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【摘要】龙王寺水库除险加固,对坝体心墙和坝基的渗漏分别进行劈裂灌浆和帷幕灌浆防渗处理,使水库大坝渗漏问题得到了有效解决。
【关键词】大坝 除险加固 劈裂灌浆 帷幕灌浆施工技术
中图分类号: TV42 文献标识码: A 文章编号:
1工程概况
龙王寺水库位于河南省信阳市浉河区东双河镇杜河村南约1.5公里处,淮河水系浉河支流杜河上,是一座以防洪、灌溉为主,结合水产养殖等综合利用的小(1)型水库。于1965年8月动工兴建,1966年5月建成投入运行,长期运行后出现坝体、坝基渗漏,坝肩绕渗,为了大坝安全对大坝进行防渗灌浆处理。
2工程地质
龙王寺水库流域属于低山区,海拔高程在98.5~128.4之间,坡度角一般在15~300;由西南向东北倾斜,大坝位于两山之间的一条冲沟之上,植被良好,低山丘陵风化剥蚀和人为破坏作用严重。表层岩、土疏松, 水土流失严重; 枯水期, 水库补给源很少,沟内仅有少量地下水沿两侧谷底以散状和小股状泉水形式补给;丰水期,大量雨水汇集,库容量猛增。
2.1坝基
坝基为石英片岩强风化带,裂隙发育,岩石破碎,建库时未对岩基裂隙做工程处理,深度约2.0~5.0m,大部分钻孔压水试验透水率7
【关键词】大坝 除险加固 劈裂灌浆 帷幕灌浆施工技术
中图分类号: TV42 文献标识码: A 文章编号:
1工程概况
龙王寺水库位于河南省信阳市浉河区东双河镇杜河村南约1.5公里处,淮河水系浉河支流杜河上,是一座以防洪、灌溉为主,结合水产养殖等综合利用的小(1)型水库。于1965年8月动工兴建,1966年5月建成投入运行,长期运行后出现坝体、坝基渗漏,坝肩绕渗,为了大坝安全对大坝进行防渗灌浆处理。
2工程地质
龙王寺水库流域属于低山区,海拔高程在98.5~128.4之间,坡度角一般在15~300;由西南向东北倾斜,大坝位于两山之间的一条冲沟之上,植被良好,低山丘陵风化剥蚀和人为破坏作用严重。表层岩、土疏松, 水土流失严重; 枯水期, 水库补给源很少,沟内仅有少量地下水沿两侧谷底以散状和小股状泉水形式补给;丰水期,大量雨水汇集,库容量猛增。
2.1坝基
坝基为石英片岩强风化带,裂隙发育,岩石破碎,建库时未对岩基裂隙做工程处理,深度约2.0~5.0m,大部分钻孔压水试验透水率7
2.2坝体
大坝为粘土心墙砂壳坝,坝体填筑料主要由低液限粘土组成, 稍密, 局部含风化砂颗粒夹层及灰褐色有机质粘土,呈可塑状, 孔隙发育。填筑质量局部稍差,最大干密度1.68 g/cm3,平均干密度1.58 g/cm3,干密度部分未达设计要求。钻孔注水试验检查,心墙填筑土料渗透系数在5.21×10-4~2.34×10-5cm/s之间。长时间运行后局部含砂或碾压不密实部位在库水逐渐渗透下,使局部渗透系数增大,在心墙中形成渗透通道,带走坝体中颗粒,使坝坡出现空洞造成坍塌以及下游坝坡出现渗水。
3防渗方案选择
水库地处山区进场道路狭窄、弯曲,交通不变,不能满足大型设备进出,稍大型设备不能进行作业,水库流域面积大,雨季洪水大,汛期安全影响较大。大坝为粘土心墙砂壳坝,坝长210.0m,坝顶高程116.0m,,最大坝高17.2m,坝顶宽3.2m, 心墙顶部高程114.3m,防浪墙高0.8m、宽0.7m。综合分析后确定在坝体心墙采用劈裂灌浆防渗处理,桩号0+000~0+040基岩渗漏部位采用帷幕灌浆处理。施工顺序为先进行劈裂灌浆,再进行坝肩部位的帷幕灌浆。
土坝坝体的应力分布,一般情况,在坝轴线附近土坝的竖向应力 σy略小于土柱的自重压力,横剖面的水平应力σx比竖向应力σy小,纵剖面的水平应力σz介于σx和σy之间,土坝坝体压应力一般符合σy>σz>σx的规律。根据土坝坝体的应力分布情况,利用水力劈裂原理,在坝轴线附近沿小主应力(σx)面布置灌浆孔,并控制泥浆压力使坝体沿轴线方向劈裂并反复灌注泥浆,灌入的浆液部分充填与劈裂缝相连的裂隙、洞穴、疏松土体,部分沿劈裂裂缝向上充填、扩散,逐步形成防渗泥墙。经过多次反复灌浆,劈裂充填——间歇,坝体相应出现劈裂——回弹后,通过泥浆的劈裂充填作用、浆坝互压作用、坝体湿陷固结作用等在坝轴线附近形成从下到上纵向连续的防渗泥墙。堵截渗漏,并使防渗泥墙附近的坝体得到充填和压密,改善坝体的渗透稳定和变形稳定性。
右坝肩桩号0+000~0+040m范围坝基岩石风化严重、裂隙发育,透水率最大106.7Lu,最小53.3Lu,平均透水率74.0Lu。存在明显绕渗现象,并在下游坝脚存在出水点,在该部位采用坝体钻孔埋设套管,基岩部位进行“孔口封闭,孔内循环、自上而下、分段灌浆”中压水泥灌浆,在坝基内形成帷幕有效截断坝基渗漏通道。
4劈裂灌浆施工
4.1 劈裂灌浆孔布置
大坝劈裂灌浆在全坝段沿大坝轴线两侧双排交错梅花形布孔,排距1.5m,单孔孔距3.0m,每排分两序施工一序孔孔距6.0 m,孔深标准为进入基岩0.5m,孔深范围2.6~17.8 m。
4.2灌浆方法及灌浆顺序
采用孔底注浆全孔灌注法,孔口封闭0~3 m,射浆管为管径Φ26mm钢管,下入孔内距孔底0.5 m以内。灌浆设备HB80单缸泵,采用“少灌多复”逐序加密法,分两排施工,每排分两序施工。先灌上游排后灌下游排,先一序孔再二序孔的顺序;两次灌浆间隔时间不少于5天,每孔灌浆次数不少于5次。每孔单次平均灌浆量以孔深计,每米孔深不超过1m3。
4.3钻孔
钻孔孔径为ф76mm。孔向铅直,钻孔采用泥浆冲洗、护壁,XY-2型地质回转钻机、硬质合金钻头钻进。 钻孔孔位偏差不得大于10cm,偏斜率不大于2%。
4.4灌浆材料、浆液
选用与坝体粘土材料性能较接近的库区附近低液限粘土,棕黃色,可塑状,粘粒含量26.5~28.7%,含水量20.00%,最大干密度为1.72g/cm3,液限34.1~34.5%,塑限15.2~17.6%,塑性指数16.5~19.3,渗透系数为3.1×10-6~4.2×10-5cm/s,渗透级别为微透水~弱透水。浆液性能满满足:密度1.2~1.6 t/m3,粘度20~70 s( 1006型漏斗粘度计),失水量10~30(mL/30min)。
稀浆浆液1.2~1.4g/cm3用于开灌及劈裂,稠浆1.4~1.6g/cm3进行充填挤密。灌浆过程坝坡冒浆进行处理时浆液中掺入适量水泥,掺量为干土质量的10~15%。加速浆液固结和提高浆液固结体强度。
4.5灌浆压力控制
灌浆压力参照以下公式确定:
式中: P ---劈裂灌浆控制压力kPa;
---坝体土的重力密度kN/m3;
H ---劈裂点以上的坝高m;
σt---坝体土的抗拉强度,由试验确定 kPa;
γ’---灌注浆液的重力密度kN/m3;
h---注浆管高度m。
理论劈裂压力0.2 MPa,考虑压力损失后参照理论压力及试验孔灌浆压力确定控制最大灌浆压力0.3 MPa,坝体裂缝宽度控制不大于3cm,坝体变形控制不大于3 cm。
灌浆过程坝体劈裂压力一般在0.1~0.2 MPa,坝顶裂缝0~1 cm,坝体变形均小于1 cm。
4.6灌浆结束标准及封孔
灌浆结束标准为坝体劈裂浆液已沿劈裂缝灌注至孔口,且连续复灌3 次不再吸浆,结束灌浆。
灌浆结束后进行封孔,取出灌浆管向孔内注满稠浆,孔内浆液面下降则继续灌注稠浆,直至浆液面升至孔口不再下降为止。
4.7特殊情况处理
施工过程中主要存在冒浆现象。有孔口冒浆、劈裂缝冒浆、坝坡冒浆。孔口冒浆主要由于上部2米代替料含有大量块石存在较大空隙,处理的方法是:在孔口周边开挖,回填细砂捣实,然后灌注。
坝顶冒浆若是前期冒浆,主要是因一次注浆量过大,一时容纳不下所致,处理方法是打开灌浆泵的回浆阀门,减少注浆量;若是后期冒浆,说明坝内已经灌饱,灌浆接近结束,发现反复冒浆即停灌,改灌其它孔。
坝顶劈裂缝大部分在灌浆轴线上,即坝体内部裂缝中的浆液面上升到接近坝顶时产生。在灌浆初期,有时一次灌浆量过大也会产生纵向裂缝。为了保证灌浆质量采取少灌多复的方法,每次灌浆控制裂缝的长度和宽度在规定的范围内(一般控制在宽度3cm,长度50m),裂缝的宽度和长度达到或超过规定的范围时,立即停止灌浆等待裂缝自行闭合。
5 帷幕灌浆施工
5.1灌浆方法
根据本工程的实际情况,帷幕灌浆采用钢套管隔离上部坝体粘土芯墙后进行,基岩部位采用中等压力“孔口封闭,孔内循环、自上而下、分段灌浆”的施工方法。
灌浆孔沿坝轴线进行双排梅花形布置,分序灌浆施工。排距0.8m,单孔孔距1.5m,一序孔孔距3.0 m,按照先下游排施工,再上游排,每排灌浆孔分二序进行加密灌浆施工,先施工一序孔,再施工二序孔。灌浆孔全部为铅直向,帷幕灌浆深度为伸入中等风化石英片岩3.0m。
5.2钻孔
帷幕灌浆孔开孔孔径Φ76mm,终孔孔径不小于Φ56mm,检查孔孔径为Φ76mm。灌浆孔孔位偏差不得大于10cm。灌浆孔及灌后检查孔坝体部分采用泥浆护壁钻进,在覆盖层钻孔完毕后,镶铸钢套管,钢套管直径Φ73mm,钢套管深入基岩0.2~0.5m。基岩钻孔在坝体部分镶注套管后采用清水冲洗金刚石钻头回转钻进,钻机为XY-2型地质回转钻机。
5.3裂隙冲洗及压水试验
每段基岩灌浆孔钻孔结束后均采用大水量进行钻孔冲洗,直至孔口回水澄清。裂隙冲洗压力为该段灌浆压力的80%,并不大于1.0MPa。
(1)简易压水试验:坝体下部基岩帷幕灌浆孔在灌前均进行简易压水试验,简易压水结合裂隙冲洗进行,压力为该灌段灌浆压力的80%,该值大于1.0MPa时,采用1.0MPa。压水时间20min,每5min测读一次流量,取最终值作为计算流量,其成果以透水率表示。
(2)单点法压水试验:试验孔及检查孔均采用单点法压水试验。压水压力为该灌浆段灌浆压力的80%,并不大于1.0MPa。压入流量的稳定标准为:在稳定的压力下每3~5min测读一次压入流量,连续四个读数中最大值与最小值之差小于最终值的10%,或最大值与最小值之差小于1L/min时,本阶段试验即可结束,取最终值作为计算流量。
5.4灌浆材料设备
(1) 水泥:灌浆采用P.O42.5级普通硅酸盐水泥,技术参数满足GB175-2007水泥规范要求。
(2) 水玻璃:模数2.4~3.0,浓度30~45波美度。
(3)灌浆设备:使用3SNS灌浆泵、高速搅拌制浆机、立式双桶储浆搅拌机、灌浆自动记录系统。
5.5浆液配比和变浆原则
水灰比:水泥浆液采用水灰比为2:1、1:1、0.8:1和0.5:1(重量比)四个比级。
灌浆浆液应由稀至浓逐级变换。浆液变换原则为:
(1) 当灌浆压力保持不变,注入率持续减少时,或注入率不变而压力持續升高时,不得改变水灰比。
(2) 当某级浆液注入量已达300L以上,或灌浆时间已达30min,而灌浆压力和注入率均无改变或改变不显著时,应改浓一级水灰比。
(3) 当注入率大于30L/min时,可根据具体情况越级变浓。
(4) 出现坝坡冒浆水泥浆不能有效封堵时,使用速凝浆液,在水泥浆液中加入速凝剂水玻璃,加快浆液凝结时间,加量为水泥重量的3~5%。
5.6灌浆压力灌浆段长
灌浆段长不大于5.0m,灌浆段长划分及灌浆压力见下表。灌浆注入率较大或有坝坡冒浆现象时采用低压力灌浆,注入率较小、没有冒浆现象时采用较大灌浆压力。
5.7 灌浆结束条件和封孔
灌浆结束条件为:在灌浆段最大设计压力下,注入率不大于0.4L/min后,继续灌注60min,或注入率不大于1.0L/min后,继续灌注90min,灌浆可以结束。
封孔:采用“全孔灌浆封孔法”。
5.8特殊情况处理
帷幕灌浆过程中,在漏水点部位发生冒浆现象,采用低压、浓浆、限流、限量、间歇灌浆等方法进行处理,以上措施效果不明显时采用加入水玻璃的速凝水泥浆液进行堵漏,渗漏点有效封堵后扫孔重新使用开灌比级的水泥浆液重新进行灌注。
6灌浆效果
灌浆防渗处理前大坝下游坡存在塌陷、渗水现象;右坝肩与坝体接触部位存在明显绕渗,附近有出水点。在库水位蓄至110m高程时,大坝下游坝坡及坝基渗漏在108.50m高程平台共汇集成13个明水渗漏,总渗漏量为45.6L/min。施工过程对渗漏量进行监测,劈裂灌浆灌上游排施工完成后,渗漏量减少至11.3L/min;劈裂灌浆下游排完成后,渗漏量减少至8.4L/min,渗漏点由13个减少到1个;坝肩帷幕灌浆完成后全部渗漏点全部干涸,再无明水渗漏。坝肩帷幕灌浆结束14天后在渗漏最严重部位进行了钻孔压水试验检查,基岩灌后透水率全部小于3Lu。
通过各阶段灌浆完成后渗漏量变化情况可以看出,劈裂灌浆上游排施工后基本解决了坝体渗漏问题,双排施工完成后坝体的渗漏量和渗漏点都得到完全解决,下游坡再无明显湿渗现象,灌后坝体的渗漏得到了明显改善,说明通过劈裂灌浆在坝体心墙中的浆脉形成了有效的防渗泥墙。坝肩部位通过帷幕灌浆解决了基岩绕渗,在基岩中形成了有效帷幕,基岩裂隙得到处理。整个大坝的渗漏得到了良好处理。
7结束语
灌浆施工便利,设备小,原材料运输方便,对道路、场地等硬件条件要求不高,施工中可以有针对性的处理渗漏,在小型病险水库的防渗处理中,特别在施工条件较差,道路、场地等条件较差的水库,对坝体和坝基分别进行劈裂灌浆和帷幕灌浆处理是比较理想的防渗方案能够有效解决大坝防渗问题。