劈裂灌浆在黑石头水库防渗加固中的应用

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摘要：云南省曲靖市麒麟区黑石头水库采取劈裂灌浆技术进行防渗处理，在灌浆中采用了适宜的施工程序、工艺和方法，严格控制施工质量。加固后防渗效果明显，取得了很好的经济效益和社会效益。

关键词：劈裂灌浆 水库 防渗加固 应用

1 工程概况

黑石头水库位于曲靖市麒麟区越州镇老吴村委会，距越州镇13km，距离麒麟城区46 km。地处珠江流域西江水系南盘江支流大沙河上游。该水库始建于1989年1月，1990年5月加高培厚，1991年11月竣工。坝轴长220米，坝高13.0米，为均质土坝。但在续修加高培厚时，新老坝体结合部处理不当，加之填筑质量较差，坝体加高6m建成蓄水后，新老坝体接合部便开始出现带状渗漏，其总渗漏量为45L/S。涌泉状集中出水点达8处之多，并在新老坝体接合部附近区域形成550m2的散浸区，对水库大坝安全构成严重威胁。为彻底消除工程隐患，经多方案论证，拟采用劈裂灌浆方案。2012年3～5月，采用劈裂式帷幕灌浆对大坝进行防渗加固处理。

2 灌浆工艺

2.1 灌浆机理

劈裂灌浆是利用最小主应力面和坝轴线方向一致的坝体应力分布规律，根据土体水力劈裂的原理，顺坝轴线方向布孔，在灌浆压力下以适宜的浆液为能量载体，有控制地劈裂坝身。在钻孔底部将坝体沿小主应力面（即坝轴线方向）首先劈裂，在灌浆压力作用下，裂缝沿自重应力与主应力差值较大的纵轴线方向迅速发展，自然形成自下而上的纵向劈裂。在裂缝未延及坝顶之前，其周围为一封闭空间，浆液在自重和灌浆泵压力作用下沿裂缝周围土体孔隙、裂隙、孔洞或软弱夹层内渗透、填充，通过低压浆液的不断有效灌注，形成铅直连续的防渗泥墙，堵塞裂缝、孔隙或切断软弱层，以达到防渗加固的目的。劈裂式帷幕灌浆法对于加固坝体，防止坝体渗漏有较好效果，比较适合施工土质差，碾压不密实的坝体防渗加固。鉴于黑石头水库隐患的实际情况，采用此法较好。其做法是采用单排沿坝轴线直线布孔方式，孔距5m，孔深以穿过新筑坝体深入老坝体不低于3m为宜。灌浆时由下而上，少灌多复；泥浆由稀到稠，循序渐进；压力由大到小，灵活掌握。这样，可较好地处理灌浆中出现的冒浆、串浆、滑坡、局部隆起等问题，使灌入的泥浆沿坝轴线形成一道帷幕，达到改善坝体质量、防止渗漏的目的。

2.2 灌浆设计

考虑到黑石头水库新筑坝体质量普遍较差，填土不密实，因而采用水泥黏土劈裂灌浆，在坝体内部形成一道水泥黏土防渗帷幕，堵塞漏洞、裂缝，切断软弱层，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，提高坝体变形稳定性。

2.2.1 灌浆孔布置

劈裂灌浆孔沿坝轴线布置，单排孔，采用两序孔，第一序孔距10m，第二序后成孔距为5m，孔深9m左右。共布置劈裂孔45个。

2.2.2 灌浆材料

水泥采用强度等级32.5R普通硅酸盐水泥，所采用水泥必须新鲜，其细度要求通过80um方孔筛，其筛余量不大于5%。每批水泥进场应有出厂合格证，水泥检验单，没有合格证或检验单的拒收。

灌浆用水泥必须符合规定的质量标准，不得使用受潮结块的水泥。且水泥不得存放过久，出厂期超过三个月的水泥不得使用。

灌浆用粘土取自库区附近红粘土料场，使用前采取土样进行分析试验后确定使用，土料要求满足：塑性指数不小于14、粘粒含量不低于25%、含砂量不大于5%、有机质含量不大于3%。经取样送云南博泰工程质量检测有限公司进行化验，其结果为：塑性指数21.4、粘粒含量45.7%、含砂量2.6%、不含有机质，完全符合灌浆用土料要求。

2.2.3 浆液配比

为加速泥浆硬化，浆液采用1：2（水泥：粘土）混合浆灌注，浆液比重为1.2、1.3、1.35、1.4、1.45、1.5g/cm六个比级。灌浆开始采用稀浆，比重为1.2，当坝体被劈开后，采用稠浆，浆液比重为1.5左右。

2.2.4 孔口压力计算

在灌浆全面铺开前，选定5个先导孔进行现场灌浆试验，以确定灌浆孔深、灌浆压力、施工工艺和参数等。通过先导孔灌浆试验，灌浆起灌压力为0.1Pa，逐渐加压，灌浆压力为0.2MPa。坝顶劈裂缝一般沿坝轴线方向展开，最大缝宽控制在25mm以内，产生过大的裂缝应停灌，停灌后12个小时或24小时观察裂缝应闭合，否则灌浆的压力就大了，对坝体土产生了破坏作用，故灌压大小应根据裂缝展开宽度来控制。

2.3 灌浆施工

2.3.1 灌浆机械的选择

造孔机械采用XY-2PC地质钻机，造孔孔径为75mm，108mm套管大径止浆。灌浆主要机械设备有：BW-250/50型双缸泥浆泵2台，WJ100型打浆机1台，潜水泵2台，195柴油发电机1台，输浆管若干。

2.3.2 造 孔

首先按设计要求布孔，然后按序进行造孔，造孔应保证铅直，偏斜不得大于1.5%。造孔应采用干法，不得用清水循环钻进。

造孔分两个工序进行：先打一序孔，孔距10m，计23个，进尺207.0m；一序孔灌浆结束后，再在一序孔中间插入二序孔，孔距5m，计22个，进尺198.0m，最终孔距为5m。

2.3.3 制浆

采用泥浆搅拌机制浆。在顺流左岸坡肩处挖一个泥浆过滤池、一个泥浆池，用WJ100型打浆机制备水泥黏土浆，制成浆液经2mm网筛过滤后流入泥浆池。

2.3.4 灌浆

灌浆采用循环式孔底注浆全孔灌注的方法。灌浆开始采用稀浆，经过3～5min后加大泥浆稠度；在灌浆中，应先对第一序孔轮灌，采用“少灌多复”的方法，待第一序孔灌浆结束后，再进行第二序孔灌浆，每次最大灌浆量应按6m左右控制，每孔灌浆5次，每次间隔5d；灌浆过程中，坝顶裂缝小于2.5cm，坝肩处横向水平位移小于3cm。

2.3.5 灌浆结束标准及封孔

当坝顶裂缝连续5次冒浆，坝顶裂缝又基本连成一线时，即可认为灌浆结束。灌浆结束后，将注浆管拔出，注满容重大于1.5g/cm3的稠泥浆，如果浆面下降，可继续灌注稠浆，直至浆面升至坝顶不再下降为止。

3 灌浆过程中遇到的问题及分析处理

3.1 在灌浆过程中，坝体转弯处及右坝肩出现异常裂缝（斜、横向裂缝），经分析，是由于坝体原施工质量差，坝体局部应力复杂，尚未形成主应力。出现异常裂缝后立即停灌，待坝体应力得到一定程度调整，过一段时间后再灌。若第二次复灌时仍出现异常裂缝，改在帷幕线上游处沿裂缝布孔，按照多孔轮灌的方法灌注稠浆堵住裂缝。待处理好后再进行老孔灌浆。

3.2 灌浆过程中，内外坝坡冒浆现象频繁，挖开冒浆出口，用粘性土料回填夯实；钻孔周围冒浆，采用压砂处理，而后再继续灌浆；本次劈裂灌浆，迎水坝坡水下冒浆六次，分析即为新老坝体结合部渗漏通道，采用稠浆间歇灌注后不再冒浆。

4 灌浆监控及效果

观测工作由于直观性，能及时掌握灌浆中出现的问题，了解坝身变化及施灌效果，且有利于指导灌浆施工，并应做好现场施工记录工作，动态观测灌浆过程中的各种变化，如劈裂缝的宽度、长度、方向的变化、坝坡的鼓起范围和高程、局部平面位移、各孔吃浆量等。

灌浆过程中应进行中间质量检查和最终质量检查，如实填写各种原始记录，并及时做出整理分析，对发现的问题应及时进行处理。通过对观测记录分析，孔间劈裂缝的搭接率在80%以上，局部段达到100%，缝宽一般为5mm～20mm，最宽的达到25mm，平均单孔吃浆量为5.14m3，平均单位孔深吸浆量0.55m3/m，最大单孔吃浆量为18.9m3（坝后最大集中漏水点与该钻孔位置基本对应），吃浆量大的灌浆孔说明其周围存在较大的洞穴，即有渗水通道。

灌浆结束后，随机挖深2.5m、长3.0m、宽1.5m的深坑2个，从探坑剖面可以清晰看到，防渗帷幕顺直连续，深坑中劈裂缝由灌浆孔贯通到了坝顶，浆脉清楚，浆液固结体密实，帷幕厚度20-30mm，最厚达42mm，灌浆效果明显，达到了坝体防渗加固的目的。

5 结束语

在灌浆施工过程中，均严格按照《施工方案》和《土坝坝体灌浆技术规范》进行施工。经有关部门对施工质量进行监督和抽样检查，工程的布孔、造孔、工艺操作、浆液性能、综合控制情况、各孔终止灌浆均达到标准，封孔、灌浆中出现的问题及其处理，基本上符合设计要求，灌浆后坝体形成一道防渗帷幕，灌浆效果较好。灌浆结束一年后坝后潮湿、渗漏现象消失，并经受高水位检验，运行至今状况良好。

劈裂灌浆是坝体防渗加固的一种常用方法，在黑石头水库防渗加固中效果较好，施工速度快，工程造价低，对新老坝体结合部处理不彻底及坝体与山体接合部位能进行有效的填充加固。

参考文献：

[1]白永年、刘宪奎著.土坝坝体和堤防灌浆.北京：中国水利电力出版社，1985.

作者简介：

蔡晓永 男 工程师