水泥膨潤土劈裂灌漿技術(shù)在長春嶺水庫防滲加固中的應(yīng)用

裘建平,葛國昌,2

(1.浙江省水利河口研究院,浙江 杭州 310020;2.浙江廣川工程咨詢有限公司,浙江 杭州 310020)

1 工程概況

長春嶺水庫位于舟山市定海區(qū)馬岙鎮(zhèn),集雨面積5.41 km2,總庫容410萬m3,是一座以灌溉、供水為主的小 (1)型水庫。主要樞紐建筑物包括大壩、溢洪道、輸水洞等。大壩為均質(zhì)土壩,壩頂長180 m,壩頂寬4.0 m,最大壩高32.0m。壩體填土為含礫粉質(zhì)黏土,土質(zhì)疏松,弱～中等透水性。壩基為粉質(zhì)黏土混碎 (礫)石,稍密～中密,弱～中等透水性。兩壩肩及壩基下部巖性為中等風(fēng)化晶屑熔結(jié)凝灰?guī)r,巖質(zhì)致密堅(jiān)硬,熔結(jié)度較高,弱透水性。

該水庫建于20世紀(jì)60年代初,限于當(dāng)時(shí)的經(jīng)濟(jì)和技術(shù)條件,建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)低,水庫經(jīng)過近50 a的運(yùn)行使用,存在許多安全隱患。在2003年小型水庫安全技術(shù)認(rèn)定中,該水庫大壩被定為三類壩,亟需進(jìn)行除險(xiǎn)加固工作,2007年列入浙江省千庫保安工程建設(shè)計(jì)劃。

2 工程存在的主要問題

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)踏勘、地質(zhì)勘察及資料分析,大壩主要存在以下問題:

(1)整體結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定,背水坡抗滑穩(wěn)定達(dá)不到規(guī)范要求;

(2)大壩壩體壓實(shí)度和抗?jié)B性不能滿足規(guī)范要求;

(3)壩體單薄,壩頂寬度不足,防浪墻沉降變形嚴(yán)重。

3 大壩防滲加固方案選擇

針對(duì)該工程大壩壩體和基礎(chǔ)土質(zhì)情況,從技術(shù)可行性、投資、防滲效果等方面確定對(duì)壩體劈裂灌漿+壩基帷幕灌漿和壩體高壓噴射注漿+壩基帷幕灌漿2個(gè)方案進(jìn)行比選。

3.1 劈裂灌漿方案

劈裂灌漿是在自重充填灌漿的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,水利科學(xué)工作者經(jīng)過多年探索應(yīng)用壩體固有的應(yīng)力狀況,通過對(duì)灌漿機(jī)理的研究,在灌漿工藝上有了較大的突破,它比充填式灌漿效果更好。所謂劈裂灌漿,即沿壩軸線布置灌漿孔,利用灌漿壓力,劈開裂縫,灌入泥漿形成一道近于垂直并連續(xù)的縱向漿體防滲帷幕,解決土壩壩體的滲透穩(wěn)定問題,同時(shí)通過灌漿壓力的劈裂擠壓作用,補(bǔ)充土壩壩體某些局部土區(qū)的小主應(yīng)力不足,恢復(fù)壩體的應(yīng)力平衡,解決變形穩(wěn)定問題。該技術(shù)在1991年正式列為浙江省水利領(lǐng)域的新技術(shù)推廣項(xiàng)目。

土壩劈裂灌漿技術(shù),通過20多年的工程應(yīng)用,處理了成百上千座的病險(xiǎn)水庫。但是也存在一些問題,比如,其一:壩體內(nèi)灌入的大量泥漿是通過排水固結(jié)的,由于我省土壩多為黏性土填筑,且壩體含水率高、排水條件差,因此灌入壩體內(nèi)的泥漿排水固結(jié)緩慢,有些幾年甚至十幾年都沒有完全排水固結(jié),這就會(huì)影響壩體的穩(wěn)定;其二:原劈裂灌漿的工藝為孔口封閉全孔灌注的方法,灌漿形成的幕體多呈橄欖形即上下薄中間厚,理想的防滲幕體應(yīng)為下寬上薄,呈紡錘狀;其三:原劈裂灌漿的施工進(jìn)度由漿體的排水固結(jié)時(shí)間來安排,每復(fù)灌1次即幕體增厚1層,由于浙江大多土壩排水條件均較差,如按實(shí)際的排水固結(jié)時(shí)間來控制復(fù)灌,那施工期會(huì)很長,故在實(shí)際工程施工時(shí),多采用5～7 d的復(fù)灌間隔時(shí)間,其結(jié)果是幕體厚度薄,且幕體的垂直橫斷面木紋結(jié)構(gòu)形式不明顯。鑒于如上所述存在的問題,我們?cè)诠こ虒?shí)踐中不斷地摸索、總結(jié)經(jīng)驗(yàn),目前劈裂灌漿已發(fā)展成浙江省獨(dú)特的一門技術(shù),即一是將純泥漿的灌漿材料改用水泥黏土漿,在當(dāng)?shù)貨]有合適的土料場(chǎng)情況下,改用水泥膨潤土漿,利用水泥的固結(jié)性能控制漿液的凝固時(shí)間和適宜的固結(jié)體強(qiáng)度指標(biāo),由于采用了“自凝漿液”,大大縮短了復(fù)灌間隔時(shí)間,加快了施工進(jìn)度;二是通過下套管保護(hù)壩體,由下而上灌1段拔1段,真正做到內(nèi)劈外不裂,避免或延長壩頂劈開時(shí)間,增加幕體中下部厚度;三是在制泥漿時(shí)采用過篩和沉降法控制漿液的含砂量,同時(shí)摻加適宜的減水劑,使?jié){液具有較好的流動(dòng)性和可灌性。

3.2 高壓噴射注漿方案

高壓噴射注漿是利用鉆機(jī)把帶有噴嘴角的注漿管鉆進(jìn)至土層預(yù)定的位置后,以高壓設(shè)備使?jié){液從噴嘴中噴射出來,沖擊破壞土體,使?jié){液和土體混合,漿液凝固后,便在壩體中形成1道水泥土固結(jié)防滲體。高壓噴射注漿可分為定噴、擺噴、旋噴3種,可根據(jù)工程需要選擇高壓噴射設(shè)備和防滲體結(jié)構(gòu)型式。

高壓噴射注漿具有:適用范圍較廣,施工簡(jiǎn)單,固結(jié)體形狀可以控制,有較好的耐久性,相對(duì)壓力灌漿其漿液不易擴(kuò)散流失,環(huán)境污染較小等優(yōu)點(diǎn)。

根據(jù)2個(gè)方案的比較認(rèn)為:劈裂灌漿設(shè)備工藝簡(jiǎn)單、操作方便、工期短,且造價(jià)低;高壓噴射注漿適用范圍較廣,施工簡(jiǎn)單,固結(jié)體形狀可以控制,有較好的耐久性,相對(duì)壓力灌漿其漿液不易擴(kuò)散流失,環(huán)境污染較小。但高壓噴射注漿在浙江省沒有應(yīng)用的先例,施工經(jīng)驗(yàn)不足且造價(jià)偏高。故確定本次大壩防滲加固擬采用壩體劈裂灌漿結(jié)合壩基帷幕灌漿方案。

4 大壩防滲加固設(shè)計(jì)

4.1 壩基帷幕灌漿

(1)灌漿孔軸線:帷幕灌漿孔布置在原壩軸線上。

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(2)灌漿段壩長174.33 m,孔距1.5 m,布孔117只,孔號(hào)為1#～117#,樁號(hào)為0+000.0～0+174.33 m。

(3)灌漿順序:分Ⅲ序施灌,Ⅰ序孔間距6.0 m,Ⅱ序孔間距3.0 m,Ⅲ序孔間距1.5 m。

(4)鉆孔方法:壩體土用干法造孔,壩基用回轉(zhuǎn)鉆機(jī)沖水造孔,鉆孔進(jìn)壩體必須用套管保護(hù)。

(5)灌漿段長:灌漿孔段采用鉆機(jī)清水造孔,孔徑為108 mm,接觸段灌漿段長1.0 m,以下小于4.0 m,施工時(shí)接觸段灌漿時(shí)套管下至壩基面,含礫質(zhì)土層灌漿時(shí)套管需跟進(jìn),基巖灌漿時(shí)套管下至基巖面不需跟進(jìn)。

(6)帷幕孔深度:孔深深入相對(duì)不透水層5.0 m,終孔深度以基巖透水率q≤5 Lu控制,含礫質(zhì)土以透水率q≤10 Lu控制。

(7)灌漿材料及配合比:采用42.5級(jí)普硅水泥,漿液比用6級(jí)控制,分別為5、3、2、1、0.8、0.6(或0.5)。

(8)洗孔與壓水試驗(yàn):鉆孔結(jié)束后,即沖洗鉆孔至回水澄清,灌漿前須進(jìn)行簡(jiǎn)易壓水試驗(yàn),壓水試驗(yàn)壓力為灌漿壓力的0.8倍。

(9)灌漿壓力:由 P=P0+mD式計(jì)算,P為灌漿壓力(MPa),P0為表面地段允許的壓力 (取0.05 MPa),m為灌漿段頂板在巖石中每加深1 m所允許的壓力值(取0.025 MPa),D為灌漿段頂板以上巖石厚度。

(10)封孔:壩體部分采用1∶3的水泥膨潤土漿,壩基用0.5∶1水泥漿,采用機(jī)械壓漿法。

(11)灌漿期水位控制:河槽段灌漿時(shí),水位低于36 m高程;岸坡段灌漿時(shí),水位低于40 m高程。

4.2 壩體劈裂灌漿

(1)灌漿孔布置:在原壩軸線上、下0.8 m處各布孔1排,即2排孔,排距為1.6 m,鉆孔為梅花形布置。

(2)灌漿范圍:樁號(hào)0+0.000～0+172.5 m,孔距1.5 m,布孔116只,孔號(hào)為1#～116#,造孔深度為壩基面,灌漿上限為原壩頂以下2 m止。

(3)灌漿順序:分Ⅲ序施灌,先灌下游排孔,待下游排孔全部施灌結(jié)束后,再灌上游排孔。Ⅰ序孔間距6.0 m,Ⅱ序孔間距3.0 m,Ⅲ序孔間距1.5 m。

(4)鉆孔方法:壩體土用干法造孔,孔徑≥75 mm。

(5)灌漿方法:鉆孔為1孔到底,壩體用套管護(hù)壁。灌漿采用自下而上拔管法進(jìn)行,即拔1段灌1段,灌漿段長≤5 m1段。

(6)灌漿材料與漿液指標(biāo):灌漿用土為袋裝鈣基膨潤土,水泥為42.5級(jí)普硅水泥,水泥膨潤土漿液密度為1.35～1.50 g/cm3,黏度30～50 s,配比為水泥∶膨潤土∶水=1∶3∶4～6,28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度約0.55 MPa,28 d滲透系數(shù)約1×10-7cm3/s。制漿時(shí)需摻加預(yù)先試驗(yàn)確定的高效減水劑以降低漿液的黏度。

(7)灌漿壓力估算:允許最大充灌孔口壓力由△P≤Rh+δ t-γ′h′估算,式中:R為壩體土的密度,取值 1.9 t/m3;h為計(jì)算點(diǎn)以上的壩高;δ t為土的單軸抗拉強(qiáng)度,取值3.0 t/m2;γ′為泥漿密度,由當(dāng)時(shí)的實(shí)際密度確定;h′為泥漿柱高。最大灌壓(表壓力)原則上控制在≤0.05MPa。

(8)泥漿密度為1.35～1.55 g/cm3的膨潤土漿。

(9)灌漿控制:灌漿段的單次灌漿量,以每米孔深0.1 m3左右控制。每段灌漿的間隔時(shí)間以漿液初凝時(shí)間確定。每次灌漿時(shí),注漿管出口位置在距離孔底以上0.3 m為宜。

(10)封孔:當(dāng)最后一段灌漿結(jié)束后,拔去護(hù)壁套管,然后用≥1.50 g/cm3密度的濃漿封孔,漿面下降須補(bǔ)漿,直至不再下降為止。壩頂裂縫采用開挖回填方法處理。

(11)觀測(cè)樁埋設(shè)與觀測(cè):在灌漿施工前需布置至少3個(gè)斷面的觀測(cè)樁,觀測(cè)樁可用木樁或混凝土樁,樁身須座落在壩體的實(shí)土上。灌漿日觀測(cè)不少于2次,待灌日為1次,相對(duì)水平位移控制在3 cm以內(nèi)。

5 大壩防滲加固效果

大壩防滲加固后,分別對(duì)壩體劈裂灌漿和壩基帷幕灌漿進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢查孔試驗(yàn),壩體22只注水試驗(yàn)檢查孔的滲透系數(shù)均≤10-5cm3/s,壩基15只壓水試驗(yàn)檢查孔的透水率＜10 Lu,滿足設(shè)計(jì)和有關(guān)規(guī)范要求。水庫施工完成后已經(jīng)歷臺(tái)風(fēng)“圓規(guī)”及高水位考驗(yàn),大壩外觀無異常變形,壩體無滲漏,保證了人民生命財(cái)產(chǎn)安全,農(nóng)業(yè)灌溉、城市供水緊張的狀況也得到一定程度的緩解。

6 結(jié) 語

本文通過對(duì)水庫大壩隱患的勘探與分析,針對(duì)大壩壓實(shí)度和抗?jié)B性不能滿足規(guī)范要求的特點(diǎn),因地制宜地采取壩體劈裂灌漿的防滲加固方案,同時(shí)針對(duì)以往土壩劈裂灌漿存在的問題,對(duì)灌漿材料及施工工藝進(jìn)行了發(fā)展改進(jìn)。利用水泥膨潤土漿的“自凝性”,大大縮短了灌漿施工期;通過下套管,避免或延長了壩體開裂時(shí)間,幕體成型更趨合理。實(shí)踐表明,改進(jìn)的壩體劈裂灌漿法用于土壩壩體防滲加固,不僅技術(shù)上可行,經(jīng)濟(jì)效益也是顯而易見的。

[1]中華人民共和國水利部.土壩壩體灌漿技術(shù)規(guī)范(SD 266—88)[S].北京:中國水利水電出版社,1989.

[2]白永年,劉憲奎.土壩壩體和堤防灌漿 [M].北京:水利電力出版社,1985.

[3]郭玉花.國外水泥灌漿新技術(shù)[M].北京:水利電力部科技情報(bào)研究所,1987.

[4]李茂芳,孫釗.大壩基礎(chǔ)灌漿 [M].北京:水利電力出版社,1976.