劈裂灌浆技术在水库大坝加固工程中应用
摘要:劈裂灌浆技术具有工艺简单合理、能就地取材、见效快等优点,是堤坝加固领域的一种非常有效的加固方法，多年来该技术在水库土坝防渗加固中得到广泛应用。本文结合工程实例，深入探讨了劈裂灌浆技术在水库大坝加固工程中的实践与探索，以供参考。
关键词：水库大坝；加固；劈裂灌浆技术 1 工程概况
湖南某水库总库容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455m,坝顶宽6.0m,坝顶高程186.79m,最大坝高17m。
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0+000～0+91.2,长度91.2m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75.8m,最大缝宽23cm,裂缝长度12m,其余缝宽均为1～0.2cm不等。地勘部门沿坝顶桩号0+000～0+390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。坝体勘察结论如下:
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0+000～0+116,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,可用下式来计算:
式中:
为圆孔应力集中系数=2.25～2.5;
为坝体钻孔平面小主应为=;
为坝体钻孔平面大主应力=;
为泊松比,取0.4;
为三向应力状态下的大主应力,;
为坝体土的单轴抗拉强度取10kPa;
为计算点深度,取13.0m;
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;
为浆浆液容重,取14kN/m3;
经计算=0.21MPa;
②孔口压力表最大控制压力
经计算=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=100。
则帷幕厚度= 1200/100=12cm。设计确定防渗帷幕厚度=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。
