劈裂灌漿技術(shù)應(yīng)用過(guò)程控制要點(diǎn)分析

劈裂灌漿技術(shù)應(yīng)用過(guò)程控制要點(diǎn)分析

王彧杲

(長(zhǎng)春水利電力學(xué)校， 長(zhǎng)春130062)

【摘要】劈裂灌漿技術(shù)具有設(shè)備簡(jiǎn)單、用料來(lái)源廣泛、技術(shù)操作方便、投資小和施工快等特點(diǎn)，在我國(guó)堤壩工程防滲加固中被廣泛應(yīng)用。本文在分析劈裂灌漿機(jī)理的基礎(chǔ)上，對(duì)劈裂灌漿技術(shù)的指標(biāo)選擇、施工程序、質(zhì)量控制要點(diǎn)進(jìn)行了論述，并對(duì)其在堤壩工程防滲加固中的應(yīng)用前景進(jìn)行了分析，供類似工程參考。

【關(guān)鍵詞】劈裂灌漿技術(shù)； 應(yīng)用； 要點(diǎn)分析

中圖分類號(hào)：TV543文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

Analysis of Control Keys During Application Process of Fracture

Grouting Technique

WANG Yu-gao

(ChangchunWaterConservancyandElectricPowerSchool,Changchun130062,China)

Abstract：Fracture grouting technology is characterized by simple equipment, wide material sources, convenient technical operation, low investment, quick construction, etc. It is widely applied for dam project anti-seepage reinforcement in China. In the paper, fracture grouting mechanism is analyzed. On the basis, fracture grouting technique indicator selection, construction procedures and quality control keys are discussed, and application prospect thereof in dam project anti-seepage reinforcement is analyzed, thereby providing reference for similar projects.

Keywords：fracture grouting technique; application; key analysis

劈裂灌漿技術(shù)作為堤壩工程加固中的一項(xiàng)重要技術(shù)措施，發(fā)展于20世紀(jì)70年代中期。目前，在國(guó)內(nèi)上千座水庫(kù)土壩壩體及上萬(wàn)處堤防工程防滲加固中大量實(shí)施了該項(xiàng)技術(shù)，尤其在中小型病險(xiǎn)水庫(kù)大壩除險(xiǎn)加固工程建設(shè)中使用較多，均收到了良好效果。

1劈裂灌漿技術(shù)機(jī)理

堤壩工程土體內(nèi)存在的應(yīng)力分布于三個(gè)方向，為三維坐標(biāo)關(guān)系。假定堤壩工程為均質(zhì)，根據(jù)土力學(xué)原理，則在堤壩工程垂直于軸線橫斷面處存在3個(gè)主應(yīng)力方向σ1、σ2和σ3，其中σ1位于水平面內(nèi)平行堤壩工程軸線方向，σ2位于水平面內(nèi)垂直于堤壩工程軸線方向，σ3垂直于水平面方向。詳見(jiàn)圖1。

圖1　堤壩橫斷面應(yīng)力

堤壩內(nèi)最大主應(yīng)力是垂直水平面方向的應(yīng)力σ3，其應(yīng)力大小等于或接近土體自重。由于堤壩橫斷面方向長(zhǎng)度遠(yuǎn)，較軸線方向長(zhǎng)度短，沿軸線方向可視為無(wú)限長(zhǎng)，因此，σ2比σ1要大得多，通常情況下，σ3>σ2>σ1。劈裂灌漿時(shí)，泥漿在壓力及自重作用下，壓灌漿體會(huì)沿著最薄弱的方向進(jìn)展，當(dāng)原土壩體內(nèi)有洞穴或裂縫時(shí)，首先是充滿洞穴或裂縫。當(dāng)土體比較均勻時(shí)，先克服主應(yīng)力σ1，沿平行于堤壩軸線方向的應(yīng)力面劈開(kāi)土體；尤其是當(dāng)鄰近鉆孔形成時(shí)，應(yīng)力σ1會(huì)突然減弱，迅速劈開(kāi)土體形成縱向裂縫，為灌漿打開(kāi)通道。當(dāng)帶有壓力的防滲泥漿進(jìn)入堤壩后，不是均勻地滲入到錐孔周圍土體中，而是沿著已經(jīng)打開(kāi)的裂縫通道，以漿脈的形式延伸，堵塞漏洞、裂縫或切斷軟弱層，形成一道垂直于水平面、平行于軸線鉛直連續(xù)的防滲泥墻。由此，堤壩工程內(nèi)部整體防滲墻也就成型了。

劈裂灌漿技術(shù)不僅可以提高堤壩工程體的防滲能力，同時(shí)，通過(guò)灌漿與堤壩工程體互壓和濕陷，使堤壩工程體內(nèi)部應(yīng)力重新分布，堤壩工程實(shí)體結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，進(jìn)一步提高了堤壩工程體變形穩(wěn)定性。

2劈裂灌漿技術(shù)適用條件

劈裂式灌漿技術(shù)在我國(guó)雖有多年的應(yīng)用歷史，但并不是所有土石堤壩工程均適合應(yīng)用。劈裂式灌漿技術(shù)的應(yīng)用條件為：?堤壩運(yùn)用時(shí)間久遠(yuǎn)且工程質(zhì)量明顯普遍下降；?堤壩工程外部發(fā)現(xiàn)有裂縫、塌陷現(xiàn)象；?堤壩工程浸潤(rùn)線逸出點(diǎn)過(guò)高、背水坡出現(xiàn)大面積濕潤(rùn)，有明顯滲漏跡象；?堤壩工程內(nèi)部存在其他較多影響工程安全的隱患。當(dāng)?shù)虊喂こ贪l(fā)生上述情況之一時(shí)，可考慮采用劈裂式灌漿技術(shù)，對(duì)堤壩工程進(jìn)行除險(xiǎn)加固。

劈裂灌漿技術(shù)在水庫(kù)大壩應(yīng)用時(shí)，應(yīng)按主壩、副壩的直線段、彎曲段的不同情況分別實(shí)施；在堤防工程應(yīng)用時(shí)，應(yīng)按河槽段、岸坡段、彎曲段和其他特殊堤段的不同情況分別進(jìn)行實(shí)施。最終確保工程防滲效果最佳。

3劈裂灌漿指標(biāo)選擇

3.1孔距

劈裂灌漿技術(shù)的實(shí)施，是通過(guò)在堤壩工程軸線方向鉆入鉛直孔，灌入防滲漿液達(dá)到防滲目的。因此，灌漿孔距是決定工程防滲效果的首要因素。

在堤壩工程的河槽段、岸坡段及彎曲段中，河槽段是整個(gè)堤壩工程的薄弱環(huán)節(jié)，也是堤壩工程劈裂灌漿設(shè)計(jì)的重中之重。河槽段劈裂灌漿孔距設(shè)計(jì)原則是：沿堤壩軸線(或稍偏上游)單排布孔(詳見(jiàn)圖2)。如果堤壩體普遍碾壓不好時(shí)，可雙排(或三排)布孔。當(dāng)設(shè)計(jì)孔深大于15m時(shí)，終孔距離可按10m左右實(shí)施；當(dāng)孔深小于15m時(shí)，終孔距離可按5m左右實(shí)施。特殊堤壩工程，其孔距也可根據(jù)實(shí)際情況，通過(guò)灌漿試驗(yàn)確定。在岸坡段、彎曲壩段布孔，應(yīng)適當(dāng)縮小孔距。

圖2　劈裂灌漿孔位

3.2孔深

在堤壩工程安全隱患勘探資料真實(shí)的基礎(chǔ)上，根據(jù)堤壩工程體內(nèi)隱患深度，決定主、副孔的造孔深度。正常情況下，主孔造孔深度應(yīng)大于隱患深度2～3m，或深入基巖；副孔根據(jù)主孔決定造孔深度，如副排孔處無(wú)隱患，副孔孔深約為相應(yīng)主排孔深的1/3。

3.3孔徑

防滲泥墻厚度決定造孔直徑，而防滲泥墻厚度則根據(jù)堤壩工程土質(zhì)、碾壓質(zhì)量、隱患性質(zhì)和高度等情況合理確定。一般情況下，設(shè)計(jì)厚度可采用5～20cm。當(dāng)?shù)虊喂こ腆w(或心墻)的滲透系數(shù)大于或等于10-4cm/s，或堤壩工程體存在上、下游貫通的水平砂層時(shí)，應(yīng)專門計(jì)算泥墻的厚度，并進(jìn)行滲透破壞驗(yàn)算和專門試驗(yàn)研究，確定適合堤壩工程實(shí)際情況的防滲泥墻厚度。

3.4漿液干容重

堤壩工程劈裂灌漿設(shè)計(jì)干容重，與堤壩工程劈裂灌漿方法和漿液中黏粒含量的多少有關(guān)，正常情況下，針對(duì)重粉質(zhì)壤土和粉質(zhì)壤土堤壩工程，按照實(shí)施灌漿1年后干容重為1.40～1.60t/m3時(shí)的設(shè)計(jì)灌漿濃度，或根據(jù)實(shí)地條件進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，確定漿液干容重。

3.5外加劑

堤壩工程實(shí)施劈裂灌漿技術(shù)，其漿液可根據(jù)不同的目的選擇不同的外加劑。為提高泥漿的流動(dòng)性，可摻入占干土重0.5%～1.0%含量的水玻璃；為加速漿液凝固并提高后期強(qiáng)度，可摻入15%左右的水泥；為提高泥漿的穩(wěn)定性和泥漿的后期強(qiáng)度，可摻入適量膨潤(rùn)土；為消滅堤壩工程中的白蟻，在不污染水源的情況下，可在漿液中摻入少量滅蟻藥物。上述外加劑的最佳用量可通過(guò)試驗(yàn)確定。

4施工前準(zhǔn)備

4.1準(zhǔn)備劈裂灌漿設(shè)備及土料

按照堤壩劈裂灌漿施工要求，準(zhǔn)備造孔機(jī)、泥漿泵、拌漿機(jī)、攪灌機(jī)、水泵及配套柴油電動(dòng)機(jī)組、運(yùn)土設(shè)備、輸漿膠管、插管、壓力表等堤壩劈裂灌漿設(shè)施設(shè)備；按照設(shè)計(jì)的土料性質(zhì)選擇土料，土料場(chǎng)儲(chǔ)量應(yīng)大于需要量的2～4倍。

4.2劈裂灌漿試驗(yàn)

為確保堤壩工程劈裂灌漿順利實(shí)施，施工前，首先根據(jù)工程設(shè)計(jì)成果，進(jìn)行堤壩劈裂灌漿試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)，對(duì)制漿、造孔、泥漿容量、灌漿壓力等做好記錄，對(duì)試驗(yàn)的數(shù)據(jù)資料進(jìn)行詳細(xì)分析和總結(jié)，進(jìn)一步核實(shí)、修改設(shè)計(jì)參數(shù)，為確保施工質(zhì)量做好準(zhǔn)備工作。

5劈裂灌漿施工

5.1施工流程

堤壩工程劈裂灌漿施工流程大體可分為平整場(chǎng)地、布孔、造孔、制漿、灌漿、封孔、頂面處理等工序，其施工流程見(jiàn)右圖3。

5.2造孔

為防止堤壩工程劈裂灌漿時(shí)，在灌漿孔口處出現(xiàn)裂縫或者發(fā)生冒漿現(xiàn)象，首先在堤壩工程頂部，沿著堤壩工程軸線挖1條寬0.70m、深1.50m的溝槽，填入黏

圖3　劈裂灌漿工程流程

土夯實(shí)，構(gòu)成阻漿蓋；其次，在孔口位置埋入1根長(zhǎng)2m，直徑為101mm的鋼制孔口管，鉆孔要深入到積土層，鉆孔直徑為85mm，孔偏斜小于孔深的3%；最后，選用符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)型號(hào)的鉆機(jī)鉆孔，使用少量泥漿固壁造孔，并記錄鉆孔詳細(xì)過(guò)程。

5.3制作泥漿

劈裂灌漿主要是利用泥漿在堤壩體中固結(jié)硬化后形成的帷幕進(jìn)行防滲，因此，泥漿在壩體內(nèi)能否固結(jié)硬化，是堤壩工程劈裂灌漿施工中最關(guān)鍵的問(wèn)題。

影響劈裂灌漿漿液流動(dòng)、固結(jié)的因素十分復(fù)雜，漿液固結(jié)速率和效果不但與壩體土質(zhì)、施工質(zhì)量、壩體應(yīng)力狀態(tài)、漿體土料性質(zhì)、漿體厚度等因素有關(guān)，而且還受堤壩前水位、施工工藝的影響。因此，在進(jìn)行漿液的配置時(shí)，要充分考慮到漿液具有可灌性好、吸水固結(jié)快和高穩(wěn)定性等特點(diǎn)，配制防滲性強(qiáng)的漿體。正常情況下，干料與水之比為0.80～1.10，漿液密度不小于1.50g/cm3。

具體要求參見(jiàn)表1、下頁(yè)表2。

表1　劈裂灌漿土料選擇

表2　劈裂灌漿漿液物理力學(xué)性能

5.4劈裂灌漿施工

灌漿壓力是劈裂灌漿技術(shù)施工中的一個(gè)重要控制指標(biāo)。如果灌漿壓力大于裂縫的擴(kuò)展壓力，裂縫會(huì)隨著鉆孔開(kāi)裂，漿液灌入堤壩體形成防滲帷幕，對(duì)堤壩體加固起到很好的作用。劈裂壓力設(shè)計(jì)通常分為3級(jí)，包括起始劈裂壓力、屈服壓力和單孔最大壓力。但由于堤壩類型、高度和組成成分不同，堤壩體的劈裂壓力也就不相同，因此，最佳劈裂灌漿壓力最好在現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)試驗(yàn)確定。通常情況下，配備2臺(tái)灌漿泵，灌漿壓力選擇0.28MPa。

每孔每次平均灌漿量根據(jù)孔深計(jì)算，每米孔深灌漿量控制在0.50～1m3,灌漿次數(shù)5次以上。注漿管下到鉆孔底部0.50～1m處，啟動(dòng)灌漿泵，漿液從壓力較大處自下而上流向壓力較小處，充填堤壩工程裂隙。每次灌漿后，將注漿管提出，避免孔口冒漿或堵塞孔底。每個(gè)孔內(nèi)復(fù)灌次數(shù)不少于4次，灌漿時(shí)間間隔為5d。

5.5封孔

當(dāng)?shù)虊雾斄芽p長(zhǎng)度和寬度達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)定值時(shí)，停止灌漿，拔出灌漿管，在孔內(nèi)注滿容重不小于1.50t/m3的稠漿，直到漿面升至堤壩頂不再下降，然后進(jìn)行封孔。

6劈裂灌漿質(zhì)量控制

灌漿過(guò)程中，出現(xiàn)的一些技術(shù)性問(wèn)題如果不能及時(shí)得到處理，會(huì)對(duì)工程質(zhì)量造成影響。灌漿初期, 堤壩工程內(nèi)外壩坡出現(xiàn)冒漿情況時(shí)，要沿著壩體裂縫填充，并采取降壓、間歇灌漿等方法進(jìn)行處理，直到符合灌漿標(biāo)準(zhǔn)；灌漿中后期，會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)堤壩面縱向裂縫，說(shuō)明堤壩體已經(jīng)充填密實(shí)，漿液就會(huì)沿著最小主應(yīng)力方向出現(xiàn)縱向劈裂，這時(shí)可采取間歇灌漿方式進(jìn)行處理，待濃漿溢出后停止灌漿，然后每間隔3～8h灌入1次，反復(fù)3次即可；如果堤壩面裂縫沒(méi)有回彈，可將濃漿多次灌入裂縫直至封縫。

7結(jié)語(yǔ)

應(yīng)用于水庫(kù)大壩及河道堤防等堤壩工程防滲加固處理中的劈裂灌漿技術(shù)，與混凝土防滲墻等其他防滲加固技術(shù)比較，具有設(shè)備簡(jiǎn)單、用料來(lái)源廣泛、造價(jià)低、操作方便、施工快等優(yōu)點(diǎn)，在堤壩工程防滲處理中，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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