劈裂灌漿技術在臨濮沙河水庫的應用

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一、工程概況
    臨濮沙河水庫是一座供山東省菏澤電廠用水的水庫，最大庫容５３６萬ｍ３，位于鄄城縣境內的臨濮沙河上，圍壩長５２０７．３ｍ，壩頂高程５５．５０ｍ，最大壩高９．５ｍ，一般壩高７．５ｍ，壩頂寬６ｍ，為均質土壩，上下游邊坡均為１∶３。壩前坡鋪塑料膜防滲，塑料膜上用干砌石護坡，該壩于１９９０年冬修建，由于是冬季和群眾性施工，土壩碾壓質量很差，壩體內有土塊架空。該壩自１９９１年１２月擋水以來，水庫一直在低水位運行，未達到設計水位要求，水庫經過半年多的運行，在壩頂出現大小塌坑４０多個，有的塌坑直徑２～３ｍ，嚴重威脅大壩的安全，對壩體的處理勢在必行。
    臨濮沙河水庫土壩隱患主要是土壩碾壓質量差，施工接頭多，壩體土塊有架空現象，壩面排水不暢，下雨后造成壩面積水，形成塌坑等。針對上述隱患，關鍵是消除壩體中的裂縫、洞穴，增加壩體的密實度，消除壩體的濕陷性，實現上述目標的措施，有開挖加填黏土和劈裂灌漿等，但開挖回填黏土工程量大，造價高，對壩前的塑料膜防滲和護砌容易造成破壞，不宜采用。經多方案論證，最好的方法就是劈裂灌漿方案，其施工速度快，工程造價最低，在施工過程中，對壩前坡的塑料膜防滲和護砌也不會造成破壞。
    劈裂灌漿就是沿壩軸線布孔，利用壩體小主應力成基本沿壩軸線分布這一規(guī)律，用灌漿壓力沿壩軸線劈裂壩體，灌入泥漿構造漿體防滲帷幕，同時與漿脈連通的裂縫、洞穴等壩體隱患，均被泥漿充填擠壓密實，達到防滲加固的目的，經濟合理，方法簡便易行。
    二、灌漿設計
    １．布孔
    根據壩體隱患的性質，共布三排孔，排距１．５ｍ，第一排孔距上游壩肩１．５ｍ，第三排也距下游壩肩１．５ｍ。第二排孔位交錯梅花形布置，孔距２ｍ。
    ２．孔深
    為了保證隱患部位得到充分處理，第一排孔深９．５ｍ，深入到壩基黏土層，第二、第三排孔深５ｍ，以改善大壩高程５１．０ｍ以上質量較差的壩體結構，增加土體強度和防滲效果。
    ３．漿液選擇
    選用合適的漿液是保證灌漿質量的重要條件，對漿液的要求是：可灌性好，穩(wěn)定性高，析水固結快，形成的漿體防滲性能強，并且考慮充分利用當地材料和造價低等因素，根據對當地黏土泥漿的物理力學性能試驗，選用重粉質壤土或重壤土，即黏粒含量在２０％～２５％，砂粒含量小于２０％，其余為粉粒，泥漿的容量采用１．３～１．６ｇ／ｍ３。
    ４．灌漿壓力的確定
    灌漿壓力是劈裂施工中一個重要控制指標，當灌漿壓力大于起裂壓力和裂縫擴展壓力時，鉆孔就開始隨裂縫擴展，隨著裂縫的擴展，漿液進入壩體而形成防滲帷幕，灌漿壓力如果控制得好，對于壩體的壓密和回彈，漿體的壓密和補充壩體小主應力不足、保證防滲帷幕的作用等，都能起到好的效果，否則，還有可能破壞壩體的某些結構，甚至出現險情。因此，通過灌漿試驗和理論計算，該工程灌漿孔口壓力一般控制在１ｋｇ／ｃｍ２以下。
    三、灌漿施工
    本項工程自１９９９年９月１日始至１１月３０日結束，歷時９０ｄ，灌漿壩段５２０７ｍ，共造孔７８１０個，鉆孔總進尺５０７６８ｍ，完成防滲面積１０１５３６ｍ２，灌入土料１００００ｍ３。
    為了保證灌漿質量，施工技術要點有如下規(guī)定：
    １．分序分次施灌
    分序分次施灌能使灌入壩體中的泥漿得以盡快析水固結，強度及時提高，同時，能迅速消除由于灌漿引起壩體中局部孔隙水壓力升高的威脅，保證大壩施工期的安全，并能促使灌入壩體內的泥漿黏粒向兩側移動，使黏粒在壩體與泥漿交接處進行定向排列，形成一層防滲性能很強的泥漿層，如此反復輪灌，即可形成一道粗細顆粒相間，木紋紙狀的漿體防滲泥墻，因此，施工時先灌第一排孔，再灌第三排孔，最后灌第二排孔，各排灌漿中，先對第一序孔輪灌，采用“少灌多復”的方法，待第一序孔灌漿結束后，再進行二序孔，第二序孔結束后，再進行第三序孔。
    ２．注漿方法
    采用孔底注漿全孔灌注的方法，注漿管下至距孔底２０ｃｍ左右，泥漿從注漿管下口瀝出，使壩體由下部逐漸向上劈開，第一排孔復灌２～３次或基本不吃漿時，將注漿管提升１～２ｍ，達到間隔時間后，再復灌，直至注漿管距壩頂２ｍ左右為止。第二、三排至少自復灌３～４次或基本不吃漿時再提管，其他要求與第一排孔相同。
    ３．彎曲段灌漿
    該水庫共有４個轉彎段，在轉彎段施工軸線上，將設計灌漿孔連續(xù)鉆完，然后逐孔輪流灌漿，單孔每次灌漿量要少，發(fā)現孔口有裂縫時就停灌，改灌另孔，當每個鉆孔都形成小的裂縫，而且互相交接，灌漿量再逐漸增加，直至灌完形成與轉彎段軸線一致的泥漿防滲帷幕為止。
    ４．質量控制
    一是灌漿開始先灌稀漿，水泥漿比重控制在１∶２，等孔口壓力突然下降后，再次將比重提高到１．４～１．６之間。二是每個灌漿孔都要經過多次復灌，前兩次應避免壩頂裂縫，后幾次復灌時，壩頂裂縫寬度控制在３ｃｍ以內。三是每孔復灌次數６次以上，黏土壩段（南壩）每孔復灌間隔時間不少于５ｄ，砂土壩（北壩）不應少于３ｄ。四是孔口壓力控制在設計最大允許灌漿壓力之內。五是每孔必須達到終孔標準后，方能起管，直至漿面不再下沉為止，最后加填土夯實。
    ５．終孔標準
    一是每孔灌漿量第一排平均不少于１ｍ３干土，第二、三排孔平均每孔不少于０．５ｍ３干土。二是壩頂縱向裂縫反復冒漿。三是經過分序、分次反復輪灌后，壩體基本不再吃漿，壩體內所有裂縫、洞穴等壩體隱患，均被泥漿充填擠壓密實即可終灌。
    四、效果分析
    １．臨濮沙河水庫灌漿工程已竣工，從灌漿施工情況來看，第二序孔和中間第二排孔吃漿量明顯減少，灌漿壓力升高，大部分孔產生壩頂裂縫、冒漿，且兩孔劈裂縫連接，這足以說明漿體防滲帷幕已形成，在壩體比較疏松的部位也能形成多道密集漿脈，壩體中的裂縫和洞穴泥漿充填密實。
    ２．通過漿壩互壓作用和壩體濕化變形，使壩體的小主應力得到補充，調整了壩體內部的應力狀態(tài)。建立了壩體內新的平衡狀態(tài)，增加了壩體的穩(wěn)定性。
    ３．該土壩系冬季施工，凍土塊上壩，每層鋪土太厚，碾壓不實，采用土壩劈裂灌漿技術加固壩體，在技術上是可行的，經濟上是合理的，采用的施工工藝和技術要求是安全的，灌漿期間能使壩體內部的孔隙壓力、壩體位移量和壩頂裂縫寬度控制在允許范圍以內而不危及大壩的安全。
    ４．為了解決灌漿后的隱患，檢查灌漿施工是否滿足設計要求，在施工結束后，開挖兩個探井，從探井開挖情況看，壩內均自上而下形成近乎鉛直連續(xù)的漿體防滲帷幕，且漿體帷幕寬為１５ｃｍ。從漿脈形狀可清楚地看到，在漿脈較寬處，土質松散，壩體質量較好，同時，壩體中的裂縫洞穴均被充填密實。
    在探井開挖過程中，分別從兩探井取土樣進行現場試驗，灌漿后干容重最小為１．５３ｇ／ｃｍ３，最大為１．７２ｇ／ｍ３，其平均值為１．６１ｇ／ｍ３，與灌漿前壩體干容重值１．４０７ｇ／ｃｍ３相比提高了約０．１４ｇ／ｍ３，灌漿的效果是顯著的，灌漿設計處理方案是合理的。