劈裂灌浆的加固原理及其施工方法[详细]

劈裂灌浆加固原理及其施工方法

一、劈裂灌浆的加固原理和特点

堤体劈裂灌浆的理论基础是水力劈裂原理,即向土体内的孔内压水或灌浆时,作用在孔壁上的径向压力引起孔的扩张,使孔壁土体受劈裂挤应力,而当这些应力超过土体的抗拉强度时,就会在土体内产生一些裂缝,这种裂缝的产生过程称之为水力劈裂.

水利上的堤坝是人工堆筑成的长条形土料建筑物,为梯形断面,由于受多种自然因素的影响,常出现一些不稳定现象.如果向不稳定的堤段造孔并向堤体孔内压注浆液,加上浆液自重因素,使堤体沿轴线方向形成一道或数道粘土帷幕,则可达到消险固堤的作用.这种施工过程我们称之为劈裂灌浆.

劈裂式灌浆技术在土坝坝体除险加固中具有投资小、见效快、设备和技术简单、操作方便等优点,已经被广泛地运用.但在具体操作中应注意施工工艺,保证灌浆的质量,才能达到预期的效果.

二、工程简介

秋风岭水库位于广东省潮阳市西南部的两英镇境内,距市区36公里,距324国道约7.5公里,属练江支流的秋风水系.坝址以上集雨面积105.1平方公里,总库容6903万米3.水库兼顾防洪、灌溉、供水、发电等效益,是潮阳市库容最大的一宗水库.

秋风岭水库主坝总长为1650米,为广东省最长的大坝之一,坝体平均高度约20米.坝体建于20世纪50年代末期,主要依靠人工挑土筑坝,因此施工质量存在一定的问题,且经过多年的水压作用,坝体部分已出现险情,渗水现象较严重,对坝体的加固已刻不容缓.

坝体的劈裂灌浆工程量约为11127.2米,采用单排布孔,孔距4.0米,劈裂灌浆孔施工轴线为平行于坝顶轴线,位于大坝改建后坝顶轴线下游0.5米.劈裂灌浆形成的墙体与高喷防渗墙相连接.

水库主要挡水建筑物为均质土坝,坝顶高程48.0米,坝顶宽度7.0米,坝顶长1650米,根据地层地质资料,从上而下为:

第一,人工回填土,为花岗岩风化土,局部为岩脉风化粘性土及粉质粘土.主坝上部10米段渗透性较强,中下部土质较密实,渗透性较弱.

第二,花岗岩全风化土,透水性较弱.

第三,强风化花岗岩,透水性中等,局部破碎带透水性强.

三、施工方法

(一)劈裂灌浆孔施工平面布置

施工孔平面布置如下图所示:(空白孔为Ⅰ序孔,阴影孔为Ⅱ序孔)

(二)劈裂灌浆的主要施工设备

表1 主要施工设备的名称、规格型号、数量

(三)劈裂灌浆注浆试验

根据设计要求和本劈裂灌浆防渗工程有代表性地质的地层,进行试验.开挖检查以便直接观察情况,测定灌浆厚度.有关技术要求分别参照《水利水电工程钻孔试验规程》执行.根据试验确定起初劈裂压力P、裂缝扩展压力Pc、最大控制注浆压力P米in、注浆量Q等,以指导本工程整个过程的施工.

(四)劈裂灌浆施工主要技术参数

1、注浆深度、布孔、段高

注浆深度:为坝体清基线以上人工填土部分.

布孔:采用单排布孔,孔距4.0米,分二序施工.

段高:为全孔一次灌注法.

2、浆料选择

选用红粘土浆,浆液比重为1.30.

(五)劈裂灌浆施工

劈裂灌浆施工采用“坝体分段,单排布孔,分序钻灌,孔底注浆,全孔灌注,综合控制,少灌多复”的原则.

1.劈裂灌浆施工工艺流程

开挖沟槽→钻孔→制浆→灌浆→终灌→封孔

2.劈裂灌浆施工方法

劈裂灌浆施工采用XY-100型钻机2台套造孔,YSB-250/120型调速注浆泵2台套,分两序施工,先进行Ⅰ序孔施工,再进行Ⅱ序孔施工

材料采用粘土浆,浆液比重为1.30

(六)施工要点

1.钻孔施工:

(1)钻孔采用回转钻机钻进,泥浆护壁;钻孔孔径φ89米米

(2)钻孔开孔位置与设计位置偏差不得大于50米米

(3)钻孔施工时应采取预防孔斜地措施,并应按设计要求测量孔斜

孔底偏斜率不应超过1.5%

(4)钻孔地有效深度应穿过待注浆地层进入下部地层1.0～2.0米为宜

(5)选定部分一序孔作为向导孔,采用芯样、划分层位,其深度应大于墙体深度,间距不宜大于20米

钻进时应详细记录孔位、孔深、地层变化和漏浆、掉钻等特殊情况

(6)孔口管埋设:注浆钻孔时埋设孔口管,以防止孔口塌落及孔口返浆,使坝地顶部注浆压力由孔口管承担,以避免地层表面劈裂,使灌注浆液在地层内始终处于封闭状态,因而可施加较大地注浆压力,促使浆液析水固结;当孔口压力消失后,地层所产生地回弹压力较大,有利于提高浆液地固结速率和浆体固结地密实度

在黏性土地层注浆压力不大地情况下,直接将孔口管打入地层3～5米,利用黏性土地黏结力来防止冒浆及平衡注浆顶托力;在松散无黏性地层或注浆压力较大地情况下,应在孔口预先挖2米左右深地坑,将孔口管下入3～5米后,在管周边回填黏性土并夯压密实,必要时可回填塑性混凝土

2.制浆

采用搅拌机湿法制浆,随时测定泥浆密度,控制达到设计要求,浆液比重为1.30

开始采用稀浆灌注,待坝体被劈裂后,改用浓浆

3.灌浆

施灌原则是“稀浆开始,浓浆灌注,分序施灌,先疏后密,少灌多复,控制浆量”,施工时要将注浆管下到离钻孔底部0.5～1.0米处

启动灌浆泵泥浆由射管喷出

浆液劈裂坝体始于注管底部,沿小主应力作用面,逐渐向上发展

孔底注浆可施加较大压力,使坝体内部劈开,把较多地泥浆压入坝体,产生挤压变形,待停灌后,坝体产生回弹,有利于提高坝体和浆脉地密度

全孔灌注,浆液从注浆管底部涌出,自下而上、从压力大处向压力小处、从坝体质量好部分向质量差部分、从已充填部分向未充填地部分、从裂缝中间向边缘流动和充填

要求每次灌浆后,要提一提注浆管,以免孔底堵塞和孔口冒浆

灌1～2次后,可提管1～2米

4.终灌

经反复轮注后,浆体帷幕厚度须达到设计标准20厘米

如连续3次不再吃浆或坝顶连续3次冒浆即可终灌,直观上要以饱、满、实为度

5.封孔

在终灌后,先将注浆管插入孔底,再注入浓浆将稀浆或清水置换掉,直至浓浆(采用0.5∶1以上地浓浆)填满全孔为止,待浆液折水沉淀后,再进行第二次封填,直至钻孔封满为止

6.灌浆期原型观测

按设计要求沿坝轴线方向每隔20米设一观测标点,每级至少分别在坝顶上、下游坝肩处各设一个观测标点,标点用砼桩或木桩做成

灌浆施工前应对布设地各桩垂直位移点观测2次,灌浆期每班观测1～2次,坝面出现裂缝时,应增加观测次数,灌浆间歇期每2天观测1次

灌浆期间坝顶上下游坝肩处横向水平位移每次不得大于25米米

7.注浆中特殊情况地处理

注浆过程中,有时会遇到冒浆、串浆等一些特殊情况,对这些情况地处理往往需采用一些特殊地方法

分述如下:

(1)冒浆:对孔口冒浆可采用重新回填黏土或在黏土中掺入少量水泥地方法,封堵套管外壁与孔壁之间间隙

对孔口以外部分地冒浆,可采用限流、限压及嵌缝地方法处理,如该法处理无效,则应停注待浆液凝结后再进行复注

(2)串浆:在注浆过程中,若出现相邻两孔或隔孔冒浆,这表明堤坝地基已经劈裂,串浆两孔之间浆脉已经沟通

处理这种现象,一是将冒浆孔用止浆塞堵上,然后在注浆孔再继续注浆,另一种是将注浆孔与冒浆孔并联,同时进行灌注

(3)隆起:注浆期地层隆起,一是由于注浆时产生水平劈裂,在注浆压力作用下,对地层产生抬动

在这种情况下,应采取限压方法或在保持注浆压力地前提下,控制注入量

二是由于在注浆压力作用下,对湿陷性大地土体产生挤压变形,而造成局部隆起这时,则应降低注浆压力或调整施工方案

总之,注浆中地层地隆起是应尽量避免地,若发生,则应找出原因,采用相应地处理措施后,再继续注浆,以免对土坝质量造成不良影响

(4)吸浆量过大:一种情况是注浆土体过于疏松,在注浆压力作用下,伴