节本来应当在施工或监理技术人员的指导下，由训练有素的技术工人操作控制，但目前这一点有明显弱化的趋势。

如果在灌浆过程中使用调节好了灌浆压力，可以达到如下目的：

（1）确保灌浆施工的安全。即做到不发生有害的岩体劈裂、地基变位，不造成岩体或地基的失稳；不造成永久建筑物的抬动、裂缝，甚至破坏。相反，如果压力掌握运用不好，同样的灌浆压力却可能造成岩体破坏，建筑物抬动。

（2）确保灌浆的质量。使可灌的岩体裂隙达到最大限度的灌注饱和、饱满，获得最好的灌浆效果。如果压力使用不正确，灌浆效果就不易保证。

（3）加快灌浆的速度。灌浆压力的使用得当与否同样也影响到施工速度，也就是说影响到每个灌浆段灌浆时间的长短。

（4）控制灌浆的成本。合理使用灌浆压力可以在保证灌浆效果的前提下，尽量节省材料，减少工时，从而降低成本。

6.2　灌浆施工中压力调控的两种不良倾向

灌浆操作中的不良主观倾向主要有两方面：

（1）高压开灌，故意增大注入量。灌浆一开始就使用最大压力，也不管注入量多大，甚至以灌浆泵的最大排出量（100L/min左右）灌注，常常造成地面剧烈抬动，或浆液流至灌浆区域以外，造成过量灌浆和大量浪费。这种倾向常发生在以水泥注入量计量灌浆工程量的情况。

（2）低压灌浆，高压结束，力图节约水泥材料和灌浆时间。开灌时以很低的压力灌注，使浆液尽早封堵孔壁四周近处裂隙、裂缝，后期提高压力时浆液也不会远渗了。其缺点是可能导致灌浆不足，浆液没有达到设计预定的范围，有的应当灌注好的裂隙没有浆液渗入。这种倾向较多发生在以进尺计量灌浆工程量的情况。

这两种倾向都是有害的，但是怎样掌握操作分寸却具有“艺术性”和个人倾向性。

6.3　限制灌浆功率——调控灌浆压力的重要原则

在灌浆施工中，灌浆压力是影响地层的原动力，但灌浆压力需要通过浆液传递。根据帕斯卡定律，灌浆压力对地基岩石的裂隙缝面产生的抬动力，等于灌浆压力与浆液接触裂隙缝面面积的乘积，注入率大，浆液渗流覆盖的面积大，抬动或劈裂岩体的作用力就越大。因此我们在灌浆施工中既要谨慎提高灌浆压力，也要重视控制注入率，应使二者的乘积不能过大。这也是为什么在注入率很小的情况下灌浆压力能够提得很高的缘故。相反，在许多灌浆压力并不很大，但是注入率很大的情况下却发生了抬动。

因此灌浆压力的调控不能单独进行，灌浆压力与注入率是一对紧密关联的参数，二者互相影响和制约，必须联调联控，协调控制。施工经验表明，当地层吸浆量很大、在低压下即能顺利地注入浆液时，应保持较低的压力和中速注入率（约30～50L/min）灌注，待注浆率逐渐减小时再提高压力；当地层吸浆量较小、注浆困难时，应尽快将压力升到规定值；不要在大注入率时使用高压力，也不要长时间在低压下灌浆。

本书拙文《灌浆压力与灌浆功率》提出：灌浆过程实际上是灌浆压力与注入率共同对地层做功，二者的协调控制就是要使其乘积近似于一个常数。即：

灌浆功率Gp是在单位时间内施加到灌浆区域的能量，如果在一个灌浆段的有效灌注过程（结束阶段以前）中，使灌浆功率大致保持一个常数，这个灌浆过程就是正常的，就不易造成岩体或混凝土结构的抬动变形，也不容易发生过量灌浆或灌浆不足的问题，就容易得到较好的灌浆效果。

各个工程地质条件不同，灌浆要求也不一样，灌浆功率范围也不一样，具体的Gp值应通过灌浆试验求得。

6.4　灌浆过程中压力趋势的判断与应对

在灌浆过程中，根据实际情况合理地控制灌浆压力是灌浆成功的关键，施工人员必须对灌浆压力趋势进行正确判断，并采取相应措施。表8为笔者总结的在灌浆过程中判别各种压力变化趋势及应对处理措施，可供施工人员参考。

7　灌浆压力与岩体劈裂和抬动变形

这是一个大题目，下面陈述几个主要观点。

7.1　岩体劈裂具有两重性，有利有弊

严格地说，岩体劈裂有两种，一种是旧有裂缝裂隙弹性张开（有的文献也称为“启缝”），灌浆停止后能够基本复原，保持闭合；另一种是劈开断裂，引起岩体的局部或一定范围的变位，不能复原。这两种情况前者无害，后者如果是岩体内部局部的有限度的变位也是无害的。只有造成岩体较大范围的变位，或已灌注的裂缝被反复地劈开，或建筑物特别是永久建筑物的抬动破坏才是有害的。

岩体裂隙发生一定程度的劈裂张开，好处很多：有利于增加注入量，裂隙张开后，原来浆液不能灌入的，能变为可灌，原来注入少的，能适当多灌，原来扩散范围小的，能增大范围。岩体张开后发生回弹，有利于浆液结石的压力泌水，使结石含水量减少，密实度增加，提高帷幕的渗透破坏比降和耐久性；有利于在岩体中获得预应力，增加岩体的抗变形性能。

在一部分岩体裂隙劈裂张开的同时，常有另一部分裂隙被压缩密合，这同样增强了岩体的抗渗和抗变形性能，是有益的。

在以垂直或陡倾角方向裂隙为主的岩体中，钻孔与这些裂隙相交的几率较小，斜孔施工又不方便且费用增加，水力劈裂是打开这些通道的好方法［14］。欧洲灌浆规范规定，水力劈裂灌浆可用于：加固或稳定地层，使构筑物产生受控抬动，构筑防渗帷幕［15］。

7.2　高压灌浆的机理是劈裂灌浆

根据浆液在岩体裂隙中的渗流方式，灌浆可分为渗透灌浆和劈裂灌浆，前者浆液在裂隙中渗透，完全不扰动岩体，浆液流态是层流；后者则在灌浆压力的作用下，劈开、扩宽、延伸浆液通道，浆液的流速加快，流量加大，浆液流态主要是紊流。

自乌江渡帷幕灌浆以后，我国近30年来的高坝岩基帷幕灌浆基本上都采用了高压灌浆，即在岩浆岩、变质岩地基中灌浆压力达到5MPa以上，软岩中在3MPa以上。室内试验资料表明，岩石的单轴抗拉强度最大可达10MPa以上（斑岩、花岗岩等），但大多数岩石的抗拉强度都要小于6MPa，这是新鲜岩块的试验结果。事实上，野外大坝地基大多数是Ⅱ、Ⅲ类岩体，分布着产状不同的裂纹、裂隙、裂缝。根据弹性力学分析，灌浆时灌浆孔孔壁岩体受到的拉应力等于孔内浆液压力，即灌浆压力。在灌浆压力的作用下，岩体首先会在裂缝、裂隙、裂纹处开始劈裂，当灌浆压力达到6MPa（软岩3MPa，这是灌浆孔口平均压力，灌浆段位置及波动压力还要大）以上时，总会有相当多数的裂缝被劈开，被灌注；还有一部分裂缝则被压缩，无论被灌注还是被压缩都大大地减小了岩体的透水性。这种情况在许多高压灌浆后的大口径检查孔或压水试验检查孔的岩芯中都可以看到。

高压灌浆或劈裂灌浆明显地增强了灌浆效果，这正是我们所期待的，也正是我国帷幕灌浆工程质量和效果优于国外的缘故之一。

7.3　岩体劈裂不等于建筑物抬动变形，抬动变形不等于建筑物破坏

如前所述，高压灌浆岩体劈裂在所难免，如果这些劈裂发生在地基岩体深处，或者一些裂隙被劈裂扩张，另一些空隙被挤密压缩，总体上平衡，那就不会引起建筑物的抬动变形。但在其他一些情况下，建筑物发生或大或小抬动变形的几率还是很多的。

建筑物的抬动变形在所有灌浆施工中是很容易发生的，有时即使用很小的压力灌浆也可能引起抬动（通常在注入率较大时），所以对于一些敏感部位，即抬动可能造成建筑物破坏，带来经济损失或其他严重后果的部位，应当安设抬动观测装置，监测抬动变形，防止建筑物抬动或抬动值超过设计允许值。

这就是说，虽发生了抬动变形但不超过设计允许值，建筑物也不会发生破坏。那么抬动值在多大范围内是安全的呢？灌浆规范的条文说明是：“一般建筑物规定允许抬动值为不大于200μm，实际作业时应努力控制灌浆在无抬动条件下进行。”［16］在施工实践中，一次灌浆抬动值不大于0.2mm比较容易做到，但问题是有些地层段段灌浆几乎都会抬动，如此累计抬动量多大是可以接受的呢？灌浆专家李德富类比地基沉陷，认为达到几厘米都是安全的［17］，这看来有些偏颇，因为更重要的还要看不均匀程度，很难一概而论。

有些岩层在一次被劈裂断开以后，失去了结构强度，以后再次灌浆时会在更低的压力下反复劈裂张开，软弱岩体孔口封闭法灌浆常有这样的现象，这是不好的。所以规范条文说明中特别提出“实际作业时应努力控制灌浆在无抬动条件下进行”，就是这个道理。

岩体劈裂建筑物抬动，甚至导致结构断裂，应根据建筑物的使用要求进行修补，严重时需要拆除。但是一个重要的事实是，岩体中由劈裂扩张的裂缝实际上都同时得到了有效的灌注，从防渗角度而言它是没有问题的。

7.4　灌浆时的劈裂压力不同于压水试验临界压力

众所周知，岩体的透水性可以通过钻孔压水试验求得，压水试验技术已经非常成熟，试验操作有明确的规程，试验结果可以做到相当准确，结果基本具有唯一性、可重复性。利用压水试验测试岩体的水力劈裂临界压力，大致也和测试透水性一样。

灌浆时发生岩体劈裂的情况与压水试验水力劈裂有相似之处，也有很大不同。相似之处无需赘述。不同之点是压水试验仅对岩体进行纯粹的测试，而灌浆却是以浆液对岩体进行加固，是对裂隙进行修补，灌浆操作者可以将岩体劈裂后再修补它（劈开裂缝再灌注浆液），也可以不劈裂就进行修补（以浆液充填现存裂隙）。修补裂隙的过程是逐渐的，等待修补好了以后，灌浆压力再加大，即使超过了临界压力，岩体也不会劈裂了。是采取第一种方式还是第二种方式，处决权在操作者手里。第二种方式不一定都能成功，有的时候裂隙还没有完全修补好就劈开了，变成了第一种方式。无论采取哪种方式，裂隙或裂缝修复以后，灌浆压力都可以提高到接近岩体强度的极限，远远超过灌浆前压水试验的临界压力。灌浆引起的岩体劈裂受制于操作者的“艺术性”，不像压水试验的作业那样有规范可循，灌浆劈裂的压力也具有不确定性。

所以，临界压力不是灌浆时必然发生岩体劈裂或抬动的压力。采用临界压力除以一个大于1的安全系数来制定灌浆压力没有可行性。

7.5　灌浆压力是岩体抬动的间接原因，直接原因是灌浆功率

灌浆施工中发生了抬动破坏，人们常常埋怨灌浆压力太大，这似是而非。

本文6.3节已进行了阐述，岩体抬动是源于灌浆浆液在做功，浆液做功能力的大小是灌浆功率，灌浆功率等于灌浆压力与注入率的乘积。如果灌浆压力很大，但注入率很小，灌浆功率小，岩体也不会抬动。高压灌浆工程中，每一个孔段灌浆结束阶段灌浆压力都很大，这个时候并不发生抬动，皆因为此时注入率非常小。相反，灌浆压力不很大，但注入率很大，灌浆功率就不小，岩体就可能抬动。

因此，在灌浆过程控制中，调控灌浆压力要依据注入率的大小而行，要使灌浆功率保持在较低数值。

7.6　防止抬动变形主要应靠精心操作

前边也已提到，在一些敏感部位设立抬动监测装置是必要的。但是防止抬动变形切勿仅靠抬动监测装置，它有不少缺点：

（1）灌浆时发生岩体抬动的位置总是浆液沿着某一条裂隙渗流扩展的部位，这个范围并不一定是以灌浆孔为中心的圆，不一定正好发生在抬动监测装置安装的位置，而抬动装置又不可能安装很密、很多。

（2）抬动装置的安装虽不复杂，但也有一定技术要求，更需要认真细致。特别是安装完成后是否合格，是否“存活”，很难进行检查，除非后来确已观测到抬动值。但笔者所见大多数抬动装置从来就没有测到过抬动值，很难判断装置到底是“死”是“活”，还是真的没有抬动。令人啼笑皆非的是有些抬动装置没有反应的地方，实际地板已升高了几十厘米。

（3）当灌浆位置很深（一般大于20m或30m）以后，岩体劈裂引发的局部变位一般不会反映到地面来，但是有可能沿着某一裂隙或通道（岩溶地区常见）发展，至浆液渗流到远离灌浆点的结构物（如隧洞衬砌、挡墙）建基面，造成这些结构物的破坏。施工中常可见到但抬动装置却无能为力。

（4）抬动的发生多数情况是一个很短暂的过程，而抬动观测通常是间隔一定时段断续地进行，所以很难将抬动发现和消除在“萌芽”状态。现在有些重要工程安装了抬动自动监测装置，可以连续监测并声光报警，在一定程度上解决了上述问题。至于抬动装置的损坏，观测的不负责任等人为因素就不完全是技术问题了。

（5）抬动装置是一套很敏感的仪器，造价不菲且需妥善保护，灌浆场地一般设备密集、浆水漫溢，安装太多既难保护也不经济。

近些年来，由于设计上的不放心，许多灌浆工程安装抬动装置过多、过滥，形同虚设，效果上也没有起到防止或减少抬动的作用，却徒然增加了工程成本。其实，防止岩层或建筑物抬动，根本上要靠灌浆作业人员的责任心或技术水平，仪器检测应是辅助手段。

从某种意义上说，灌浆孔口的压力表就是一个灵敏的岩体劈裂指示仪，凡大一点的岩体劈裂从开始到完成或长或短都有一个过程，反映在压力表上就是在注入流量不变的条件下，即基本不调节灌浆管路回浆阀门，压力表指示值会缓慢降低，此时此刻，劈裂可能就要发生了。现在普遍应用了灌浆记录仪，可以监测实时流量，手段更丰富，如果发现灌浆压力不升高，注入流量还在增加，同样也是岩体劈裂的征兆。当这样的苗头出现时立即降低灌浆压力，大的劈裂完全可以避免，并不需要依靠抬动监测装置。反过来说，即使有了抬动装置，其观测值肯定要滞后于灌浆压力表和流量计出现的征兆，抬动装置有了反应，岩体劈裂或抬动变形就已经发生了，更何况还有抬动装置可能捕捉不到的情况。

7.7　岩体劈裂的部位和方向

在灌浆施工中，发生岩体劈裂的部位和方向人们很难控制，一般总是在最软弱部位和垂直于最小地应力的方向。

图10是某工程地基高压灌浆试验后ϕ1.0m大口径检查孔素描图，该灌浆区域岩性为花岗岩，断层F120穿过其间，断层倾角78°～80°，发育裂隙均为高倾角，灌浆目的为加固断层及其破碎带。图示范围为自灌浆盖板至4m深度范围，灌浆后其间发生了5条近乎水平的劈裂缝，缝宽1～20mm，都充满水泥结石，有的是多次充填，劈裂的密集度向下逐渐减少。灌浆后试验区岩体声波和变模大幅提高，但地面发生了较大的抬动。

值得注意的是，浆液对岩体劈裂渗透的主要部位和方向，不是试验者希望的断层层间和陡倾角裂隙，而是近水平方向，即垂直于最小地应力（这里主要是自重应力）的方向，这与灌浆孔的方向也无关，看来有些专家主张的要钻斜孔，以“穿过最多的裂隙面”并无实际意义。

7.8　隆巴迪公式质疑

20世纪末，瑞士学者隆巴迪提出了稳定浆液灌浆的理论和相关公式，公式简单明确很受学者们重视，成为新的经典。这些理论和公式在他假定的条件下可能是正确的，但离灌浆的实际情况太远，尤其与我国的灌浆实际情况相差更远。

隆氏计算抬动力的公式是［18］

按此公式，劈裂岩体的最大抬动力与最大注入量、最大灌浆压力成正比，与被灌注裂缝缝宽成反比。事实是当灌浆达到注入量最大（V max）、灌浆压力最大（P max），即灌浆结束阶段时，绝大多数情况都不会发生抬动了，发生抬动的时间几乎都是在灌浆压力尚未达到最大压力，注入量（不是注入率）也不是最大之时；与裂隙缝宽成反比也有问题，事实上，缝宽特别小时不易抬动，反而缝宽大了注入流量大了抬动容易发生；当缝宽t趋于0时，抬动力变成无限大，这也不可能，恰恰相反，抬动力也会趋于0。

如本文5.3所述，我们认为抬动力大致与灌浆压力P和注入率q的乘积成正比，与隆氏不同的是注入率（q）而不是注入量（V），后者是一个注入体积或质量的累积量，在绝大多数情况下，这个量不能全部参与引发抬动，原因是：①浆要流走；②水泥要沉积；③水要渗出。因此将从开始到末尾所有注入的浆液，用来作为抬动岩体的工具是不可能、不正确的。

隆氏实际上把灌浆裂缝当成了一个密闭容器，浆液不会流走，浆液多，抬动力大；裂缝的容积不变，即浆液注入量不变，于是裂缝窄，缝隙面积必然大，抬动力就大。他的稳定性浆液理论和其他公式都是基于这一假定条件推导出来的，这完全不符合灌浆的实际情况：

（1）灌浆是一个动态过程，隆氏模型则是静态的，从静止的角度分析考虑问题。

（2）被灌岩体是一个裂隙系统，是存在渗漏的，隆氏模型实际上是密闭的，如他还说注入到裂隙中的浆液里的水不能渗出去。密闭的系统其实不需要灌浆。

8　关于灌浆压力的其他误区

关于灌浆压力还有一些误区，前边没有说到。

8.1　灌浆压力越高，灌浆质量越好

常常看到这样的说法，灌浆压力是获得灌浆效果的保证，灌浆压力越高，灌浆质量越好。此话很不全面，似是而非。灌浆压力是灌浆效果的保证条件之一，还有一些条件也是很重要的，甚至是更重要的，如地质条件是否具有可灌性，岩体性能是否具备灌浆改善的基础，浆液材料及浆液的适用性等。“灌浆压力越高灌浆质量越好”的说法也过于绝对化。在一定范围内适当提高灌浆压力有助于提高灌浆质量，这里重要的是有一个“度”，超过了这个度不但无益，反而有害。如何把握提高压力的度，是有一定难度的，这正是灌浆的技术含量之所在。

这里再以乌江渡水电站为例，这是一个灌浆成功的范例，工程运行10年后，主持设计和施工的两位工程院院士谭靖夷、王三一进行了回访检查，并写下“回顾与再认识”［19］：岩溶地层采用高压水泥灌浆帷幕防渗是可靠的。但对灌浆压力和单位注浆量宜合理控制，如压力过高，单位注浆量过大，不但会造成浪费，还会使浆液扩散过远，该工程一些地段浆液扩散范围达50～100m，使排水不畅，抬高了坝肩下游地下水位。此外，灌浆压力要适应地质结构面的产状，防止岩体抬动。帷幕的排数和孔距应根据水头和水文地质条件有所区别，特别要根据灌浆过程中的单位注浆量及时调整。该工程因当时缺乏经验，偏重于稳妥，否则，灌浆工程量可减少20%～30%。

8.2　灌浆压力随深度增加

有些公式或规则都将灌浆段的深度作为决定灌浆压力的条件，甚至是唯一条件，灌浆压力随灌浆段的深度增加而增加，这也是不全面的。第一，岩层并不是均一的，有时上部岩石好，深部出现软弱岩层，这时候灌浆压力就不一定要随灌浆段深度加大；第二，现在灌浆孔的深度可能达到一二百米，但灌浆压力大到一定程度就需要止步了。第三，我国采用的孔口封闭灌浆法规定：“孔口管段以下3或4个灌浆段，段长宜短，灌浆压力递增宜快；再以下……按设计最大压力灌注。”［20］在这里孔口10～15m灌浆压力快速增加，以下达到最大压力保持不变。

8.3　灌浆压力必须大于水头，并留有安全系数

《混凝土重力坝设计规范》（DL 5108—1999）中有一条规定，灌浆压力“通常在帷幕孔顶段取（1.0～1.5）倍坝前静水头，在孔底段取（2～3）倍坝前静水头，但不得抬动岩体。”［21］这一规定的初衷是正确的，逻辑上也说得过去，既要提高压力，又不得抬动岩体。但理论上却有一个误区，即帷幕抵御水头到底靠什么？是靠灌浆压力，还是靠注入浆液结石的性能，很显然只能靠后者。灌浆压力可以提高浆液结石的性能，但并不是直线函数关系，而且灌浆压力和浆液结石性能的增长都有一个“度”。灌浆压力提高浆液结石性能的主要机理为压迫浆液泌水，减少结石的含水量，增加干密度。试验证明，在透水条件良好的条件下，当灌浆压力达到大于2MPa时，再提高压力对结石密实度增长的作用就不明显了。再则，灌浆孔口段灌浆压力的提高也是很有限的，对于一座200m级的高坝来说，孔口段灌浆压力一次要提高到2～3MPa且不发生抬动是勉为其难的，如果是300m高坝那就更困难了。长江三峡坝基帷幕灌浆曾经做过试验，费了很大的力气，将部分灌浆孔接触段（孔口段）灌浆压力提高到3.5MPa，效果甚微［22］。

8.4　灌浆结束阶段达到设计压力持续时间越长越好

《水工建筑物水泥灌浆施工技术规范》（DL 5184—2001）的2001版本曾经规定：“各灌浆段的结束条件为：在该灌浆段最大设计压力下，注入率不大于1L/min，继续灌注60～90min，可结束灌浆。”［23］在实际执行中，设计都喜欢规定90min，甚至120min。这里面的误区就是压力持续时间越长灌浆质量越好。

本条文的目的是，在灌浆段灌注基本饱和的情况下，对已经注入的浆液压迫泌水，提高浆液结石密实度。达到这一目的的必要条件一是灌浆压力，二是持续时间。试验证明，在泌水条件较好时，在0.3MPa压力下，持续时间25min，浆液结石干密度可以达到2.0g/cm3以上，28d抗压强度可达30MPa以上［24］。鉴此，该规范2012版将一般情况下灌浆的结束阶段持续时间改为30min，再长没有意义，却给施工增加了很大的难度。

9　结束语

（1）灌浆压力是灌浆工程中最重要、最复杂、影响因素最多，对灌浆质量和工程造价影响最大的设计和施工参数，灌浆压力的设计和运用都具有很大的模糊性，中外学者对于灌浆压力在理论上的争议从未停歇，至今没有定论。

（2）影响和决定灌浆压力的因素很多，主要的有建筑物的要求、地基地质条件、上部已有建筑物的情况、灌浆材料及浆液性质、采用的灌浆方法等，灌浆压力测量记录的方法、工程量计量与支付的方法等也影响到灌浆压力的运用方式。

（3）目前，如何确定灌浆压力尚无一定的法则，通常可通过经验公式计算、图表查考、工程实例类比、灌浆试验等方法综合分析确定。

（4）灌浆过程中压力的运用和调节非常重要，甚至比设计压力的制定更为重要。采取在灌浆过程中保持灌浆压力和注入率的乘积——灌浆功率近似于常数的控制方法，可以较好地指导操作人员科学地运用灌浆压力，防止灌浆不足和过量灌浆两种不良倾向。

（5）灌浆可能引起岩体劈裂，岩体裂隙弹性张开对灌浆有利，破坏性断裂和严重的岩体变位有害。高压灌浆的机理主要是劈裂灌浆，通过劈裂、扩宽、延伸浆液通道，增加浆液注入量和结石密实度，提升灌浆效果。岩体劈裂不等于建筑物抬动变形，抬动变形不等于建筑物破坏，高压灌浆施工中主要任务是控制有限度的岩体劈裂，防止有害劈裂和建筑物抬动。

（6）造成岩体抬动破坏的直接原因不是灌浆压力，而是灌浆功率。压水试验临界压力与最大灌浆压力不能等同。为防止灌浆施工时发生抬动破坏，在敏感部位设立抬动监测装置是必要的，但是防止抬动变形不能仅靠抬动监测装置，更重要的应依靠精心操作。

（7）隆巴迪提出的抬动力计算公式所依据的模型过于简化，不符合灌浆实际情况，因而公式不具有实用性。

（8）当前对灌浆压力的认识还存在其他一些误区，如认为灌浆压力越高，灌浆质量越好，从而不顾其他条件片面追求高压力；灌浆压力应随灌浆深度增加；灌浆压力必须大于水头，并留有安全系数；灌浆结束阶段达到设计压力持续时间越长越好等，应该厘清和注意。

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