劈裂灌浆在坝体加固中的应用

　　摘要：劈裂灌浆利用最小主应力面和堤轴线方向一致的规律，根据土体水力劈裂的原理，顺堤向布孔，在灌浆压力下以适宜的泥浆液为能量载体，有控制地劈裂堤身，将与浆脉连通的所有裂缝、空洞、空隙等隐患用泥浆充填密实，同时浆压将筑堤土压密，最终在堤内顺堤向形成密实、垂直、连续、有一定厚度的浆液防渗固结体，从而达到防渗加固、提高坝体稳定性的目的。本文主要介绍了劈裂灌浆在秋风岭水库主坝加固工程中的施工过程和质量控制。
　　关键词：劈裂灌浆；加固；
　　
　　1工程概况
　　秋风岭水库位于广东省汕头市西南部的两英镇境内，属练江支流的秋风水系，总库容6903万m3。水库主坝为均质土坝，总长为1650m，坝顶高程48.0m，坝顶宽度7.0m，坝体平均高度约20m。坝体建于上世纪50年代末期，主要依靠人工挑土筑坝。水库经过多年运行，坝体部分已出现险情，坝后坡渗水现象较严重，大部表现牛皮胀，局部呈沼泽状，坝体的加固已刻不容缓。
　　坝体加固采用劈裂灌浆，劈裂灌浆就是沿坝轴线布孔，利用坝体小主应力成基本沿坝轴线分布这一规律，用灌浆压力沿坝轴线劈裂坝体，灌入泥浆构造浆体防渗幕墙，同时与浆脉连通的裂缝、洞穴等坝体隐患，均被泥浆充填挤压密实，达到防渗加固的目的。本大坝灌浆工程量为11127.2m，劈裂灌浆孔施工轴线为平行于坝顶轴线，位于大坝改建后坝顶轴线下游0.5m，劈裂灌浆形成的墙体与高喷防渗墙相连接。
　　2灌浆设计
　　2.1布孔
　　根据坝体隐患的性质，采用单排布孔，孔与坝顶防浪墙的距离为4m，孔距4.0m，分二序施工，施工孔平面布置如下图所示：（空白孔为Ⅰ序孔，阴影孔为Ⅱ序孔）
　　
　　图1灌浆孔平面布置图
　　2.2孔径孔深
　　灌浆孔径为φ89mm，为了保证隐患部位得到充分处理，灌浆孔深为坝体清基线以上人工填土部分，以增加土体强度和防渗效果。
　　2.3浆液选择
　　对浆液的要求是：可灌性好，稳定性高，析水固结快，形成的浆体防渗性能强，并且考虑充分利用当地材料和造价低等因素。根据对当地的地质情况，选用丘陵的红粘土，浆液比重为1.3～1.6。
　　2.4灌浆压力确定
　　灌浆压力是劈裂施工中一个重要控制指标，当灌浆压力大于起裂压力和裂缝扩展压力时，孔就随着裂缝扩展，浆液进入坝体而形成防渗幕墙。灌浆压力如果控制得好，对于坝体的压密和回弹，浆体的压密和补充坝体小主应力不足、保证防渗幕墙的作用等，都能起到好的效果，否则有可能破坏坝体的结构，甚至出现险情。
　　3施工方法
　　3.1劈裂灌浆主要施工设备
　　主要施工设备的名称、规格型号、数量

　　3.2劈裂灌浆注浆试验
　　根据设计要求选择有代表性地质的地层进行试验，开挖检查以直接观察情况，测定灌浆厚度，有关技术要求参照《水利水电工程钻孔试验规程》执行。根据试验确定起初劈裂压力P、裂缝扩展压力Pc、最大控制注浆压力Pmin、注浆量Q等，以指导本工程整个过程的施工。
　　3.3劈裂灌浆施工
　　劈裂灌浆施工采用“坝体分段，单排布孔，分序钻灌，孔底注浆，全孔灌注，综合控制，少灌多复”的原则。
　　（1）劈裂灌浆施工工艺流程
　　开挖沟槽→钻孔→制浆→灌浆→终灌→封孔
　　（2）劈裂灌浆施工方法
　　劈裂灌浆施工采用XY-100型钻机2台套造孔,YSB-250/120型调速注浆泵4台套，分两序施工，先进行Ⅰ序孔施工，再进行Ⅱ序孔施工。
　　3.4施工步骤
　　3.4.1钻孔施工
　　（1）钻孔采用回转钻机钻进，泥浆护壁。
　　（2）钻孔开孔位置与设计位置偏差不得大于50mm。
　　（3）钻孔施工时应采取预防孔斜的措施，并应按设计要求测量孔斜,孔底偏斜率不应超过1.5%。
　　（4）钻孔的有效深度应穿过待注浆地层进入下部地层1.0～2.0m为宜。
　　（5）选定部分一序孔作为向导孔，采用芯样、划分层位，其深度应大于墙体深度，间距不宜大于20m。钻进时应详细记录孔位、孔深、地层变化和漏浆、掉钻等特殊情况。
　　（6）孔口管埋设：注浆钻孔时埋设孔口管，以防止孔口塌落及孔口返浆，使坝的顶部注浆压力由孔口管承担，以避免地层表面劈裂，使灌注浆液在地层内始终处于封闭状态，因而可施加较大的注浆压力，促使浆液析水固结；当孔口压力消失后，地层所产生的回弹压力较大，有利于提高浆液的固结速率和浆体固结的密实度。在黏性土地层注浆压力不大的情况下，直接将孔口管打入地层3～5m，利用黏性土的黏结力来防止冒浆及平衡注浆顶托力；在松散无黏性地层或注浆压力较大的情况下，应在孔口预先挖2m左右深的坑，将孔口管下入3～5m后，在管周边回填黏性土并夯压密实，必要时可回填塑性混凝土。
　　3.4.2制浆
　　采用搅拌机湿法制浆，随时测定泥浆密度，控制达到设计要求，浆液比重为1.3～1.6。开始采用稀浆灌注，待坝体被劈裂后，改用浓浆。
　　3.4.3灌浆
　　施灌原则是“稀浆开始，浓浆灌注，分序施灌，先疏后密，少灌多复，控制浆量”，施工时要将注浆管下到离钻孔底部0.5～1.0m处，启动灌浆泵泥浆由射管喷出。浆液劈裂坝体始于注管底部，沿小主应力作用面，逐渐向上发展。孔底注浆可施加较大压力，使坝体内部劈开，把较多的泥浆压入坝体，产生挤压变形，待停灌后，坝体产生回弹，有利于提高坝体和浆脉的密度。全孔灌注，浆液从注浆管底部涌出，自下而上、从压力大处向压力小处、从坝体质量好部分向质量差部分、从已充填部分向未充填的部分、从裂缝中间向边缘流动和充填。要求每次灌浆后，要提一提注浆管，以免孔底堵塞和孔口冒浆。灌1～2次后，可提管1～2m。
　　3.4.4质量控制
　　一是灌浆开始先灌稀浆，水泥浆比重控制在1.3，等孔口压力突然下降后，再次将比重提高到1.4～1.6之间；二是初灌时应避免坝顶出现裂缝，复灌时坝顶裂缝宽度控制在３cm以内；三是每孔复灌间隔时间不少于5ｄ；四是孔口压力控制在设计最大允许灌浆压力之内；五是每孔必须达到终孔标准后方能起管，直至浆面不再下沉为止，最后加填土夯实。
　　3.4.5终灌
　　灌浆采用初灌一次，复灌两次，浆体幕墙厚度须达到设计标准。如果复灌2次后的吃浆量大于总吃浆量的15％或坝顶连续冒浆即可终灌，否则则应进行第三次复灌、第四次复灌，直至最后一次的吃浆量小于总吃浆量的15％为止，直观上要以饱、满、实为度。
　　3.4.6封孔
　　在终灌后，先将注浆管插入孔底，再注入浓浆将稀浆或清水置换掉，直至浓浆填满全孔为止，待浆液析水沉淀后，再进行第二次封填，直至钻孔封满为止。
　　3.4.7灌浆期原型观测
　　按设计要求沿坝轴线方向每隔20m设一观测标点，每级至少分别在坝顶上、下游坝肩处各设一个观测标点，标点用砼桩或木桩做成。灌浆施工前应对布设的各桩垂直位移点观测2次，灌浆期每班观测1～2次，坝面出现裂缝时，应增加观测次数，灌浆间歇期每2天观测1次，灌浆期间坝顶上、下游坝肩处横向水平位移每次不得大于25mm。
　　3.4.8注浆中特殊情况的处理
　　注浆过程中，有时会遇到冒浆、串浆等一些特殊情况，对这些情况的处理往往需采用一些特殊的方法。分述如下：
　　（1）冒浆：对孔口冒浆可采用重新回填黏土或在黏土中掺入少量水泥的方法，封堵套管外壁与孔壁之间间隙。对孔口以外部分的冒浆，可采用限流、限压及嵌缝的方法处理，如该法处理无效，则应停注待浆液凝结后再进行复注。
　　（2）串浆：在注浆过程中，若出现相邻两孔或隔孔冒浆，这表明堤坝地基已经劈裂，串浆两孔之间浆脉已经沟通。处理这种现象，一是将冒浆孔用止浆塞堵上，然后在注浆孔再继续注浆，另一种是将注浆孔与冒浆孔并联，同时进行灌注。
　　（3）隆起：注浆期地层隆起，一是由于注浆时产生水平劈裂，在注浆压力作用下，对地层产生抬动。在这种情况下，应采取限压方法或在保持注浆压力的前提下，控制注入量。二是由于在注浆压力作用下，对湿陷性大的土体产生挤压变形，而造成局部隆起，这时则应降低注浆压力或调整施工方案。
　　（4）吸浆量过大：一种情况是注浆土体过于疏松，在注浆压力作用下，伴随着出现较大的压缩变形，使裂缝加宽，吸浆量增大。这时，伴随注浆量的增加，压力将逐步上升，应继续灌注到压力上升至设计压力或反复灌注到地层不吸浆为止。另一种情况是地层存在掏刷形成的空洞，这时应一直灌注到空洞填满为止。
　　4结语
　　从灌浆施工情况来看，大部分孔产生坝顶裂缝、冒浆，且相邻两孔劈裂缝连接，说明浆体防渗幕墙已形成，在坝体比较疏松的部位也能形成多道密集浆脉，坝体中的裂缝和洞穴被泥浆充填密实。经过一段时间，等粘土浆完全析水固结后，随机对灌浆的部位进行开挖，检验粘土幕墙的生成质量。经现场开挖检验，在坝体沿坝轴线方向形成数道粘土幕墙，宽度为10mm～50mm，浆脉累计厚度约100mm。通过浆坝互压作用和坝体湿化变形，使坝体的小主应力得到补充，调整了坝体内部的应力状态，增加了坝体的稳定性。理论上由于坝体沿坝轴线方向存在粘土幕墙，阻隔了坝体内水的渗透，使粘土幕墙下游侧坝体的浸润线得到降低；从实际情况观察，灌浆后大坝背水坡脚的渗水得到了有效控制，从而达到防渗加固的目的。
　　参考文献：
　　[1]《土坝坝体灌浆技术规范》SD266-88[M].北京：中国水利水电出版社，1988.
　　