浅谈土坝加固中的劈裂式灌浆技术

2023-01-01

土坝是将当地所能采掘到的粘土作为主要坝料, 按最经济的原则分区填筑, 使其形成稳定而能挡水的整体构筑物。土坝一般以粘土作为不透水的心墙, 外层多用石块筑成坝壳。所有坝料均须用适当的机械压实到各自规定的密实度。坝体的破坏形式主要有管涌、流土渗透及滑坡等。为改善坝体的渗透稳定性和变形稳定性, 须要对坝体建行加固处理, 才能消除隐患, 提高坝体的安全度。所谓灌浆, 就是由灌浆机产生一定的压力, 把配合好的浆液灌进土层或建筑物中的空隙、裂隙及孔穴, 以达到防止渗水和固结作用。土坝坝体灌浆依其理论依据的不同可分为充填式灌浆和劈裂式灌浆。用于加固土坝有效且经济的技术之一就是土坝劈裂灌浆加固技术。

1 土坝劈裂式灌浆工艺机理

(1) 坝体的可灌性及泥浆劈裂的应力分析:实验证明, 在灌浆压力作用下的粘土泥浆, 在具有大孔隙的卵石和粗砂层中, 当灌浆压力超过一定值时, 以渗透和劈裂两种形式出现, 对具有小孔隙的细砂、粘土, 只能以劈裂的形式存在。因此, 土坝心墙粘性土是可灌的, 其可灌性决定于压力泥浆对它的劈裂程度和心墙粘土被压缩变形的大小。灌浆压力对坝体劈开的方向、长短和宽度, 决定于原坝体的应力分布和大小。在灌浆压力作用下, 坝体总是沿其最小主应力作用面劈开, 即沿坝体纵向劈裂。因此, 按照坝体的一般应力分布规律, 通过合理的灌浆工艺, 就可以实现对坝体有计划的劈裂, 以达到消除隐患且稳定坝体的目的。 (2) 浆、坝互压的作用机理:土坝坝体劈裂式灌浆的任务之一, 就是在允许的范围内尽量增大灌浆压力, 使原来较为疏松的土体在某个范围之内得到一定程度的压实;停灌以后, 由于孔口压力的取消和泥浆的浓缩固结, 泥浆压力逐渐减小, 坝体则回弹压缩泥浆。实际操作中, 通过多次复灌可充分发挥浆、坝互压作用, 对提高坝体的密实度并保证灌浆质量是有效的。此外, 通过灌浆压力和土的湿化变形, 使坝体内部的应力再分配, 由应力的不均衡趋向均衡, 从而使坝体达到变形稳定的目的。 (3) 泥浆的排水固结:当停止灌浆之后, 孔口压力在浆缝中下降到零时, 泥浆中孔隙压力等于泥浆柱压力。当泥浆的析水完成后, 浆体的孔隙压力将逐渐小于泥柱压力, 此时, 浆体由析水浓缩阶段进入排水固结阶段。因下部泥浆受的压力较大、渗径短, 泥浆的固结硬化顺序是自上而下的, 这有利于尽早发挥浆体的截渗作用。由于泥浆水份排向坝体内而固结, 在浆体的水平截面上其固结顺序是自外向内的, 即靠近坝体的浆体部分先固结, 然后向里固结, 浆体的中心部分最后固结。这对于尽早发挥浆体的阻水作用, 提高浆体的防渗能力是有益的。

2 技术要点

(1) 劈裂灌浆是运用坝体应力分布规律, 用一定的灌浆压力, 将坝体沿坝轴线方向劈裂, 同时灌注合适的泥浆, 形成铅直连续的防渗泥墙, 并堵塞漏洞裂缝或切断软弱层, 以提高坝体的防渗能力, 同时通过浆、坝互压和湿陷, 使坝体内部应力重新分布, 提高坝体的稳定性。 (2) 劈裂灌浆的布孔, 应按河槽段、岸坡段、弯曲段不同的部位分别进行布孔设计。在河槽段, 一般沿坝轴线单排布孔, 如果坝体普遍碾压质量不好时, 可双排或三排布孔。河槽段的布孔可按2~3序布孔, 终孔距离孔深大于15m时可采用l0m左右;孔深小于15m时可采用5m左右。孔距可通过灌浆试验确定。在岸坡段和弯曲段, 应适当缩小孔距, 并应进行布孔设计和确定灌浆方法。 (3) 造孔深度应大于隐患深度2m~3m。泥墙的设计厚度一般可采用5cm~20cm, 应根据土坝土质、碾压质量、隐患性质和坝高等情况合理确定。当坝体的渗透系数大于或等于10cm/s~4cm/s, 或坝体存在上下游贯通的水平砂层时, 应专门计算泥墙的厚度, 并进行渗透破坏验算和专门试验研究。 (4) 泥墙的设计容重, 可根据不同的土坝, 不同的灌浆方法和浆液中粘粒含量多少提出要求, 灌浆一年后应为1.4t/m3~1.6t/m3。对灌浆土料的选择塑性指数8%~15%, 粘粒含量20%~30%, 有机质含量小于2%。为加速浆液凝固和提高后期强度, 可掺入适当水泥, 水泥掺量可为15%左右, 必要时通过试验确定。 (5) 灌浆允许压力, 应经计算和现场试验确定。灌浆应采用孔底注浆全孔灌注和分序灌注。

3 劈裂式灌浆在土坝加固中的应用

某小型水库土坝, 坝高2 5 m, 坝长152m, 顶宽4.5m。由于修筑大坝时, 局部地段碾压得不够密实。大坝蓄水后, 在坝体顶部上出现了一些断断续续的裂缝。经探井检查, 发现坝体深部仍有缝隙, 宽的达2cm。为改善大坝的稳定性及防渗性能, 决定对大坝进行劈裂灌注处理。 (1) 处理方案 (1) 灌浆压力采用灌浆试验数据与计算相结合的方法进行确定; (2) 灌浆帷幕厚度:设计为12cm; (3) 浆液选择:采用重粉质壤土作浆料, 泥浆密度采用1.5g/cm3~1.6g/cm3, 水土比 (质量比) 为1∶1~0.8∶1; (4) 灌浆孔布置:单排布孔, 沿坝轴线布置, 孔距为5m; (5) 孔深:钻孔深度一般应超过隐患部位以下1m~2m, 以垂直孔设计; (6) 灌浆时分两序次孔 (隔孔) 进行灌注。 (2) 灌浆施工: (1) 布孔:按设计要求进行布孔, 要求布孔位置准; (2) 成孔:采用100型钻机进行钻孑L, 孔斜率小于1 5; (3) 灌浆:按设计序次进行灌浆, 反复轮灌。灌浆方法采用孔底全孔灌浆法; (4) 质量控制措施:孔口压力控制在设计最大允许压力内;单孔每次吃浆量不超过20m];复灌次数在5次以上, 每两次间隔时间不少于5天, 每次灌浆坝顶水平位移不超过2cm;浆液控制为先稀浆后浓浆, 稠度不超过设计要求; (5) 灌浆终止:按坝体基本不吃浆和浆体帷幕厚度达到设计要求的原则掌握; (6) 封孔:用密度大于1.7g/cm3的稠泥浆灌满至浆面不再下降为止, 最后填土夯实; (7) 坝面处理:在有张拉裂缝的部位, 用钢钎打深2m~3m的浅孔进行复灌, 灌饱后再整平, 以防积水或雨水渗入。

(3) 处理效果:在停灌9个月后, 对处理的效果进行了探井检查。经检查发现, 不管是灌浆孔附近还是在两灌浆孔中间, 均形成了厚度比较均匀、竖直的连续的防渗帷幕。从浆脉分布可以看出, 原坝体较疏松的部位已形成了多道密集的浆脉, 坝体中的裂缝均已被泥浆充填密实。经试验, 垂直浆脉的渗透系数为3.9×10~~2.4×10~cm/s, 顺浆脉方向渗透系数为1.2×10~~1.35×10~cm/s。现场实测浆体干密度一般在1.45g/cm3~1.65g/cm3, 且有自上而下逐渐加大的趋势。因此, 可说明该处理效果是显著的。