孫　寧，林云生

(1.水利部農(nóng)村電氣化研究所，浙江杭州310012；2.水利部農(nóng)村水電工程技術(shù)研究中心，浙江杭州310012；3.寧?？h大佳何鎮(zhèn)水利站，浙江寧海315600)

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水泥膨潤土在組合防滲結(jié)構(gòu)壩體裂隙灌漿中的應(yīng)用

孫寧1,2，林云生3

(1.水利部農(nóng)村電氣化研究所，浙江杭州310012；2.水利部農(nóng)村水電工程技術(shù)研究中心，浙江杭州310012；3.寧?？h大佳何鎮(zhèn)水利站，浙江寧海315600)

浙江省寧?？h的力洋水庫在巡查中發(fā)現(xiàn)下游側(cè)壩頂混凝土預(yù)制塊之間裂縫出現(xiàn)逐漸增大趨勢，經(jīng)對裂縫的成因進(jìn)行調(diào)查分析，提出了處理方案，取得不錯的效果。圖3幅，表2個。

水庫；壩體裂縫；原因分析；處理方案

1　工程概況

浙江省寧海縣力洋水庫總庫容1 351.7萬 m3，是1座以供水為主，結(jié)合灌溉、防洪的中型水庫，大壩為混凝土防滲墻加粘土心墻砂殼壩，最大壩高31.9 m。力洋水庫于1979年完成一期工程， 2004年開始實施二期續(xù)建加固工程建設(shè)，并于2006年完成，二期加高的同時對一期壩體采用塑性混凝土防滲墻加固，防滲墻最大深度60.85 m；二期加高壩體采用粘土心墻，續(xù)建加固后壩頂高程為47.8 m，壩頂全長266 m。

2011年3月中旬，力洋水庫巡查發(fā)現(xiàn)壩頂0+118 m至0+195 m壩段下游側(cè)壩頂混凝土預(yù)制塊之間裂縫出現(xiàn)逐漸增大趨勢，特別是0+126 m至0+160 m壩段裂縫變化顯著，最大裂縫寬度有10 mm左右。經(jīng)對0+135 m斷面開挖檢查，發(fā)現(xiàn)心墻頂部下游側(cè)部位存在寬8 mm沿壩軸線方向的縱縫，深度4 m左右，縫寬自上而下由寬變窄。

經(jīng)南京水利科學(xué)研究院對裂縫成因分析，庫水位在42.61 m以下運行，壩體防滲效果正常，但庫水位超過42.61 m后，0+090斷面存在異常，其他部位防滲效果正常。滲流分析庫水位下降速度應(yīng)控制在1 m/d以內(nèi)，通過穩(wěn)定分析，各工況下安全系數(shù)均能滿足規(guī)范要求。雖然裂縫的存在并不影響壩體的穩(wěn)定，但裂縫的存在有可能影響防滲效果；因此有必要實施水庫壩體心墻裂縫處理，以消除裂縫來提高土體間的抗剪強(qiáng)度及防滲性能。

2　裂縫探查及施工方案的確定

2.1裂縫調(diào)查情況

裂縫處理前必須掌握裂縫的分布、性狀等，但對土體中的裂縫目前尚沒有有效的無損檢測方法，只能開挖檢查。

為查明裂縫分布，首先清除壩頂預(yù)制混凝土塊及粘土心墻上部碎石層，沿壩頂心墻每10 m左右采用人工開挖1條1 m寬的橫槽檢查裂縫分布情況。發(fā)現(xiàn)裂縫時，沿著裂縫灌入墨水，再沿裂縫走向開挖檢查，選取裂縫最寬處進(jìn)行探井開挖，再結(jié)合每隔10～25 m間距的探坑開挖等措施，查明裂縫的深度、寬度、走向等情況。檢查過程中對裂縫進(jìn)行全面編錄，經(jīng)過全面探查，裂縫分布情況如下：

共查明4條裂縫(分別用裂縫LF1、LF2、LF3、LF4表示)，分別位于壩軸線上游1.1 m至軸線下游0.7～1.0 m；裂縫出現(xiàn)在大壩樁號0+044～0+215之間，均為沿壩軸線的縱縫，局部為平行裂縫密集帶，未發(fā)現(xiàn)貫穿性的橫向裂縫；裂縫面較光滑局部有鐵錳質(zhì)渲染現(xiàn)象，頂面最大裂縫縫寬約2～5 mm，探明裂縫深度約4 m左右，斷面揭示裂縫從上到下基本呈閉合狀(見圖1)。

圖1裂縫探查及測量

2.2裂縫成因分析

探查發(fā)現(xiàn)裂縫基本分布于大壩3個部位：防滲墻上游側(cè)面部位附近(位于壩軸線上游1.15 m處)、防滲墻下游側(cè)面附近(位于壩軸線上游0.35 m處)、壩頂下游外側(cè)相對較松軟的部位，局部有裂縫密集帶。

分析裂縫產(chǎn)生原因：由于二期續(xù)建加固工程混凝土防滲墻的施工，導(dǎo)致一期大壩土體中滲入較多水分，土體承載力降低；而二期大壩加高填筑對一期壩體的壓載，由于混凝土防滲墻與土體的不均勻變形造成沿防滲墻兩側(cè)出現(xiàn)沉降變形裂縫，因此產(chǎn)生了LF1、LF2兩條主體縱縫(壩頂表面局部因土質(zhì)關(guān)系發(fā)展出多條平行狀裂縫)。而LF3、LF4是由于壩頂下游外側(cè)土體較壩中部粘土心墻相對松軟，在外力壓拉作用下不均勻變形產(chǎn)生的裂縫；尤其是樁號0+135附近約14 m寬的范圍內(nèi)，土體變形較大，壩頂產(chǎn)生2～5 mm的裂縫；同時該部位因土體牽引等作用于壩頂表面產(chǎn)生4～5條平行裂縫的密集帶(見圖2)。

3mm。80mm,BP?

圖2壩頂裂縫位置分布

綜上所述，力洋水庫壩頂裂縫主要是由于多種因素形成了不均勻沉降的變形裂縫，裂縫位于二期加高的壩體中上部，無深層貫穿。裂縫一旦產(chǎn)生會因壩體土含水量的多少、水庫蓄水位的高低而影響裂縫的變化，直至穩(wěn)定。

2.3裂縫處理方案

(1)灌漿方案確定

結(jié)合類似工程處理經(jīng)驗，采用壩體裂縫灌漿+淺層裂縫開挖回填的方案進(jìn)行處理。首先實施灌漿試驗孔，以確定灌漿參數(shù)和檢驗標(biāo)準(zhǔn)。灌漿試驗孔布置在壩軸線附近的裂縫密集帶和裂縫開展度最大的地段，沿裂縫布置，最大灌漿壓力要求不得大于劈裂灌漿壓力(即0.1 MPa)。

(2)漿液配合比試驗

作為土壩裂縫灌漿，力洋水庫的灌漿材料需滿足以下要求：漿液固結(jié)體低強(qiáng)、塑性，盡量與土體匹配；漿液為真溶液，固化后全部成漿體，無水等附產(chǎn)物；漿液要有足夠的流動度，以保證進(jìn)漿效果；漿液要有足夠的可灌性，能灌注0.3 mm級裂縫；漿液凝固后，有一定的微膨脹，與周圍介質(zhì)能夠緊密結(jié)合，達(dá)到灌漿后壩體的整體性；地處水源保護(hù)地，漿液必須無毒，以防止可能泄漏對水質(zhì)的危害。

綜合以上分析，選擇水泥膨潤土作為裂縫灌漿材料，但需要進(jìn)行比重、粘度、膠體率等試驗來選取最合適的漿液配合比。通過選取9種不同比例的漿液進(jìn)行試驗，得出了各種配合比漿液性能(見表1)。

表1　不同比例的漿液配合比

注：外加劑摻量為水泥用量的XX%。

配置漿液的原則是選取合適的比重，再添加不同比例的外加劑(高效泵送劑)來控制合適的粘度，經(jīng)過試驗：當(dāng)水土比小于1.25時，攪拌桶會因粘土漿的粘度太大而無法攪拌；水土比大于1.75時，漿液的比重若要控制到密度大于1.3時，需加入較多的水泥、添加劑才能提高漿液的密度，且土和水?dāng)嚢韬?，再加入減水劑，其粘度會有所增加(通過試驗，“膨潤土∶水=1∶1.5”的漿液中加入減水劑后其粘度為42 s，而不加減水劑粘度為34 s)。

水泥比例含量越高，加入減水劑的變化越明顯，從表1可知水泥與膨潤土的比例為1∶3時減水劑加入相對較少，水泥比例小的漿液只有多加入減水劑才能配置到合適粘度的漿液。試驗顯示由于粘土顆粒的較大吸附作用，造成水泥粘土漿減水劑的加入量相對于混凝土中的加入量(一般2%左右)要增加較多，以上配比的漿液膠體率均大于95%(見圖3)。

圖3漿液終凝后的試驗樣品

試驗結(jié)果顯示，當(dāng)水與膨潤土比例在1.25～1.75之間，水泥與膨潤土比例在0.2～0.33之間，可以配制出合適的水泥粘土漿，漿液的比重與粘度滿足灌漿要求。因此，綜合考慮攪拌、結(jié)石體硬度、密度、添加劑用量等多方面因素，選取“水泥∶膨潤土∶水=1∶3∶5”的混合漿液最適合本工程的施工；此時漿液密度測量值為1.30～1.35，粘度為32～45 s，漿液可灌性良好；但隨著灌漿時間延長，攪拌桶內(nèi)的漿液粘度有增加的現(xiàn)象，漿液會變得越來越濃。

(3)灌漿試驗

針對裂縫位置進(jìn)行干法造孔，孔口下入1根套管進(jìn)行塞橡塞灌漿，開灌表壓力為0.05 MPa時，進(jìn)漿量約4 L/min；當(dāng)壓力增加到0.15 MPa時，裂縫不斷增大，縫寬從1 mm增大到5 mm，并有漿液從孔兩邊裂縫冒出；暫停處理(開挖回填)后繼續(xù)灌漿，再次于孔右邊約2 m范圍出現(xiàn)冒漿，縫寬從1 mm擴(kuò)大到5 mm，壓力減小到0.05 MPa灌漿，裂縫再次冒漿后結(jié)束灌漿。

在試驗孔灌漿部位進(jìn)行開挖檢查，發(fā)現(xiàn)裂縫中充滿水泥粘土漿液，且密集帶部位多條裂縫也是充滿漿液的?？梢娡ㄟ^灌漿，裂縫已完全被充填，達(dá)到了試驗的目的。

3　裂隙灌漿處理施工

3.1施工工序控制

根據(jù)灌漿試驗結(jié)果，并經(jīng)參建單位及有關(guān)專家充分商議，力洋水庫心墻裂縫處理方案為：對現(xiàn)有裂縫進(jìn)行充填灌漿，孔深至混凝土防滲墻頂部80 cm(即42.3 m高程)，沿混凝土防滲墻頂部軸線位置進(jìn)行全壩段劈裂灌漿，孔深至混凝土防滲墻頂即41.5 m高程。選擇水泥∶膨潤土∶水=1∶3∶5的配合比進(jìn)行灌漿，漿液粘度為30 s左右，密度在1.3～1.36之間；灌漿水泥采用42.5普通硅酸鹽水泥，膨潤土選取杭州仇山漂土有限公司的酸性白土，高效減水劑選用浙江老虎山建材有限公司的TOR704高效泵送劑。

充填灌漿孔距為2.0 m，劈裂灌漿孔距為3.0 m，灌漿分Ⅰ、Ⅱ序孔鉆灌，采用自上而下灌漿法灌漿施工。施工中為保證水泥漿液的擴(kuò)散半徑和可灌性，先選用粘土稀漿開灌，后再用水泥粘土漿進(jìn)行灌漿，這樣更容易使裂縫最大限度的灌入漿液。

灌漿壓力：充填灌漿允許表壓力為0.05 MPa，劈裂灌漿壓力控制在0.05～0.15 MPa之間。

灌漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)、待凝：在設(shè)計壓力下若灌漿至漿液有冒出，經(jīng)過開挖回填壓實后，繼續(xù)灌漿漿液依然有冒出，則結(jié)束灌漿。實際施工在開挖回填繼續(xù)灌漿后，若再次于裂縫出現(xiàn)冒漿則結(jié)束灌漿；或若裂縫在增大，待壓力回落后續(xù)灌，漿液仍有冒出，可結(jié)束灌漿；這說明該處裂縫已填滿漿液，滿足設(shè)計要求。

3.2質(zhì)量檢查

(1)力洋水庫的裂縫處理共實施充填灌漿83只孔，進(jìn)尺390.1 m；劈裂灌漿87只孔，進(jìn)尺466.9 m。灌漿質(zhì)量檢查主要以開挖檢查及灌漿成果分析為主要手段，灌漿結(jié)束后，由建設(shè)各方及質(zhì)監(jiān)部門聯(lián)合進(jìn)行現(xiàn)場開挖檢查。經(jīng)現(xiàn)場隨機(jī)檢驗，所開挖的各檢查段水泥粘土漿均充滿裂縫。

(2)灌漿成果分析。全壩壩段劈裂灌漿單位孔深灌入干土量>50 kg/m的有33段，占總段數(shù)的38%；單位孔深灌入漿量113.5 L/m?，F(xiàn)場檢查劈裂灌漿基本有漿液從壩頂或擋浪墻底部冒出，局部有多條裂縫，且裂縫基本縱向相連。從壩頂裂縫冒漿情況顯示，在劈裂灌漿時，裂縫位置處有漿液冒出；說明在進(jìn)行劈灌時，漿液已灌入該裂縫，達(dá)到充填的效果(見表2)。

表2　劈裂灌漿幕厚統(tǒng)計

4　結(jié)　語

力洋水庫作為1座混凝土防滲墻加粘土心墻組合防滲體結(jié)構(gòu)的中型水庫，其壩體心墻開裂機(jī)理雖較為復(fù)雜，但是通過采用水泥膨潤土混合漿液的裂隙灌漿處理，使裂縫得到充分的填充，同時對壩體起到一定程度的補(bǔ)強(qiáng)作用。

力洋水庫壩體心墻裂縫處理工程于2012年5月15日開工， 2013年4月12日全面完工，為了進(jìn)一步觀察灌漿效果，壩頂一直未鋪設(shè)彩磚。經(jīng)過3 a的運行觀察，未發(fā)現(xiàn)有新的裂縫產(chǎn)生，證明了該水庫采用水泥膨潤土混合漿液實施裂隙灌漿處理的施工方案是非常成功的。

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責(zé)任編輯吳昊

2016-08-15

孫寧(1975-)，男，工程師，主要從事水利工程監(jiān)理工作。E_mail: nsun@hrcshp.org