淺析混凝土面板堆石壩的面板脫空原因及脫空灌漿

黃 韜（湖南水總水電建設(shè)集團(tuán)有限公司，湖南長沙410007）

淺析混凝土面板堆石壩的面板脫空原因及脫空灌漿

黃 韜（湖南水總水電建設(shè)集團(tuán)有限公司，湖南長沙410007）

本文的主要目的是研究混凝土面板堆石壩的面板脫空原因及脫空灌漿，本文將根據(jù)實(shí)例探究面板脫空灌漿方法，根據(jù)研究分析得出：堆石體、水位變化、施工因素、流體變形等因素是導(dǎo)致面板脫空的主要原因，為了有效避免面板脫空問題，必須加強(qiáng)施工規(guī)范，嚴(yán)格檢查施工工序，加強(qiáng)施工管理，保證施工質(zhì)量。

大壩防滲；混凝土面板堆石壩；面板脫空原因；脫空灌漿

引言

為保障水庫的正常運(yùn)行，對(duì)于大壩防滲，應(yīng)采取有效措施，對(duì)此，本文將以某水庫為例，詳細(xì)探究水庫大壩滲漏治理工程的面板脫空灌漿處理。

1 工程實(shí)例

某水電站擋水建筑物為混凝土面板堆石壩，斷面結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。最大壩高78m，水庫總庫容2.78億m3，大壩面板傾角為35.54°，面板最大斜長110m，墊層料厚度2.32m。水庫蓄水運(yùn)行以來出現(xiàn)漏水現(xiàn)象，且有逐年增加的趨勢(shì)。經(jīng)水下電視滲漏檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)混凝土面板破壞嚴(yán)重，可能形成滲漏通道。通過放空水庫、填筑上游土石圍堰，排干基坑積水，對(duì)面板進(jìn)行全面檢查，發(fā)現(xiàn)L1、L8、L9和L10面板出現(xiàn)橫向斷裂，并發(fā)育多條貫穿裂縫，局部地方出現(xiàn)塌陷，面板下墊層料小顆粒被帶走，面板與墊層料之間出現(xiàn)脫空。當(dāng)采取對(duì)破壞面板進(jìn)行修復(fù)、更換破壞失效止水等綜合處理措施，保證大壩安全。

圖1 斷面結(jié)構(gòu)圖

2 常見混凝土面板堆石壩面板脫空原因分析

（1）堆石體變形過大使面板產(chǎn)生脫空。由于面板與堆石體的鋼性差異較大，在自重和水荷載作用下，施工期及竣工期的大壩迎水面會(huì)產(chǎn)生下部外凸上部凹陷的變形，產(chǎn)生脫空。

（2）庫水位變化導(dǎo)致面板脫空。大壩蓄水后，面板會(huì)受到水壓力的作用，下部逐漸貼緊大壩坡面，上部出現(xiàn)翹起現(xiàn)象，并且逐漸脫離大壩坡面。在蓄水過程中，堆石體及墊層料的變形量逐漸增加，而面板量值較小。在退水過程中，面板的變形會(huì)得到環(huán)節(jié)，但壩體的變形則很難恢復(fù)，這就會(huì)形成面板脫空現(xiàn)象。

（3）分期施工與材料分區(qū)欠合理使面板產(chǎn)生脫空。在面板分期施工過程中，一期面板施工完成后，進(jìn)行二期堆石壩體施工時(shí)，一期壩體堆石料受力將會(huì)發(fā)生變形，隨著上部的二期壩體繼續(xù)填筑，壩體變形也不斷增大，墊層外表面將偏離原幾何表面，一般表現(xiàn)為中下部位有“外凸”趨勢(shì)，面板在中下部將受到堆石料外凸變形的外推效應(yīng)，致使一期面板上部離開墊層表面而產(chǎn)生脫空現(xiàn)象。

（4）流變變形加大面板脫空。通過有限元計(jì)算分析得出，壩體流變變形會(huì)導(dǎo)致三期面板脫空現(xiàn)象，而且還會(huì)加大了一、二期面板的脫空。面板壩堆石體在高圍壓的作用下流變較大，壩體沉降會(huì)逐漸增加，而且壩體上部上、下游坡會(huì)產(chǎn)生向壩中的變形，體積收縮量較大，產(chǎn)生面板脫空問題。

3 面板脫空灌漿

3.1 墊層料檢測(cè)

墊層料檢測(cè)選在L2和L9面板，試樣干密度為 1773～2034kg/m3，小于原設(shè)計(jì)要求干密度2200kg/m3。骨料最大粒徑為80mm，為人工碎石，墊層料不均勻系數(shù)大于5，曲率系數(shù)大于3，為不良級(jí)配。以上情況表明，面板與墊層存在脫空現(xiàn)象，墊層料級(jí)配不良，小顆粒流失嚴(yán)重，結(jié)構(gòu)疏松。

3.2 灌漿設(shè)計(jì)

3.2.1 灌漿范圍

面板下充填灌漿和墊層料加密灌漿處理范圍包括：L1和L2面板全部范圍、L9面板167～150m高程范圍、L10-L11面板136m高程至周邊縫范圍、L12面板150m高程至底周邊縫范圍的面板下充填灌漿；L1和L2面板150m高程以下至周邊縫范圍，L9-L12面板136m高程以下至周邊縫范圍的墊層加密灌漿。

3.2.2 灌漿方案比較及選擇

（1）沿面板鉆鉛直孔灌漿方案：該施工方案要求放空水庫進(jìn)行，可以對(duì)面板進(jìn)行徹底的檢查，施工方法簡單，技術(shù)難度低，操作性強(qiáng)。但由于需放空水庫，直接影響水庫的發(fā)電效益。同時(shí)，該方法需在面板上鉆大量的孔，從一定程度上來說，破壞了面板的結(jié)構(gòu)。

（2）壩頂鉆斜孔灌漿方案：該方案不需放空水庫，鉆孔傾角保持與面板平行成∠35.54°，與面板距離為0.5m，距墊層料底部1.82m。要求鉆孔上不能打到面板，下不能穿過墊層料底部，鉆孔要求精度高。同時(shí)墊層料主要由碎石和砂組成。綜上所述，該方案技術(shù)要求難度大，但是不影響水庫的發(fā)電效益，潛在經(jīng)濟(jì)效益巨大。

3.2.3 灌漿試驗(yàn)和方案選擇

為了對(duì)工藝操作性、質(zhì)量可靠性和經(jīng)濟(jì)優(yōu)越性有一個(gè)更直接的比較，要求在正式灌漿前對(duì)兩種方案進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)，選取合適的方案。

①面板上鉆鉛直孔灌漿試驗(yàn)布置在L1、L2面板▽143m～150m高程范圍進(jìn)行；②▽壩頂鉆斜孔灌漿試驗(yàn)布置在L9面板167m高程進(jìn)行。

試驗(yàn)表明，兩種方案在技術(shù)上均可行。在壩頂鉆斜孔灌漿試驗(yàn)施工過程中，未出現(xiàn)鉆孔穿越面板等現(xiàn)象，說明該方案能保證足夠的施工安全性和可靠性。鑒于其不影響水庫發(fā)電效益，決定采用不放空水庫的壩頂鉆斜孔灌漿方案。

3.3 壩頂鉆斜孔灌漿方案施工

3.3.1 施工布置

（1）施工用風(fēng)。采用一臺(tái)12m3/min的移動(dòng)式空壓機(jī)供風(fēng)。

（2）施工用水。采用一臺(tái)水泵自庫中取水，φ2鋼管引至各鉆孔灌漿施工部位。

（3）施工用電。從右壩肩配電房引出主線，沿壩體上游側(cè)167m高程布設(shè)到左岸，再用專線接至各鉆孔灌漿施工地點(diǎn)。

（4）制漿系統(tǒng)。在水庫左壩頭設(shè)一集中制漿站，采用1臺(tái)ZJ-400型高速制漿機(jī)制漿，1臺(tái)1m3攪拌桶儲(chǔ)漿及BW250/50型泥漿泵輸漿。

3.3.2 施工材料

（1）施工原材料。水泥：采用符合國家質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的425#普通硅酸鹽水泥。水：灌漿用水符合JGJ63-89標(biāo)準(zhǔn)的有關(guān)規(guī)定，拌漿用水最高溫度不超過40℃。粉煤灰：采用符合國家標(biāo)準(zhǔn)的Ⅱ級(jí)粉煤灰。膨潤土：采用符合設(shè)計(jì)要求的膨潤土。

（2）灌漿配合比。①面板脫空充填灌漿采用水泥粉煤灰漿液，配合比水泥∶粉煤灰為1∶2，水灰比為0.5∶1，并摻入5%膨潤土。②墊層料加密灌漿采用水泥粉煤灰漿液，配合比水泥∶粉煤灰為1∶2，水灰比為1∶1、0.5∶1，并摻入5%膨潤土。

3.3.3 抬動(dòng)觀測(cè)及施工監(jiān)測(cè)

灌漿前安裝抬動(dòng)觀測(cè)裝置，在灌漿塊左右相鄰塊適當(dāng)部位分別安裝一個(gè)千分表座，灌漿過程中，千分表測(cè)量頭與被測(cè)塊保持接觸且上下活動(dòng)余量適當(dāng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。面板允許抬動(dòng)值不超過0.5mm，當(dāng)面板抬動(dòng)值達(dá)到和超過允許值時(shí)，立即停止灌漿。面板水下部分無法安裝抬動(dòng)觀測(cè)裝置，在灌漿過程中，密切觀察有無漏漿、庫內(nèi)水變混濁等異常情況，并及時(shí)處理。3.3.4灌漿施工

（1）施工程序。在充填施工后進(jìn)行加密灌漿施工，充填灌漿可以從手風(fēng)鉆自壩頂沿面板和墊層料之間的縫隙掃孔，然后采用灌漿鐵管從壩頂沿著縫隙盡量向下插入灌漿。在實(shí)際操作中，由于面板與墊層料縫隙寬窄不一、縫面不勻，因此充填灌漿管只能進(jìn)入3～5m，灌漿效果較差。通過研究，充填灌漿結(jié)合加密灌漿一并進(jìn)行。

（2）孔位布置。充填灌漿和墊層料加密灌漿的范圍為L1、L2、L9～L12等6塊面板，孔距為3.0m，鉆孔距分縫距離在50cm以上。

（3）鉆孔。①鉆孔方向與面板保持平行，與面板底面的垂直距離為50cm，與墊層料底部的距離為182cm，鉆孔傾斜角度為35.54°，單孔最大孔深為117m，對(duì)于鉆孔偏斜，應(yīng)該盡量避免打到面板。②采用DIAMEC-262型以及XY-2型鉆機(jī)配以合金鉆頭進(jìn)行回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，鉆孔孔徑為φ76mm。在鉆進(jìn)施工中，不需要添加沖洗液，為了避免鉆桿及鉆頭溫度過高，可以加入少量冷卻水進(jìn)行冷卻。③在鉆孔施工開始前，需要拆除壩頂回填石碴至防浪墻底部，并且采用φ76mm的鋼管搭設(shè)鉆灌鋼架施工平臺(tái)。

（4）灌漿。①灌漿分兩序孔加密。待孔深達(dá)到設(shè)計(jì)孔深后，不起鉆，將灌漿管接至鉆桿即可進(jìn)行灌漿。灌漿按自下而上分段、自流限量的灌漿方法進(jìn)行，灌漿段長度為3～6m。鉆孔無法一次到底時(shí)，將該孔分?jǐn)?shù)段，先對(duì)第一段進(jìn)行加密灌漿，待凝后掃孔繼續(xù)鉆進(jìn)第二段，再進(jìn)行加密灌漿，如此直至設(shè)計(jì)孔深。②灌漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。灌漿孔孔口返漿，即可結(jié)束灌漿。③封孔。采用壓力灌漿封孔法封孔，封孔漿液水灰比0.5∶1，并采用預(yù)縮砂漿封孔。④在灌漿過程中，如水上面板出現(xiàn)漏漿，立即對(duì)漏漿部位進(jìn)行封堵，同時(shí)加濃漿液配合比或摻入速凝劑，并控制進(jìn)漿流量；如水下部分面板出現(xiàn)漏漿，立即停止灌漿，并在漏漿部位用粉煤灰、黏土等封堵，必要時(shí)在漏漿部位采用導(dǎo)管灌注水下絮凝柔性混凝土，繼續(xù)灌漿時(shí)采用間歇灌漿和限流灌漿方法，必要時(shí)改變漿液配合比或摻入適量的速凝劑。

3.4 灌漿效果分析

本次充填和加密灌漿單耗干料為1288.5kg/m，說明面板與墊層料有一定程度的脫空，墊層料的可灌性良好，表明灌漿設(shè)計(jì)較符合實(shí)際情況。

Ⅰ序孔單耗量1466kg/m，Ⅱ序孔單耗量1100.6kg/m，Ⅱ序孔單耗為Ⅰ序孔單耗的75%；Ⅰ序孔單耗大于1500kg/m的孔段為55段，占Ⅰ序孔孔段數(shù)的34%，Ⅱ序孔單耗大于500kg/ m的孔段只占19%。以上說明隨著孔序的加密，灌漿單耗明顯減小，并且耗漿量大的孔段明顯減少，符合灌漿的一般規(guī)律，表明灌漿參數(shù)較為合理。

4 結(jié)束語

（1）嚴(yán)格按照施工程序進(jìn)行施工，在灌漿材料的選擇上，應(yīng)該盡量選擇流動(dòng)性好、強(qiáng)度高、無離析、無泌水、無收縮性的材料，并且設(shè)計(jì)合適的充填灌漿漿液配合比。

（2）在測(cè)量布孔及鉆孔上，應(yīng)該根據(jù)施工圖紙?jiān)O(shè)計(jì)要求以及施工實(shí)際需要進(jìn)行測(cè)量，并將布孔位置標(biāo)記出來，便于施工。

（3）在充填灌漿過程中，為了保證施工效果，首先應(yīng)該進(jìn)行施工試驗(yàn)，然后再進(jìn)行灌漿，并保持一定的灌注壓力。

（4）完成灌漿后，還應(yīng)該進(jìn)行嚴(yán)格的質(zhì)量檢查工作，對(duì)于不合格部位進(jìn)行補(bǔ)灌漿，以保證施工質(zhì)量。

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2016-1-15

黃 韜（1982-），男，工程師，本科，主要從事水利水電工程施工專業(yè)。