劈裂灌浆技术在临濮沙河水库的应用

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一、工程概况
    临濮沙河水库是一座供山东省菏泽电厂用水的水库，最大库容５３６万ｍ３，位于鄄城县境内的临濮沙河上，围坝长５２０７．３ｍ，坝顶高程５５．５０ｍ，最大坝高９．５ｍ，一般坝高７．５ｍ，坝顶宽６ｍ，为均质土坝，上下游边坡均为１∶３。坝前坡铺塑料膜防渗，塑料膜上用干砌石护坡，该坝于１９９０年冬修建，由于是冬季和群众性施工，土坝碾压质量很差，坝体内有土块架空。该坝自１９９１年１２月挡水以来，水库一直在低水位运行，未达到设计水位要求，水库经过半年多的运行，在坝顶出现大小塌坑４０多个，有的塌坑直径２～３ｍ，严重威胁大坝的安全，对坝体的处理势在必行。
    临濮沙河水库土坝隐患主要是土坝碾压质量差，施工接头多，坝体土块有架空现象，坝面排水不畅，下雨后造成坝面积水，形成塌坑等。针对上述隐患，关键是消除坝体中的裂缝、洞穴，增加坝体的密实度，消除坝体的湿陷性，实现上述目标的措施，有开挖加填黏土和劈裂灌浆等，但开挖回填黏土工程量大，造价高，对坝前的塑料膜防渗和护砌容易造成破坏，不宜采用。经多方案论证，最好的方法就是劈裂灌浆方案，其施工速度快，工程造价最低，在施工过程中，对坝前坡的塑料膜防渗和护砌也不会造成破坏。
    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帷幕，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，经济合理，方法简便易行。
    二、灌浆设计
    １．布孔
    根据坝体隐患的性质，共布三排孔，排距１．５ｍ，第一排孔距上游坝肩１．５ｍ，第三排也距下游坝肩１．５ｍ。第二排孔位交错梅花形布置，孔距２ｍ。
    ２．孔深
    为了保证隐患部位得到充分处理，第一排孔深９．５ｍ，深入到坝基黏土层，第二、第三排孔深５ｍ，以改善大坝高程５１．０ｍ以上质量较差的坝体结构，增加土体强度和防渗效果。
    ３．浆液选择
    选用合适的浆液是保证灌浆质量的重要条件，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，根据对当地黏土泥浆的物理力学性能试验，选用重粉质壤土或重壤土，即黏粒含量在２０％～２５％，砂粒含量小于２０％，其余为粉粒，泥浆的容量采用１．３～１．６ｇ／ｍ３。
    ４．灌浆压力的确定
    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，钻孔就开始随裂缝扩展，随着裂缝的扩展，浆液进入坝体而形成防渗帷幕，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、保证防渗帷幕的作用等，都能起到好的效果，否则，还有可能破坏坝体的某些结构，甚至出现险情。因此，通过灌浆试验和理论计算，该工程灌浆孔口压力一般控制在１ｋｇ／ｃｍ２以下。
    三、灌浆施工
    本项工程自１９９９年９月１日始至１１月３０日结束，历时９０ｄ，灌浆坝段５２０７ｍ，共造孔７８１０个，钻孔总进尺５０７６８ｍ，完成防渗面积１０１５３６ｍ２，灌入土料１００００ｍ３。
    为了保证灌浆质量，施工技术要点有如下规定：
    １．分序分次施灌
    分序分次施灌能使灌入坝体中的泥浆得以尽快析水固结，强度及时提高，同时，能迅速消除由于灌浆引起坝体中局部孔隙水压力升高的威胁，保证大坝施工期的安全，并能促使灌入坝体内的泥浆黏粒向两侧移动，使黏粒在坝体与泥浆交接处进行定向排列，形成一层防渗性能很强的泥浆层，如此反复轮灌，即可形成一道粗细颗粒相间，木纹纸状的浆体防渗泥墙，因此，施工时先灌第一排孔，再灌第三排孔，最后灌第二排孔，各排灌浆中，先对第一序孔轮灌，采用“少灌多复”的方法，待第一序孔灌浆结束后，再进行二序孔，第二序孔结束后，再进行第三序孔。
    ２．注浆方法
    采用孔底注浆全孔灌注的方法，注浆管下至距孔底２０ｃｍ左右，泥浆从注浆管下口沥出，使坝体由下部逐渐向上劈开，第一排孔复灌２～３次或基本不吃浆时，将注浆管提升１～２ｍ，达到间隔时间后，再复灌，直至注浆管距坝顶２ｍ左右为止。第二、三排至少自复灌３～４次或基本不吃浆时再提管，其他要求与第一排孔相同。
    ３．弯曲段灌浆
    该水库共有４个转弯段，在转弯段施工轴线上，将设计灌浆孔连续钻完，然后逐孔轮流灌浆，单孔每次灌浆量要少，发现孔口有裂缝时就停灌，改灌另孔，当每个钻孔都形成小的裂缝，而且互相交接，灌浆量再逐渐增加，直至灌完形成与转弯段轴线一致的泥浆防渗帷幕为止。
    ４．质量控制
    一是灌浆开始先灌稀浆，水泥浆比重控制在１∶２，等孔口压力突然下降后，再次将比重提高到１．４～１．６之间。二是每个灌浆孔都要经过多次复灌，前两次应避免坝顶裂缝，后几次复灌时，坝顶裂缝宽度控制在３ｃｍ以内。三是每孔复灌次数６次以上，黏土坝段（南坝）每孔复灌间隔时间不少于５ｄ，砂土坝（北坝）不应少于３ｄ。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。
    ５．终孔标准
    一是每孔灌浆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。二是坝顶纵向裂缝反复冒浆。三是经过分序、分次反复轮灌后，坝体基本不再吃浆，坝体内所有裂缝、洞穴等坝体隐患，均被泥浆充填挤压密实即可终灌。
    四、效果分析
    １．临濮沙河水库灌浆工程已竣工，从灌浆施工情况来看，第二序孔和中间第二排孔吃浆量明显减少，灌浆压力升高，大部分孔产生坝顶裂缝、冒浆，且两孔劈裂缝连接，这足以说明浆体防渗帷幕已形成，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泥浆充填密实。
    ２．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。建立了坝体内新的平衡状态，增加了坝体的稳定性。
    ３．该土坝系冬季施工，冻土块上坝，每层铺土太厚，碾压不实，采用土坝劈裂灌浆技术加固坝体，在技术上是可行的，经济上是合理的，采用的施工工艺和技术要求是安全的，灌浆期间能使坝体内部的孔隙压力、坝体位移量和坝顶裂缝宽度控制在允许范围以内而不危及大坝的安全。
    ４．为了解决灌浆后的隐患，检查灌浆施工是否满足设计要求，在施工结束后，开挖两个探井，从探井开挖情况看，坝内均自上而下形成近乎铅直连续的浆体防渗帷幕，且浆体帷幕宽为１５ｃｍ。从浆脉形状可清楚地看到，在浆脉较宽处，土质松散，坝体质量较好，同时，坝体中的裂缝洞穴均被充填密实。
    在探井开挖过程中，分别从两探井取土样进行现场试验，灌浆后干容重最小为１．５３ｇ／ｃｍ３，最大为１．７２ｇ／ｍ３，其平均值为１．６１ｇ／ｍ３，与灌浆前坝体干容重值１．４０７ｇ／ｃｍ３相比提高了约０．１４ｇ／ｍ３，灌浆的效果是显著的，灌浆设计处理方案是合理的。