劈裂灌浆施工技术在两河口水库大坝防渗处理施工中的应用

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  【摘要】本文分析了劈裂灌浆的原理,通过劈裂灌浆技术在两河口水库大坝防渗处理施工中的应用,对该项技术的应用进行了系统的阐述,介绍了劈裂灌浆过程中遇到的问题和处理措施,分析了灌浆处理效果,达到了预期目的,对劈裂灌浆技术的推广具有积极的意义。
  【关键词】劈裂灌浆 施工原理 应力分布 大坝防渗
  中图分类号:TU74 文献标识码:A 文章编号:
  1. 概述
  两河口水库位于河南省信阳市淮河流域灌河支流关门河上,是一座以防洪、灌溉为主,结合水产养殖等综合利用的小型水库,建成于1971年12月,为粘土斜墙沙壳坝,最大库容141.15万立方米。由于当时施工条件和及水库本身作用的限制,施工要求较低,施工质量较差,导致大坝渗漏严重。经过多次的分析论证极施工方案的对比选择,一致认为,采用劈裂灌浆方法处理,安全可靠,经济合理。本文分析了劈裂灌浆的原理,通过劈裂灌浆技术在两河口水库大坝防渗处理施工中的应用,对该项技术的应用进行了系统的阐述,介绍了劈裂灌浆过程中遇到的问题和处理措施,分析了灌浆处理效果,达到了预期目的,对劈裂灌浆技术的推广具有积极的意义。
  水库除险加固部位为从坝顶2.3m至基岩,进行劈裂灌浆达到防渗加固的目的。坝体防渗处理范围为桩号0+006~0+144m,全长138m。
  兩河口水库从坝顶向下共分为五层:
  坝体上部0m~2.3m,为风化砂(代替料),黄色,物质组成以风化砂颗粒为主,含少量低液限粘土,碾压松散~稍密,渗透系数K=7.05×10-4~3.29×10-3cm/s,属于中等透水~强透水性。
  坝体内部2.3m~4.5m,为坝体填筑土(斜墙),黄色,褐黄色,颗粒匀细,粘塑性较强,颗粒组成以粘粒为主,填筑碾压质量较好,渗透系数K=1.40×10-6cm/s,属于不透水性。
  坝体内部4.5m~13.5m,不均匀分布风化砂(代替料)和坝体填筑土(低液限粘土)。
  坝体内部13.5m~25.9m,为坝体填筑土(低液限粘土),灰褐色,颗粒匀细,粘塑性较强,主要由田间取土填筑而成,含少量风化砂颗粒及碳末腐植质,渗透系数K=1.73×10-4~3.26×10-5cm/s,属于中-弱透水性。
  坝体内部25.9m~27.0m,为粗砂(含泥质),灰色,饱水,成分以粗砂为主,泥质含量大似为古河道,筑坝时未能进行彻底清基处理,是坝基渗漏的主要原因。
  基岩为花岗片麻岩(强风化),青灰色,成分以石英为主,黑云母次之,角闪岩微量,粗大,黑色矿物有明显的变异,层次结构,块状构造,强度均匀,层面节理发育,结构密实,渗透系数K=2.0×10-4cm/s。
  2. 施工原理
  土坝是具有梯形断面的长条形建筑物,根据现场观测资料和有限元分析结果显示,在坝轴线附近,土体的竖向应力σz略小于土柱自重压应力,土坝横剖面的水平应力σx约为竖向应力的0.3~0.5,土坝纵剖面的水平应力σy介于二者之间,一般情况下土坝的应力分布符合σz>σy>σx规律。对于一些填筑质量差的松散土坝或者已经老化的土坝,由于不均匀沉陷导致坝内出现弱应力区,小主应力过小或为负值,从而在土体内产生受拉区,局部严重的还会有裂缝产生,危害坝体稳定。劈裂灌浆技术充分利用坝体应力分布特点,沿坝轴线小主应力面布孔,以压力泥浆为能量载体,有控制的将坝体劈开,并灌注适宜的泥浆,在坝体内形成垂直连续的防渗帷幕,由于压力泥浆具有劈裂、充填、挤压、渗透等作用,凡是与浆体帷幕相连通的裂隙、孔隙、洞穴以及水平砂层等隐患都能得到有效挤压密实和填充,恢复坝体防渗能力,最终在坝体内形成以主浆脉为主体的联合防渗体系,解决坝体的渗流稳定问题;同时,伴随灌浆过程中灌-停-灌的反复灌浆工艺而产生的浆-坝互压和泥浆的析水固结作用,有效调整坝体局部土区的小主应力不足,降低局部土区应力水平,解决坝体的变形稳定问题。
  3. 劈裂灌浆施工
  该水库坝体劈裂灌浆工程共完成5个单元,85孔,钻孔1587m,灌浆1382m,每延米平均灌土量0.9 m3。
  劈裂灌浆双排布孔,两排孔位交错梅花形布置,轴线距坝顶中心线上下游各0.75m,排距1.5m,钻孔终孔间距为3.0m。灌浆顺序为上游排灌浆3次后,根据灌浆压力及灌浆量继续灌下游排。灌浆孔分两序施灌,灌完Ⅰ序孔后再钻灌Ⅱ序孔。
  3.1 钻孔
  劈裂灌浆钻孔孔径Φ76mm,为铅直孔,钻孔偏斜率不大于2%。孔位偏差不大于10cm。灌浆底部高程距离输水洞顶部2.0m,其余部位为坝体与基岩接触面。
  劈裂灌浆钻孔采用XY-1型钻机湿法钻进,即采用泥浆护壁成孔,孔径≥76mm,泥浆比重1.2 g/cm3。
  验孔合格后,下设直径为38mm的注浆管,距孔底0.5~1.0m,注浆管外用细土封填并压实。
  3.2 浆液制备
  劈裂灌浆对浆液的要求是:可灌性好,稳定性高,析水固结快,形成的浆体防渗性能强,并且考虑充分利用当地材料和造价低等因素。根据对当地粘土泥浆的物理力学性能试验,选用重粉质壤土或重壤土,即粘粒含量大于20%,砂粒含量小于30%,其余为粉粒,泥浆的容量采用1.2~1.6g/cm3。
  制浆前土料先在泥浆池内浸泡数小时,搅拌成浆,通过过滤筛清除大颗粒和杂物,灌浆前再通过36孔/cm2的过滤筛。粘土料性能满足表3-1的要求,浆液性能满足表3-2的要求。
  表3-1灌浆粘土料性能要求表
  
  
  表3-2灌浆浆液性能要求表
  
  
  3.3 灌浆压力
  灌浆控制压力按下述公式初步计算,并结合实际情况确定。
  
  式中: P ---劈裂灌浆控制压力,kPa;
  ---坝体土的重力密度,kN/m3;
   H---劈裂点以上的坝高,m;
  σt---坝体土的抗拉强度,由试验确定, kPa;
  γ’---灌注浆液的重力密度,kN/m3;
  h---注浆管高度,m。
  本工程灌浆压力控制在0.2MPa,最大压力不超过0.3MPa。
  3.4 灌浆
  本工程劈裂灌浆采用“少灌多复”的方法,每个灌浆孔都进行多次灌浆。采用孔底注浆全孔灌注法。先灌Ⅰ序孔,再灌Ⅱ序孔,各孔灌浆次数和总灌浆量根据灌浆孔深度和坝体隐患程度,通过生产性灌浆试验确定。
  本次灌浆坝面裂缝宽度为1~3cm(规范允许3cm),灌浆停止后裂缝均闭合。每孔每次平均灌浆量以孔深计,每延米控制在0.5~1.0m3,单孔灌浆次数在5~7次。前3次灌土量占总量的78%,前5次灌土量占总灌土量的91%。
  浆液为粘土浆,先以容重1.2~1.4g/cm3的稀浆开灌,3~5分钟后再加大泥浆稠度,改为容重1.4~1.6g/cm3的稠浆,同时注意控制灌浆压力。
  灌浆孔满足下述条件之一,结束灌浆:①经过分段多次灌浆,浆液已灌注至孔口,且连续复灌3 次不再吸浆,结束灌浆;②该灌浆孔的灌注浆量或灌浆压力已达到设计要求。
  灌浆孔灌浆结束后,及时进行封孔。方法为将注浆管拔出,向孔内注满密度大于1.5 g/cm3的稠浆。如果孔内浆液面下降,则继续灌注稠浆,直至浆液面升至孔口不再下降为止。
  灌浆时随时观测和记录灌浆压力的变化过程,通过灌浆压力的变化来判断坝体质量、灌浆效果和防止灌浆压力过大对土坝造成新的破坏。灌浆压力的观测以压力表指针摆动的中间值为准。两次灌浆间隔时间不少于5天。
  4.特殊情况处理
  4.1 裂缝
  劈裂缝(纵缝)发生在灌浆后期的灌浆轴线附近,即壩体内部裂缝中的浆液面上升到接近坝顶时产生。在灌浆初期,有时一次灌浆量过大也会产生纵向裂缝。为了保证灌浆质量,每次灌浆使裂缝宽度控制在3cm以内,并加强观测,当裂缝发展到控制宽度时,立即停止灌浆,待裂缝基本闭合后再恢复灌浆。
  本次灌浆期间共出现3道劈裂缝,发生在Ⅰ序孔灌浆的第2~3次,缝宽1~3cm,缝长5~12m,劈裂缝具有连续性,沿坝轴线分布。
  本工程在右坝端与山体接触部位过程中出现了横向裂缝,立即停止灌浆并开挖缝隙,回填粘土并碾压密实,5天后继续灌注泥浆,将两侧的7个Ⅰ序孔均增加2次灌浆,其间严格控制灌浆压力和灌浆量,得到了很好的灌浆效果。
  4.2 冒浆
  (1)坝坡冒浆:多由横向裂缝或洞穴与灌浆缝连通,在灌浆压力作用下,泥浆穿透坝体而冒浆。该坝坝坡漏浆,上游坝坡出现1次,分布在坝顶下2m~10m处;下游坡出现1次,分布在坝顶下10m~15m处,均在灌浆第4次时出现,说明坝体下部已灌饱满,浆液已作用到坝体上部。所有冒浆部位均已夯实,在下次灌浆时未发生冒浆。
  (2)坝顶冒浆:若是前期冒浆,主要是因一次注浆量过大,一时容纳不下所致,处理方法是打开灌浆泵的回浆阀门,减少注浆量;若是后期冒浆,说明坝内已经灌饱,灌浆接近结束,发现反复冒浆即停灌,改灌其它孔。本次灌浆多次出现坝顶冒浆,冒浆部位多为已劈裂缝隙出浆,属正常现象,说明灌浆质量较好。
  (3)孔口冒浆:主要由于注浆管与钻孔壁之间的间隙过大而引起。处理的方法是:在孔口挖坑,回填细砂捣实,然后用稀浆冲孔开路,等进浆顺畅后再换浓浆。孔口冒浆也属正常现象,重新封孔后,再次进行施灌。
  5.灌浆质量检查
  (1)土坝灌浆是一个特殊的生产过程,保证灌浆施工质量最好的方法就是做好生产全过程的质量控制和质量检查。灌浆过程资料和监测成果是评价土坝灌浆工程质量的主要依据。
  (2)坝体内部隐患是否消除的直观表现是坝面裂缝是否闭合、渗流量是否减少到不致危害坝体安全的范围内。
  (3)土工试验
  根据对当地粘土的物理力学性能试验,本次施工选用重粉质壤土或重壤土,料场为商城县的关门河料场。试验所取土样送至信阳市小型水库除险加固工程试验中心进行质量检测。检测结果如表4-1,符合设计要求。
  
  
  表5-1土样质量检测表
  
  
  (4)泥墙厚度在坝体内上下分布往往是不均匀的,一般是在坝体质量差的土层浆脉条数就多些,泥墙也较厚;在坝体质量好的土层浆脉条数就少些(一般1~2条),泥墙也较薄。实际上这也正是劈裂灌浆的优点,它能够随坝体质量的好坏自行调整,所以判断劈裂灌浆效果的好坏,不能单纯地从泥墙厚度的大小和是否均匀来看,还要看通过灌浆后坝体内部隐患是否消除,坝体的防渗能力是否得到恢复和提高等来综合判定。
  通过灌浆质量检查,本次劈裂灌浆完全满足坝体防渗技术要求。
  6.结束语
  劈裂灌浆就是根据土坝坝体内小主应力的分布规律布孔,利用水力劈裂原理,有控制地劈裂坝体,并灌入粘土泥浆,形成防渗泥墙。同时也使与泥墙连通的其他裂缝、洞穴、软弱夹层等坝体隐患,得到浆液的充填和挤压密实,使坝体达到防渗和加固目的的一种施工方法,以此提高土坝整体质量。
  本次劈裂灌浆在坝顶2.3m以下形成浆体帷幕面积约2244m2,坝体内灌土1200m3。水库处于高水位运行后,从灌浆前后来看,灌浆后渗流流量明显小于灌浆前。经过此次灌浆坝体已形成了垂直连续防渗帷幕,充填了各种裂隙、孔隙和洞穴,对坝体内部进行了应力调整,降低应力水平,提高了抗渗能力和变形稳定性,取得了良好的防渗处理效果。
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