段家峡水库大坝劈裂灌浆除险加固技术的实践

2011-04-14王志刚

陕西水利 2011年2期

王志刚

（陇县段家峡水库灌溉管理处陕西陇县 721200）

1 概述

段家峡水库位于陕西关中西部黄河二级支流千河上游陇县曹家湾镇段家峡村，是一座以灌溉为主，兼防洪、发电、养殖等综合功能的中型水库，水库总库容1832.4万m3，控制流域面积634km2。大坝为均质土坝，坝高43m，坝顶高程1090m，顶宽 12m，坝顶长 187.5m，底宽 262.5m，有效灌溉面积 4460hm2，电站 9座，装机7380kW。

1970年7月动工，1972年 12月完工，属“三边工程”，存在严重的质量隐患，曾出现过险情。

2 段家峡水库病险处理情况

水库1972年底，建成后蓄水不足百天，便出现重大险情。在大坝背水坡右岸发生了严重漏水，渗漏量为0.025m3/s，形成塌坑，有滑坡迹象，同时迎水坡出现裂缝。针对险情，采用挖除裂缝，重新夯实，锁缝等方法处理。1974年至1977年对坝体进行了加高培厚和帷幕灌浆，基本排除了险情，但对坝体内部未采取专门措施处理。

3 段家峡水库出现险情的原因分析

分析段家峡水库大坝出现险情的原因：①土坝施工中清基不彻底，上坝土料和碾压质量较差；②坝肩与河床段沉陷差过大，坝体浸润线变化异常；③坝肩段位移量小，中间段位移量大。1985年对坝体隐患进行了电法勘探，根据电测结果分析右坝段岩坝结合部位坝体松软，有裂缝；河床坝段有软夹层；左岸背水坡坝段质量较差；浸润线较高。1986年在坝顶轴线附近打探井3眼，井内各有4条～6条裂缝，缝宽为1mm～7mm。其中3号探井内有一纵向裂缝，缝宽10mm～15mm；探井内有软弱夹层2处～5处，厚10cm～50cm。

4 劈裂灌浆设计与施工

为了根治大坝病患，1985年对大坝进行劈裂灌浆设计，1986年获得批准。

4.1 设计技术要求

（1）设计要点：根据该坝整体质量差，病患多的特点，决定实行劈裂灌浆，对局部变形和渗透稳定问题，先进行充填灌浆，然后沿坝轴线进行劈裂灌浆。

（2）孔序：按先疏后密的原则，河床坝段分两序施灌，岸坡段分三序施灌，充填孔在局部隐患处按梅花形布设。

（3）孔深与进尺∶孔深钻至坝基砂、卵层下，沿坝轴线钻劈裂孔23个，总进尺732m，增强孔210m，检查孔4个，总进尺166m。

（4）灌浆压力和帷幕厚度：单孔最大设计压力为 1kg/cm2～1.05kg/cm2，帷幕厚0.3m。

（5）灌浆土料物理力学性质：浆液容重1.02g/cm2～1.6g/cm2，施灌时先稀后浓，粘粒含量20%～30%，粉粒含量不小于30%。

（6）施灌技术措施：劈裂孔单孔复灌5次～6次，间隔4天～5天，充填孔复灌2次～3次，间隔3天～4天。灌浆时把注浆管下至距孔底1m～2m处，每次复灌结束后注浆管提升高度不得大于10m，一次连续进浆量控制在20m3,灌浆期间水位控制在1074m以下。

4.2 灌浆施工

大坝灌浆1986年开工，1988年完工。由千阳县地下水承担施工任务，宝鸡市水管站负责技术，分三期实施，共钻孔44个，钻孔深1402.17m，灌入泥浆660.35m3。

4.2.1 施工工序

（1）钻孔：采用改进型双导管，250kg吊锤打孔钻机造孔。遇到钻进困难时加少量水一次成孔，充填孔位于坝轴线上游0.5m处。岸坡段按梅花形布孔，河槽和右岸坡段钻至砂卵石层与基础相接，深入基土2m～13m。

（2）灌浆：①下置护壁套管∶钻孔成型后立即在孔下安装1.5m～4.0m长的孔口护壁套管。②下灌浆管：用无缝钢管，外径42mm，下至距孔底1m～3m处，实行孔底注浆，孔口加封，全封闭灌注。③土料选择：选择与原坝相同的土料，粘粒含量31%，粉粒含量64.6%，砂粒含量5%。④灌浆性能∶初灌时用稀浆开路，容重1.3g/cm2，随着复灌次数的增加，浓度加至1.4g/cm2～1.5g/cm2。⑤灌浆压力控制：单孔最大设计压力为1kg/cm2～1.5kg/cm2。⑥灌浆量控制：按少灌多复的原则，一次连续进浆量控制在20m3，但总进浆量不限制。⑦裂缝控制：灌浆时严密监测坝顶及坝坡裂缝，宽度控制在1cm～2cm，不允许裂至坝肩。坝坡一旦发生裂缝停灌。⑧位移控制：坝顶布设20个施工变形观测点，每轮灌一次，观测一次，坝肩最大位移控制在2cm～3cm。⑨复灌次数及复灌时间间隔，一序孔复灌3次～4次，间隔3天～7天；二序孔复灌6次～7次，间隔5天～12天；三序孔及检查孔复灌7次，间隔5天。

（3）封孔：直观上以饱满密实为终灌标准，封孔时拔出注浆管，向孔内注满容重大于1.55g/cm3的浓泥浆。待浆体浓缩后，及时加满，反复几次，直到不再下降为止。待7天～10天后用干土在孔口夯实。

4.2.2 施工中遇到的问题及处理结果

劈裂灌浆设计所用数据多采用外地经验，与段家峡水库大坝灌浆有不适合之处，在灌浆施工中遇到一些问题，需要对部分方案变更。

（1）一序孔孔位确定：原设计主排孔沿坝轴线单排布设，在主排孔施钻前，经市、县有关技术人员分析决定，一序主排孔向上游移动0.5m。

（2）灌浆压力的确定：设计灌浆压力1.0g/cm2～1.5g/cm2，施工中有些孔口未加封，各孔吃浆量均未达到设计要求，如不适当增大灌浆压力，会影响灌浆效果。所以在后期施工中，通过试验确定，允许单孔最大压力2.5kg/cm2，效果较好。

（3）裂缝控制：根据外地经验“内劈外不劈”，提出要严格控制坝面裂缝，如坝面出现裂缝时立即停灌。但段家峡水库由于该坝填筑质量差，变形裂缝多，虽然在灌浆中采取了下护壁套管和阻浆盖等措施，但仍不能阻止坝顶裂缝扩展。所以，在二序后灌浆时不允许坝肩处开裂，而允许坝顶开裂，宽度在2cm范围内，每次停灌后能回弹闭合，效果较好。

（4）高水位期灌浆问题：按设计要求，灌浆期水库水位应控制在1074m高程以下或空库运行。但由于多方原因，整个施工期库水位都高于1074m，坝体内孔隙水压力较大，灌浆效果受到一定影响，所以高水位运行时不利于对土坝灌浆。

5 灌浆效果分析

段家峡水库土坝劈裂灌浆不仅使坝体内部形成防渗帷幕，提高了防渗能力，而且使坝体内部的应力再分配，达到平衡，使坝体稳定，效果显著。现对灌浆效果作如下分析。

5.1 灌浆压力、进浆量与坝体稳定的关系分析

土坝劈裂灌浆的内容之一，就是在允许的范围内，尽量增大灌浆压力，加大进浆量使原坝内部土体更加密实，因此本次劈裂灌浆自二序后施加了较大的灌浆压力。其中，13个孔灌浆瞬时压力达到2kg/cm2～2.5kg/cm2，5 个孔达到 3kg/cm2～4kg/cm2，由于较高的灌浆压力对坝体的挤压、劈裂穿透作用，使坝体土密实度增大。

由于灌浆时坝体土处于弹性平衡状态，因此，通过对坝体施加较大的灌浆压力和土的湿化变形，使坝体土充分压缩，坝体内应力不足土区得到灌浆压力补充，坝体内部应力趋向均衡，加速了泥浆排水固结，提高了浆体强度，达到了防渗稳定的目的。