劈裂灌漿的加固原理及其施工方法

1、【摘   要】文章主要介紹了劈裂灌漿的加固原理及其在秋風(fēng)嶺水庫(kù)主壩加固工程中的施工過(guò)程和質(zhì)量控制。【關(guān)鍵詞】劈裂灌漿；加固原理；方法        一、劈裂灌漿的加固原理和特點(diǎn)堤體劈裂灌漿的理論基礎(chǔ)是水力劈裂原理，即向土體內(nèi)的孔內(nèi)壓水或灌漿時(shí)，作用在孔壁上的徑向壓力引起孔的擴(kuò)張，使孔壁土體受劈裂擠應(yīng)力，而當(dāng)這些應(yīng)力超過(guò)土體的抗拉強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)在土體內(nèi)產(chǎn)生一些裂縫，這種裂縫的產(chǎn)生過(guò)程稱(chēng)之為水力劈裂。水利上的堤壩是人工堆筑成的長(zhǎng)條形土料建筑物，為梯形斷面，由于受多種自然因素的影響，常出現(xiàn)一些不穩(wěn)定現(xiàn)象。如果向不穩(wěn)定的堤段

2、造孔并向堤體孔內(nèi)壓注漿液，加上漿液自重因素，使堤體沿軸線(xiàn)方向形成一道或數(shù)道粘土帷幕，則可達(dá)到消險(xiǎn)固堤的作用。這種施工過(guò)程我們稱(chēng)之為劈裂灌漿。劈裂式灌漿技術(shù)在土壩壩體除險(xiǎn)加固中具有投資小、見(jiàn)效快、設(shè)備和技術(shù)簡(jiǎn)單、操作方便等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)被廣泛地運(yùn)用。但在具體操作中應(yīng)注意施工工藝，保證灌漿的質(zhì)量，才能達(dá)到預(yù)期的效果。二、工程簡(jiǎn)介秋風(fēng)嶺水庫(kù)位于廣東省潮陽(yáng)市西南部的兩英鎮(zhèn)境內(nèi)，距市區(qū)36公里，距324國(guó)道約7.5公里，屬練江支流的秋風(fēng)水系。壩址以上集雨面積105.1平方公里，總庫(kù)容6903萬(wàn)m3。水庫(kù)兼顧防洪、灌溉、供水、發(fā)電等效益，是潮陽(yáng)市庫(kù)容最大的一宗水庫(kù)。秋風(fēng)嶺水庫(kù)主壩總長(zhǎng)為1650米，為廣東省最長(zhǎng)

3、的大壩之一，壩體平均高度約20米。壩體建于20世紀(jì)50年代末期，主要依靠人工挑土筑壩，因此施工質(zhì)量存在一定的問(wèn)題，且經(jīng)過(guò)多年的水壓作用，壩體部分已出現(xiàn)險(xiǎn)情，滲水現(xiàn)象較嚴(yán)重，對(duì)壩體的加固已刻不容緩。壩體的劈裂灌漿工程量約為11127.2m，采用單排布孔，孔距4.0m，劈裂灌漿孔施工軸線(xiàn)為平行于壩頂軸線(xiàn)，位于大壩改建后壩頂軸線(xiàn)下游0.5m。劈裂灌漿形成的墻體與高噴防滲墻相連接。水庫(kù)主要擋水建筑物為均質(zhì)土壩，壩頂高程48.0m，壩頂寬度7.0m，壩頂長(zhǎng)1650m，根據(jù)地層地質(zhì)資料，從上而下為：第一，人工回填土，為花崗巖風(fēng)化土，局部為巖脈風(fēng)化粘性土及粉質(zhì)粘土。主壩上部10m段滲透性較強(qiáng)，中下部土質(zhì)較密

4、實(shí)，滲透性較弱。第二，花崗巖全風(fēng)化土，透水性較弱。第三，強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，透水性中等，局部破碎帶透水性強(qiáng)。三、施工方法（一）劈裂灌漿孔施工平面布置施工孔平面布置如下圖所示：（空白孔為序孔，陰影孔為序孔）    圖1灌漿孔平面布置圖（二）劈裂灌漿的主要施工設(shè)備    表1 主要施工設(shè)備的名稱(chēng)、規(guī)格型號(hào)、數(shù)量（三）劈裂灌漿注漿試驗(yàn)根據(jù)設(shè)計(jì)要求和本劈裂灌漿防滲工程有代表性地質(zhì)的地層，進(jìn)行試驗(yàn)。開(kāi)挖檢查以便直接觀察情況，測(cè)定灌漿厚度。有關(guān)技術(shù)要求分別參照水利水電工程鉆孔試驗(yàn)規(guī)程執(zhí)行。根據(jù)試驗(yàn)確定起初劈裂壓力P、裂縫擴(kuò)展壓力Pc、最大控制注漿壓力P

5、min、注漿量Q等，以指導(dǎo)本工程整個(gè)過(guò)程的施工。（四）劈裂灌漿施工主要技術(shù)參數(shù)1.注漿深度、布孔、段高注漿深度：為壩體清基線(xiàn)以上人工填土部分。布孔：采用單排布孔，孔距4.0m，分二序施工。段高：為全孔一次灌注法。2.漿料選擇選用紅粘土漿，漿液比重為1.30。（五）劈裂灌漿施工劈裂灌漿施工采用“壩體分段，單排布孔，分序鉆灌，孔底注漿，全孔灌注，綜合控制，少灌多復(fù)”的原則。1.劈裂灌漿施工工藝流程開(kāi)挖溝槽鉆孔制漿灌漿終灌封孔2.劈裂灌漿施工方法劈裂灌漿施工采用XY-100型鉆機(jī)2臺(tái)套造孔，YSB-250/120型調(diào)速注漿泵2臺(tái)套，分兩序施工，先進(jìn)行序孔施工，再進(jìn)行序孔施工。材料采用粘土漿，漿液比重

6、為1.30。（六）施工要點(diǎn)1.鉆孔施工：（1）鉆孔采用回轉(zhuǎn)鉆機(jī)鉆進(jìn)，泥漿護(hù)壁；鉆孔孔徑89mm。（2）鉆孔開(kāi)孔位置與設(shè)計(jì)位置偏差不得大于50mm。（3）鉆孔施工時(shí)應(yīng)采取預(yù)防孔斜的措施，并應(yīng)按設(shè)計(jì)要求測(cè)量孔斜。孔底偏斜率不應(yīng)超過(guò)1.5%。   （4）鉆孔的有效深度應(yīng)穿過(guò)待注漿地層進(jìn)入下部地層1.02.0m為宜。（5）選定部分一序孔作為向?qū)Э?，采用芯樣、劃分層位，其深度?yīng)大于墻體深度，間距不宜大于20m。鉆進(jìn)時(shí)應(yīng)詳細(xì)記錄孔位、孔深、地層變化和漏漿、掉鉆等特殊情況。（6）孔口管埋設(shè)：注漿鉆孔時(shí)埋設(shè)孔口管，以防止孔口塌落及孔口返漿，使壩的頂部注漿壓力由孔口管承擔(dān)，以避免地層表面劈裂

7、，使灌注漿液在地層內(nèi)始終處于封閉狀態(tài)，因而可施加較大的注漿壓力，促使?jié){液析水固結(jié)；當(dāng)孔口壓力消失后，地層所產(chǎn)生的回彈壓力較大，有利于提高漿液的固結(jié)速率和漿體固結(jié)的密實(shí)度。在黏性土地層注漿壓力不大的情況下，直接將孔口管打入地層35m，利用黏性土的黏結(jié)力來(lái)防止冒漿及平衡注漿頂托力；在松散無(wú)黏性地層或注漿壓力較大的情況下，應(yīng)在孔口預(yù)先挖2m左右深的坑，將孔口管下入35m后，在管周邊回填黏性土并夯壓密實(shí)，必要時(shí)可回填塑性混凝土。2.制漿。采用攪拌機(jī)濕法制漿，隨時(shí)測(cè)定泥漿密度，控制達(dá)到設(shè)計(jì)要求，漿液比重為1.30。開(kāi)始采用稀漿灌注，待壩體被劈裂后，改用濃漿。3.灌漿。施灌原則是“稀漿開(kāi)始，濃漿灌注，分序

8、施灌，先疏后密，少灌多復(fù)，控制漿量”，施工時(shí)要將注漿管下到離鉆孔底部0.51.0m處。啟動(dòng)灌漿泵泥漿由射管?chē)姵?。漿液劈裂壩體始于注管底部，沿小主應(yīng)力作用面，逐漸向上發(fā)展?？椎鬃{可施加較大壓力，使壩體內(nèi)部劈開(kāi)，把較多的泥漿壓入壩體，產(chǎn)生擠壓變形，待停灌后，壩體產(chǎn)生回彈，有利于提高壩體和漿脈的密度。全孔灌注，漿液從注漿管底部涌出，自下而上、從壓力大處向壓力小處、從壩體質(zhì)量好部分向質(zhì)量差部分、從已充填部分向未充填的部分、從裂縫中間向邊緣流動(dòng)和充填。要求每次灌漿后，要提一提注漿管，以免孔底堵塞和孔口冒漿。灌12次后，可提管12m。4.終灌。經(jīng)反復(fù)輪注后，漿體帷幕厚度須達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)20cm。如連續(xù)3次

9、不再吃漿或壩頂連續(xù)3次冒漿即可終灌，直觀上要以飽、滿(mǎn)、實(shí)為度。5.封孔。在終灌后，先將注漿管插入孔底，再注入濃漿將稀漿或清水置換掉，直至濃漿（采用0.51以上的濃漿）填滿(mǎn)全孔為止，待漿液折水沉淀后，再進(jìn)行第二次封填，直至鉆孔封滿(mǎn)為止。6.灌漿期原型觀測(cè)。按設(shè)計(jì)要求沿壩軸線(xiàn)方向每隔20m設(shè)一觀測(cè)標(biāo)點(diǎn)，每級(jí)至少分別在壩頂上、下游壩肩處各設(shè)一個(gè)觀測(cè)標(biāo)點(diǎn)，標(biāo)點(diǎn)用砼樁或木樁做成。灌漿施工前應(yīng)對(duì)布設(shè)的各樁垂直位移點(diǎn)觀測(cè)2次，灌漿期每班觀測(cè)12次，壩面出現(xiàn)裂縫時(shí)，應(yīng)增加觀測(cè)次數(shù)，灌漿間歇期每2天觀測(cè)1次。灌漿期間壩頂上下游壩肩處橫向水平位移每次不得大于25mm。7.注漿中特殊情況的處理。注漿過(guò)程中，有時(shí)會(huì)遇

10、到冒漿、串漿等一些特殊情況，對(duì)這些情況的處理往往需采用一些特殊的方法。分述如下：（1）冒漿：對(duì)孔口冒漿可采用重新回填黏土或在黏土中摻入少量水泥的方法，封堵套管外壁與孔壁之間間隙。對(duì)孔口以外部分的冒漿，可采用限流、限壓及嵌縫的方法處理，如該法處理無(wú)效，則應(yīng)停注待漿液凝結(jié)后再進(jìn)行復(fù)注。（2）串漿：在注漿過(guò)程中，若出現(xiàn)相鄰兩孔或隔孔冒漿，這表明堤壩地基已經(jīng)劈裂，串漿兩孔之間漿脈已經(jīng)溝通。處理這種現(xiàn)象，一是將冒漿孔用止?jié){塞堵上，然后在注漿孔再繼續(xù)注漿，另一種是將注漿孔與冒漿孔并聯(lián)，同時(shí)進(jìn)行灌注。（3）隆起：注漿期地層隆起，一是由于注漿時(shí)產(chǎn)生水平劈裂，在注漿壓力作用下，對(duì)地層產(chǎn)生抬動(dòng)。在這種情況下，應(yīng)采

11、取限壓方法或在保持注漿壓力的前提下，控制注入量。二是由于在注漿壓力作用下，對(duì)濕陷性大的土體產(chǎn)生擠壓變形，而造成局部隆起。這時(shí)，則應(yīng)降低注漿壓力或調(diào)整施工方案?？傊?，注漿中地層的隆起是應(yīng)盡量避免的，若發(fā)生，則應(yīng)找出原因，采用相應(yīng)的處理措施后，再繼續(xù)注漿，以免對(duì)土壩質(zhì)量造成不良影響。（4）吸漿量過(guò)大：一種情況是注漿土體過(guò)于疏松，在注漿壓力作用下，伴隨著出現(xiàn)較大的壓縮變形，使裂縫加寬，吸漿量增大。這時(shí)，伴隨注漿量的增加，壓力將逐步上升，應(yīng)繼續(xù)灌注到壓力上升至設(shè)計(jì)壓力或反復(fù)灌注到地層不吸漿為止。另一種情況是地層存在掏刷形成的空洞，這時(shí)應(yīng)一直灌注到空洞填滿(mǎn)為止。四、效果評(píng)價(jià)劈裂灌漿完成以后，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，等粘土漿完全析水固結(jié)后，隨機(jī)對(duì)灌漿的部位進(jìn)行開(kāi)挖，檢驗(yàn)粘土墻的生成質(zhì)量。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖檢驗(yàn)，在壩體沿壩軸線(xiàn)方向形成數(shù)道粘土帷幕，寬度為10mm50mm，漿脈累計(jì)厚度100mm（見(jiàn)圖2）。