基于土石壩黏土心墻充填灌漿實驗

崔 強(qiáng)

(哈爾濱市磨盤山水庫管理處，黑龍江五常 150200)

1 試驗?zāi)康?/h2>

充填灌漿是利用壩體應(yīng)力的分布規(guī)律進(jìn)行布孔，對壩體施加一定的灌漿壓力，有控制地充填壩體，灌注適宜的泥漿，通過漿壩互壓和壩體的濕陷固結(jié)等作用，使所有與漿脈連通的裂隙洞穴、水平砂層等隱患得到充填擠壓密實，改善壩體密實度，增強(qiáng)壩體的抗?jié)B性能和變形穩(wěn)定性。

1)確定灌漿壓力、復(fù)灌次數(shù)、灌漿量、灌漿孔距等參數(shù);

2)確定土料及漿液配比和性能;

3)驗證灌漿后壩體黏土心墻能否滿足K≤10－5cm/s的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

2 試驗位置及布置

1)試驗位置樁號0+151.5～0+157.5，孔位為81～85號孔，灌漿頂高程為現(xiàn)狀黏土心墻頂高程(322.5)，底高程為307.5，灌漿線布置在距前壩肩2.5 m的位置。

2)單排布置，孔距為1.50 m，布置形式根據(jù)現(xiàn)場先導(dǎo)孔灌漿效果再行調(diào)整。共布置5個鉆孔，鉆孔深度17 m，每孔灌漿長度為15 m，共分為3段灌漿，每段5 m。

3)5個鉆孔分為二序孔施工。先施工Ⅰ序孔，再施工Ⅱ序孔;檢測孔2個，鉆孔30 m，注水試驗4段。

3 充填灌漿防滲設(shè)計

防滲指標(biāo):壩體黏土心墻滲透系數(shù)K≤10－5cm/s;

主要工藝參數(shù)如下:

漿液材料:含水泥6% ～16%的水泥黏土漿，漿液相對密度為1.2－1.6;鉆孔斜率:≤1.5%;孔徑:5～10 cm;孔口壓力:≤0.3 MPa。

4 施工工藝流程

施工工藝采用“壩體分段，區(qū)別對待，單排布孔，分序鉆漿，孔底注漿，分段灌注，綜合控制，少灌多復(fù)”的原則。施工主要過程包括鉆孔、制漿、灌漿和封孔工序，工藝流程見圖1。

圖1 施工工藝流程

5 施工方法及技術(shù)要求

5.1 施工放樣及確定孔深

按設(shè)計圖的要求進(jìn)行布孔，孔深偏差≤2 cm。

5.2 鉆孔

按孔位分序施工，采用沖擊或錘擊鉆進(jìn)，干法成孔，孔徑￠50 mm，注漿管底部距孔底≤0.5 m。鉆孔施工中保證孔深位偏差 ＜±2 cm，孔深偏差 ＜±10 cm，偏斜≤孔深的1.0%。鉆孔過程中詳細(xì)記錄造孔過程，如孔徑、孔深、進(jìn)尺速度等情況。

5.3 孔口及孔內(nèi)阻漿設(shè)置

下入灌漿管后，采用孔口阻漿措施。管與孔壁空隙采用黏土搗實。在孔口挖0.5m×0.5m，深度≥0.5m的坑，回填適宜含水量的黏性土，并夯實做好孔口阻漿蓋。

5.4 漿液

1)制漿土料的選擇:灌漿用材料要符合設(shè)計要求，采用黏粒含量20% ～30%、砂粒含量＜20%、水泥6% ～16%，其余為顆粒，泥漿比重1.2～1.6 g/cm3左右。在漿液中摻加約1%的外加劑(Na2SiO3)以利改善漿液的濃度和提高漿液的流動性，并加速漿液排水固結(jié)。采用黏土水泥(普硅32.5R水泥)混合漿灌注，按先稀后濃的原則進(jìn)行施灌，稀漿密度1.2 g/cm3左右，濃漿密度1.3～1.6 g/cm3。稀漿黏度25～30 s，濃漿黏度 35 ～45 s。

2)制漿方法及對漿液的要求:制漿采用WGJ80－2型高速泥漿攪灌機(jī)，將土與水泥的混合料及清水按計算出的比例，以適當(dāng)速度連續(xù)均勻地用下料機(jī)從攪拌桶的進(jìn)料口加入，土料經(jīng)過連續(xù)高速攪拌后，經(jīng)過另一端的出漿口排至轉(zhuǎn)篩內(nèi)，篩選過的漿液經(jīng)泥漿泵灌入孔內(nèi)。漿液保證無沉淀、無雜質(zhì)，且能保證連續(xù)均勻供應(yīng)。

5.5 灌漿

5.5.1 灌漿方法

利用灌漿泵將一定比例攪拌均勻的黏土漿，泵人已鉆完孔內(nèi)。施工過程中掌握“稀蔣開始，濃漿灌注，分序施灌，先疏后密，少灌多復(fù)，控制漿量”的原則。認(rèn)真記錄灌注的時間。仔細(xì)觀測孔口壓力表的讀數(shù)，特別是壓力變化較大的數(shù)值。并認(rèn)真做好記錄。施工中控制好的環(huán)節(jié)有:①灌漿開始先用稀漿(密度1.2 g/cm3左右)灌注3～5 min，待壩體孔內(nèi)吸漿量較大時改用濃漿灌注(密度≥1.3 g/cm3)。②施工作業(yè)時取土、運(yùn)土、填土、攪拌、泵送等工序采取流水作業(yè)，來保證漿液的連續(xù)均勻供應(yīng)。③灌漿過程中采用比重秤隨時監(jiān)測漿液的濃度，初始漿液濃度、中間漿液密度及結(jié)束時漿液密度均要測量，使?jié){液的濃度滿足技術(shù)要求。

5.5.2 漿液壓力計算:

影響灌漿壓力的因素很多，如堤壩土質(zhì)密度、灌漿濃度、漿液濃度，甚至與堤壩的斷面尺寸、地址條件和擋水高低等情況有關(guān)。根據(jù)設(shè)計要求，孔徑壓力≤0.3 MPa。為了確定準(zhǔn)確的起灌壓力和正常施工灌漿壓力，應(yīng)進(jìn)行理論計算和現(xiàn)場試驗。參照水利部SD266—88《土壩壩體灌漿技術(shù)規(guī)范》中有關(guān)公式進(jìn)行計算。

5.5.2.1 壩體的抗劈力

壩體抗劈的計算公式為:

式中:δt為土的抗拉強(qiáng)度，Kpa(由現(xiàn)場灌漿試驗測定);δ3為壩體內(nèi)的小主應(yīng)力，受拉區(qū)取(﹣)，受壓區(qū)取(+)值(由現(xiàn)場灌漿試驗測定)。

5.5.2.2 漿液的灌漿壓力

忽略漿液在管路中的摩阻力時，簡化為:

式中:ΔP為孔口壓力，KPa;h'為注漿管高程，m;γ漿為漿液密度，t/m3。

5.5.2.3 鉆孔起裂壓力

鉆孔起裂壓力的計算公式為:

式中:δ3為最小水平主應(yīng)力;δ2為最大水平主應(yīng)力，相當(dāng)于三向應(yīng)力狀態(tài)的第二主應(yīng)力，對于平面問題δ2=u(δ1+δ3)，式中u為泊松比，一般可取0.35～0.40，δ1為三向應(yīng)力狀態(tài)的最大主應(yīng)力，取0.9倍土柱重;δt為土的單軸抗拉強(qiáng)度，由試驗確定;a為圓孔的應(yīng)力集中系數(shù)，由原型試驗測得，在壩體中取a=2.5～3.0，在壩基中取a=3.0～4.0。

5.5.2.4 最大控制灌漿壓力一般采用防止土壩產(chǎn)生劈裂的灌漿壓力作為控制壓力

式中:γ為被灌漿土體的天然密度，t/m3;h為灌漿處以上的土柱高度，m。

5.5.3 壓力控制

灌漿的控制壓力，是灌漿時限制的最大壓力，可等于或稍小于設(shè)計的壓力值。孔口灌漿壓力應(yīng)逐漸升高。鉆孔越深，控制壓力越大，隨灌漿次數(shù)的增加，灌漿控制壓力應(yīng)逐漸升高。

5.5.4 灌漿復(fù)灌次數(shù)和灌注量

采用孔底注漿純壓式灌注。采取少灌多復(fù)及控制泵流量等措施，施工中每次灌漿控制灌入量，但遇吸漿較大較大孔采用濃漿充填，來保證下次灌漿質(zhì)量。每孔復(fù)灌次數(shù)一般不能＜3次，每次服灌間隔時間≥3 d。施工中，控制每次灌漿的數(shù)量，可以提高灌漿效果，促使呢將加快固結(jié)。一般控制最大灌漿量為平均灌漿量的兩倍。

5.5.5 終灌標(biāo)準(zhǔn)及封孔

灌漿終灌標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)《土壩壩體灌漿技術(shù)規(guī)范》和設(shè)計要求控制:①連續(xù)3次達(dá)到設(shè)計要求孔口壓力，并不再吃漿。②開灌較短時間內(nèi)壩頂連續(xù)3次冒漿。封孔采用稠泥漿封空那個的方法進(jìn)行，每孔灌完后，拔出注漿管，注滿密度 ＞1.5 g/cm3稠漿，以機(jī)械封孔，次日再灌1次，封后再用黏土封填夯實。直至將面升至壩頂不再下降為止，最后用黏土回填孔口并夯實。

6 位移觀測

在井陘充填灌漿時，必須同時進(jìn)行壩體表面變形(水平位移和沉降)觀測，隨時了解土壩灌漿一集引起的回彈情況，監(jiān)測大壩的安全，保證灌漿質(zhì)量。在灌漿期，還應(yīng)觀測浸潤線、滲流量、壩體裂縫、壩坡冒漿、坡面塌坑、隆起及孔口壓力等。即使分析觀測數(shù)據(jù)，如發(fā)現(xiàn)不正常現(xiàn)象，應(yīng)采取措施，防止事故發(fā)生，確保工程安全。

施工前在主要壩段內(nèi)每隔30 m測放1組位移觀測樁約計10組，位移觀測樁采用鋼筋位移測量法觀測，取￠20 mm鋼筋兩根，在所定位置鍍金垂直堤軸線南、北兩側(cè)提肩各釘一根，觀測樁統(tǒng)一編號。位移觀測樁安放好后測定初始值，灌漿過程中，在位移樁控制范圍內(nèi)，灌漿前測試2～3次讀數(shù)，施工中每天觀測≥1次。每次壩體位移量≤15 mm。

7 灌漿終出現(xiàn)的問題及處理方法

7.1 漏漿的處理

漏漿的原因是，壩體內(nèi)鉆孔遇上了空洞或裂縫。其表現(xiàn)形式是吃漿量過大，不起壓，處理的方法是在前后壩坡找出冒漿口，處理好冒漿再進(jìn)行復(fù)灌。

7.2 不進(jìn)漿

灌漿開始，長出現(xiàn)不進(jìn)漿現(xiàn)象，其主要原因是管路堵塞或灌漿壓力小而造成。管路堵塞應(yīng)查出堵塞的部位，采用長鋼筋疏通或?qū)⒐酀{壓力上提10～20cm左右，用稀漿將堵塞物沖出，正常后漿注漿管重新下入設(shè)計標(biāo)高繼續(xù)灌漿;灌漿壓力小，應(yīng)適當(dāng)加大灌漿壓力。

7.3 冒漿

7.3.1 壩坡或壩腳冒漿

在灌漿的后期，常出現(xiàn)堤腳或提坡冒漿，這時應(yīng)加濃漿液灌3～5 min后停止灌漿，并將冒漿出用黏土夯實，然后加緊復(fù)灌，增加復(fù)灌次數(shù)，加大灌漿壓力，充分發(fā)揮漿壩互壓的作用。

7.3.2 孔口冒漿

主要由孔壁與管壁之間空隙過大而引起的。處理方法是采用孔內(nèi)深阻漿的辦法來防止孔口冒漿現(xiàn)象的發(fā)生。

7.3.3 壩頂裂縫冒漿

灌漿過程中由于灌漿壓力使壩頂出現(xiàn)縱向裂縫，這說明漿液已灌入堤內(nèi)。出現(xiàn)的裂縫冒就現(xiàn)象處理方法是，可順縫開挖并用黏土回填夯實或采用降低孔口壓力，以“少灌多復(fù)”的辦法處理。

7.3.4 串漿

在灌漿過程中，常出現(xiàn)相鄰兩孔或隔孔注漿管內(nèi)冒漿，這種現(xiàn)象說明壩體內(nèi)漿脈已經(jīng)連通。處理方法通常采用專制堵漿塞將串漿管堵上，繼續(xù)灌漿或兩串漿孔并聯(lián)，同時灌漿，達(dá)到預(yù)期效果。

7.3.5 灌漿壓力突然下降

應(yīng)封堵冒漿口、改換濃漿、限量灌注、少灌多復(fù)的措施。

［1］中華人民共和國水利部.SD266－88土壩壩體灌漿技術(shù)規(guī)范［S］.北京:水利水電出版社，1988.