潘選明 陳文晉
(曲靖市水利水電開發(fā)有限責(zé)任公司 云南曲靖 655000)
隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,水利建設(shè)的速度也越來越快,小型水庫的除險加固工程也越來越多。石灰窯水庫除險加固工程中,針對土壩壩體灌漿設(shè)計,筆者根據(jù)土壩的特點,結(jié)合以往施工的多項工程的經(jīng)驗,提出了優(yōu)化土壩壩體灌漿設(shè)計方案,實施后灌漿效果非常好。近年來,大壩壩體防滲采用塑性混凝土防滲墻與壩基帷幕灌漿相結(jié)合的方案取得了較好的防滲效果。但是,由于受資金、地質(zhì)及施工條件等的影響,多數(shù)小型水庫對壩體的防滲還是采用帷幕灌漿的處理辦法。因此,為了確保土壩壩體灌漿的效果,避免工程造成浪費,本文結(jié)合石灰窯水庫土壩壩體灌漿,對土壩壩體灌漿的設(shè)計理念和施工技術(shù)進(jìn)行了深入探討,對施工中遇到的一些問題提出了解決的辦法,可為其它類似土壩工程壩體灌漿施工提供參考。
石灰窯水庫是一座以灌溉為主、兼以防洪調(diào)節(jié)的?。ㄒ唬┬退こ?。水庫集雨面積4.7km2,總庫容161.5萬m3,始建于1958年。大壩為均質(zhì)壩,壩頂寬3m,壩長55.6m,最大壩高21.6m。存在的主要問題之一是壩體、壩基滲透系數(shù)達(dá)不到規(guī)范的要求。正常蓄水位情況下,下游壩坡出現(xiàn)大面積滲漏潮濕區(qū)(散浸),面積達(dá)440m2;下游壩坡中部右側(cè)靠近山體處有一集中漏水點,滲漏量為 0.14m3/s;壩腳排水棱體后滲漏量為1.63m3/s。水庫大壩除險加固采用土壩壩體灌漿防滲,壩體與壩基接觸帶、壩基實施了帷幕灌漿,從而實現(xiàn)整體帷幕的防滲效果。工程于 2009年1月開工,2009年6月完工。
長期以來,土壩壩體灌漿僅被理解為滲透和充填兩種機理。把對地基灌漿的認(rèn)識和工藝用于土壩壩體灌漿,雖然也取得了一定效果,但由于未抓住土壩的特點而達(dá)不到理想的目的。其實土壩壩體作為被灌體,它與地基有本質(zhì)上的區(qū)別。土壩壩體是人工堆筑成的長條形土料(含粒黏土或粉質(zhì)黏土)建筑物,為梯形斷面。從力學(xué)方面分析,大壩任一單元體均受到三向應(yīng)力的作用。一組為壩體上下游方向的最大主應(yīng)力σ1;另一組為自重即垂直方向的中間主應(yīng)力σ2;第三組為左右方向的最小主應(yīng)力σ3。顯然三向應(yīng)力其大小為σ1>σ2>σ3。因此,壩體在壩軸線附近有一個弱應(yīng)力面(見圖1)。土壩壩體灌漿應(yīng)與地基灌漿有所不同,土壩的特點必然反映在灌漿方法中。
圖1 壩體單元三向應(yīng)力分布狀態(tài)圖
土壩壩體灌漿的實踐證明,壩土極易產(chǎn)生劈裂,土壩壩體灌漿的機理主要為劈裂式,其中包括了充填。若壩土中無裂縫、空洞,即使細(xì)小顆粒的水泥黏土混合漿也難滲入或充填到壩體土粒孔隙中。要在滲漏的黏性土壩壩體中建立防滲帷幕,除了靠漿液自重以外,還必須施加一定的壓力,這樣,漿液必然首先沿壩體弱應(yīng)力面劈裂壩土產(chǎn)生裂縫,而后充填之。灌漿時,壩體河槽段壩頂橫向受拉,易出現(xiàn)縱向劈裂縫;岸坡段壩頂縱向受拉,常出現(xiàn)橫向劈裂縫。通過灌漿時的“漿壓壩”、停灌后的“壩壓漿”的多次循環(huán)反復(fù)。因勢利導(dǎo)地把土壩壩體壩軸線附近的弱應(yīng)力面和劈裂灌漿有機的結(jié)合起來,以在壩體中形成一道近于垂直連續(xù)、保有一定厚度的漿體防滲帷幕,解決土壩壩體滲漏的問題。
石灰窯水庫大壩壩體、壩基與基巖結(jié)合部、基巖設(shè)計進(jìn)行垂直帷幕灌漿防滲處理。大壩帷幕灌漿孔沿老壩軸線偏下游2.82m處布置,建立帷幕灌漿長80m,單排孔,孔距2.0m。布置灌漿孔41個,布置質(zhì)量檢查孔4個,共計45孔。帷幕灌漿孔分三序施工,帷幕底界原則上應(yīng)進(jìn)入弱透水層 5m(q<10Lu)。
(1)采用純壓式灌漿法自上而下分段充填灌漿的方法和方式進(jìn)行施工;
(2)帷幕灌漿采用強度等級 PO.42.5普通硅酸鹽水泥;
(3)帷幕灌漿段長度一般為 5~6m,特殊情況下適當(dāng)縮短或加長,但不得大于10m;結(jié)合部段長控制為2.5m,其中巖石長度1.5m,壩土段長1m;
(4)壩土段灌漿待凝時間為24小時,基巖待凝時間為8小時;
(5)各灌漿孔段,不論透水率大小均應(yīng)嚴(yán)格按照技術(shù)要求進(jìn)行灌漿;
(6)漿液配合比及漿液濃度的選用:壩體采用水泥:黏土=1:2的水泥黏土漿灌注;壩體及基巖結(jié)合部采用水泥:黏土=1:1的水泥黏土漿灌注;基巖采用純水泥漿灌注;
(7)防滲標(biāo)準(zhǔn):經(jīng)灌漿后使防滲帷幕內(nèi)壩身土體滲透系數(shù)K<1×10-4cm/s;結(jié)合部及基巖內(nèi)的透水率q<10Lu。
針對石灰窯水庫土壩壩體灌漿設(shè)計,筆者根據(jù)土壩的特點,結(jié)合以往施工的多項工程的經(jīng)驗,提出了如下優(yōu)化土壩壩體灌漿部位設(shè)計方案:
(1)土壩壩體部位灌漿不宜采用原設(shè)計的“自上而下分段充填灌漿的方法”即地基灌漿的方法進(jìn)行施工。而應(yīng)采用“自下而上分段劈裂式灌漿的方法”進(jìn)行。亦即按先施灌結(jié)合部段,然后依次施灌壩基段,最后進(jìn)行土壩壩體段劈裂式灌漿。
(2)根據(jù)黏性土壩的特征,土壩壩體劈裂式灌漿不能單純的按規(guī)范要求的“全孔孔底自流式灌注的方法灌漿”,采用自下而上分段(段長≯10m)止?jié){,分段逐漸向上劈裂直至壩頂?shù)墓酀{方法,且應(yīng)采用一定的灌漿壓力。
(3)終灌標(biāo)準(zhǔn)。不按地基灌漿的終灌標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行,而是按土壩壩體劈裂式灌漿的終灌標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行,即當(dāng)漿液升到孔口或壩頂連續(xù)劈裂冒漿3次以上時即可認(rèn)為灌漿已達(dá)飽、滿、實要求,可以終灌。
土壩壩體灌漿施工次序:灌漿軸線確定及布孔→灌漿試驗→Ⅰ序孔灌漿→Ⅱ序孔灌漿→Ⅲ序孔灌漿→等待→灌漿質(zhì)量檢查孔施工。
具體施工程序如下所述。
進(jìn)行灌漿施工前,先根據(jù)施工場地的地形及招標(biāo)文件的要求,對場地進(jìn)行合理的布置。由于石灰窯水庫大壩壩頂寬 3m,壩長 55.6m,制漿站、配漿站及灌漿系統(tǒng)布置在左壩肩的壩軸線下游側(cè)。
施工前準(zhǔn)備主要有黏土堆料場、水泥庫房、黏土制漿站、配漿站及灌漿系統(tǒng)的準(zhǔn)備,施工平臺、鉆孔機具設(shè)備、供水供電等準(zhǔn)備工作。堆料場、水泥庫房占地面積為80m2,制漿站、配漿站及灌漿系統(tǒng)占地約為60m2。配備的設(shè)備有黏土制漿機 2臺、灰漿攪拌機 2臺、3SNS型灌漿機 2臺、水泵2臺、地質(zhì)鉆機4臺、測斜儀1臺等。
在灌漿設(shè)計之前,必須進(jìn)行灌漿試驗,以論證劈裂灌漿的可行性、可灌性及灌漿設(shè)計的各種技術(shù)參數(shù),如壩體土的物理力學(xué)性質(zhì)、灌漿孔排數(shù)、孔距、灌漿壓力等。
灌漿孔為垂直孔,開孔口徑為130~110mm,終孔為 91~75mm,壩土體采用無泵或少許清水鉆進(jìn)成孔,孔斜控制在規(guī)范要求偏差之內(nèi)。
壩土灌漿用黏土采用庫區(qū)附近泥巖風(fēng)化的紅黏土,水泥用強度等級PO.42.5普通硅酸鹽水泥。
黏土原漿采用機械、濕法制漿,漿液稠度(密度)為1.1~1.45,以備調(diào)用。
石灰窯水庫壩體灌漿采用水泥:黏土=1:2的水泥黏土混合漿灌注,混合漿比重級為:1.19、1.28、1.35、1.4、1.5共5個級別。
壩體灌漿孔單孔施工工序為:鉆機定位→開孔→下入Ⅰ級套管→鉆進(jìn)→壩土注水試驗→下入Ⅱ級套管→鉆進(jìn)→壩土注水試驗→下入Ⅲ級套管(距結(jié)合部 0.5~1.0m)→鉆穿結(jié)合部進(jìn)入壩基→結(jié)合部壓水試驗、灌漿→待凝鉆進(jìn)下一段→壓水試驗、灌漿→依此循環(huán)直至終孔→壩基、結(jié)合部段封孔→壩體段自下而上劈裂式灌漿,灌完一段起拔一級套管直至壩頂→壩體段封孔、結(jié)束。
石灰窯水庫壩體止?jié){采用多級套管止?jié){,每級套管均用100kg重錘打下0.5~1.0m以確保止?jié){效果。
壩體劈裂式灌漿自下而上分段灌漿段長度控制在不大于10m。
這種自下而上分段、多級套管止?jié){、逐漸(級)劈裂灌注漿液至壩頂?shù)氖┕し椒ǎ梢源_保壩體內(nèi)形成帷幕厚度從下到上(壩頂)的均勻性,達(dá)到較好的防滲效果。
4.5.1 壩體灌漿量的控制
石灰窯水庫壩體灌漿采用水泥:黏土=1:2的水泥黏土混合漿灌注,以先灌稀漿劈裂后逐漸變?yōu)槌涮顫鉂{為原則,一般每一比級灌注 300~400L后即加濃一級直至 1.5比重級終灌。單孔每次灌漿量以“少灌多復(fù)”為原則,停灌后壩頂沉陷量不能太大,而且能很快產(chǎn)生回彈。一般每次單位灌漿量在0.5~1.0m3/m,但對單孔總灌入漿量不控制。復(fù)灌次數(shù)為5~10次,灌漿間隔時間3~5天。
4.5.2 灌漿壓力控制
灌漿壓力以不大于試驗孔確定的劈裂壓力為準(zhǔn),岸坡段則采用此壓力值的80%來控制,即能達(dá)到“內(nèi)劈外不劈”的效果。灌漿壓力△P(孔口最大允許劈裂壓力)用下式計算:
式中:σ3為作用在鉆孔平面上劈裂點處的最小主應(yīng)力;σ2為沿鉆孔平面劈裂點處三向應(yīng)力狀態(tài)的中間主應(yīng)力,在河曹段σ2=μ(σ1+σ3);μ為泊松比,一般取 0.35~0.40;σ1為三向應(yīng)力狀態(tài)的最大主應(yīng)力,近似取0.9倍土柱重;α為圓孔應(yīng)力集中系數(shù),可取2.2~2.5;h為全孔灌漿時注漿管高度;y為漿液容重。
4.5.3 灌漿劈裂縫控制
縱裂(順壩軸方向)控制在停灌后壩面裂縫能自然閉合,其裂縫寬度≯3cm;橫裂一旦發(fā)現(xiàn)立即停灌,分析原因并作處理。
4.5.4 灌漿位移控制
壩頂上、下游兩壩肩處橫向水平位移≯3cm,并在停灌后能基本復(fù)原。
終灌標(biāo)準(zhǔn):當(dāng)漿液升到孔口或壩頂連續(xù)劈裂冒漿3次以上時即可認(rèn)為灌漿已達(dá)飽、滿、實要求,可以終灌;封孔:每孔灌漿完成后,將注漿管拔出,注滿密度>1.5的稠(濃)漿,并直至漿液不再下沉為止。
在灌漿施工中,遇到以下幾個問題,其處理的方法如下:
(1)裂縫。分順壩軸方向縱向裂縫和垂直壩軸方向的橫向裂縫??v向裂縫有劈裂縫和濕陷縫??v向裂縫劈裂縫處理方法是每次灌漿只要把其裂寬控制在規(guī)定范圍內(nèi),使之自然閉合;縱向濕陷縫寬度只要控制在規(guī)定范圍內(nèi),施工中一般也可不予考慮,但要防止水流灌入;橫(斜)向裂縫需要特別重視,多發(fā)生在壩頭、弧形壩段或壩下涵洞的位置,其產(chǎn)生原因是該部位的小主應(yīng)力方向發(fā)生了變化。一旦出現(xiàn)橫(斜)向裂縫,立即停止灌漿孔的灌漿,對裂縫進(jìn)行開挖、回填夯實處理。
(2)冒漿。壩頂冒漿采取停灌處理即可;壩坡冒漿的處理方法是停灌、開挖,用黏土回填夯實冒漿部位;孔口周圍冒漿,采用壓砂封堵,減緩灌漿速度繼續(xù)灌注;壩下放水砌石涵洞冒漿,對冒漿點用棉絮或碎布條塞堵,減緩灌漿速度,加濃灌注漿液并間歇灌注或停灌再多灌幾次。
(3)串漿。灌漿過程中,若鄰孔出現(xiàn)串漿,堵住串漿孔,繼續(xù)灌注。
(4)單孔吃漿量過大,其原因一般有灌漿工藝不當(dāng);放水涵洞側(cè)墻與壩土存在接觸沖刷有空洞或不密實;壩體存在局部疏松部位等。這些部位往往會出現(xiàn)吃漿量過大的情形,一旦出現(xiàn),應(yīng)引起重視,具體分析原因,采用控制每次灌漿量,加濃灌注漿液,多灌幾次等方法處理。
(5)縮孔卡鉆。其原因是灌漿施工使壩體含水量過高,孔壁不能自立所致。淺孔抱鉆時,采用倒打重錘強力起拔;深孔抱鉆,主要靠預(yù)防,一旦出現(xiàn)用倒打重錘強力起拔無效時,可采用掏空、邊強力活動邊倒打重錘強力起拔等方法。
(6)止?jié){套管難以起拔。常用倒打重錘強力起拔的方法,有時會出現(xiàn)難以起拔的情形。我們采取的方法是,正常灌漿待壩體被劈裂后尚未回彈時立即倒打重錘強力起拔,非常有效。
(1)石灰窯水庫土壩壩體灌漿,經(jīng)過對原土壩壩體灌漿的設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化,對施工技術(shù)進(jìn)行了一些深入探討,對施工中遇到的一些問題進(jìn)行了大膽的嘗試。由于采取科學(xué)的設(shè)計處理方案,正確的施工工藝,達(dá)到了比預(yù)期更好的效果。經(jīng)正常蓄水位檢驗,下游壩坡原 440m2滲漏潮濕區(qū)(散浸)全部消失;下游壩坡中部右側(cè)靠近山體處集中漏水點(滲漏量0.14m3/s)也干涸并消失;壩腳排水棱體后滲漏量從灌前的 1.63m3/s減少為 0.002m3/s,減少率為 99.9%。半年后壩頂探坑(3m)檢測帷幕厚度為9~10cm,完全滿足防滲要求。質(zhì)量檢查孔注水試驗結(jié)果,壩體滲透系K從 2.1×10-3cm/s減少為 2.7×10-5cm/s,完全達(dá)到設(shè)計要求防滲標(biāo)準(zhǔn)K<1×10-4cm/s的要求。
(2)多個水庫土壩壩體灌漿的實踐證明:根據(jù)土壩的特點,壩土極易產(chǎn)生劈裂,其灌漿的機理主要為劈裂式,其中包括了充填。土壩壩體灌漿應(yīng)與地基灌漿加以區(qū)別,土壩的特點必然應(yīng)反映在灌漿方法中。灌漿前必須通過灌漿試驗,建立科學(xué)、合理的設(shè)計理念和制定可行的設(shè)計方案,施工應(yīng)采取合理的施工工藝,做好土壩壩體劈裂式灌漿中幾個指標(biāo)的綜合控制。比如不能單純的按規(guī)范要求的“全孔孔底自流式灌注的方法灌漿”,而應(yīng)采用自下而上分段(段長≯10m)止?jié){、分段逐漸(級)向上劈裂直至壩頂?shù)墓酀{方法,且應(yīng)施加一定的灌漿壓力。這樣,可以確保壩體內(nèi)從下到上(壩頂)形成的帷幕厚度比較均勻,取得較好的防滲效果。
(3)近年來,小型水庫的除險加固工程較多。但由于受資金、地質(zhì)及施工條件等的影響,多數(shù)小型水庫對壩體的防滲還是采用帷幕灌漿的處理辦法。因此,為了確保土壩壩體灌漿的效果,避免工程造成浪費。我們對土壩壩體灌漿的設(shè)計理念和施工技術(shù)進(jìn)行了深化探討、及時總結(jié),對施工中遇到的一些問題提出了解決的辦法??傊?,掌握其施工方法及質(zhì)量控制措施對保證工程施工質(zhì)量具有重要的指導(dǎo)意義。同時,也可推廣應(yīng)用于其它類似土壩壩體灌漿的施工中。
1 白永年,劉憲奎等, 土壩壩體和堤防灌漿, 水利電力出版社
2 SD266—88 土壩壩體灌漿技術(shù)規(guī)范.