岳景哲

(四平市水利勘測設計研究院 吉林四平 136000)

1 工程概況

楊城子水庫位于公主嶺市楊城子鎮(zhèn)內(nèi),建于東遼河支流小遼河上游的孟禮河上。水庫總庫容0.735×108m3,是一座以防洪、灌溉為主,兼顧養(yǎng)魚等綜合利用的中型水庫。水庫大壩為均質(zhì)土壩,壩長2550m,壩頂寬 6.0m,壩頂高程186.79m,最大壩高17m。該工程于1983年建成,于2006年4月進行除險加固。

2006年7月,施工單位在對壩體防滲墻高壓噴射灌漿施工過程中,于樁號2+000～2+291.2,長度291.2m壩段上壩體出現(xiàn)裂縫,裂縫大體上沿壩軸線方向,局部壩段與壩軸線方向成一定角度相交向上游壩坡面延伸。壩體表面可風裂縫累計205.8m,最大縫寬23cm,裂縫長度32m,其余縫寬均為1～0.2cm不等。地勘部門沿壩頂樁號1+920～2+290和樁號1+030～1+313.3壩段迎水坡補充勘察試驗工作。沿壩軸線共布置鉆孔10個鉆孔,勘探孔位于防滲墻兩側(cè),距離為2.0m。為了對比分析,在鄰近的防滲墻未施工的壩段布置了3個孔,孔深均為17m,同時在壩前坡布置了淺孔5個,孔深為4.5m。并做了電法探測,于2006年8月中旬完成外業(yè)勘察工作。壩體勘察結(jié)論如下:

1)土壩壩體處于硬可塑狀態(tài),隨深度增加可塑性有所降低。

2)壩體的各項物理力學指標均存在較大的離散性,表明壩體的結(jié)構(gòu)均一性差。

3)壩體上部0～11.8m深度內(nèi)存在密實度較低的填土層。

4)經(jīng)電法測試,該壩體從樁號1+982～2+237段,出現(xiàn)電阻率異常,經(jīng)分析為該壩段壩體填土密實度不均勻,不符合設計質(zhì)量標準要求,且存在集中滲漏和滲透變形等安全隱患,壩體需進行灌漿加固處理。

2 裂縫成因及危害分析

對于壩基高噴灌漿施工引起壩體嚴重劈裂現(xiàn)象,經(jīng)分析,其主要原因及危害如下:

①壩體原填筑質(zhì)量差,壩體填土密實度不均勻,壩體小主應力及土體抗拉強度偏低。且存在集中滲漏和滲透變形等安全隱患。

②高噴灌漿施工工藝操作不當,具體表現(xiàn)在孔口壓力控制過高,壩體內(nèi)未按設計工藝要求下防護套管。

③壩頂最大縫寬23cm,裂縫開展方向與壩軸線斜交約成45°角,并延伸至上游坡面。經(jīng)超聲波探測屬貫穿性裂縫,已形成了安全隱患。如果不進行有效的加固處理,水庫一旦正常蓄水,直接威脅大壩穩(wěn)定安全。

3 壩體加固設計

壩體加固設計的主要目的是充填由于高噴灌漿施工導致的壩體劈裂裂縫和利用漿壩互壓原理擠密充填壩體。設計對劈裂灌漿和充填灌漿兩個方案進行了比選,從經(jīng)濟上看,充填灌漿方案優(yōu)于劈裂灌漿,但從技術上講,劈裂灌漿處理方案可以更有效地擠壓密實疏松的壩體,以實現(xiàn)填充、密實壩體的加固目的。因此壩體加固方案最終選定為劈裂灌漿處理方案,見圖。

本次灌漿設計是利用劈裂灌漿技術處理壩體上部填筑質(zhì)量較差的土體,填充壩體裂縫,最終使該部分壩體土體密實度達到設計壓實度標準。

圖1 劈裂灌漿處理方案

3.1 劈裂灌漿加固機理

①泥漿劈裂的作用。土壩壩體劈裂灌漿的過程,也就是壓力漿液對壩體劈裂-充填-擠壓-滲透-濕化固結(jié)的過程。當壩體被劈裂開后,孔口壓力突然下降,由于在裂縫尖端形成真空,漿液隨之充填,隨著漿液的充填,孔口壓力逐漸回升,當縫端的漿液壓力大于壩體土的抗劈力時,這時便產(chǎn)生新的劈裂。由于劈裂灌漿是以漿液為能量載體,所以能夠做到縫成漿到,與漿脈連通的所有壩體裂縫、弱應力土區(qū)等隱患部位都能得到充填和壓密。

②漿液與土壩互壓作用。堤壩劈裂灌漿一般是分序次灌注。灌漿壓力將壩體有控制地劈裂后,漿液隨后跟進,所以灌漿的過程,實際上是漿壓壩的過程。停灌后壩體回彈是壩壓漿的過程。在整個灌漿過程中,每個孔一般要灌5次,壩體反復壓縮──回彈,產(chǎn)生內(nèi)部應力再分配,達到應力變形穩(wěn)定,同時使泥漿墻兩側(cè)的土體得到壓密。

3.2 鉆孔設計

①灌漿孔布置。本工程布孔采用沿壩軸線兩側(cè)上、下游1.0m處各布設1排灌漿孔,主副排孔排間距2m,兩排孔呈梅花狀分布。

②鉆孔深度。為了保證隱患部位得到充分處理,孔深原則上一般不應小于隱患部位以下2m～3m。由于壩體上部碾壓質(zhì)量很差,根據(jù)地質(zhì)勘察報告,為確保壩體加固質(zhì)量,實現(xiàn)劈裂灌漿幕墻與原高噴板墻有效焊接長度≥2m確定壩體灌漿鉆孔深度為:主、副排孔孔深分別為13.0m、9.0m。

③孔距的確定。在保證壩體松散層得到充分灌注的前提下,孔距可以適當放大,以便減少鉆孔數(shù)目,降低工程造價。參考各地灌漿實踐經(jīng)驗,本工程鉆孔深在10m左右,擬定本工程灌漿設計孔距為5.0m。

④孔序。分序灌漿的目的主要是漿液在壩體中有充分的排水固結(jié)時間,所以灌漿的序數(shù)應根據(jù)被灌壩段的長短而定,本工程分二序孔灌漿,先施工一序孔,后施工二序孔;一期灌主排孔,二期灌副排孔。

3.3 灌漿最大允許壓力的確定

土壩灌漿孔控制壓力采用灌漿試驗數(shù)值與理論計算相結(jié)合的方法確定:

①灌漿最大允許壓力,即鉆孔的起裂壓力Pb,可用下式來計算:

式中:a為圓孔應力集中系數(shù)=2.25～2.5;σ3為壩體鉆孔平面小主應為σ3=K3hγ(kPa);σ2為壩體鉆孔平面大主應力σ2=μ(σ1+σ3)(kPa);μ為泊松比,取0.4;σ1為三向應力狀態(tài)下的大主應力,σ1≈hγ(kPa);σt為壩體土的單軸抗拉強度 σt取10 kPa;h為計算點深度,取 13.0m;γ為土的天然重度,取20.3kN/m3;K3為壩體土小主應力側(cè)壓力系數(shù),取0.6;γ為漿漿液容重,取14kN/m3;

經(jīng)計算Pb=0.21 MPa;

②孔口壓力表最大控制壓力 △Pmax

經(jīng)計算 △Pmax=0.036MPa

根據(jù)以往土壩灌漿經(jīng)驗,結(jié)合本工程特點,經(jīng)上述各種壓力值計算,初步擬定灌漿孔口壓力不超過0.05MPa,設計劈裂灌漿壓力為0.1MPa。

3.4 漿液選擇

選用當?shù)卣惩?粘粒含量 25%～30%左右,砂粒含量10%左右,其余為粉粒。漿液的物理力學性質(zhì):漿液比重13kN/m3～15kN/m3,濕法制漿。因該壩體量差,應以濃漿為主,始灌短時間內(nèi)用稀漿。

3.5 灌漿帷幕厚度的確定

泥墻帷幕厚度是由壩體內(nèi)應力場確定,下列只是近似的進行計算。計算公式如下:

取帷幕上下游水差12m,帷幕允許坡降[J]=100。則帷幕厚度 δ= △H/[J]=1200/100=12cm。設計確定防滲帷幕厚度δ=15cm。

4 施工工藝

4.1 造孔

鉆孔建議采用沖擊鉆成孔,鉆孔直徑采用≤75mm,鉆孔深度:主、副排孔孔深分別為13.0m、9.0m。

4.2 分序灌漿

在灌漿施工時分兩期進行,一期應先鉆灌主排,再鉆灌副排孔。每排分二序鉆灌;先鉆灌第一序孔,采用"少灌多復"的方法。待第一序孔第3次復灌結(jié)束后,再進行第二序孔施工。

4.3 注漿方法

采用全孔封閉一次性孔底灌注方法。注漿管管腳下至孔底以上0.5m～1m處,使注漿管與孔壁緊密接觸。泥漿從注漿管下口壓出。不設阻漿塞,使?jié){液由下部逐漸向上升起,擠入壩體松散層。灌漿中第二次復灌以前盡量不使裂縫劈到壩頂,以便增加壩體的回彈力,加速泥漿的排水固結(jié)。如此反復灌注,直至灌飽并達到設計標準為止。

4.4 質(zhì)量控制

為了確定灌漿壓力與孔距,在灌漿前必須進行系統(tǒng)的灌漿試驗,最終確定合理的灌漿壓力和孔距。試驗段選擇在河床壩段,結(jié)合設計灌漿布孔要求,共布置了5個試驗孔。灌漿試驗的起劈壓力為0.2～0.4MPa,基本符合設計計算值。在灌漿施工中采取了如下幾點控制措施:

①孔口壓力控制在孔口設計灌漿壓力以內(nèi)。

②單孔單次吃漿量不超過1.0m3/m/次,采用少灌多復辦法,總灌漿量不限制。

③單孔灌漿次數(shù)不少于5次。

④壩頂裂縫寬度和壩坡位移不超過2cm。

⑤灌漿材料配制必須達到設計標準。

⑥每次灌漿的裂縫和壩體的位移回彈比不能小于0.5。

4.5 終灌標準

經(jīng)輪灌后,達到以下條件即可停止灌漿:

①壩頂新的橫向和斜向裂縫不再出現(xiàn);

②注漿管孔口零壓力持續(xù)5天不再出現(xiàn)負壓;③最上一段縱向裂縫連續(xù),泥漿齊壩頂。

4.6 封孔

終灌后,注漿孔用泥漿密度大于15kN/m3的稠漿灌滿,漿面下沉后再灌,直至漿面不再下沉為止,最后填土夯實。

5 灌漿質(zhì)量檢查

灌漿結(jié)束后,根據(jù)灌漿實際情況在壩體灌漿部位選布3個有代表性的點,即裂縫寬度最大的位置挖探坑檢查,發(fā)現(xiàn)兩排注漿孔均已形成了連續(xù)的漿體防滲帷幕,距壩頂1.5m處泥墻厚度為19cm,距壩頂2.5m處泥墻厚度為23cm,呈自上而下逐漸增厚的趨勢,工程質(zhì)量達到了設計要求。

6 結(jié)語

當土壩存在填筑質(zhì)量普遍不好,壩體外部有裂縫、塌陷、浸潤線和出逸點過高,甚至下游壩坡出現(xiàn)散浸、有明顯的滲漏或壩體內(nèi)部有較多隱患現(xiàn)象時,宜首先考慮采用劈裂灌漿技術處理。當?shù)虊渭庸讨饕且蕴岣呓Y(jié)構(gòu)整體質(zhì)量目的時,鉆孔布置宜采用雙排或多排布孔形式。

劈裂灌漿技術主要適用于處理存在壓實質(zhì)量差、有裂縫、洞穴、水平夾砂層等隱患的土壩及結(jié)構(gòu)性較強的粉細砂及加砂層透水地基。應用劈裂灌漿技術時,應視工程的具體情況,采取相應的施工工藝措施,這樣才能取得良好的工程效果。

隨著劈裂灌漿技術的發(fā)展,目前該項技術已用于軟土地基的加固和樓房的糾偏。采用劈裂灌漿技術可改善軟土的性質(zhì),使其變得致密而堅硬,提高軟土地基的承載能力;對于建筑物因不均勻沉降而產(chǎn)生的傾斜,也可以利用劈裂灌漿技術使傾斜的基礎復位。

1 白永年等著《中國堤壩防滲加固新技術》中國水利水電出版社,2001,11.

2 《土壩壩體灌漿技術規(guī)范》(SD266-88).