劈裂灌浆技术在杨城子水库大坝加固工程中的实践与探索

岳景哲

(四平市水利勘测设计研究院 吉林四平 136000)

1 工程概况

杨城子水库位于公主岭市杨城子镇内,建于东辽河支流小辽河上游的孟礼河上。水库总库容0.735×108m3,是一座以防洪、灌溉为主,兼顾养鱼等综合利用的中型水库。水库大坝为均质土坝,坝长2550m,坝顶宽 6.0m,坝顶高程186.79m,最大坝高17m。该工程于1983年建成,于2006年4月进行除险加固。

2006年7月,施工单位在对坝体防渗墙高压喷射灌浆施工过程中,于桩号2+000～2+291.2,长度291.2m坝段上坝体出现裂缝,裂缝大体上沿坝轴线方向,局部坝段与坝轴线方向成一定角度相交向上游坝坡面延伸。坝体表面可风裂缝累计205.8m,最大缝宽23cm,裂缝长度32m,其余缝宽均为1～0.2cm不等。地勘部门沿坝顶桩号1+920～2+290和桩号1+030～1+313.3坝段迎水坡补充勘察试验工作。沿坝轴线共布置钻孔10个钻孔,勘探孔位于防渗墙两侧,距离为2.0m。为了对比分析,在邻近的防渗墙未施工的坝段布置了3个孔,孔深均为17m,同时在坝前坡布置了浅孔5个,孔深为4.5m。并做了电法探测,于2006年8月中旬完成外业勘察工作。坝体勘察结论如下:

1)土坝坝体处于硬可塑状态,随深度增加可塑性有所降低。

2)坝体的各项物理力学指标均存在较大的离散性,表明坝体的结构均一性差。

3)坝体上部0～11.8m深度内存在密实度较低的填土层。

4)经电法测试,该坝体从桩号1+982～2+237段,出现电阻率异常,经分析为该坝段坝体填土密实度不均匀,不符合设计质量标准要求,且存在集中渗漏和渗透变形等安全隐患,坝体需进行灌浆加固处理。

2 裂缝成因及危害分析

对于坝基高喷灌浆施工引起坝体严重劈裂现象,经分析,其主要原因及危害如下:

①坝体原填筑质量差,坝体填土密实度不均匀,坝体小主应力及土体抗拉强度偏低。且存在集中渗漏和渗透变形等安全隐患。

②高喷灌浆施工工艺操作不当,具体表现在孔口压力控制过高,坝体内未按设计工艺要求下防护套管。

③坝顶最大缝宽23cm,裂缝开展方向与坝轴线斜交约成45°角,并延伸至上游坡面。经超声波探测属贯穿性裂缝,已形成了安全隐患。如果不进行有效的加固处理,水库一旦正常蓄水,直接威胁大坝稳定安全。

3 坝体加固设计

坝体加固设计的主要目的是充填由于高喷灌浆施工导致的坝体劈裂裂缝和利用浆坝互压原理挤密充填坝体。设计对劈裂灌浆和充填灌浆两个方案进行了比选,从经济上看,充填灌浆方案优于劈裂灌浆,但从技术上讲,劈裂灌浆处理方案可以更有效地挤压密实疏松的坝体,以实现填充、密实坝体的加固目的。因此坝体加固方案最终选定为劈裂灌浆处理方案,见图。

本次灌浆设计是利用劈裂灌浆技术处理坝体上部填筑质量较差的土体,填充坝体裂缝,最终使该部分坝体土体密实度达到设计压实度标准。

图1 劈裂灌浆处理方案

3.1 劈裂灌浆加固机理

①泥浆劈裂的作用。土坝坝体劈裂灌浆的过程,也就是压力浆液对坝体劈裂-充填-挤压-渗透-湿化固结的过程。当坝体被劈裂开后,孔口压力突然下降,由于在裂缝尖端形成真空,浆液随之充填,随着浆液的充填,孔口压力逐渐回升,当缝端的浆液压力大于坝体土的抗劈力时,这时便产生新的劈裂。由于劈裂灌浆是以浆液为能量载体,所以能够做到缝成浆到,与浆脉连通的所有坝体裂缝、弱应力土区等隐患部位都能得到充填和压密。

②浆液与土坝互压作用。堤坝劈裂灌浆一般是分序次灌注。灌浆压力将坝体有控制地劈裂后,浆液随后跟进,所以灌浆的过程,实际上是浆压坝的过程。停灌后坝体回弹是坝压浆的过程。在整个灌浆过程中,每个孔一般要灌5次,坝体反复压缩──回弹,产生内部应力再分配,达到应力变形稳定,同时使泥浆墙两侧的土体得到压密。

3.2 钻孔设计

①灌浆孔布置。本工程布孔采用沿坝轴线两侧上、下游1.0m处各布设1排灌浆孔,主副排孔排间距2m,两排孔呈梅花状分布。

②钻孔深度。为了保证隐患部位得到充分处理,孔深原则上一般不应小于隐患部位以下2m～3m。由于坝体上部碾压质量很差,根据地质勘察报告,为确保坝体加固质量,实现劈裂灌浆幕墙与原高喷板墙有效焊接长度≥2m确定坝体灌浆钻孔深度为:主、副排孔孔深分别为13.0m、9.0m。

③孔距的确定。在保证坝体松散层得到充分灌注的前提下,孔距可以适当放大,以便减少钻孔数目,降低工程造价。参考各地灌浆实践经验,本工程钻孔深在10m左右,拟定本工程灌浆设计孔距为5.0m。

④孔序。分序灌浆的目的主要是浆液在坝体中有充分的排水固结时间,所以灌浆的序数应根据被灌坝段的长短而定,本工程分二序孔灌浆,先施工一序孔,后施工二序孔;一期灌主排孔,二期灌副排孔。

3.3 灌浆最大允许压力的确定

土坝灌浆孔控制压力采用灌浆试验数值与理论计算相结合的方法确定:

①灌浆最大允许压力,即钻孔的起裂压力Pb,可用下式来计算:

式中:a为圆孔应力集中系数=2.25～2.5;σ3为坝体钻孔平面小主应为σ3=K3hγ(kPa);σ2为坝体钻孔平面大主应力σ2=μ(σ1+σ3)(kPa);μ为泊松比,取0.4;σ1为三向应力状态下的大主应力,σ1≈hγ(kPa);σt为坝体土的单轴抗拉强度 σt取10 kPa;h为计算点深度,取 13.0m;γ为土的天然重度,取20.3kN/m3;K3为坝体土小主应力侧压力系数,取0.6;γ为浆浆液容重,取14kN/m3;

经计算Pb=0.21 MPa;

②孔口压力表最大控制压力 △Pmax

经计算 △Pmax=0.036MPa

根据以往土坝灌浆经验,结合本工程特点,经上述各种压力值计算,初步拟定灌浆孔口压力不超过0.05MPa,设计劈裂灌浆压力为0.1MPa。

3.4 浆液选择

选用当地粘土,粘粒含量 25%～30%左右,砂粒含量10%左右,其余为粉粒。浆液的物理力学性质:浆液比重13kN/m3～15kN/m3,湿法制浆。因该坝体量差,应以浓浆为主,始灌短时间内用稀浆。

3.5 灌浆帷幕厚度的确定

泥墙帷幕厚度是由坝体内应力场确定,下列只是近似的进行计算。计算公式如下:

取帷幕上下游水差12m,帷幕允许坡降[J]=100。则帷幕厚度 δ= △H/[J]=1200/100=12cm。设计确定防渗帷幕厚度δ=15cm。

4 施工工艺

4.1 造孔

钻孔建议采用冲击钻成孔,钻孔直径采用≤75mm,钻孔深度:主、副排孔孔深分别为13.0m、9.0m。

4.2 分序灌浆

在灌浆施工时分两期进行,一期应先钻灌主排,再钻灌副排孔。每排分二序钻灌;先钻灌第一序孔,采用"少灌多复"的方法。待第一序孔第3次复灌结束后,再进行第二序孔施工。

4.3 注浆方法

采用全孔封闭一次性孔底灌注方法。注浆管管脚下至孔底以上0.5m～1m处,使注浆管与孔壁紧密接触。泥浆从注浆管下口压出。不设阻浆塞,使浆液由下部逐渐向上升起,挤入坝体松散层。灌浆中第二次复灌以前尽量不使裂缝劈到坝顶,以便增加坝体的回弹力,加速泥浆的排水固结。如此反复灌注,直至灌饱并达到设计标准为止。

4.4 质量控制

为了确定灌浆压力与孔距,在灌浆前必须进行系统的灌浆试验,最终确定合理的灌浆压力和孔距。试验段选择在河床坝段,结合设计灌浆布孔要求,共布置了5个试验孔。灌浆试验的起劈压力为0.2～0.4MPa,基本符合设计计算值。在灌浆施工中采取了如下几点控制措施:

①孔口压力控制在孔口设计灌浆压力以内。

②单孔单次吃浆量不超过1.0m3/m/次,采用少灌多复办法,总灌浆量不限制。

③单孔灌浆次数不少于5次。

④坝顶裂缝宽度和坝坡位移不超过2cm。

⑤灌浆材料配制必须达到设计标准。

⑥每次灌浆的裂缝和坝体的位移回弹比不能小于0.5。

4.5 终灌标准

经轮灌后,达到以下条件即可停止灌浆:

①坝顶新的横向和斜向裂缝不再出现;

②注浆管孔口零压力持续5天不再出现负压;③最上一段纵向裂缝连续,泥浆齐坝顶。

4.6 封孔

终灌后,注浆孔用泥浆密度大于15kN/m3的稠浆灌满,浆面下沉后再灌,直至浆面不再下沉为止,最后填土夯实。

5 灌浆质量检查

灌浆结束后,根据灌浆实际情况在坝体灌浆部位选布3个有代表性的点,即裂缝宽度最大的位置挖探坑检查,发现两排注浆孔均已形成了连续的浆体防渗帷幕,距坝顶1.5m处泥墙厚度为19cm,距坝顶2.5m处泥墙厚度为23cm,呈自上而下逐渐增厚的趋势,工程质量达到了设计要求。

6 结语

当土坝存在填筑质量普遍不好,坝体外部有裂缝、塌陷、浸润线和出逸点过高,甚至下游坝坡出现散浸、有明显的渗漏或坝体内部有较多隐患现象时,宜首先考虑采用劈裂灌浆技术处理。当堤坝加固主要是以提高结构整体质量目的时,钻孔布置宜采用双排或多排布孔形式。

劈裂灌浆技术主要适用于处理存在压实质量差、有裂缝、洞穴、水平夹砂层等隐患的土坝及结构性较强的粉细砂及加砂层透水地基。应用劈裂灌浆技术时,应视工程的具体情况,采取相应的施工工艺措施,这样才能取得良好的工程效果。

随着劈裂灌浆技术的发展,目前该项技术已用于软土地基的加固和楼房的纠偏。采用劈裂灌浆技术可改善软土的性质,使其变得致密而坚硬,提高软土地基的承载能力;对于建筑物因不均匀沉降而产生的倾斜,也可以利用劈裂灌浆技术使倾斜的基础复位。

1 白永年等著《中国堤坝防渗加固新技术》中国水利水电出版社,2001,11.

2 《土坝坝体灌浆技术规范》(SD266-88).