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浅谈劈裂灌浆在水库除险加固中的应用

2013-04-09童正军

水利科学与寒区工程 2013年9期
关键词:孔底心墙粘土

□ 童正军

(作者单位:湖北省京山县五洲水利勘测设计有限公司 431899)

近年来,劈裂灌浆法在土石坝除险加固工程中得到广泛应用,坝身防渗效果明显。现以湖北省京山县八字门水库为例,对劈裂灌浆的设计、施工方法介绍如下。

一、工程简介

八字门水库位于湖北省京山县新市镇以北小富水河上游,距县城12km,是一座以灌溉为主,兼有防洪、城市供水、发电、养殖等综合效用的中型水库。水库坝址以上承雨面积111.9km2,总库容1.029亿m3,兴利库容5 020万m3,死库容1 776.5万m3。

八字门水库大坝为粘土心墙代料坝,坝顶高201.4m,总长400m,坝面宽9m,最大坝高54m。大坝于1977年10月开始施工,1978年6月竣工蓄水。经过近30年的运行,坝基、坝体、坝肩部分出现险情,渗水现象较为严重。2003年9月上旬,湖北省水利厅组织有关专家对八字门水库大坝进行了安全鉴定,属三类坝。

二、劈裂灌浆设计

(一)劈裂灌浆的原理

劈裂灌浆是根据坝体弱应力的分布规律进行布孔,施加一定的灌浆压力,有计划、有控制地劈裂坝体,灌注合适的浆液。通过浆液和坝体的反复互压和填土的湿化固结作用,在大坝内形成连续的防渗帷幕,与浆脉流通的所有裂隙的洞穴均能得到充填和修补,且坝体内的浆脉数量和厚度随着坝体填筑质量的好坏自动调整,能有效改善坝体的应力条件。劈裂灌浆的理论基础是水力劈裂原理,即向土体内的孔内压水或灌浆时,作用在孔壁上的径向压力引起孔的扩张,使孔壁土体受劈裂挤应力作用,当这些应力超过土体的抗拉强度时,就会在土体内产生一些裂缝,这种裂缝的产生过程称之为水力劈裂。

(二)劈裂灌浆的设计

根据八字门水库大坝钻探和试验结果分析,坝体的填筑质量欠佳,大坝填筑的压实度低于规范,上下游坝壳及大坝心墙填筑的压实度合格率分别为60%、27.2%、7%。根据心墙钻孔注水试验,所有试验段的滲透系数均大于1×10-5cm/s,心墙上部渗透系数仅达1×10-3cm/s。因此需对大坝坝体进行加固处理,以提高大坝土料的压实度,改善坝体的应力条件,并在坝体内形成一道可靠的防渗屏障,消除不安全隐患。

根据大坝以上实际情况,设计采用劈裂灌浆法进行加固。坝体的劈裂灌浆工程量约8 100m,采用双排布孔,排距1.0 m,孔距4.0m,大坝心墙轴线上下0.5m各一排,两排孔梅花型错开。其中,大坝右岸转弯段60m加密,仍为双排孔,排距1.0 m,孔距2.0m,孔深为深入坝基1~2m。

因为灌入坝体的水泥粘土浆固结后与原坝体具有相近的性质,变形协调性较好,且水泥粘土浆较纯粘土浆容易固结,对大坝稳定有利,故劈裂灌浆采用水泥粘土浆液,在粘土中加入15%的水泥。

三、施工方法

(一)劈裂灌浆孔的平面布置

双排两序布置,间隔进行。

(二)劈裂灌浆的主要施工设备

XY-2型钻机4台,BW250/50灌浆泵4台,NJ-600制浆机2台,WJ100型搅浆机2台,水准仪1台,J6经纬仪1台。

(三)劈裂灌浆施工的主要技术参数

1.注浆深度为坝体清基线以上人工填土部分。采用双排布孔,孔距4.0m,分二序施工。采用孔底注浆全孔封闭分段灌注方法,段高控制在5~10m。

2.浆料选择。选用水泥粘土浆,浆液比重为1.50。

(四)劈裂灌浆施工

劈裂灌浆施工以“坝体分段,双排布孔,分序钻灌,孔底注浆,分段灌注,综合控制,少灌多复”为原则。

1.施工工艺流程:孔位放样→钻孔→制浆→第一遍灌浆→第二遍灌浆→第三遍灌浆→封孔。灌浆间隔时间为5天。

2.施工方法。运用4台XY-2型钻机进行劈裂灌浆造孔施工,运用4台BW250/50灌浆泵、2台NJ-600制浆机、2台WJ100型搅浆机灌浆,先进行Ⅰ序孔施工,再进行Ⅱ序孔施工。

(五)施工要点

1.钻孔施工

1)采用回转钻机钻进,泥浆护壁,钻孔孔径φ75mm。

2)开孔位置与设计位置偏差不得大于50mm。

3)施工时应采取预防孔斜的措施,并按设计要求测量孔斜。孔底偏斜率不应超过1.5%。

4)有效深度以穿过坝基1.0~2.0m为宜。

5)选定部分Ⅰ序孔作为向导孔,其深度应大于墙体深度,间距不宜大于20m。钻进时应详细记录孔位、孔深、地层变化等。

6)在黏性土层注浆压力不大的情况下,直接将孔口管打入地层3~5m,利用黏性土的黏结力防止冒浆及平衡注浆顶托力;在松散无黏性地层或注浆压力较大的情况下,应在孔口预先挖2m左右深的坑,将孔口管下至3~5m后,在管周边回填黏性土并夯压密实,必要时可回填塑性混凝土。

2.制浆。采用搅拌机湿法制浆,随时测定泥浆密度,浆液比重为1.50。开始采用稀浆灌注,待坝体被劈裂后,改用浓浆。

3.灌浆。按照“稀浆开始,浓浆灌注,分序施灌,先疏后密,少灌多复,控制浆量”的原则,施工时要将注浆管下到离钻孔底部0.5~1.0m处。孔底注浆可施加较大压力,使坝体内部劈开,把较多的泥浆压入坝体,产生挤压变形。要求每次灌浆后,要提一提注浆管,以免孔底堵塞和孔口冒浆。灌1~2次后,可提管1~2m。

4.终灌。经反复轮注后,浆体帷幕厚度须达到设计标准20cm。如连续3次不再吃浆或坝顶连续3次冒浆即可终灌,直观上要做到“饱、满、实”。

5.封孔。终灌后,先将注浆管插入孔底,再注入浓浆将稀浆或清水置换掉,直至浓浆(采用0.5∶1以上的浓浆)填满全孔为止,待浆液析水沉淀后,再进行二次封填,直至钻孔封满为止。

6.灌浆期原型观测。按设计要求沿坝轴线方向每隔20m设一观测标点,每级至少在坝顶上、下游坝肩处各设一个观测标点,标点用混凝土桩或木桩做成。灌浆施工前应对布设的各桩垂直位移点进行观测,灌浆期每班观测1~2次;坝面出现裂缝时,应增加观测次数,灌浆间歇期每2天观测1次。灌浆期间,坝顶上下游坝肩处横向水平位移每次不得大于25mm。

四、效果评价

(一)劈裂灌浆完成7个月后,随机开挖两处探井检查,在沿心墙轴线方向,上、下游两排灌浆孔形成了清晰可见的、厚度比较均匀的、竖直连续的数道浆体防渗帷幕,厚度10~25mm;在原坝体比较疏松部位形成了多道密集浆脉,坝体中的裂隙和洞穴均被水泥粘土浆充填密实,浆体与坝体结合紧密。

(二)注水试验完工两年后,在心墙轴线上钻探7个检查孔进行注水试验,渗透系数均小于1×10-5cm/s。

五、结束语

土质大坝多建于上个世纪六、七十年代,由于施工工艺和施工设备所限,大坝土体碾压密实度不够,多存在背水坡湿坡,坝基和坝肩渗漏等问题,在分析确定病险原因后选择土坝灌浆技术进行加固,特别是劈裂灌浆技术,既能够消除病险情,又可节约投资,提高工程效益。

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