劈裂灌漿技術(shù)在楊城子水庫大壩加固工程中的實(shí)踐與探索

岳景哲

(四平市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 吉林四平 136000)

1 工程概況

楊城子水庫位于公主嶺市楊城子鎮(zhèn)內(nèi),建于東遼河支流小遼河上游的孟禮河上。水庫總庫容0.735×108m3,是一座以防洪、灌溉為主,兼顧養(yǎng)魚等綜合利用的中型水庫。水庫大壩為均質(zhì)土壩,壩長(zhǎng)2550m,壩頂寬 6.0m,壩頂高程186.79m,最大壩高17m。該工程于1983年建成,于2006年4月進(jìn)行除險(xiǎn)加固。

2006年7月,施工單位在對(duì)壩體防滲墻高壓噴射灌漿施工過程中,于樁號(hào)2+000～2+291.2,長(zhǎng)度291.2m壩段上壩體出現(xiàn)裂縫,裂縫大體上沿壩軸線方向,局部壩段與壩軸線方向成一定角度相交向上游壩坡面延伸。壩體表面可風(fēng)裂縫累計(jì)205.8m,最大縫寬23cm,裂縫長(zhǎng)度32m,其余縫寬均為1～0.2cm不等。地勘部門沿壩頂樁號(hào)1+920～2+290和樁號(hào)1+030～1+313.3壩段迎水坡補(bǔ)充勘察試驗(yàn)工作。沿壩軸線共布置鉆孔10個(gè)鉆孔,勘探孔位于防滲墻兩側(cè),距離為2.0m。為了對(duì)比分析,在鄰近的防滲墻未施工的壩段布置了3個(gè)孔,孔深均為17m,同時(shí)在壩前坡布置了淺孔5個(gè),孔深為4.5m。并做了電法探測(cè),于2006年8月中旬完成外業(yè)勘察工作。壩體勘察結(jié)論如下:

1)土壩壩體處于硬可塑狀態(tài),隨深度增加可塑性有所降低。

2)壩體的各項(xiàng)物理力學(xué)指標(biāo)均存在較大的離散性,表明壩體的結(jié)構(gòu)均一性差。

3)壩體上部0～11.8m深度內(nèi)存在密實(shí)度較低的填土層。

4)經(jīng)電法測(cè)試,該壩體從樁號(hào)1+982～2+237段,出現(xiàn)電阻率異常,經(jīng)分析為該壩段壩體填土密實(shí)度不均勻,不符合設(shè)計(jì)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求,且存在集中滲漏和滲透變形等安全隱患,壩體需進(jìn)行灌漿加固處理。

2 裂縫成因及危害分析

對(duì)于壩基高噴灌漿施工引起壩體嚴(yán)重劈裂現(xiàn)象,經(jīng)分析,其主要原因及危害如下:

①壩體原填筑質(zhì)量差,壩體填土密實(shí)度不均勻,壩體小主應(yīng)力及土體抗拉強(qiáng)度偏低。且存在集中滲漏和滲透變形等安全隱患。

②高噴灌漿施工工藝操作不當(dāng),具體表現(xiàn)在孔口壓力控制過高,壩體內(nèi)未按設(shè)計(jì)工藝要求下防護(hù)套管。

③壩頂最大縫寬23cm,裂縫開展方向與壩軸線斜交約成45°角,并延伸至上游坡面。經(jīng)超聲波探測(cè)屬貫穿性裂縫,已形成了安全隱患。如果不進(jìn)行有效的加固處理,水庫一旦正常蓄水,直接威脅大壩穩(wěn)定安全。

3 壩體加固設(shè)計(jì)

壩體加固設(shè)計(jì)的主要目的是充填由于高噴灌漿施工導(dǎo)致的壩體劈裂裂縫和利用漿壩互壓原理擠密充填壩體。設(shè)計(jì)對(duì)劈裂灌漿和充填灌漿兩個(gè)方案進(jìn)行了比選,從經(jīng)濟(jì)上看,充填灌漿方案優(yōu)于劈裂灌漿,但從技術(shù)上講,劈裂灌漿處理方案可以更有效地?cái)D壓密實(shí)疏松的壩體,以實(shí)現(xiàn)填充、密實(shí)壩體的加固目的。因此壩體加固方案最終選定為劈裂灌漿處理方案,見圖。

本次灌漿設(shè)計(jì)是利用劈裂灌漿技術(shù)處理壩體上部填筑質(zhì)量較差的土體,填充壩體裂縫,最終使該部分壩體土體密實(shí)度達(dá)到設(shè)計(jì)壓實(shí)度標(biāo)準(zhǔn)。

圖1 劈裂灌漿處理方案

3.1 劈裂灌漿加固機(jī)理

①泥漿劈裂的作用。土壩壩體劈裂灌漿的過程,也就是壓力漿液對(duì)壩體劈裂-充填-擠壓-滲透-濕化固結(jié)的過程。當(dāng)壩體被劈裂開后,孔口壓力突然下降,由于在裂縫尖端形成真空,漿液隨之充填,隨著漿液的充填,孔口壓力逐漸回升,當(dāng)縫端的漿液壓力大于壩體土的抗劈力時(shí),這時(shí)便產(chǎn)生新的劈裂。由于劈裂灌漿是以漿液為能量載體,所以能夠做到縫成漿到,與漿脈連通的所有壩體裂縫、弱應(yīng)力土區(qū)等隱患部位都能得到充填和壓密。

②漿液與土壩互壓作用。堤壩劈裂灌漿一般是分序次灌注。灌漿壓力將壩體有控制地劈裂后,漿液隨后跟進(jìn),所以灌漿的過程,實(shí)際上是漿壓壩的過程。停灌后壩體回彈是壩壓漿的過程。在整個(gè)灌漿過程中,每個(gè)孔一般要灌5次,壩體反復(fù)壓縮──回彈,產(chǎn)生內(nèi)部應(yīng)力再分配,達(dá)到應(yīng)力變形穩(wěn)定,同時(shí)使泥漿墻兩側(cè)的土體得到壓密。

3.2 鉆孔設(shè)計(jì)

①灌漿孔布置。本工程布孔采用沿壩軸線兩側(cè)上、下游1.0m處各布設(shè)1排灌漿孔,主副排孔排間距2m,兩排孔呈梅花狀分布。

②鉆孔深度。為了保證隱患部位得到充分處理,孔深原則上一般不應(yīng)小于隱患部位以下2m～3m。由于壩體上部碾壓質(zhì)量很差,根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告,為確保壩體加固質(zhì)量,實(shí)現(xiàn)劈裂灌漿幕墻與原高噴板墻有效焊接長(zhǎng)度≥2m確定壩體灌漿鉆孔深度為:主、副排孔孔深分別為13.0m、9.0m。

③孔距的確定。在保證壩體松散層得到充分灌注的前提下,孔距可以適當(dāng)放大,以便減少鉆孔數(shù)目,降低工程造價(jià)。參考各地灌漿實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),本工程鉆孔深在10m左右,擬定本工程灌漿設(shè)計(jì)孔距為5.0m。

④孔序。分序灌漿的目的主要是漿液在壩體中有充分的排水固結(jié)時(shí)間,所以灌漿的序數(shù)應(yīng)根據(jù)被灌壩段的長(zhǎng)短而定,本工程分二序孔灌漿,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 灌漿最大允許壓力的確定

土壩灌漿孔控制壓力采用灌漿試驗(yàn)數(shù)值與理論計(jì)算相結(jié)合的方法確定:

①灌漿最大允許壓力,即鉆孔的起裂壓力Pb,可用下式來計(jì)算:

式中:a為圓孔應(yīng)力集中系數(shù)=2.25～2.5;σ3為壩體鉆孔平面小主應(yīng)為σ3=K3hγ(kPa);σ2為壩體鉆孔平面大主應(yīng)力σ2=μ(σ1+σ3)(kPa);μ為泊松比,取0.4;σ1為三向應(yīng)力狀態(tài)下的大主應(yīng)力,σ1≈hγ(kPa);σt為壩體土的單軸抗拉強(qiáng)度 σt取10 kPa;h為計(jì)算點(diǎn)深度,取 13.0m;γ為土的天然重度,取20.3kN/m3;K3為壩體土小主應(yīng)力側(cè)壓力系數(shù),取0.6;γ為漿漿液容重,取14kN/m3;

經(jīng)計(jì)算Pb=0.21 MPa;

②孔口壓力表最大控制壓力 △Pmax

經(jīng)計(jì)算 △Pmax=0.036MPa

根據(jù)以往土壩灌漿經(jīng)驗(yàn),結(jié)合本工程特點(diǎn),經(jīng)上述各種壓力值計(jì)算,初步擬定灌漿孔口壓力不超過0.05MPa,設(shè)計(jì)劈裂灌漿壓力為0.1MPa。

3.4 漿液選擇

選用當(dāng)?shù)卣惩?粘粒含量 25%～30%左右,砂粒含量10%左右,其余為粉粒。漿液的物理力學(xué)性質(zhì):漿液比重13kN/m3～15kN/m3,濕法制漿。因該壩體量差,應(yīng)以濃漿為主,始灌短時(shí)間內(nèi)用稀漿。

3.5 灌漿帷幕厚度的確定

泥墻帷幕厚度是由壩體內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)確定,下列只是近似的進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算公式如下:

取帷幕上下游水差12m,帷幕允許坡降[J]=100。則帷幕厚度 δ= △H/[J]=1200/100=12cm。設(shè)計(jì)確定防滲帷幕厚度δ=15cm。

4 施工工藝

4.1 造孔

鉆孔建議采用沖擊鉆成孔,鉆孔直徑采用≤75mm,鉆孔深度:主、副排孔孔深分別為13.0m、9.0m。

4.2 分序灌漿

在灌漿施工時(shí)分兩期進(jìn)行,一期應(yīng)先鉆灌主排,再鉆灌副排孔。每排分二序鉆灌;先鉆灌第一序孔,采用"少灌多復(fù)"的方法。待第一序孔第3次復(fù)灌結(jié)束后,再進(jìn)行第二序孔施工。

4.3 注漿方法

采用全孔封閉一次性孔底灌注方法。注漿管管腳下至孔底以上0.5m～1m處,使注漿管與孔壁緊密接觸。泥漿從注漿管下口壓出。不設(shè)阻漿塞,使?jié){液由下部逐漸向上升起,擠入壩體松散層。灌漿中第二次復(fù)灌以前盡量不使裂縫劈到壩頂,以便增加壩體的回彈力,加速泥漿的排水固結(jié)。如此反復(fù)灌注,直至灌飽并達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為止。

4.4 質(zhì)量控制

為了確定灌漿壓力與孔距,在灌漿前必須進(jìn)行系統(tǒng)的灌漿試驗(yàn),最終確定合理的灌漿壓力和孔距。試驗(yàn)段選擇在河床壩段,結(jié)合設(shè)計(jì)灌漿布孔要求,共布置了5個(gè)試驗(yàn)孔。灌漿試驗(yàn)的起劈壓力為0.2～0.4MPa,基本符合設(shè)計(jì)計(jì)算值。在灌漿施工中采取了如下幾點(diǎn)控制措施:

①孔口壓力控制在孔口設(shè)計(jì)灌漿壓力以內(nèi)。

②單孔單次吃漿量不超過1.0m3/m/次,采用少灌多復(fù)辦法,總灌漿量不限制。

③單孔灌漿次數(shù)不少于5次。

④壩頂裂縫寬度和壩坡位移不超過2cm。

⑤灌漿材料配制必須達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

⑥每次灌漿的裂縫和壩體的位移回彈比不能小于0.5。

4.5 終灌標(biāo)準(zhǔn)

經(jīng)輪灌后,達(dá)到以下條件即可停止灌漿:

①壩頂新的橫向和斜向裂縫不再出現(xiàn);

②注漿管孔口零壓力持續(xù)5天不再出現(xiàn)負(fù)壓;③最上一段縱向裂縫連續(xù),泥漿齊壩頂。

4.6 封孔

終灌后,注漿孔用泥漿密度大于15kN/m3的稠漿灌滿,漿面下沉后再灌,直至漿面不再下沉為止,最后填土夯實(shí)。

5 灌漿質(zhì)量檢查

灌漿結(jié)束后,根據(jù)灌漿實(shí)際情況在壩體灌漿部位選布3個(gè)有代表性的點(diǎn),即裂縫寬度最大的位置挖探坑檢查,發(fā)現(xiàn)兩排注漿孔均已形成了連續(xù)的漿體防滲帷幕,距壩頂1.5m處泥墻厚度為19cm,距壩頂2.5m處泥墻厚度為23cm,呈自上而下逐漸增厚的趨勢(shì),工程質(zhì)量達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié)語

當(dāng)土壩存在填筑質(zhì)量普遍不好,壩體外部有裂縫、塌陷、浸潤(rùn)線和出逸點(diǎn)過高,甚至下游壩坡出現(xiàn)散浸、有明顯的滲漏或壩體內(nèi)部有較多隱患現(xiàn)象時(shí),宜首先考慮采用劈裂灌漿技術(shù)處理。當(dāng)?shù)虊渭庸讨饕且蕴岣呓Y(jié)構(gòu)整體質(zhì)量目的時(shí),鉆孔布置宜采用雙排或多排布孔形式。

劈裂灌漿技術(shù)主要適用于處理存在壓實(shí)質(zhì)量差、有裂縫、洞穴、水平夾砂層等隱患的土壩及結(jié)構(gòu)性較強(qiáng)的粉細(xì)砂及加砂層透水地基。應(yīng)用劈裂灌漿技術(shù)時(shí),應(yīng)視工程的具體情況,采取相應(yīng)的施工工藝措施,這樣才能取得良好的工程效果。

隨著劈裂灌漿技術(shù)的發(fā)展,目前該項(xiàng)技術(shù)已用于軟土地基的加固和樓房的糾偏。采用劈裂灌漿技術(shù)可改善軟土的性質(zhì),使其變得致密而堅(jiān)硬,提高軟土地基的承載能力;對(duì)于建筑物因不均勻沉降而產(chǎn)生的傾斜,也可以利用劈裂灌漿技術(shù)使傾斜的基礎(chǔ)復(fù)位。

1 白永年等著《中國(guó)堤壩防滲加固新技術(shù)》中國(guó)水利水電出版社,2001,11.

2 《土壩壩體灌漿技術(shù)規(guī)范》(SD266-88).