帷幕灌浆技术在水库除险加固工程中的应用研究

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  摘要:帷幕灌浆技术是处理地基与防渗的一种重要技术,在许多工程中都采用了此技术。以场口镇神堂湾水库除险加固工程为背景,详细地介绍了帷幕灌浆技术的特点及应用过程。工程实践验证,该技术有效地解决了工程现有的几大问题,极大地提高了工作效率,是一种很好的、值得推广的施工方法。
  关键词:帷幕灌浆技术;除险加固;场口镇神堂湾水库;施工应用
  中图分类号:TV 文献标识码:A 文章编号:1672-3198(2011)19-0261-02
  1 工程概况
  神堂湾水库位于富阳市场口镇百丈村东南约800米,水库建于1960年,正常库容为12万方,总库容为16.46万方,属小水库,于1997年进行过一次除险加固;灌溉农田400亩,防洪面积为500亩;主体工程主要由大坝、溢洪道、放水设施和进库道路等部分组成。此次加固工程于2011年1月份正式动工,3月18日坝基粘土斜墙基础帷幕灌浆施工完毕,进行压水试验,共80个孔,现场取10%检查孔(8个孔)进行压水试验,全部合格。
  2 工程地质条件及加固方案分析
  2.1 工程地质条件
  场地位于场口镇百丈村,在地貌上属于低山区,区内多数山峰海拔在102-194米,库区汇水面分水岭最高峰海拔194米。库区地形为山间小盆地,四周山体坡度一般在11-17°左右,坝址位于两山对峙不对称“U”型谷处,场地面标高(坝顶至坝脚)为20.48-28.70米。覆盖层以洪冲、坡积的碎石类土为主,坝区基岩为奥陶系下统宁国组与印渚埠组合并(O1)泥质粉砂岩属软质岩。
  2.2 加固方案分析
  (1)库区的适宜性分析。库区三面环山,植被发育,地貌条件上是一个良好的小型水库拟建场地;通过本次调查并结合区域资料,库区内27.5米浸没线以下无溶洞、土洞等导水构造,但风化层较厚,强风化和中风化岩性较破碎,裂隙发育,属中等透水性。库区左岸山体覆盖土层现状边坡稳定,无大型滑坡、泥石流等不良地质作用存在。
  (2)坝址稳定性分析。经区域地质调查,区内无大型构造断裂带通过,附近无近代地震和断裂活动。按区域构造稳定性评价标准,工程区域构造稳定性属相对稳定区。拟建坝址区谷宽130米左右,谷底第四纪堆积层厚3-6米,坝间山体自然坡度15-16°,山坡岩体局部风化残积层较厚,中等风化基岩裂隙发育,渗透性偏高,但强度能满足于坝体承载要求。
  (3)溢洪道边坡稳定性评价。拟建溢洪道位于右岸,右岸地形山坡坡度为14-16°,为厚度1.8-5米的全风化带、厚度4-5.8米的强风化带,边坡易产生崩塌及局部边坡失稳,影响溢洪道安全泄洪。溢洪道入口底板下为全——强风化带厚约8米,易冲刷、渗漏,因此溢洪道口应采用加固、防渗处理。
  (4)库区边坡稳定性评价。库区边岸大多为残坡积碎石土,全——强风化泥质粉砂岩,库区边岸坡度一般为11-17°,经调查无大中型滑坡体存在,库区边坡稳定。
  2.3 大坝防渗设计
  神堂湾水库为均质土坝,由于受当时施工技术与资金的影响,工程施工质量与现在存在一定差距,从本工程《工程地质勘察报告》显示,原大坝齿槽未放置在相对不透水基岩上,坝基为渗透较性高的2-1层含砾粉质粘土,强——中等风化基岩部位未经防渗处理。根据上述结论,本次设计对迎水面进行防渗加固,防渗形式为粘土斜墙,由于相对不透水层埋藏较深,斜墙齿槽采用开挖至中等——弱风化后采用帷幕注浆防渗处理。
  3 帷幕灌浆技术施工工艺
  3.1 施工工艺
  本工程中的帷幕灌浆技术采用三序施工工艺,排序上遵循先外后内原则,双排孔组成的帷幕先灌下游排孔,后灌上游排孔。具体的施工顺序为:测量→布孔→设备安装→抬动观测孔→先导孔→I序灌浆孔→Ⅱ序灌浆孔→Ⅲ序灌浆孔→质量检查孔,相邻的两个次序间钻孔灌浆的间隔差要大于15米。
  3.2 施工测量
  (1)钻孔灌浆工作应在其帷幕垫层混凝土达到28天设计强度的70%后方可进行。
  (2)在完成灌浆部位的30米范围内不得进行爆破作业;如必须进行爆破作业,则需要采取减震、防震措施。
  (3)灌浆过程中应安设抬动监测装置,并经常观测和记录,严禁抬动值超过设计规定。
  3.3 布孔及钻孔
  (1)钻孔的孔位、孔径及深度需按照施工图纸及监理工程师要求执行;开孔前需实际测量孔口高程,钻孔一律采用合金钻头与金刚石钻头钻进,禁止采用钢粒钻进,孔壁保持完整以利于止水止浆。钻孔孔径55毫米,其中第一序孔的1/3孔数,采用90毫米开孔、75毫米终孔。
  (2)灌浆孔的开孔孔位与设计位置的偏差应不大于10厘米;钻机安装应平整稳固,钻时要保证天车、立轴和孔位三点一线;钻杆用准42毫米或者准50毫米内丝钻杆,岩芯管长度不低于3.5米。
  (3)钻孔时需保证孔向准确;孔深超过20米改孔径时,要带导向器;施工时所有帷幕灌浆孔采用JJX-3A型物探测斜仪进行终孔测斜,出现问题及时纠偏。
  3.4 钻孔冲洗及压水实验
  (1)采用压力水进行孔壁冲洗直至回水清净时止,钻孔冲洗压力采用80%的灌浆压力,压力最大为1MPa,冲洗孔最短时间不少于30分钟,孔内沉积厚度不得超过20厘米。
  (2)先导孔钻至地下水水位时,需进行水位测定,按每5分钟测读一次孔内水位,当水位下降速度连续两次小于2厘米/分钟时止,以最后的观测值作为稳定地下水水位值。
  (3)各灌浆段灌浆前都需进行单点法压水试验,压水稳定标准为:连续4次读数中最大值与最小值之差小于1升/分钟时即可结束试验,取最后的流量作为计算流量,注水试验成果以渗透系数K值表示。
  3.5 灌浆过程
  (1)灌浆方法。帷幕灌浆覆盖层段采用孔口封闭循环钻灌法;基岩段采用孔口封闭孔内循环自上而下分段灌浆法;射浆管距离孔底不得大于50厘米。
  (2)灌浆压力。覆盖层段灌浆压力P0.8D岩石基础灌浆压力P1.5+0.5D。最终灌浆压力的大小等灌浆参数应通过现场灌浆试验确定。
  (3)灌浆浆液。本工程采用纯水泥浆液灌注,坝体采用水泥∶黏土为1∶2.5的水泥黏土浆灌注,岩土接合部采用水泥∶黏土为1∶1的水泥黏土浆灌注。水泥采用强度等级42.5R的普通硅酸盐水泥,其细度要求通过80μm方孔筛,其筛余量不大于5%。灌浆用黏土采用库区白云岩风化料,使用前采取土样进行分析试验后确定使用;混凝土与基础的连接段应单独先行水泥灌浆。浆液应由稀到浓逐级变换。
  (4)灌浆段段长。灌浆段段长不大于5米,若遇有断层、软弱夹层等情况,段长不宜超过3米,终孔段最大段长不超过11米。
  (5)浆液变换原则。灌浆浆液的浓度遵循由稀到浓的原则逐级变换,开灌水灰比采用5∶1。当灌浆压力保持不变、注入率持续减少时,不得改变浆液浓度。当注入率大于30升/分钟时,可根据具体情况越级变浓。
  (6)封孔。每个帷幕灌浆孔全孔灌浆结束后,会同监理工程师及时进行验收,验收合格的灌浆孔才能进行封孔;帷幕灌浆孔封孔采用“分段压力灌浆封孔法”进行封孔;封孔浆液基岩采用0.6∶1的纯水泥浆,坝体采用容重1.4g/cm3的水泥黏土混合浆,封孔压力和该段的灌浆压力相同,封孔饱满、密实。
  4 灌浆中特殊情况处理
  4.1 出现串浆现象
  由于坝上松散,使灌浆孔与邻近孔之间直接或间接相通,常会造成浆液通路,引发串浆现象,会导致灌浆路堵塞、压力表失灵,判断不准确;灌浆无法继续迸行,影响工期、浪费灌浆材料、甚至影响其它浆孔的钻进及灌浆质量。在这种情况下,需要暂时将发生串浆的孔塞住,待浆灌完再将串孔的浆液清理出来进行补灌;具体需要根据个体情况分别采取封堵、降压、浓浆、限流等措施进行处理。
  4.2 出现出水、浆液变浓现象
  对孔口涌水量较大的灌浆孔段,在灌浆前测记涌水压力和涌水量,根据涌水情况,选用了下列措施处理:减短灌浆段长、采用纯压式灌浆、浓浆灌注、屏浆、闭浆、扫孔、复灌等;而当涌水的压力超过0.2Mpa时,屏浆时间不小于1小时,灌浆结束应有闭浆措施,且待凝时间不小于48小时,根据实际情况可在浆液中掺加速凝剂。
  注入的浆液因失水而变浓,如果是在有细微裂隙发育的岩层中灌入浆液,必须将已经变浓的浆液剔除掉,换成新的灌浆;同时需要适当提高灌浆的压力、扩张裂隙,以便增大注入量。
  4.3 出现灌浆中断、冒浆现象
  由于塌孔、设备故障、停电等原因,灌浆过程中发生灌浆中断是不可避免的,故必须采取措施快速恢复灌浆;当中断时间超过30分钟时,则提管用压力水进行冲孔,重新开灌;否则,会由于浆液凝固而造成墙体纵向或横向裂缝,对墙体的防渗效果将产生甚至是不可弥补的影响,这一方面主要是要选择合理的搭接长度。
  施工中若出现冒浆;如果是轻微的冒浆,可让其自行凝固封闭;如果出现严重的冒浆,则采取变浓浆液、降低灌浆压力、间歇中断待凝等措施,根据实际情况,必要时用棉纱、木楔等嵌填堵漏的缝隙。
  4.4 出现淤积的现象
  对于出现淤的积现象,为防止灌浆时回浆中携带的坚硬物体破坏仪器仪表、灌浆管路、阀门等器材,并重新回到钻孔内部,在开灌前,利用浆液在无压状态下进行一定时间的置换,以便于浆液携带孔内岩屑,此时回浆口须置于搅拌桶外,所形成的原材料和资源浪费按合同规定的变更条款处理。
  4.5 吃浆量较大的现象
  灌浆过程中遇吃浆量大难以结束。一般的灌浆在1-3天内可结束,注浆量100-300千克/立方米,若出现大量吃浆不止、长时间灌而不结束的现象;主要是由于地层的特殊结构条件导致浆液从附近地表冒出,此时选用下列措施处理:低压、浓浆、限流、间歇、待凝、扫孔、复灌等;涌水和灌浆吃浆量都大,且不起压的孔段,采用纯压法进行灌浆,一次灌注水泥量不超过2吨;若通过以上几种方法处理后,吃浆量仍然较大,可在浆液中增加细骨料处理,待凝一段时间后再将孔扫开,进行复灌一次。
  4.6 出现灌浆孔斜问题
  由于地质条件不良、技术条件不适宜、或者操作方法不当等原因,会引起灌浆出现孔斜;这种现象会加剧孔内的掉块和坍塌,有时甚至会造成卡钻的现象,同时会增大钻具折断事故发生的机率,甚至出现报废孔的现象。在处理这种问题时,需要钻机安装要水平牢固,按要求的孔向对准孔位开孔;孔口管必须牢固并满足要求,在开孔钻进与浅孔阶段钻进中,立轴钻杆不能太长;使用符合规格的各种钻孔器具;孔较深以后,特别要注意钻压的调整,同时要注意提升吊环必须与立轴及钻孔中心线在一条直线上;为防止孔斜发生,必须熟悉所使用机械性能和钻孔方法的特点。在深孔帷幕的钻孔中,应对孔斜及时测量,及时准确地掌握钻孔的偏斜情况,以利于及时处理。
  5 施工质量控制方法
  5.1 原材料的质量控制
  检查进场原材料的质量,做好原材料的检验和试验,确保不合格的原材料不被使用到工程中;对进场的同厂家、同品质、同编号、同生产日期的水泥以100吨为一检验批,送有资质试验室进行强度、安定性、细度、凝结时间等项目的试验,符合标准后方可使用;拌和用水采用适用于人、畜饮用的水,对水质有怀疑时应进行化验,合格后方可使用。
  5.2 施工工艺的控制
  由技术负责人明确设计目的、施工要求,同时掌握地层情况,确定可行性的施工工艺;参加施工人员在动工前需要针对本工程的特点进行质量培训,主要内容是学习设计文件、明确各工序、各环节的质量责任制。
  5.3 明确工序质量责任制
  由项目部明确各工序的质量标准及责任,由主管生产的项目副经理确定各工序的质量责任人,各工序的原始记录要整洁、准确,并有责任人签字。同时,项目经理部于开工前,制定出完善的质量奖惩方法,对忽视质量造成损失的责任人,运用经济、行政手段予以惩罚。
  5.4 安全施工的管理制定
  为确保工程安全施工,施工项目部需建立健全的工程安全管理制度,同时成立安全管理小组,专门负责工程安全管理,严格按照国家规范采取了切实可行的安全防护措施。
  
  此外,项目还从技术角度考虑,结合工程实际情况,与设计人员进行技术交底,分别于开工前、施工期间、收尾阶段多次请相关的设计人员到现场进行技术交底,并向设计人员代表进行技术工作的汇报;加强安全监督,及时解决工程中出现的安全问题,有效保证工程的顺利进行。
  5.5 灌浆质量检查控制
  灌浆质量检查以分析检查孔压水试验成果为主,结合钻孔、取芯资料、灌浆记录、测试成果等综合评定其质量;灌浆检查孔压水试验应在该部位灌浆结束14d后进行,采用自上而下分段钻孔分段卡塞进行;检查孔压水试验分段长度与灌浆长度相同,根据水头不同、位置不同、灌浆压力不同采用不同的压力和方法,根据地质情况设计拟定。
  5.6 完善验收制度
  灌浆施工检查严格实行三检制,即班组自检、施工队复检、项目部质检站会监理人终检,并在施工现场设专职质检员跟班检查;每一道工序合格后方可进行下一工序的施工,由施工质检员会同监理工程师进行检查、验收;验收时若发现不符合要求,则由质量责任人无条件返工补救;上一道工序检验不合格应即时处理,处理后仍按检验程序经终检合格,监理工程师验收签证后进行下道工序施工。
  5.7 实行质量一票否决制
  质量监督员、设计代表、监理工程师均有对不符合质量要求的施工工序行使勒令停工、返工、罚款的权力,严把工序管理质量关,工程施工中未发生质量问题。
  5.8 施工设备的管理
  施工中对所有用于钻孔、冲洗、压水试验和灌浆的机械设备及仪表进行定期复检和随机抽检,同时实行全面质量管理。
  6 工程检测结果与建议
  6.1 工程检测结果
  (1)单元工程质量评定分析,根据各部位单元工程质量评定情况可以看出,单元合格率达100%,优良率达到了97%-100%,这说明帷幕灌浆质量很好。
  (2)单位耗灰量分析。大坝基础帷幕灌浆各部位分排序单位耗灰量,随着灌浆排、序的增加,单位耗灰量有较明显的递减趋势,这是灌浆效果的体现,符合正常的灌浆规律。
  (3)检查孔透水率分析。帷幕查检孔按基本灌浆孔数的10%布置,进行钻孔取芯和压水试验。帷幕检查孔全部达到了透水率不大于6Lu的防渗指标,且有98.5%的孔段小于3Lu,满足设计及规范要求。
  6.2 结论与建议
  (1)帷幕灌浆是地基处理常用的防渗方法,本除险加固工程通过周密的设计和施工,防渗加固效果显著,大坝坝体形成了连续完整的防渗帷幕体,坝体结构得到加强,安全隐患被消除,水库安全运行有了保障。
  (2)建议按除险加固设计设置大坝位移观测和浸润线观的同时,增设自计水位及雨量观测器,以便准确了解水库雨情、水情、工情,系统了解在各种因素作用下的渗流及变化,为施工控制及安全运用提供依据。
  参考文献
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