劈裂式灌浆技术在小型水库除险加固工程中的应用

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摘要：劈裂式灌浆技术由于具有投资小、见效快、设备和技术简单、操作方便等优点，在小型病险水库出险加固工程已经被广泛采用。劈裂灌浆是运用坝体应力分布的规律，将坝体沿坝轴线方向劈裂，同时灌注适合的泥浆，形成铅直连续的防渗泥墙，堵塞漏洞、裂缝或切断软弱层，以提高坝体的防渗能力，同时通过浆、坝互压和湿陷，使坝体内部应力重新分布，提高坝体的变形稳定性，从而达到除险加固的效果。

关键词：小型水库；劈裂式灌浆；除险加固；甸苴坝水库

一、工程概述

甸苴坝水库位于通海县河西镇汉邑办事处水磨村至曲陀关办事处甸苴坝村，属珠江流域南盘江水系。水库始建于1957年6月，于1959年12月完工。水库最大坝高28m，坝顶长198m，控制径流面积19.24km2，总库容408万m3，属小（一）型水库。灌溉农田0.5万亩，承担下游汗邑、大回、小回、甸心、代文、解家营、石碧等村委会和新蒙乡，共有人口17264人，耕地16000多亩及通海至玉溪高等级公路和玉蒙铁路的防洪任务。因受当时施工条件所限，水库在建设过程中大坝清基不彻底，坝土回填不密实，施工碾压不均匀，坝体存在严重的坝体渗漏、坝基渗漏和绕坝渗漏。1970年1月5日，通海发生7.8级地震，造成上游坝坡滑坡，坝体出现多条裂缝，震后对滑坡部位进行了简单的人工整形处理。1995年及1997年坝体外坡再次出现多条裂缝及隆起，为避免发生滑坡，对外坡进行了翻压赔厚处理。2009年2月玉溪市水利局组织专家对大坝安全评价报告进行了评审，甸苴坝水库大坝评定为三类坝。属急需进行除险加固工程，在除险加固未实施之前，必须强化工程安全监测、控制水库运行管理。为消除水库运行的安全隐患，最大限度发挥水库应有的社会效益和经济效益，必须对水库进行除险加固。

二、工程病害分析及加固措施

通过实地踏勘现场，分析坝体渗漏的因素主要是：一是因为大坝建设时基础处理不彻底和土料填筑质量不高。甸苴坝水库工程始建于上世纪50年代，坝体填筑主要靠人工挑、挖、夯实，施工工艺落后，技术标准较低，坝基处理时未能有效清除腐殖层及风化层，同时也没有采取必要措施。二是由于白蚁的危害，白蚁活动时间长，洞穴路径深，路线复杂，危害最大。为了彻底解决大坝的渗漏问题，根据水库的工程实际，结合近年来通海在其它水库除险加固的施工经验，甸苴坝水库除险加固工程拟采用劈裂灌浆。

三、灌浆设计

（1）灌浆帷幕孔的布置、长度及深度确定

帷幕灌浆孔拟定沿原坝轴中心线布设单排孔，孔距2m。幕长：以正常高水位与两坝肩相对隔水层顶板线交点之间长度为帷幕长度，全长202m。幕深：钻孔深度13.7m～56.9m，幕深插入相对隔水层5m。

（2）灌浆材料

坝土部分采用水泥：粘土=1：4（重量比），冲洪积层（包括接触段）采用水泥：粘土=1：1混合浆，基岩段使用纯水泥浆。水泥：采用425#普通硅酸盐水泥，要求过4900孔筛余量不大于5%，水泥需附出厂合格证明，过期、受潮、结块的水泥不得使用。

粘土：要求塑性指数不低于17，粘粒含量（d〈0.005mm〉不低于45%，有机质含量不大于3%，含砂量小于10%。

水玻璃：备用材料，耗浆量大或特殊段封堵时使用。按水泥用量的2～3%加入。

四、灌浆施工工艺

采用纯压式，坝土由下至上，基岩由上至下分段灌浆法进行灌注，先施工先导孔，进行取心和压（注）水试验，摸清大坝坝体和坝下基岩的渗透情况，结合灌浆试验，得到合理的孔距、孔深、帷幕长度及压力取值，为灌浆设计提供合理依据。结束后，施工单位提供其主要成果资料，并对灌浆设计进行调整，修改及补充完善。其它孔按Ⅲ个次序，逐渐加密的原则进行施工。

（1）钻进及冲洗要求

坝土：用反循环钻进，孔内残留岩芯和沉淀不超过20cm，不允许冲洗孔。

基岩：可适量送水钻进，达到设计孔深后要冲洗孔。冲孔时间不少于20分钟，直至回水变清为止。钻孔过程中要详细记录见基岩深度，孔内坍塌及漏水等现象。

（2）段长及灌前压（注）水试验

井口管下达深度为2～8.7m，基岩段长一般为5m，坝土段长为5～7m。

（3）灌浆前压（注）水试验

Ⅰ序施工的钻孔，灌浆前坝土作注水试验，基岩作压水试验，Ⅱ、Ⅲ序孔按孔数的50%作试验既可。注水试验水头值比坝顶抬高1.5m，压水试验压力值按灌浆压力的0.6倍使用。

压水前必须严格检查管脚止水封闭效果及压水设备的安装质量。流量表等安装规格应符合规范要求，使用压力应在压力表最大标值的1/3～1/4之间，压力表在使用前必须进行灵敏性及准确性检查，指针应归零。灌浆射管必须下到距孔底0.5m处。压水采用3个压力点5个阶段。严禁用浑水作压（注）水试验。压入流量的稳定标准为：a：当流量大于5L/min，连续四次读数，其最大值与最小值之差小于最小值的10%；b、当流量小于5L/min，连续四次读数，其最大值与最小值之差小于最小值的20%；c、连续四次读数流量均小于0.5L/min，以连续四次读数合格为准。每次读数时间间隔为5min，稳定持续时间30min。

压（注）水试验应作好原始资料记录。资料整理必须按不同次序进行整理分析。q值计算采用q=Q/LS公式进行。Q=压入稳定流量，S=全压力，L=段长。

（4）灌浆压力选择及浆液调配

① 灌浆压力：坝土部份的灌浆压力按经验取值暂定为：孔深每增加1m，压力递增0.1～0.15kg/cm2，且计算到灌浆段的中部，计算出的压力为井口压力。基岩压力选用大坝基础灌浆压力公式计算即

P全=P0+mD

式中：P全――灌浆全压力（kg/cm2）

P0――表面地段允许的压力（kg/cm2），采用0.5kg/cm2；

m――灌浆段顶板在岩石中增加1m，允许增加的压力值，取值0.25～0.3（kg/cm2）；

D――灌浆段顶板以上岩层之厚度（m）。

在施灌过程中，通过先导孔和Ⅰ序孔的成果进行调整，得出符合工程实际的压力值。

压力值控制：在施灌过程中，对吃浆小的灌段，采用一次升压法；对吃浆大的灌段，采用三级升压法（04P、07P、P），以延缓坝面出现裂缝时间，提高灌浆效果。如发现坝面开裂和冒浆，裂缝控制长不超过8m，宽不超过2cm，裂缝过宽坝土则失去了对浆液的回弹作用。如裂缝的产生不超过上述规定，并经过裂缝的处理工作，可继续施灌，并按正常灌浆工作结束。但一经产生裂缝，必须调浓浆液施灌，保证用浓浆填满裂缝直至溢出地表为准。同时可采用间歇灌浆法，间歇时间2小时，间歇灌5次以上。灌浆过程中，在上下游各设一排位移观测桩，观测坝体的变形现象，灌浆施工情况必须如实、准确、清晰的记录，并对资料及时整理分析。

② 浆液浓度的使用变换

浆液的配制：水泥、粘土混合浆液采用湿法制浆法配制，即先将粘土用水浸湿，投放在搅拌桶中机械搅拌成粘土原浆，经筛过滤、沉淀、清除杂质后，放入储浆中储存备用。灌浆时先测定粘土原浆比重，根据事先计算好的配制表按选定的浆液比级及用料量，将水、水泥、粘土原浆顺序投放在制浆桶中制成水泥、粘土混合浆液，校对浓度符合要求后，即可使用。

浆液使用：遵循稀浆起灌，逐级变浓，直至结束的原则，不能因储浆池浆液不够或不能调浓等客观原因降低所需浆液比重等级，或灌了浓浆再降低为稀浆等反常现象。设计使用的浆液水灰比（重量比）有5：1、3：1、2：1、1.5：1、1：1、0.6：1、0.5：1等8个比级。其中以3：1、2：1、1：1为优质浆，施灌中力求优质浆多灌。

浆液稠度的变换采用限量法变换。每一级浓度的浆液灌入1000～1500L后，灌浆压力不变，吸浆量没有改变或改变不明显，则变稠一级灌注，如此逐级变浓至结束。灌浆施工过程中，如坝内劈裂（劈裂的标志为吃浆量加大，孔口压力表指针维持在一低压值左右摆动，甚至产生负压），调浓浆液灌注，如果吃浆不变，压力逐级上升或压力不变，吃浆逐渐减少时，不得改变浓度，以该浓度级灌至结束。起灌浓度，根据岩层q值大小选择，如下表：

③ 灌浆结束标准

无劈裂情况时在规定的灌浆压力下，灌段单位吸浆量≤1升/分，延续30min，灌浆即可结束。在有劈裂情况下，降低压力用浓浆复灌5次以上，直到浓浆从裂缝溢出地表并保证坝土段平均单注量达到700kg/m方可结束。

④灌浆过程殊情况的处理

冒浆、串浆处理：在正常灌浆过程中，若地表冒浆，邻孔串浆，立即堵塞地表裂缝及串浆孔，用浓浆低压力，间歇灌等方法处理。如再冒再串用浓浆封堵后，待下次扫孔复灌。

⑤机械事故和停电等不正常现象处理：由于机械事故和停电不正常结束孔段，必须尽快复灌。恢复灌浆时开始用稀浆灌注，吸浆量与中断前相似，可采用中断前的浆液比重，浆液逐渐加浓。若吸浆量较中断前减少很多，且在极短时间内停止吸浆，则认为不合格，必须扫孔复灌或返工补孔补灌。

⑥ 封孔：

全孔灌浆结束并经验收合格后，及时做好封孔工作。封孔时采用比重1.4以上的混合浆，将钻杆下到孔底，用灌浆机送入浓浆，浓浆自孔底徐徐上升将孔内积水顶出孔外，直至浓浆注满孔内，孔口不再下沉为止。要求每个钻孔灌浆结束后五日内封孔完毕，不得拖延。

五、帷幕灌浆施工成果分析

（1）单注量及透水率

各次序孔单注量及透水率递减情况如下表

单位注入量及透水率递减情况表

从单位注量及灌前压水试验频率曲线及频率累计曲线可以看出，随灌浆次序的加密，幕体已渐渐形成，单位注入量及透水率递减明显，说明灌浆介质的可灌性较好。

（2）灌浆前后渗透剖面对比

根据Ⅰ序孔灌前压水试验及检查孔压水试验透水率值绘制的帷幕灌浆前后渗透剖面图，从图中可以看出，灌浆范围内岩体已由原来的透水体变成灌浆后的相对隔水体，连续的防渗帷幕已形成，达到了灌浆施工的目的。

六、结语

工程实际运用表明，大坝劈裂灌浆是一项有效处理病险土坝安全隐患的实用技术，与其它技术相比，具有投资小、见效快、设备和技术简单、操作方便等优点，目前已经被广泛的运用。但在具体操作中应注意施工工艺，灌浆压力的控制及尽量做到少灌多复或内劈外不劈用以保证灌浆的质量，才能达到预期的效果。

参考文献：

[1]《土坝坝体劈裂灌浆技术》 白永年 关德斌等编著 水利电力出版社，1987年

[2]《大坝基岩灌浆》 孙钊编著 水利水电出版社，2004年

[3]《土坝灌浆技术规范》 中国电力出版社，2010年