小水库土坝加固过程中劈裂灌浆技术的应用

我国有大量的小土坝,因某些土坝的填筑质量差,抗渗坡降低,坝后发生大面积散浸、管涌、流土等渗透破坏现象,加之管理放松,因此垮坝事件时有发生。田地水库大坝坝体采用劈裂灌浆防渗技术,造价低,质量可靠,是一个成功的工程实例。

1.基本情况

田地水库位于抚溪支流上游的永定县培丰镇上和村北部,距下游田农水库约7km,是一座以灌溉为主兼有防洪的重要小(一)型水库。水库坝址以上集雨面积5.8km2,水库正常蓄水位601.80m,相应库容为84.0万m3。

水库枢纽工程由主坝、溢洪道、输水涵洞、坝后电站等建筑物组成。大坝为均质土坝,坝高26.0m,坝顶长152.50m。坝体为残坡积土填筑,颗粒粗:砾砂约占40%,粘土占15%。基岩为强风化石英砂岩,裂隙发育,大部分裂隙大于允许开度。大坝在设计和施工期间未设砼底板,土料直接填在裂隙发育的基岩上,加之填土疏松,干密度为1.42~1.46g/cm3,水库蓄水以后,坝后坡出现大面积散浸,坝基接触带发生冲刷,为此水库运行期一直控制水位,妨碍了正常蓄水。论文参考网。

2.防渗加固设计

该坝的特点是:短、矮、坝体疏松,坝体和接触带已发生了严重的渗透破坏。针对上述特点,进行了下述几种设计方案的比较。

2.1劈裂灌浆防渗技术:劈裂灌浆,沿坝轴线附近布置两排灌浆孔,排距1.5m,孔位梅花状布置,分二序施工。孔距:河槽段4m,岸坡段2.5m,孔深以进入基岩0.5m 为准,灌浆孔口压力为0~0.5mpa,帷幕厚度:平均50~200mm(累计),且坝顶处累计厚度不小于30mm。主排孔沿坝轴线布置,以建立连续的防渗帷幕;副排孔沿主排孔上游布置。通过压力泥浆的劈裂、挤压、渗透、充填、湿化固结,解决坝体的渗透稳定和变形稳定。施工期90天,概算28万元。

优点是:设备简单,施工期短,造价便宜,质量稳定可靠。

缺点是:工艺要求较高,要有专业队伍施工。

2.2砼防渗墙:沿坝轴线布置,墙厚40cm,施工期120天,概算88万元。论文参考网。

优点:质量稳定可靠。

缺点:造价较高,施工期较长,设备庞大,调遣费用高,因工程量少,施工队伍难以接受。

2.3钻孔灌注桩加高喷(旋喷桩):灌注桩间距1.0m,桩径0.7m,桩之间加高喷,概算112万元。

优点是:质量较稳定可靠,当地施工队伍好调动。

缺点是:造价太高,施工期长。

方案1劈裂灌浆(1):是该坝加固设计采用的方案,通过该坝变形破坏机理的耦合分析,是几种技术方案中的最优方案。因为劈裂灌浆可以通过灌浆压力p=△p+r’h’对主应力不足的土体部分进行补充。式中△p:为注浆管顶部的孔口压力kg/cm2;r’h’:为注浆管孔口至坝体某一高的泥浆柱压力kg/cm2。p在注浆时,对坝体的劈裂和对两侧土体的压缩、充填、渗透、应力调整等起到重大作用。随着灌浆次数的增加灌浆压力p发生多次对浆脉两侧土体的上述效应,同时又经多次停灌发生坝体土的回弹压缩泥浆,促使泥浆脉的排水固结硬化。劈裂灌浆的过程,是一个在坝体内部不同应力场土区的应力调整和应力再分配过程。论文参考网。

综合上述分析,该方案最大优点是解决坝体遇到的渗透稳定和变形稳定,恢复坝体的渗透稳定和变形稳定;造价便宜;质量稳定可靠。

3.灌浆施工

3.1施工措施:

针对该坝,在灌浆工艺上采取了如下措施:在岸坡段,由于该坝施工期间和竣工后,产生大量的沉降变形,使岸坡段坝顶及其以下相当深度的土区处于沿坝轴方向纵向受拉区(3),小主应力面是垂直于坝轴线的,通过加密布孔,加大灌浆压力,使小主应力面作90度调整,这一过程第三次复灌以后才能完成,然后沿坝轴线纵向劈开营造防渗帷幕。在岸坡段低于5m的坝段,沿纵向的小主应力面不是太明显,在施工过中掌握了如下原则:

3.1.1加密布孔:两排梅花形布孔,终孔距离2.5;

3.1.2增加钻孔深度:自坝顶穿过坝体进入基岩0.5m;

3.1.3浆液先稀后稠:应力调整阶段灌稀浆,比重为1.3g/cm3,营造帷幕阶段比重大于1.4g/cm3;

3.1.4尽量加大灌浆压力;

3.1.5增加复灌次数,不少于6次; 延长灌浆时间,复灌间隔时间不少于3天。

3.2施工控制:

为了提高灌浆效果,保证坝体在灌浆施工期间的稳定,在工艺和施工技术指标上实行如下控制:

3.2.1每次灌浆前后坝坡任意测点的水平位移量不得超过2cm,坝体开始回弹以后才允许下次复灌;

3.2.2泥浆液的比重,应力调整阶段1.3~1.4 g/cm3,构筑防渗帷幕期间为1.4~1.5 g/cm3;

3.2.3采用孔底注浆工艺,尽量推迟坝顶劈开的时间,一般第二次复灌以后才允许劈开坝顶。一次劈开坝顶裂缝的宽度不超过2.0cm,停灌后坝体开始回弹才允许复灌;

3.2.4灌浆压力(指注浆管孔口压力):起劈压力不限,运行压力维持在零压力左右,负压力出现时,可增加泥浆比重到1.4 g/cm3以上;

3.2.5每次复灌的间隔时间为3~5天;

3.2.6一次灌浆量:初次0.5~1.0m3/m/次,复灌1.0 m3/m/次左右,总灌浆量应满足设计泥浆脉厚度要求-设计平均厚度0.20m左右。(以灌入土料总量计算,泥浆脉干容重1.6 g/cm3);

3.2.7终灌标准:坝顶横向和斜向缝不再出现,注浆管孔口零压力维持5天不再出现负压力,泥浆脉厚度达到设计值;

3.2.8封孔:坝顶纵向劈裂缝泥浆脉相连通,泥浆析水后下沉0.3m,硬化后填入干土夯实;

4.灌浆效果分析(4)

由于该坝是经1957年和1977年两次筑坝加高,坝体结构具有一定的特殊性,导致坝体内部应力场复杂,给灌浆造成很大的困难,应力调整阶段增长,灌浆量和灌浆工期远超设计,由于溢洪道右侧墙外填土不密实,大坝两端山体较陡等原因,在坝体靠近溢洪道一侧及左右岸坡出现大量集中漏浆点,后经多次调整、复灌都得到了彻底的封堵。灌浆竣工后,上述现象全部消失,坝体稳定得到保证。

4.1渗流变化的分析

该水库土坝劈裂灌浆历时90天,灌入粘土620m3,按泥浆脉固结硬化的干容重1.60 g/cm3计算,每道主浆脉平均厚度为16.7cm。通过对灌浆后土坝的开挖验证,泥浆脉在坝体内的分布,坝顶以下3m范围内逞各条细浆脉平行于坝轴线分布,以下呈1~2条主浆脉,厚度在坝高的1/2处最大约30cm,泥浆脉的渗透系数k=i×10-7cm/s。泥浆脉后坝体土的渗透坡降大大降低,坝体抗渗坡降由灌浆前的0.07提高到灌浆后的0.22,坝后沼泽化和明流已消失,浸润线出逸点降到河床底高程以下,地表的渗流量为零。灌浆期间坝前出现冒浆点12处,坝后18处,冒浆点和水库高水位时间管涌散浸点基本重复。说明沿坝轴线已劈开形成的连续的封闭泥浆墙帷幕已和漏水通道贯通,漏水通道已被泥浆封堵。由于泥浆柱的压力大于水库高水位水柱的压力,所以在原漏水通道和一些坝体土很疏松,抗渗坡降很低的土区,由泥浆柱的压力所营造的抗渗坡降远大于在最高水位时所产生的水力坡降。从理论分析和今年灌浆后高水位时的考验证明,土坝的渗透稳定问题通过劈裂灌浆所形成的泥墙防渗帷幕和泥浆对浆脉两侧坝体土的挤压、渗透、充填已形成竖直边续的防渗帷幕带,坝体的渗透稳定得到了保证。

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