灌浆压力与灌浆功率

【摘　要】　灌浆压力是水泥灌浆中最重要、最复杂、最活跃的影响因素，至今人们对灌浆压力的研究很多，众说纷纭。从物理上讲灌浆作业就是做功，灌浆做功的必要条件是灌浆压力和注入率，灌浆做功的功率等于灌浆压力和注入率的乘积。灌浆过程中发生岩体抬动，其决定因素是灌浆功率，而不是灌浆压力。通过控制灌浆功率大致保持一个常数，可以均衡地、安全地掌控灌浆过程，提高灌浆质量。

【关键词】　灌浆压力　灌浆功率　灌浆过程控制　均衡灌浆　岩体抬动原因

1　问题的提出

灌浆依靠灌浆压力而进行。人们常说灌浆压力是保证灌浆质量的最重要的因素。灌浆技术发明200多年来，大量的学者花费了无穷无尽的精力对灌浆压力进行研究，同时也研究注入率（浆液流量）、浆液的性质、浆液的可灌性、浆液的渗流半径、抬动力、水力劈裂、灌浆强度值（GIN）等其他灌浆参数，建立了多种多样的模型，演算推导了数不清的公式；工程师们绞尽脑汁探求临界灌浆压力、最大灌浆压力，初始灌浆压力、目标灌浆压力，发明了形形色色的抬动报警装置，提出了许多限制抬动的措施……然而，到底怎样确定灌浆压力，怎样正确使用灌浆压力，怎样防止抬动，至今没有准确的、唯一的答案。工程中滥用灌浆压力，过量灌浆、造成建筑物和地基抬动破坏，山体开裂的现象不胜枚举。

造成上述现象的原因可能很多，但是一个根本的原因是人们对灌浆机理的认识不深，对灌浆压力和灌浆注入率的作用认识不足，对一个新的，甚至是更重要的灌浆物理量——灌浆功率几乎没有认识。本文以一般的裂隙性岩体为对象，对此进行初浅的论述。

2　灌浆做功的两个必备条件

灌浆是把具有强度和黏结性能的水泥，通过浆液和灌浆泵输送到建筑物地基岩体裂隙中，凝结硬化，以提高岩体的完整性、变形模量和防渗性能。灌浆浆液要在压力下流动，灌浆压力也会传递到岩体中所有浆液到达的部位，迫使岩体变形，甚至抬动建筑物。这都是灌浆在做功。

灌浆做功需要两个必要条件，即灌浆压力和注入率。灌浆压力是势，好比水头、电压、电动势。灌浆压力驱动浆液流动，好比水头引导水流、电压产生电流一样。灌浆压力越高，势能越大，好比水头高、电压高一样。浆液是能量的载体，在灌浆压力的驱动下，产生了流动，就可以释放势能，就可以做功。浆液流量越大，携带的势能越多，做功越大。就好像水流推动水轮发电机一样。

灌浆要做功，灌浆压力和注入率二者缺一不可，任何一个物理量都不可能单独工作。灌浆压力再高，没有注入率，压力憋在泵里，起不到作用。如同高原上的湖泊，如果湖水不流下来，不可能发电。同理，浆液再多，没有压力驱动，流不起来，怎样做功？由此也可见，灌浆压力与注入率二者同等重要，只可惜我们以前对前者注意太多，对后者注意不够。

3　灌浆功率的物理意义

3.1　灌浆功率的引入和物理意义

前面已经提到，灌浆做功的两个基本因素是灌浆压力和注入率。那么灌浆压力和注入率结合起来就是灌浆做功的能力，即灌浆功率Gp

Gp＝P×q

式中：Gp——灌浆功率，MPa·L/min，或W；

P——灌浆压力，MPa；

q——灌浆流量，即注入率，L/min。

灌浆功率的单位是一个复合单位，MPa·L/min，试对其进行量纲整理：

1MPa·L/min＝1×106×N/m2×10－3×m3/60s＝16.7N·m/s＝16.7W（瓦特）

到此，灌浆功率的物理意义非常清楚。灌浆功率是在单位时间内施加到灌浆区域的能量，是灌浆泵对地层做功。

1个灌浆功率单位，即1MPa·L/min，也可以单独命名和使用，比照“马力”可将其命名为“灌力”（代号Gn），即

1灌力（Gn）＝16.7瓦特（W）

灌浆功率不是虚构的，是客观存在的物理量，是产生于灌浆压力和注入率，但又不同于它们，包含它们并与它们并存，有时可能是更重要的物理量，就好像装机容量之于水头、流量，功率之于电压、电流一样。

3.2　灌浆功率与GIN的区别

20世纪90年代，瑞士灌浆专家隆巴迪提出“用‘灌浆强度值’（GIN）方法设计和控制灌浆工程”［1］，GIN的物理意义是，某个灌浆段最终灌浆压力P和注入浆液体积V的乘积，单位（巴·L/m），隆巴迪认为，各灌浆段的GIN应当相等，等于一个预先设计好的定值，每个灌浆段进行灌浆时，当GIN达到这个定值时，灌浆即可结束。GIN法在国外一些工程使用，取得了较好的效果，在我国小浪底等多个工程中试用，也体现了施工简便节能高效等优越性，但终极效果与我国规范尚有差距。

灌浆功率与GIN的物理意义和作用都是不一样的。

隆氏的灌浆强度值是最终灌浆压力P（巴，即bar，一个大气压力；或采用MPa）和累计注入浆液体积V（L/m，也可采用kg/m）的乘积，与时间因素无关，从这个意义上说，它不是相对时间的“强度”，而是相对空间的“密度”，是灌浆过程结束时的累计限额。本文提出的灌浆功率是实时灌浆压力P（MPa）与实时注入率q（L/min）之乘积，是施加能量对时间的比值，是真正的“强度”概念，体现的是做功的强度，即功率。

GIN实际上是一个灌浆结束条件，它规定当灌浆过程达到设定灌浆强度值、最大灌浆压力、设定最大注入量三者之一时，灌浆即可结束。笔者认为，这可能留下三个隐患：①应灌注的裂隙未达到饱满；②灌浆压力未达最大；③灌注量和压力都未达到最优。这正是采用GIN法难以获得高质量防渗帷幕的原因。灌浆功率则是灌浆施工的过程参数，是灌浆泵有效出力的量度。灌浆功率不涉及灌浆结束条件，对于我国规范，仍然要求达到设计最大灌浆压力，注入率小于1L/min，并持续30min或更长时间，以确保每一灌浆段灌注饱满密实。

4　用灌浆功率控制灌浆施工过程

4.1　在灌浆过程中保持灌浆功率等于常数

在灌浆施工实践中，特别是在高压灌浆时，为了防止建筑物或岩体抬动，聪明的灌浆工人都会根据岩体吸浆率谨慎地调节灌浆压力，当注入率很大、在低压下即能顺利地注入浆液时，就保持较低的压力和中低速注入率（约10～50L/min）灌注，待注入率逐渐减小时再提高压力；当注入率较小、注浆困难时，就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。

我国灌浆规范［2］更有明确规定：“灌浆过程中应保持灌浆压力和注入率相适应。一般情况下宜采用中等以下注入率灌注，当灌浆压力大于4MPa时，注入率宜小于10L/min。同一部位不宜聚集多台灌浆泵同时灌浆。”该条文说明中列举了几个工程在不同灌浆压力下控制注入率的情况（表1）。

从表中可以看出，所谓保持灌浆压力与注入率相适应，实际上就是要使二者的乘积，即灌浆功率保持近似于一个常数。即

Gp＝P×q≈C

如果能使灌浆功率大致保持一个常数，这个灌浆过程就是正常的，即均衡的，安全的，就不易造成岩体或建筑物的抬动变形，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。

4.2　不同岩体的灌浆功率范围

对于不同地质条件的岩体，可用灌浆功率范围是不一样的。根据我国多座大坝帷幕灌浆的大致情况，硬、中、软三类岩石的灌浆功率Gp值分别约为50（MPa·L/min）、30（MPa·L/min）、10（MPa·L/min），见表2。当然这是一般情况，对于每一个具体的工程灌浆功率多大适宜，应在灌浆试验时求证。

4.3　灌浆功率控制应用举例

通过控制灌浆功率，可以指导、规范和制约灌浆操作人员调控灌浆过程的行为，从而避免不同操作者的主观性、随意性。以图1为例，说明在灌浆过程中控制灌浆功率的方法。

某工程岩体条件较好，灌浆功率值等于50（MPa·L/min）。灌浆操作应从初始压力P1开始，之后保持压力不变灌注，待流量渐小，再升高压力……控制在Gp曲线以内分阶段渐次上升，任何时候的Gp值不允许偏离到Gp曲线的右上方去，直至P max，以及流量等于小于1L/min，再保持一定时间，结束。

这是一种典型的情况，有的岩体灌浆注入率下降很快，或注入率一开始就很小，Gp值很快到达顶端的P max水平线段，这也是很正常的。另外，实际施工中还要变换水灰比，还有特殊情况处理，会更复杂一些，但基本原理和趋势不会变化。

如果在灌浆记录仪里加上灌浆功率控制程序，当灌浆功率超过设计Gp曲线一定值时，可以设置提醒或报警功能，灌浆结束后，可以打印出灌浆功率运行轨迹线，据此，质量管理人员对灌浆施工过程质量一目了然。如果是进行自动控制灌浆，则可以让系统沿着Gp曲线自动调节灌浆压力和注入率。

5　岩体抬动的直接因素是灌浆功率，而非灌浆压力

灌浆施工中发生岩体抬动的原因是什么？人们往往直觉地归咎于灌浆压力，这并不准确。表3为笔者20世纪80年代在龙羊峡水电站灌浆试验施工时一段灌浆过程抬动观测记录数据，以后又经历和考察过许多灌浆工程，规律都是这样。

从表3中可见，灌浆功率与岩体抬动呈现明显的正相关关系，而灌浆压力并不直接相关，抬动都是在灌浆压力较低，但注入率较大时，或者说是在灌浆功率值较大时发生的。在高灌浆压力时没有发生抬动，因为这时的注入率很小，灌浆功率小。我国天荒坪抽水蓄能电站高压引水管道围岩为Ⅱ～Ⅰ类坚硬火山碎屑岩，围岩灌浆使用了9MPa高压力，其条件就是注入率小于等于2.5L/min，此时灌浆功率值等于或小于22.5（MPa·L/min），相当于375W，因此不会有抬动或劈裂岩体的危险。

灌浆工程师刘松富认为［3］，在不少工程中，设计单位规定了很高的灌浆压力，施工中也未发生抬动，于是许多人就误以为这样的压力是适宜的，灌浆质量一定有保证。但是进一步分析灌浆资料时发现，多数孔段的最大灌浆压力是在岩体裂隙基本堵塞，吸浆率大大减小后提升上去的，这时的高压力主要是对已经注入浆液起到压滤作用。他说，如将注入率3～5L/min时的灌浆压力定义为“实效压力”，并选取某工程Ⅲ序孔灌浆资料进行统计，其结果见表4。

由表4中可见，该工程各段的终灌压力都达到了设计压力，但当设计压力大于3MPa以后，实效压力就只能维持在约2.7MPa了，在以后的高压力下注入量很少，过高的压力除了给施工带来更多困难，延长灌浆时间，实际意义并不大。表4资料与表3中灌浆压力3～6MPa的阶段，注入率仅为3～1L/min也是一致的。也就是说，为了避免抬动，在高压力下灌浆必须保持低注入率，即保持低功率状态。

6　开展对灌浆功率的深入研究

灌浆压力人所共知，其说不一；灌浆压力与注入率的关系早已实际存在，但灌浆工程界对它认识不清晰，似有还无。本文在此明确提出灌浆功率的概念，并且指出它是一个独立的物理量。本文对灌浆功率及其所涉及的相关问题的探讨还不深入，希望学者们、灌浆工程师们从理论上、实践上更深入地研究它们，揭示它们，发现它与其他灌浆要素的关系，推动灌浆技术的发展。笔者认为，需要深入研究的至少有以下问题。

（1）灌浆功率与地质条件的关系。不同的岩性、不同的裂隙形态、不同类别的岩体可承受的灌浆功率是不同的，强岩溶发育的地层灌浆，可能有特殊的规律。

（2）灌浆功率与浆液性质的关系。本文没有涉及浆液的水灰比问题，不同水灰比的浆液，浆液的流变参数，怎样影响灌浆功率？

（3）灌浆功率与岩体抬动在数量上的关系，不同岩体情况是否存在一个“临界灌浆功率”，如何求算？

（4）灌浆功率是一个理论问题，更是一个实践问题。今后进行现场灌浆试验时，宜有目的的安排灌浆功率的监测、记录和研究，灌浆记录仪的检测项目和程序应当增加灌浆功率，输出的灌浆记录表和图像应当包括灌浆功率控制过程线。

7　结束语

（1）进行灌浆的必要条件是灌浆压力和注入率，二者缺一不可。以往人们常常过分重视了灌浆压力的作用，而对注入率重视不够，对二者的结合研究得更少。

（2）从物理上讲灌浆作业就是做功，灌浆功率是灌浆做功的功率，它等于灌浆压力和注入率的乘积。灌浆功率是独立的物理量，通过控制灌浆功率大致保持一个常数，可以均衡地、安全地掌控灌浆过程，提高灌浆质量。

（3）灌浆过程中发生岩体抬动，其决定因素是灌浆功率，而不是灌浆压力。

（4）灌浆功率是一个新概念，今后应开展对它的深入研究。

参考文献

［1］　隆巴迪G，迪尔D.用“灌浆强度值”方法设计和控制灌浆工程［J］.柳载舟，向世武，译.国际水力发电，1993，45（6）.

［2］　国家能源局.DL5148—2012水工建筑物水泥灌浆施工技术规范［S］.北京：中国电力出版社，2012：99.

［3］　刘松富.浅谈灌浆施工中的若干误区［C］//中国水利学会地基与基础专业委员会.水利水电地基基础工程技术创新与发展.北京：中国水利水电出版社，2011：8.