水泥膨潤(rùn)土在組合防滲結(jié)構(gòu)壩體裂隙灌漿中的應(yīng)用

孫　寧，林云生

(1.水利部農(nóng)村電氣化研究所，浙江杭州310012；2.水利部農(nóng)村水電工程技術(shù)研究中心，浙江杭州310012；3.寧?？h大佳何鎮(zhèn)水利站，浙江寧海315600)

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水泥膨潤(rùn)土在組合防滲結(jié)構(gòu)壩體裂隙灌漿中的應(yīng)用

孫寧1,2，林云生3

(1.水利部農(nóng)村電氣化研究所，浙江杭州310012；2.水利部農(nóng)村水電工程技術(shù)研究中心，浙江杭州310012；3.寧?？h大佳何鎮(zhèn)水利站，浙江寧海315600)

浙江省寧?？h的力洋水庫(kù)在巡查中發(fā)現(xiàn)下游側(cè)壩頂混凝土預(yù)制塊之間裂縫出現(xiàn)逐漸增大趨勢(shì)，經(jīng)對(duì)裂縫的成因進(jìn)行調(diào)查分析，提出了處理方案，取得不錯(cuò)的效果。圖3幅，表2個(gè)。

水庫(kù)；壩體裂縫；原因分析；處理方案

1　工程概況

浙江省寧海縣力洋水庫(kù)總庫(kù)容1 351.7萬(wàn) m3，是1座以供水為主，結(jié)合灌溉、防洪的中型水庫(kù)，大壩為混凝土防滲墻加粘土心墻砂殼壩，最大壩高31.9 m。力洋水庫(kù)于1979年完成一期工程， 2004年開(kāi)始實(shí)施二期續(xù)建加固工程建設(shè)，并于2006年完成，二期加高的同時(shí)對(duì)一期壩體采用塑性混凝土防滲墻加固，防滲墻最大深度60.85 m；二期加高壩體采用粘土心墻，續(xù)建加固后壩頂高程為47.8 m，壩頂全長(zhǎng)266 m。

2011年3月中旬，力洋水庫(kù)巡查發(fā)現(xiàn)壩頂0+118 m至0+195 m壩段下游側(cè)壩頂混凝土預(yù)制塊之間裂縫出現(xiàn)逐漸增大趨勢(shì)，特別是0+126 m至0+160 m壩段裂縫變化顯著，最大裂縫寬度有10 mm左右。經(jīng)對(duì)0+135 m斷面開(kāi)挖檢查，發(fā)現(xiàn)心墻頂部下游側(cè)部位存在寬8 mm沿壩軸線方向的縱縫，深度4 m左右，縫寬自上而下由寬變窄。

經(jīng)南京水利科學(xué)研究院對(duì)裂縫成因分析，庫(kù)水位在42.61 m以下運(yùn)行，壩體防滲效果正常，但庫(kù)水位超過(guò)42.61 m后，0+090斷面存在異常，其他部位防滲效果正常。滲流分析庫(kù)水位下降速度應(yīng)控制在1 m/d以內(nèi)，通過(guò)穩(wěn)定分析，各工況下安全系數(shù)均能滿足規(guī)范要求。雖然裂縫的存在并不影響壩體的穩(wěn)定，但裂縫的存在有可能影響防滲效果；因此有必要實(shí)施水庫(kù)壩體心墻裂縫處理，以消除裂縫來(lái)提高土體間的抗剪強(qiáng)度及防滲性能。

2　裂縫探查及施工方案的確定

2.1裂縫調(diào)查情況

裂縫處理前必須掌握裂縫的分布、性狀等，但對(duì)土體中的裂縫目前尚沒(méi)有有效的無(wú)損檢測(cè)方法，只能開(kāi)挖檢查。

為查明裂縫分布，首先清除壩頂預(yù)制混凝土塊及粘土心墻上部碎石層，沿壩頂心墻每10 m左右采用人工開(kāi)挖1條1 m寬的橫槽檢查裂縫分布情況。發(fā)現(xiàn)裂縫時(shí)，沿著裂縫灌入墨水，再沿裂縫走向開(kāi)挖檢查，選取裂縫最寬處進(jìn)行探井開(kāi)挖，再結(jié)合每隔10～25 m間距的探坑開(kāi)挖等措施，查明裂縫的深度、寬度、走向等情況。檢查過(guò)程中對(duì)裂縫進(jìn)行全面編錄，經(jīng)過(guò)全面探查，裂縫分布情況如下：

共查明4條裂縫(分別用裂縫LF1、LF2、LF3、LF4表示)，分別位于壩軸線上游1.1 m至軸線下游0.7～1.0 m；裂縫出現(xiàn)在大壩樁號(hào)0+044～0+215之間，均為沿壩軸線的縱縫，局部為平行裂縫密集帶，未發(fā)現(xiàn)貫穿性的橫向裂縫；裂縫面較光滑局部有鐵錳質(zhì)渲染現(xiàn)象，頂面最大裂縫縫寬約2～5 mm，探明裂縫深度約4 m左右，斷面揭示裂縫從上到下基本呈閉合狀(見(jiàn)圖1)。

圖1裂縫探查及測(cè)量

2.2裂縫成因分析

探查發(fā)現(xiàn)裂縫基本分布于大壩3個(gè)部位：防滲墻上游側(cè)面部位附近(位于壩軸線上游1.15 m處)、防滲墻下游側(cè)面附近(位于壩軸線上游0.35 m處)、壩頂下游外側(cè)相對(duì)較松軟的部位，局部有裂縫密集帶。

分析裂縫產(chǎn)生原因：由于二期續(xù)建加固工程混凝土防滲墻的施工，導(dǎo)致一期大壩土體中滲入較多水分，土體承載力降低；而二期大壩加高填筑對(duì)一期壩體的壓載，由于混凝土防滲墻與土體的不均勻變形造成沿防滲墻兩側(cè)出現(xiàn)沉降變形裂縫，因此產(chǎn)生了LF1、LF2兩條主體縱縫(壩頂表面局部因土質(zhì)關(guān)系發(fā)展出多條平行狀裂縫)。而LF3、LF4是由于壩頂下游外側(cè)土體較壩中部粘土心墻相對(duì)松軟，在外力壓拉作用下不均勻變形產(chǎn)生的裂縫；尤其是樁號(hào)0+135附近約14 m寬的范圍內(nèi)，土體變形較大，壩頂產(chǎn)生2～5 mm的裂縫；同時(shí)該部位因土體牽引等作用于壩頂表面產(chǎn)生4～5條平行裂縫的密集帶(見(jiàn)圖2)。

3mm。80mm,BP?

圖2壩頂裂縫位置分布

綜上所述，力洋水庫(kù)壩頂裂縫主要是由于多種因素形成了不均勻沉降的變形裂縫，裂縫位于二期加高的壩體中上部，無(wú)深層貫穿。裂縫一旦產(chǎn)生會(huì)因壩體土含水量的多少、水庫(kù)蓄水位的高低而影響裂縫的變化，直至穩(wěn)定。

2.3裂縫處理方案

(1)灌漿方案確定

結(jié)合類(lèi)似工程處理經(jīng)驗(yàn)，采用壩體裂縫灌漿+淺層裂縫開(kāi)挖回填的方案進(jìn)行處理。首先實(shí)施灌漿試驗(yàn)孔，以確定灌漿參數(shù)和檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。灌漿試驗(yàn)孔布置在壩軸線附近的裂縫密集帶和裂縫開(kāi)展度最大的地段，沿裂縫布置，最大灌漿壓力要求不得大于劈裂灌漿壓力(即0.1 MPa)。

(2)漿液配合比試驗(yàn)

作為土壩裂縫灌漿，力洋水庫(kù)的灌漿材料需滿足以下要求：漿液固結(jié)體低強(qiáng)、塑性，盡量與土體匹配；漿液為真溶液，固化后全部成漿體，無(wú)水等附產(chǎn)物；漿液要有足夠的流動(dòng)度，以保證進(jìn)漿效果；漿液要有足夠的可灌性，能灌注0.3 mm級(jí)裂縫；漿液凝固后，有一定的微膨脹，與周?chē)橘|(zhì)能夠緊密結(jié)合，達(dá)到灌漿后壩體的整體性；地處水源保護(hù)地，漿液必須無(wú)毒，以防止可能泄漏對(duì)水質(zhì)的危害。

綜合以上分析，選擇水泥膨潤(rùn)土作為裂縫灌漿材料，但需要進(jìn)行比重、粘度、膠體率等試驗(yàn)來(lái)選取最合適的漿液配合比。通過(guò)選取9種不同比例的漿液進(jìn)行試驗(yàn)，得出了各種配合比漿液性能(見(jiàn)表1)。

表1　不同比例的漿液配合比

注：外加劑摻量為水泥用量的XX%。

配置漿液的原則是選取合適的比重，再添加不同比例的外加劑(高效泵送劑)來(lái)控制合適的粘度，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)：當(dāng)水土比小于1.25時(shí)，攪拌桶會(huì)因粘土漿的粘度太大而無(wú)法攪拌；水土比大于1.75時(shí)，漿液的比重若要控制到密度大于1.3時(shí)，需加入較多的水泥、添加劑才能提高漿液的密度，且土和水?dāng)嚢韬?，再加入減水劑，其粘度會(huì)有所增加(通過(guò)試驗(yàn)，“膨潤(rùn)土∶水=1∶1.5”的漿液中加入減水劑后其粘度為42 s，而不加減水劑粘度為34 s)。

水泥比例含量越高，加入減水劑的變化越明顯，從表1可知水泥與膨潤(rùn)土的比例為1∶3時(shí)減水劑加入相對(duì)較少，水泥比例小的漿液只有多加入減水劑才能配置到合適粘度的漿液。試驗(yàn)顯示由于粘土顆粒的較大吸附作用，造成水泥粘土漿減水劑的加入量相對(duì)于混凝土中的加入量(一般2%左右)要增加較多，以上配比的漿液膠體率均大于95%(見(jiàn)圖3)。

圖3漿液終凝后的試驗(yàn)樣品

試驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)水與膨潤(rùn)土比例在1.25～1.75之間，水泥與膨潤(rùn)土比例在0.2～0.33之間，可以配制出合適的水泥粘土漿，漿液的比重與粘度滿足灌漿要求。因此，綜合考慮攪拌、結(jié)石體硬度、密度、添加劑用量等多方面因素，選取“水泥∶膨潤(rùn)土∶水=1∶3∶5”的混合漿液最適合本工程的施工；此時(shí)漿液密度測(cè)量值為1.30～1.35，粘度為32～45 s，漿液可灌性良好；但隨著灌漿時(shí)間延長(zhǎng)，攪拌桶內(nèi)的漿液粘度有增加的現(xiàn)象，漿液會(huì)變得越來(lái)越濃。

(3)灌漿試驗(yàn)

針對(duì)裂縫位置進(jìn)行干法造孔，孔口下入1根套管進(jìn)行塞橡塞灌漿，開(kāi)灌表壓力為0.05 MPa時(shí)，進(jìn)漿量約4 L/min；當(dāng)壓力增加到0.15 MPa時(shí)，裂縫不斷增大，縫寬從1 mm增大到5 mm，并有漿液從孔兩邊裂縫冒出；暫停處理(開(kāi)挖回填)后繼續(xù)灌漿，再次于孔右邊約2 m范圍出現(xiàn)冒漿，縫寬從1 mm擴(kuò)大到5 mm，壓力減小到0.05 MPa灌漿，裂縫再次冒漿后結(jié)束灌漿。

在試驗(yàn)孔灌漿部位進(jìn)行開(kāi)挖檢查，發(fā)現(xiàn)裂縫中充滿水泥粘土漿液，且密集帶部位多條裂縫也是充滿漿液的?？梢?jiàn)通過(guò)灌漿，裂縫已完全被充填，達(dá)到了試驗(yàn)的目的。

3　裂隙灌漿處理施工

3.1施工工序控制

根據(jù)灌漿試驗(yàn)結(jié)果，并經(jīng)參建單位及有關(guān)專家充分商議，力洋水庫(kù)心墻裂縫處理方案為：對(duì)現(xiàn)有裂縫進(jìn)行充填灌漿，孔深至混凝土防滲墻頂部80 cm(即42.3 m高程)，沿混凝土防滲墻頂部軸線位置進(jìn)行全壩段劈裂灌漿，孔深至混凝土防滲墻頂即41.5 m高程。選擇水泥∶膨潤(rùn)土∶水=1∶3∶5的配合比進(jìn)行灌漿，漿液粘度為30 s左右，密度在1.3～1.36之間；灌漿水泥采用42.5普通硅酸鹽水泥，膨潤(rùn)土選取杭州仇山漂土有限公司的酸性白土，高效減水劑選用浙江老虎山建材有限公司的TOR704高效泵送劑。

充填灌漿孔距為2.0 m，劈裂灌漿孔距為3.0 m，灌漿分Ⅰ、Ⅱ序孔鉆灌，采用自上而下灌漿法灌漿施工。施工中為保證水泥漿液的擴(kuò)散半徑和可灌性，先選用粘土稀漿開(kāi)灌，后再用水泥粘土漿進(jìn)行灌漿，這樣更容易使裂縫最大限度的灌入漿液。

灌漿壓力：充填灌漿允許表壓力為0.05 MPa，劈裂灌漿壓力控制在0.05～0.15 MPa之間。

灌漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)、待凝：在設(shè)計(jì)壓力下若灌漿至漿液有冒出，經(jīng)過(guò)開(kāi)挖回填壓實(shí)后，繼續(xù)灌漿漿液依然有冒出，則結(jié)束灌漿。實(shí)際施工在開(kāi)挖回填繼續(xù)灌漿后，若再次于裂縫出現(xiàn)冒漿則結(jié)束灌漿；或若裂縫在增大，待壓力回落后續(xù)灌，漿液仍有冒出，可結(jié)束灌漿；這說(shuō)明該處裂縫已填滿漿液，滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2質(zhì)量檢查

(1)力洋水庫(kù)的裂縫處理共實(shí)施充填灌漿83只孔，進(jìn)尺390.1 m；劈裂灌漿87只孔，進(jìn)尺466.9 m。灌漿質(zhì)量檢查主要以開(kāi)挖檢查及灌漿成果分析為主要手段，灌漿結(jié)束后，由建設(shè)各方及質(zhì)監(jiān)部門(mén)聯(lián)合進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖檢查。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)隨機(jī)檢驗(yàn)，所開(kāi)挖的各檢查段水泥粘土漿均充滿裂縫。

(2)灌漿成果分析。全壩壩段劈裂灌漿單位孔深灌入干土量>50 kg/m的有33段，占總段數(shù)的38%；單位孔深灌入漿量113.5 L/m?，F(xiàn)場(chǎng)檢查劈裂灌漿基本有漿液從壩頂或擋浪墻底部冒出，局部有多條裂縫，且裂縫基本縱向相連。從壩頂裂縫冒漿情況顯示，在劈裂灌漿時(shí)，裂縫位置處有漿液冒出；說(shuō)明在進(jìn)行劈灌時(shí)，漿液已灌入該裂縫，達(dá)到充填的效果(見(jiàn)表2)。

表2　劈裂灌漿幕厚統(tǒng)計(jì)

4　結(jié)　語(yǔ)

力洋水庫(kù)作為1座混凝土防滲墻加粘土心墻組合防滲體結(jié)構(gòu)的中型水庫(kù)，其壩體心墻開(kāi)裂機(jī)理雖較為復(fù)雜，但是通過(guò)采用水泥膨潤(rùn)土混合漿液的裂隙灌漿處理，使裂縫得到充分的填充，同時(shí)對(duì)壩體起到一定程度的補(bǔ)強(qiáng)作用。

力洋水庫(kù)壩體心墻裂縫處理工程于2012年5月15日開(kāi)工， 2013年4月12日全面完工，為了進(jìn)一步觀察灌漿效果，壩頂一直未鋪設(shè)彩磚。經(jīng)過(guò)3 a的運(yùn)行觀察，未發(fā)現(xiàn)有新的裂縫產(chǎn)生，證明了該水庫(kù)采用水泥膨潤(rùn)土混合漿液實(shí)施裂隙灌漿處理的施工方案是非常成功的。

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責(zé)任編輯吳昊

2016-08-15

孫寧(1975-)，男，工程師，主要從事水利工程監(jiān)理工作。E_mail: nsun@hrcshp.org