高坝窄心墙劈裂灌浆的综合控制措施

2010-02-14叶良茂聂小红郭祥初龚德新

中国水利 2010年10期

叶良茂，聂小红，郭祥初，龚德新

（湖北大禹水利水电建设有限责任公司，430061，武汉）

湖北省英山县张家嘴水库是一座总库容1.104亿m3的综合利用大（2）型水库。大坝为黏土窄心墙和风化混合岩代料组成的土石坝，由于心墙质量差，裂缝严重，坝基和坝肩存在严重渗漏及绕渗等隐患，坝后坡渗水点达20余处，多年来水库一直处于控制运行状态。2003年8月至2005年5月采用劈裂灌浆对坝体进行防渗处理，历时1年9个月，2008年和2009年水位接近设计正常高水位，坝后渗水基本消失，防渗加固效果显著。

一、灌浆设计及施工工艺

1.灌浆试验

为了取得高坝劈裂灌浆的有关技术参数，验证其效果，在正式灌浆前进行了现场灌浆试验，共布置了13个试验孔。试验内容包括灌浆压力、孔距、浆液材料、灌浆量以及工艺措施等，并进行了坝体和表面观测。

2.灌浆孔布置

劈裂灌浆孔采取双排布置，排距0.5 m，主排孔布置在心墙轴线上，副排孔布置在心墙轴线上游0.5 m。主、副排孔孔距均为4.0 m，两排孔相互错开，呈梅花形布置。每排孔分两序施工，其中主排孔序号为一、二序，副排孔为三、四序，孔深均要求达到坝基或坝基混凝土垫层顶面。

3.坝坡稳定验算

①大坝整体稳定性计算：选择最大断面（桩号0+225）。大坝心墙进行劈裂灌浆时，确保安全的关键在于采取控制灌浆，可防止裂缝过大、造成大坝上下游两块整体产生滑动。计算结果为，在孔口压力为0.02 MPa条件下，上游和下游坝体整体滑动安全系数分别为1.11和1.37。因此，心墙劈裂灌浆时，孔口压力控制在0.02 MPa以内，可以满足施工期整体稳定要求。

②坝坡稳定性分析：计算时仍选择在最大断面，并假定心墙劈开，裂缝贯穿到坝基，裂缝充满泥浆，泥浆渗透系数达1.0×10-6cm/s。计算结果表明，所有工况下最危险滑动面的位置均出现在上部，满足规范要求。

4.造孔方法

根据设计要求，心墙钻孔采用干法造孔。钻孔机械为XY-1型或XY-1A型地质回转钻机。钻孔时采取全程套管跟进。为保证钻孔的垂直度和防止孔口冒浆，在孔口埋设长2 m左右的孔口套管。孔内上段套管下入深度为该孔心墙段深度的一半左右，下段套管直到基岩面或坝基混凝土垫层。

5.灌浆方法

①劈裂灌浆采用HB50/15型灌浆泵灌浆，分全孔灌注和分段灌注两种方法。孔深小于30 m的采用全孔灌浆，孔深大于等于30 m的采用分段灌注。全孔灌注是将注浆管下入距孔底1 m左右，孔内泥浆由孔底返向全孔，坝体内小主应力最小的部位首先被劈裂，然后裂缝随浆流逐渐扩展。每灌注1～2次达到设计压力后将注浆管向上提起3～4 m，如此反复灌注，直至灌浆结束。分段灌注通过套管隔离分段，先灌下段，上段用套管隔离，有利于减少坝面劈裂，做到“内劈外不劈”；下段灌浆结束后，起拔上段套管继续进行灌注。

②灌浆方法为分序灌浆、孔底注浆；稀浆开路，浓浆灌注，少灌多复；控制浆量，控制压力。

③一序孔复灌次数不少于8次，以后次序孔复灌次数不少于5次。每次灌浆的间隔时间不少于5天。由于本工程坝轴线较长，每序孔的孔数较多，在复灌中相当于各孔轮灌，有利于促使心墙定向劈裂，保证浆脉的连续性。

④当浆液升到孔口，经连续复灌三次不吃浆即认为达到终灌标准，可以结束灌浆。灌浆结束后，采用浓泥浆封孔法，即用密度不小于1.6 g/cm3的浓浆注满孔内，停几天后将孔内上部析出的清水提出，再注入新泥浆，如此重复多次直至孔内浆面与坝顶齐平并不再下降为止，然后用黏土封堵孔口并夯实。

二、灌浆综合控制措施

1.灌浆压力控制

劈裂灌浆压力的大小关系到坝体安全和灌浆质量，一般由理论计算和试验而定。根据灌浆试验资料，劈裂灌浆的孔口压力为0.02～0.2 MPa，以此作为劈裂灌浆的控制压力。在理论计算时，按被灌处的土柱压力加土的单轴抗拉强度作为劈裂灌浆的控制压力，与试验数值相近，有利于防止在灌浆时由于压力过大产生的水平劈裂，确保坝体安全。具体实施时，根据孔深、灌浆次序、灌浆量等进行调整，坝体上部按0.02～0.05 MPa控制，下部按0.1～0.2 MPa控制，灌浆时一旦孔口压力超过此值即停灌，间隔数天后再复灌。

2.灌浆量控制

张家嘴水库大坝属于高坝窄心墙，灌浆量的控制采取“总量控制、分次定量灌注”的方法。一序孔的灌浆次数要求达到8～10次或更多，对每次的灌浆量进行严格控制。

根据现场灌浆试验资料，每孔平均灌入土量为450 kg/m，并按施工次序和灌浆次数进行分配。如一、二、三、四序孔分别为总量的40%、20%、25%、15%。要求一序孔的灌浆次数不少于8次，其中前3次应达到该序孔总灌入量的50%，即0.531 m3/m，折合干土360 kg/m；二序孔灌浆次数不少于5次，其中前2次应达到该序孔总量的60%，即0.318 m3/m，折合干土216 kg/m；三、四序孔的灌浆次数均为5次，每次的灌浆量亦按总量控制，每次按比例分配。要求同序、同次、同孔深的灌浆量大致相同，以保持坝体湿陷同步。有的孔灌浆量偏大，则采取适当增加灌浆次数和灌浆量以及延长灌浆间隔时间等措施，保证了浆体的密实度。

3.横向水平位移和坝面裂缝控制

（1）横向水平位移控制

为保证坝坡稳定和灌浆质量，灌浆时对坝顶上、下游两坝肩处横向水平位移量加以限制。根据试验资料，一般控制在2 cm以内，当发现该孔所属坝段的水平位移较大时，停灌时间则延长5～8天。观测资料表明本工程灌浆时最大水平位移点出现在河床坝段，累积位移量为160 mm，灌浆结束后，水平位移量回弹至110 mm，表明坝坡是稳定的。

（2）坝面裂缝控制

根据经验，灌浆时坝面出现裂缝的宽度要求在3 cm以内，停灌后裂缝能基本闭合。本工程灌浆初期右坝肩共出现10余条纵向裂缝，缝宽0.05～1.6 cm，长 2.0～26.0 m，深 1～3 m。经分析论证，这些裂缝主要是由于灌浆浆液进入坝体后湿沉作用引起的。通过降低灌浆压力、限制灌浆量和延长两次灌浆的间隔时间等措施，有的裂缝逐渐闭合或被泥浆充填密实，有效地控制了裂缝的发展。

（3）转折坝段的灌浆措施

桩号0+716为坝顶轴线转折点，灌浆时为避免折线段产生横向或斜向裂缝，采取以下措施：在折点处布置一个缓冲孔，安排在最后灌浆；对折线段9孔，采取不分序逐孔钻灌、增加复灌次数（每孔灌浆次数10～18次）、加快灌浆速度、加大灌浆量等措施，以达到应力调整的目的。

三、灌浆质量检查及效果分析

1.钻孔检查

坝体劈裂灌浆之后，在灌浆孔之间布置了37个检查孔，共取样80组。所有检查孔均遇到浆脉，浆脉多集中在高程220.0～254.5 m之间，这与施工前的地质勘探和探井揭示的裂缝情况相吻合。说明黏土浆液已充填在坝体的裂缝中，在心墙轴线及其附近形成了一道连续完整的浆脉泥墙。

2.探坑检查

灌浆结束后60天，按监理指定的位置开挖了3个探坑。探坑长1.5～4.0 m、深2.0～4.0 m。探坑揭示的浆脉沿心墙分布，连续，完整。浆脉呈软塑状，无夹砂层，充填密实，与两侧原心墙土接触紧密。其厚度从上至下由薄变厚，上部为2 cm，4 m深处为8 cm，预计孔深10 m以下为15～20 cm或超过20 cm。