高压摆喷及坝体劈裂灌浆技术在水库除险加固工程中的应
用
[摘要]文章结合茂名市黄沙水库除险加固工程高压摆喷灌浆及坝体劈裂灌浆实例,探讨灌浆技术的应用,供相关专业人士参考。
[关键词]除险加固;高压摆喷灌浆;坝体劈裂灌浆 [作者简介]卢文海,茂名市水利水电勘测设计院工程师,研究方向:水利工程设计、监理,广东茂名,525000 [中图分类号] TV697 [文献标识码] A [文章编号] 1007-7723(2010)04-0091-0003
一、工程概况
黄沙水库大坝全长375m、高38m,现状坝顶高程124.4m。坝两端是40°～70°的山坡。根据黄沙水库现场检测及大坝安全鉴定相关成果分析,大坝上游坡粘土斜墙顶高程仅为105.0m,远低于正常水位119.5m;坝基未作防渗处理,上游坡粘土斜墙未能有效截断坝基相对透水层,整个防渗斜墙高度和深度均不足,坝身填土的密实度不均匀,坝基渗透系数较大,透水性较强,现有大坝防渗体系不能有效保证大坝渗流及抗滑稳定安全。其下游是国家重要的石油化工基地茂名市,水库失事将造成重大灾害。2006年6月,国家防总、水利
部将黄沙水库列入全国防洪重点水库之一。为此, 采用坝体劈裂灌浆结合坝基高压喷射灌浆方案及坝肩充填灌浆进行防渗处理。
二、灌浆防渗设计方案
黄沙水库大坝灌浆防渗设计方案:坝体劈裂灌浆+坝基高压喷射灌浆(摆喷)+坝肩充填灌浆。
高压喷射灌浆构筑截渗砼幕墙,是解决水库坝基防渗问题的较好方案。经专家组充分论证,设计采用高压摆喷灌浆幕墙解决水库坝基防渗方案。本着确保大坝安全的前提下节约工程投资的原则,坝体劈裂灌浆,坝肩充填灌浆。 (一)坝体劈裂灌浆
坝体劈裂灌浆是指在坝体的填土层、冲积土层、残积土层及坝基接触面采用劈裂灌浆。劈裂灌浆的机理是沿土坝轴线小主应力面,用一定的泥浆压力人为地劈开坝体,灌注泥浆,利用浆坝互压,泥浆析水固结和坝体湿陷密实等作用,使所有与浆脉连通的裂缝、洞穴等隐患得到充填、挤压密实,形成竖直边浆体防渗墙。同时,由于灌浆压力在坝体内部所产生的应力再分配,也能改善坝体的应力状态,促进变形稳定。坝体劈裂灌浆按双排孔布置,孔距3.0m,孔径110mm,排距2.0m,孔深伸入建基面以下2m,形成防渗泥墙的厚度不小于0.3m。 (二)坝肩采用充填灌浆
双排孔布置,孔距为2m。施工时,先钻灌一序孔,后在序
孔中间等分插灌二序孔。坝体灌浆防渗泥墙设计厚度0.3m。 (三)坝基处理采用高压喷射灌浆(摆喷)
平行坝轴线单排孔布置,孔距为1.2m,深入相对不透水层(q=5Lu)约2m。劈裂灌浆与高压喷射灌浆的搭接长度大约2m。坝基高压喷射灌浆幕体厚度≥15cm。高压喷射灌浆是利用能量较大的水气同轴喷射切割掺搅地层,采用三管法,喷射介质为水、水泥基质浆液和压缩空气,使喷射管做一定角度的摆动和提升运动,利用高压水形成高速喷射流束,冲击、切割、破碎地层土体,并以水泥基质浆液充填、掺混其中,形成扇形断面板墙状的凝结体,以提高坝体防渗能力的施工技术。高喷灌浆分为旋喷、摆喷和定喷三种形式。 三、 高压摆喷防渗幕墙设计参数的确定
水库坝体防渗幕墙成墙形式采用单排高压摆喷交叉型。
(一)摆喷孔距的确定
孔距是影响防渗墙质量和造价的重要因素,因此选定合适的孔距非常重要。参考类似工程的实际经验,设计选定孔距为1.2m。
(二)摆喷角度的确定
根据《水工建筑物防渗工程高压喷射灌浆技术规范》,参照已成类似工程经验,设计选定摆角为25°,摆喷轴线与防渗墙轴线夹角30°。
(三)摆喷幕墙其他参数及技术指标
设计最小成墙厚度20cm;设计要求钻孔孔斜率小于1%。高压摆喷防渗幕墙的技术指标:渗透系数K≤10-5cm/s,抗压强度R28≥5MPa,允许渗透坡降J>50。 (四)摆喷施工主要技术参数
高压喷射灌浆形成防渗墙属于隐蔽工程施工,因此必须选择合适的工艺参数才能保证施工质量。按照设计要求和传统做法,拟选定施工参数如下:
四、 高压摆喷主要施工要求与技术控制
高压摆喷灌浆施工工序为:布孔、钻孔、制浆、高压灌浆、静压回灌。主要施工设备有:XY-2型地质钻机、高喷台车、制浆机、高压水泵、空压机、灌浆泵。 (一)钻孔施工要求与技术控制
采用不小于中Φ110mm回转钻机泥浆护壁钻进成孔;开孔时要求开孔位置与设计孔位偏差不大于50mm,钻孔施工顺序应按二序、逐渐加密原则进行,先施工I序孔(奇数S/L),再施工II序孔(偶数孔),然后施工加密孔;钻孔施工时采取孔口埋设2m左右孔口护壁管等预防孔斜措施,并进行孔斜测量,保证孔斜不超过1%;钻孔的有效深度应超过设计孔深0.3m;钻进中选取部分I序孔作为先导孔,采取芯样、划分层位,其深度超过设计孔深0.3m。钻进时应详细记录孔位、孔深、地层变化和漏浆、掉钻等特殊情况。钻进暂停或终孔待喷时,裸孔
应加以保护。
(二)制浆过程要求与技术控制
1.浆液材料。高压喷射灌浆应采用合格的325普通硅酸盐水泥;高喷灌浆过程中,根据需要可以在水泥浆液中掺入掺和料和其他外加剂,但掺和料和外加剂的种类及掺入量应通过试验来确定。
2.制浆。制浆材料称量采用重量法,要求误差不大于5%,浆液水灰比控制在0.8∶1,浆液密度不小于1.5g/cm3。 3.浆液质量控制。在高压喷射注浆过程中,应不断地检测进浆和回浆浆液的密度,发现浆液密度出现异常情况须立即查明原因,并按照灌浆过程特殊情况的处理办法进行处理。 (三)灌浆施工要求与技术控制
根据高喷试验开挖和钻孔取芯、注水试验后对试验技术参数进行修正,确定最优技术参数,再进行高喷灌浆幕墙施工。
施工过程应严格执行相关规范,钻孔经验收合格后,方可进行高喷灌浆。灌浆前应做好充分的准备工作,三重管下入孔底的深度与实际钻孔深度的差值应不大于0.1m;如达不到设计深度,必须重新扫孔至设计深度,并按规定速度提升和摆动喷射装置。在高喷灌浆过程中,出现压力突降或突升、孔口回浆浓度或回浆量异常情况时,应查明原因及时处理;孔内出现严重漏浆时,应根据地层情况分别采取以下措施进行处理:
降低喷射管提升速度或停止提升;降低压力、流量,进行原地灌浆;在浆液中掺加适当的速凝剂;加大浆液浓度灌注水泥砂浆、水泥粘土浆等。若发生串浆,应填堵被串孔,待灌浆孔高喷灌浆结束后,应尽快进行被串孔扫孔、灌浆或继续钻进。处理事故或换管重新喷射时,将喷射装置下放至原位置以下0.3m重复喷射,确保搭接长度不小于0.3m。高压喷射注浆完毕后,应及时进行回灌,避免高喷灌浆后由于地层中的浆液的析水、收缩而使帷幕上部墙体产生空缺现象,影响墙体的质量。回灌浆液可采用喷射邻孔的回浆,或采用水灰比0.5:1的浓水泥浆进行回填。
五、坝体劈裂灌浆、充填灌浆主要施工要求与技术控制
依据《土坝坝体灌浆技术规范》SD266-88规定,坝体劈裂灌浆、充填灌浆工艺流程是:定孔位-验收合格-钻孔-验收合格-埋管-验收合格-制浆-验收合格-灌浆-验收合格-封孔。 (一)定孔
按设计图纸提供的灌浆轴线,首先要求甲方对钻孔轴线进行放线、定孔位,孔口高程S6水平仪进行测量,施工前应对桩号、孔号、孔位进行校验,偏差严格控制在5cm范围。 (二)造孔
校对钻孔编号、位置,然后将钻孔对准孔号位置,孔位偏差不得超过5cm,用水平尺校正钻机的平稳性及垂直度,保持
钻机垂直偏差度小于1度,钻机孔斜不得大于孔深2%,开始造孔,造孔方式采用回转成孔或泥浆护壁湿钻法,孔径为110mm,钻至设计孔深后埋下直径1寸工作管,供灌浆使用。 (三)制浆
1.为满足灌浆的质量要求,必须对土料进行选择,将符合规范要求的粘土按不同的水土比(重量比)把水和粘土送进泥浆搅拌机进行搅拌,搅拌均匀后经过筛(筛孔5mm×5mm)流入一级浆池(沉淀),后流入二级浆池(净浆池)。经拌和桶调剂成所需的浆液容重供灌浆使用,并经常对净浆池的浆液进行物理性能的测试(甲方负责现场测试)。
2.为提高泥浆的流动性、稳定性,加速浆液凝固或提高后期强度等目的,可以掺入适量的外加剂水土比,一般情况经验取值:充填灌浆按1.4∶1～1.2∶1的浆液施灌,劈裂灌浆按1.2∶1～0.8∶1的浆液施灌。 (四)灌浆 1.灌浆方法
灌浆采用孔底注浆全孔灌注方法进行,灌注纯粘土浆。注浆管下至距孔底≥0.5m处。劈裂灌浆先灌河槽段,后灌河岸段,先灌Ⅰ序孔,后灌Ⅱ序孔;充填灌浆应先灌上游排孔,再灌下游排孔。 2.灌浆孔口压力
坝体劈裂、充填灌浆据不同孔深相应控制不同的孔口
压力,灌浆控制压力按如下原则确定:
(1)劈裂灌浆压力控制在0.2～0.4MPa以内;充填灌浆压力应小于4.9×104Pa。
(2)灌浆压力是劈裂、充填灌浆施工中的重要控制指标。它一方面关系到坝体在施工过程中的安全,另一方面是对浆液能否在坝体中劈开一道纵向裂缝,形成完整的防渗帷幕起着至关重要的作用,并派出专人对现场的压力表观测记录,压力值不得超过最大允许灌浆压力。 3.灌浆综合控制
灌浆是施工的中心环节。全过程实施灌浆综合控制,包括每次灌量控制;灌浆压力控制;坝肩横向位移控制;裂缝展开度及四弹比控制等。这些控制是相联系进行的,每次灌量以每次每米超过0.4MPa原则,坝面裂缝要求控制在3cm内弹比不小于50%;充填式灌浆应尽量避免坝面出现裂缝。 4.终灌标准
(1)每孔灌浆次数不少于5次。
(2)孔口压力连续三次达到设计要求,并能稳定在20分钟以上。
(3)当浆液升至孔口,经连续复灌3次不再吃浆。 只要满足上述(1)、(2)、(3)三点的其中一点要求,即可结束某孔灌浆。
(五)封孔及坝面处理
每孔灌浆完毕后将灌浆管拔出,往孔内注满容重大于1.5t/m3的稠浆,待孔内浆液下沉后,再灌满稠浆直至孔内浆液饱满,然后用粘土封填夯实。最后坝面填土夯实,使坝顶平整并达到原坝顶高程。 (六)其他观测
冒浆串浆、渗漏量、测压管水位、背水坡湿润区等,在灌浆前和灌浆期间定期观测记录,并进行分析判断对比灌浆效果。 六、结语
实践证明,黄沙水库大坝除险加固工程设计采用灌浆防渗设计方案:坝体劈裂灌浆 +坝基高压喷射灌浆(摆喷)+坝肩充填灌浆对坝体进行除险防渗是正确的,取得了理想的效果,为类似除险加固工程方案选择提供了成功的经验。
