水泥膨润土劈裂灌浆技术在长春岭水库防渗加固中的应用

裘建平,葛国昌,2

(1.浙江省水利河口研究院,浙江 杭州 310020;2.浙江广川工程咨询有限公司,浙江 杭州 310020)

1 工程概况

长春岭水库位于舟山市定海区马岙镇,集雨面积5.41 km2,总库容410万m3,是一座以灌溉、供水为主的小 (1)型水库。主要枢纽建筑物包括大坝、溢洪道、输水洞等。大坝为均质土坝,坝顶长180 m,坝顶宽4.0 m,最大坝高32.0m。坝体填土为含砾粉质黏土,土质疏松,弱～中等透水性。坝基为粉质黏土混碎 (砾)石,稍密～中密,弱～中等透水性。两坝肩及坝基下部岩性为中等风化晶屑熔结凝灰岩,岩质致密坚硬,熔结度较高,弱透水性。

该水库建于20世纪60年代初,限于当时的经济和技术条件,建设标准低,水库经过近50 a的运行使用,存在许多安全隐患。在2003年小型水库安全技术认定中,该水库大坝被定为三类坝,亟需进行除险加固工作,2007年列入浙江省千库保安工程建设计划。

2 工程存在的主要问题

经现场踏勘、地质勘察及资料分析,大坝主要存在以下问题:

(1)整体结构不稳定,背水坡抗滑稳定达不到规范要求;

(2)大坝坝体压实度和抗渗性不能满足规范要求;

(3)坝体单薄,坝顶宽度不足,防浪墙沉降变形严重。

3 大坝防渗加固方案选择

针对该工程大坝坝体和基础土质情况,从技术可行性、投资、防渗效果等方面确定对坝体劈裂灌浆+坝基帷幕灌浆和坝体高压喷射注浆+坝基帷幕灌浆2个方案进行比选。

3.1 劈裂灌浆方案

劈裂灌浆是在自重充填灌浆的基础上发展起来的,水利科学工作者经过多年探索应用坝体固有的应力状况,通过对灌浆机理的研究,在灌浆工艺上有了较大的突破,它比充填式灌浆效果更好。所谓劈裂灌浆,即沿坝轴线布置灌浆孔,利用灌浆压力,劈开裂缝,灌入泥浆形成一道近于垂直并连续的纵向浆体防渗帷幕,解决土坝坝体的渗透稳定问题,同时通过灌浆压力的劈裂挤压作用,补充土坝坝体某些局部土区的小主应力不足,恢复坝体的应力平衡,解决变形稳定问题。该技术在1991年正式列为浙江省水利领域的新技术推广项目。

土坝劈裂灌浆技术,通过20多年的工程应用,处理了成百上千座的病险水库。但是也存在一些问题,比如,其一:坝体内灌入的大量泥浆是通过排水固结的,由于我省土坝多为黏性土填筑,且坝体含水率高、排水条件差,因此灌入坝体内的泥浆排水固结缓慢,有些几年甚至十几年都没有完全排水固结,这就会影响坝体的稳定;其二:原劈裂灌浆的工艺为孔口封闭全孔灌注的方法,灌浆形成的幕体多呈橄榄形即上下薄中间厚,理想的防渗幕体应为下宽上薄,呈纺锤状;其三:原劈裂灌浆的施工进度由浆体的排水固结时间来安排,每复灌1次即幕体增厚1层,由于浙江大多土坝排水条件均较差,如按实际的排水固结时间来控制复灌,那施工期会很长,故在实际工程施工时,多采用5～7 d的复灌间隔时间,其结果是幕体厚度薄,且幕体的垂直横断面木纹结构形式不明显。鉴于如上所述存在的问题,我们在工程实践中不断地摸索、总结经验,目前劈裂灌浆已发展成浙江省独特的一门技术,即一是将纯泥浆的灌浆材料改用水泥黏土浆,在当地没有合适的土料场情况下,改用水泥膨润土浆,利用水泥的固结性能控制浆液的凝固时间和适宜的固结体强度指标,由于采用了“自凝浆液”,大大缩短了复灌间隔时间,加快了施工进度;二是通过下套管保护坝体,由下而上灌1段拔1段,真正做到内劈外不裂,避免或延长坝顶劈开时间,增加幕体中下部厚度;三是在制泥浆时采用过筛和沉降法控制浆液的含砂量,同时掺加适宜的减水剂,使浆液具有较好的流动性和可灌性。

3.2 高压喷射注浆方案

高压喷射注浆是利用钻机把带有喷嘴角的注浆管钻进至土层预定的位置后,以高压设备使浆液从喷嘴中喷射出来,冲击破坏土体,使浆液和土体混合,浆液凝固后,便在坝体中形成1道水泥土固结防渗体。高压喷射注浆可分为定喷、摆喷、旋喷3种,可根据工程需要选择高压喷射设备和防渗体结构型式。

高压喷射注浆具有:适用范围较广,施工简单,固结体形状可以控制,有较好的耐久性,相对压力灌浆其浆液不易扩散流失,环境污染较小等优点。

根据2个方案的比较认为:劈裂灌浆设备工艺简单、操作方便、工期短,且造价低;高压喷射注浆适用范围较广,施工简单,固结体形状可以控制,有较好的耐久性,相对压力灌浆其浆液不易扩散流失,环境污染较小。但高压喷射注浆在浙江省没有应用的先例,施工经验不足且造价偏高。故确定本次大坝防渗加固拟采用坝体劈裂灌浆结合坝基帷幕灌浆方案。

4 大坝防渗加固设计

4.1 坝基帷幕灌浆

(1)灌浆孔轴线:帷幕灌浆孔布置在原坝轴线上。

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(2)灌浆段坝长174.33 m,孔距1.5 m,布孔117只,孔号为1#～117#,桩号为0+000.0～0+174.33 m。

(3)灌浆顺序:分Ⅲ序施灌,Ⅰ序孔间距6.0 m,Ⅱ序孔间距3.0 m,Ⅲ序孔间距1.5 m。

(4)钻孔方法:坝体土用干法造孔,坝基用回转钻机冲水造孔,钻孔进坝体必须用套管保护。

(5)灌浆段长:灌浆孔段采用钻机清水造孔,孔径为108 mm,接触段灌浆段长1.0 m,以下小于4.0 m,施工时接触段灌浆时套管下至坝基面,含砾质土层灌浆时套管需跟进,基岩灌浆时套管下至基岩面不需跟进。

(6)帷幕孔深度:孔深深入相对不透水层5.0 m,终孔深度以基岩透水率q≤5 Lu控制,含砾质土以透水率q≤10 Lu控制。

(7)灌浆材料及配合比:采用42.5级普硅水泥,浆液比用6级控制,分别为5、3、2、1、0.8、0.6(或0.5)。

(8)洗孔与压水试验:钻孔结束后,即冲洗钻孔至回水澄清,灌浆前须进行简易压水试验,压水试验压力为灌浆压力的0.8倍。

(9)灌浆压力:由 P=P0+mD式计算,P为灌浆压力(MPa),P0为表面地段允许的压力 (取0.05 MPa),m为灌浆段顶板在岩石中每加深1 m所允许的压力值(取0.025 MPa),D为灌浆段顶板以上岩石厚度。

(10)封孔:坝体部分采用1∶3的水泥膨润土浆,坝基用0.5∶1水泥浆,采用机械压浆法。

(11)灌浆期水位控制:河槽段灌浆时,水位低于36 m高程;岸坡段灌浆时,水位低于40 m高程。

4.2 坝体劈裂灌浆

(1)灌浆孔布置:在原坝轴线上、下0.8 m处各布孔1排,即2排孔,排距为1.6 m,钻孔为梅花形布置。

(2)灌浆范围:桩号0+0.000～0+172.5 m,孔距1.5 m,布孔116只,孔号为1#～116#,造孔深度为坝基面,灌浆上限为原坝顶以下2 m止。

(3)灌浆顺序:分Ⅲ序施灌,先灌下游排孔,待下游排孔全部施灌结束后,再灌上游排孔。Ⅰ序孔间距6.0 m,Ⅱ序孔间距3.0 m,Ⅲ序孔间距1.5 m。

(4)钻孔方法:坝体土用干法造孔,孔径≥75 mm。

(5)灌浆方法:钻孔为1孔到底,坝体用套管护壁。灌浆采用自下而上拔管法进行,即拔1段灌1段,灌浆段长≤5 m1段。

(6)灌浆材料与浆液指标:灌浆用土为袋装钙基膨润土,水泥为42.5级普硅水泥,水泥膨润土浆液密度为1.35～1.50 g/cm3,黏度30～50 s,配比为水泥∶膨润土∶水=1∶3∶4～6,28 d无侧限抗压强度约0.55 MPa,28 d渗透系数约1×10-7cm3/s。制浆时需掺加预先试验确定的高效减水剂以降低浆液的黏度。

(7)灌浆压力估算:允许最大充灌孔口压力由△P≤Rh+δ t-γ′h′估算,式中:R为坝体土的密度,取值 1.9 t/m3;h为计算点以上的坝高;δ t为土的单轴抗拉强度,取值3.0 t/m2;γ′为泥浆密度,由当时的实际密度确定;h′为泥浆柱高。最大灌压(表压力)原则上控制在≤0.05MPa。

(8)泥浆密度为1.35～1.55 g/cm3的膨润土浆。

(9)灌浆控制:灌浆段的单次灌浆量,以每米孔深0.1 m3左右控制。每段灌浆的间隔时间以浆液初凝时间确定。每次灌浆时,注浆管出口位置在距离孔底以上0.3 m为宜。

(10)封孔:当最后一段灌浆结束后,拔去护壁套管,然后用≥1.50 g/cm3密度的浓浆封孔,浆面下降须补浆,直至不再下降为止。坝顶裂缝采用开挖回填方法处理。

(11)观测桩埋设与观测:在灌浆施工前需布置至少3个断面的观测桩,观测桩可用木桩或混凝土桩,桩身须座落在坝体的实土上。灌浆日观测不少于2次,待灌日为1次,相对水平位移控制在3 cm以内。

5 大坝防渗加固效果

大坝防渗加固后,分别对坝体劈裂灌浆和坝基帷幕灌浆进行现场检查孔试验,坝体22只注水试验检查孔的渗透系数均≤10-5cm3/s,坝基15只压水试验检查孔的透水率＜10 Lu,满足设计和有关规范要求。水库施工完成后已经历台风“圆规”及高水位考验,大坝外观无异常变形,坝体无渗漏,保证了人民生命财产安全,农业灌溉、城市供水紧张的状况也得到一定程度的缓解。

6 结 语

本文通过对水库大坝隐患的勘探与分析,针对大坝压实度和抗渗性不能满足规范要求的特点,因地制宜地采取坝体劈裂灌浆的防渗加固方案,同时针对以往土坝劈裂灌浆存在的问题,对灌浆材料及施工工艺进行了发展改进。利用水泥膨润土浆的“自凝性”,大大缩短了灌浆施工期;通过下套管,避免或延长了坝体开裂时间,幕体成型更趋合理。实践表明,改进的坝体劈裂灌浆法用于土坝坝体防渗加固,不仅技术上可行,经济效益也是显而易见的。

[1]中华人民共和国水利部.土坝坝体灌浆技术规范(SD 266—88)[S].北京:中国水利水电出版社,1989.

[2]白永年,刘宪奎.土坝坝体和堤防灌浆 [M].北京:水利电力出版社,1985.

[3]郭玉花.国外水泥灌浆新技术[M].北京:水利电力部科技情报研究所,1987.

[4]李茂芳,孙钊.大坝基础灌浆 [M].北京:水利电力出版社,1976.